التحول الثابت عند درجة الحرارة في الفولاذ: تكوين البنية الدقيقة والتحكم في الخصائص

التعريف والمفهوم الأساسي

يشير التحول الواصل إلى العملية التي يتحول فيها الأوستينيت، الطور المكعب المركزي ذو الجودة العالية ودرجة الحرارة العالية من الفولاذ، إلى مكونات ميكروية أخرى مثل الباينيت، البريدلايت، أو المارتنسايت عند ممارسته عند درجة حرارة ثابتة ضمن نطاق معين. يحدث هذا التحول تحت ظروف ثنائية ثابتة، مما يعني أن درجة الحرارة تبقى ثابتة أثناء تغيير الطور، مما يسمح بالتطور الميكروبيولوجي المُتحكم فيه.

على المستوى الذري، يستند الأساس العلمي الأساسي للتحول الواصل على آليات التحول والبراعم التي يقودها قوى الدفع الديناميكي الحراري. عندما يُبرد الأوستينيت إلى درجة حرارة يصبح فيها غير مستقر، يُحفز الفرق في الطاقة الحرة بين الأوستينيت والأنواع الناتجة الترتيبات الذرية. تتشكل مواقع البراعم حيث تتجمع الذرات لتكوين نواة مستقرة للأنواع الجديدة، والتي تنمو بعد ذلك بواسطة الانتشار الذري أو آليات القص، اعتمادًا على نوع التحول.

في علم سبائك الصلب، فإن فهم التحول الواصل أمر حاسم لأنه يمكّن من التحكم الدقيق في الميكروتركيب، وبالتالي الخصائص الميكانيكية. إنه يشكل أساس عمليات المعالجة الحرارية مثل الـ"أوستمبرينغ" والـ"باينيتايزيز"، التي تحسن القوة والصلابة ومقاومة التآكل. يدمج هذا المفهوم الديناميكا الحرارية، وال kinetics، والبلورات، ويعمل كركيزة في تصميم سبائك الصلب ذات أداء مخصص.

الطبيعة الفيزيائية والخصائص

التركيب البلوري

الميكروتركيب الناتج عن التحول الواصل يُظهر ميزات بلورية محددة. بالنسبة للبينيت، يتكون الهيكل من الفريت والكرمبيت، وهما طوران دقيقان على شكل إبر أو ألواح مرتبة في نمط خاص. عادةً ما تكون هذه الأطوار ذات بنية مكعبة مركزية (BCC) أو رباعية مركزية (BCT) في حالة الكرمبيت، مع ترتيب ذري يعكس حالته المستقرة أو غير المستقرة.

المارتنسايت، وهو ميكروتركيب آخر يُشكل خلال التبريد السريع يلي ذلك الاحتجاز عند درجة حرارة ثابتة، يتميز بدرجة تشبع عالية لتركيب BCC أو BCT. يتضمن ترتيبه الذري شبكة مشوهة مع إجهاد داخلي عالي، غالبًا ما يظهر على شكل إبر أو ألواح. العلاقة بين المارتنسايت والأوستينيت الأم تعتمد على اتجاهات معروفة تتبع علاقات التوجيه Kurdjumov–Sachs أو Nishiyama–Wassermann، التي تصف التوافق البلوري بين الأطوار.

البايريت، الذي يتشكل عند تبريد أبطأ، يتكون من شرائح متناوبة من الفريت والكرمبيت ذات بنية طبقية. يعكس ترتيب الذرات داخل هذه الشرائح علاقات الطور المتوازنة التي يحددها مخطط حالة Fe-C، مع ميل الشرائح إلى التوافق مع السطوح البلورية المحددة بهدف تقليل طاقة الواجهة.

الخصائص المظهرية

تختلف ملامح الميكروتركيب الناتج عن التحول الواصل اعتمادًا على نوع التحول ودرجة الحرارة. يظهر البينيت على هيئة هياكل ناعمة ودقيقة على شكل إبر أو شرائح، تتراوح أبعادها بين 0.1 إلى 2 ميكرومتر، وتوزع بشكل منتظم في جميع الصلب. غالبًا ما يُراه كمجموعة من الألواح أو الإبر الممتدة، مما يعطي مظهرًا على شكل إبرة تحت المجهر البصري أو الإلكتروني.

المارتنسايت يظهر كميزات على شكل شرائح أو ألواح، عادةً بعرض يتراوح بين 0.2 إلى 1 ميكرومتر، مع نسب ارتفاع عالية. يبدو الميكروتركيب كنمط كثيف على شكل إبر، غالبًا ما يظهر بمظهر لامع أو داكن حسب تقنية التمييز المستخدمة.

البيريت يظهر كطبقات متبادلة من شرائح الفريت والكرمبيت، مع مساحة بينية بين الشرائح تتراوح بين 0.1 إلى 0.5 ميكرومتر. عند المشاهدة بالمجهر، يبدو البيريت كسلسلة من الطبقات المتوازية أو المنحرفة قليلاً، مع مظهر مخطط أو مخطط مخطَّط. غالبًا ما تكون الخطوط أو الحزم واضحة بعد التمييز باستخدام مواد كاشفة مناسبة.

الخصائص الفيزيائية

تختلف الخصائص الفيزيائية المرتبطة بالميكروتركيب الناتج عن التحول الواصل بشكل كبير عن العناصر الأخرى. البينيت يوفر مزيجًا من القوة العالية والمتانة، مع كثافة تقترب من كثافة الفريت (~7.85 جم/سم³)، لكنه يزيد من الصلابة نتيجة للميزات الدقيقة للهيكل الميكروبيولوجي. يساوي ناقليته الحرارية تقريبًا ناقلية الفريت، لكن موصلية الكهرباء تنخفض بسبب وجود الكرمبيت.

المارتنسايت يُظهر صلابة عالية (حتى 700 HV)، وإجهاد داخلي عالٍ، وخصائص مغناطيسية بسبب تركيبته المشبعة عاليًا. كثافته مشابهة للفريت، لكن الضغوط الداخلية العالية تؤثر على سلوكياته الميكانيكية والمغناطيسية. ناقليته الحرارية منخفضة نسبياً، وعادةً غير موصل للكهرباء بسبب كثافة العيوب العالية.

البيريت له صلابة وسط وقوة، مع خصائص تقع بين الفريت والبينيت أو المارتنسايت. كثافته تقريبًا 7.85 جم/سم³، مشابهة للفريت، لكن تركيبته الطبقية تؤثر على سلوكه الميكانيكي، موفرةً قابلية انحناء جيدة ومتانه. الموصلية الكهربائية والحرارية أعلى من تلك الخاصتين بالبينييت والمارتنسايت، بسبب وسطه الفريتيني.

آليات التكوين وال kinetics

الأساس الديناميكي الحراري

يخضع تكوين الميكروتركيبات الواصل بناءً على استقرار الطور واعتبارات الطاقة الحرة. عندما يُبرد الأوستينيت أدنى من درجة حرارته الحرجة، يصبح فرق الطاقة الحرة بين الأنواع الجديدة (الباينيت، البريدلايت، المارتنسايت) أقل من تلك الخاصة بالأوستينيت، مما يوفر قوة دفع ديناميكي حراري للتحول.

يحدد مخطط الطور، خاصة مخطط حالة Fe-C، نطاقات درجة الحرارة والملوثات التي تكون فيها هذه الأطوار مستقرة أو غير مستقرة. عادةً، يتشكل الباينيت بين 250°C و550°C، حيث تحفز الفرق في الطاقة الحرة نواة الفريت والكرمبيت الباينتيتي. يتشكل المارتنسايت عبر تحول قصي غير منتشر عند درجات حرارة أقل من Ms، حيث يصبح الأوستينيت غير مستقر ديناميكيًا ويتحول بسرعة إلى طور BCC أو BCT مشبع.

kinetics التكوينية

تشمل kinetics التحول الواصل عمليات النواة والنمو. تحدث النواة في مواقع محددة، مثل حدود الحبوب، والانزلاقات البلورية، أو الميزات الميكروية الموجودة، حيث تدعم الترتيبات الذرية المحلية تكوين أطوار جديدة. يعتمد معدل النواة على درجة الحرارة، والتشبع الزائد، وتوفر مواقع النواة.

تتنوع آليات النمو: يتشكل الباينيت عبر نمو موجه بالانتشار للفريت والكرمبيت، والذي يتطلب انتقال الذرات عبر مسافات قصيرة. يعتمد معدل النمو على درجة الحرارة، مع تفضيل درجات حرارة أعلى لانتشار أسرع وهياكل ميكروية أكثر خشونة. يتقدم التحول المارتنسايتي عبر آلية القص، حيث تنتقل الذرات بشكل جماعي بدون انتشار، مما يؤدي إلى تحول سريع غير منتشر.

تشمل خطوات التحكم في المعدل الانتشار الذري للبينييت والبريدلايت، و التحول القصي للمارتنسايت. تختلف طاقات التنشيط وفقًا لذلك، مع ارتفاع الطاقات لكل من الباينيت والبريدلايت نتيجة لمتطلبات الانتشار، في حين يتشكل المارتنسايت مع أدنى طاقة تنشيط بمجرد الوصول إلى درجة حرارة Ms.

العوامل المؤثرة

تلعب العناصر المضافة دورًا هامًا في تكوين واستقرار الميكروتركيبات الواصل. الكربون، والمنغنيز، والسيليكون، وعناصر أخرى تعدل حدود الطور ومعدلات الانتشار. على سبيل المثال، يعمل السيليكون على قمع تشكل الكرمبيت، مما يفضل الميكروتركيب الباينتيتي، بينما يمكن أن يقلل التآلف مع النيكل أو الكروم من استقرار بعض الأطوار.

عامل المعالجة مثل درجة الحرارة، ومدة الاحتجاز، ومعدل التبريد ضروري. تفضيلات درجات حرارة الاحتجاز على درجة حرارة أعلى تؤدي إلى هياكل أكثر خشونة، في حين أن درجات الحرارة الأقل تنتج باينيت أو مارتنسايت أدق. حجم حبوب الأوستينيت السابق يؤثر على مواقع النواة وسرعة التحول، مع تكوين حبوب أدق يروج لتركيب أكثر توحدًا.

الهياكل الميكروية الموجودة مسبقًا، مثل الفريت أو البريدلايت السابق، تؤثر على سلوك النواة من خلال توفير مواقع مواتية أو معوقات. حجم الحبوب الأولي وكمية الانزلاقات تؤثر أيضًا على معدلات التحول والميكروتركيب النهائي.

نماذج رياضية وعلاقات كمية

يوصف معادلة جونسون-ميل-أفرامي-كولوموغ (JMAK) حركية التحول:

$$X(t) = 1 - \exp(-k t^n) $$

حيث:

• ( X(t) ) هو نسبة الحجم المُتحول في الزمن ( t )،
• ( k ) هو ثابت المعدل، يعتمد على درجة الحرارة،
• ( n ) هو أس أفرامي، يتعلق بآليات النواة والنمو.

يتبع ثابت المعدل ( k ) اعتمادًا على درجة الحرارة بنمط أرانيوس:

$$k = k_0 \exp \left( -\frac{Q}{RT} \right) $$

حيث:

• $k_0$ هو عامل ما قبل الأسي،
• $Q$ هو طاقة التنشيط،
• $R$ هو ثابت الغازات العالمي،
• $T$ هو درجة الحرارة المطلقة.

تمكن هذه المعادلات من التنبؤ بتقدم التحول مع مرور الزمن عند درجات حرارة معينة، مما يسهل تصميم العمليات.

النماذج التنبؤية

تُستخدم نماذج حسابية مثل محاكاة الحقل الطوري وحسابات الديناميكا الحرارية المعتمدة على CALPHAD للتنبؤ بتطور الميكروتركيب أثناء التحول الواصل. تدمج هذه النماذج البيانات الديناميكية الحرارية، ومعاملات الانتشار، وطاقة الواجهة لمحاكاة ظواهر النواة، والنمو، والتخشن.

تدمج نماذج kinetics مع معادلة JMAK ومعادلات الانتشار لتوقع حجم الميكروتركيب، وتوزيعه، ونسبته الحجمية. كما تأخذ النماذج المتقدمة في الاعتبار تأثيرات العناصر المضافة، والميكروتركيب السابق، والإجهادات الخارجية.

تشمل القيود افتراضات التوحيد في معدلات النواة والنمو، وتجاهل التفاعلات المعقدة، والكثافة الحسابية. ومع ذلك، توفر النماذج رؤى قيمة لتحسين معايير المعالجة الحرارية.

طرق التحليل الكمي

يشتمل التحليل المعدني الكمي على قياس نسب حجم الطور، وتباعد الشرائح، وأبعاد الميكروتركيب باستخدام المجهر الضوئي، والمجهر الإلكتروني المراحل، أو الميكروسكوب الإلكتروني الناقل. تؤتمت برامج تحليل الصور القياسات، وتوفر بيانات إحصائية عن معلمات الميكروتركيب.

تُقدِّر تقنيات السطوحة ثلاثية الأبعاد الميزات الميكروية ثلاثية الأبعاد من صور ثنائية الأبعاد، وتستخدم نماذج إحصائية لاستنتاج توزيعات الحجم والنسب الطورية. تشمل الطرق القياسية عد النقاط، ومقاطعة الخطوط.

يعزز المعالجة الرقمية للصور والخوارزميات التعليمية الآلية الدقة والانتظام، مما يتيح تحليلًا واسع النطاق لتباين الميكروتركيب وارتباطه بالخصائص الميكانيكية.

تقنيات التصنيف

طرق المجهر

يكشف المجهر الضوئي، بعد التمييز المناسب (مثل نيتال، بيكرال)، عن الشكل العام للميكروتركيبات الواصل. يظهر البينيت كمشابه لهياكل إبرية دقيقة، بينما يظهر البيريت كطبقات متتالية. يتطلب إعداد العينة الصقل لتحقيق سطح مرآة والتمييز لتعزيز التباين بين الأطوار.

يوفر المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) صورًا عالية الدقة، تتيح ملاحظة دقيقة لميزات الميكروتركيب، وحدود الأطوار، وتوزيع الكرمبيت. يعزز التصوير بواسطة الإلكترونات المرتدة تباين الأطوار، مما يسهل التعرف على الطور.

يقدم المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) دقة على مستوى الذرة، مما يمكّن من تحليل هياكل الانزلاق، وواجهات الطور، والعلاقات البلورية. يحتاج التخفيف للعينة عبر الطحن بالأيون أو التقطيع الدقيق لصنع عينات للـTEM.

تقنيات الانكسار

تحدد حيود الأشعة السينية (XRD) الأطوار بناءً على قمم الانكسار الخاصة بها. تظهر ميكروتركيبات الباينيت قمم تتوافق مع الفريت والكرمبيت، مع مواقع ودرجات عزيمات محددة. يظهر المارتنسايت قمم عريضة ومتحورة نتيجة لتشوه الشبكة وتشبعها العالي.

يوفر حيود الإلكترونات في TEM معلومات عن التوجيه البلوري على مستوى النانومتر، ويؤكد هوية الطور والعلاقات التوجيهية. يمكن استخدام حيود النيوترونات لتحليل الأطوار في الحجم الكلي، خاصة في العينات المعقدة أو الكبيرة.

التحليل المتميز

تمكن تقنيات التصوير عالية الدقة وتقنيات التعلم الآلي من تحسين الدقة والتكرار، مما يسمح بتحليل واسع النطاق للتباين الميكروتركيبي والارتباط مع الخصائص الميكانيكية.