316 مقابل 316L - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 316 و 316L هما من أكثر الدرجات الأوستنيتية شيوعًا المستخدمة في الصناعات المعالجة والبحرية والكيميائية والطبية. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بوزن التبادلات بين مقاومة التآكل وقابلية اللحام والقوة والتكلفة عند تحديد أحدهما أو الآخر. تشمل سياقات القرار النموذجية التجميعات الملحومة حيث تكون مخاطر التآكل بعد اللحام مصدر قلق، والأجزاء المحتوية على ضغط التي تتطلب قوة عائد أعلى، أو المكونات المرسومة عميقًا حيث تكون اللدونة مهمة.

التمييز الفني الرئيسي بين الاثنين هو محتوى الكربون: يحتوي 316L على مستوى كربون أقصى أقل عمدًا مقارنةً بـ 316 القياسي. هذا الاختلاف في الكربون يؤدي إلى اختلافات في القابلية للتحسس أثناء اللحام وخدمة درجات الحرارة المرتفعة، وينتج عنه اختلافات متواضعة في الخصائص الميكانيكية وسلوك التشكيل. نظرًا لأن محتويات الكروم والنيكل والموليبدينوم متشابهة بخلاف ذلك، فإن الدرجتين غالبًا ما تكونان قابلة للتبادل من حيث مقاومة التآكل ولكنها تختلف عندما تكون متطلبات اللحام والميكانيكا هي المحركات السائدة.

1. المعايير والتسميات

• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (ورقة/لوحة)؛ ASTM A312 (أنبوب)؛ ASTM A276 (بار) — التسميات الشائعة UNS S31600 (316) و UNS S31603 (316L).
• EN: EN 1.4401 (316) و EN 1.4404 (316L) هي تسميات أوروبية شائعة.
• JIS: SUS316 / SUS316L (المعايير الصناعية اليابانية).
• GB: GB/T 20878 / GB/T 3280 (قائمة المعايير الوطنية الصينية تحتوي على تركيبات مشابهة).

التصنيف: كل من 316 و 316L هما فولاذان مقاومان للصدأ (مقاوم للصدأ) — ليسا فولاذين كربونيين، ولا فولاذ أدوات، ولا HSLA. يتم تصنيفهما كسبائك أوستنيتية مقاومة للتآكل مع الموليبدينوم لتحسين مقاومة التآكل مقارنةً بـ 304.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

الاختلاف الأساسي في التركيب هو الحد الأقصى للكربون؛ العناصر الرئيسية الأخرى المضافة متشابهة. نطاقات التركيب النموذجية (تمثيلية؛ استشر المواصفة المعمول بها لحدود القبول):

عنصر	316 (نموذجي/نطاق المواصفة)	316L (نموذجي/نطاق المواصفة)
C (wt%)	≤ 0.08 (أقصى)	≤ 0.03 (أقصى)
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	≈ 16.0–18.0	≈ 16.0–18.0
Ni	≈ 10.0–14.0	≈ 10.0–14.0
Mo	≈ 2.0–3.0	≈ 2.0–3.0
V	trace/controlled	trace/controlled
Nb / Ti	not intentionally added (unless specified)	not intentionally added (unless specified)
B	trace	trace
N	≤ 0.10 (depends on spec)	≤ 0.10 (depends on spec)

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكروم (Cr): يوفر الفيلم السالب لمقاومة التآكل العامة ومقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية. - النيكل (Ni): يثبت البنية المجهرية الأوستنيتية ويحسن المتانة وقابلية التشكيل. - الموليبدينوم (Mo): يزيد من المقاومة للتآكل المحلي (التآكل النقطي وتآكل الشقوق) في البيئات المحتوية على الكلوريد. - الكربون (C): يزيد القوة قليلاً (صلب-حلول وتصلب الكربيد) ولكن عند مستويات أعلى يعزز ترسيب كربيد الكروم (التحسس) عند 450–850 درجة مئوية، مما يستنفد الكروم المجاور لحدود الحبيبات ويزيد من خطر التآكل بين الحبيبات. - العناصر الثانوية مثل النيتروجين يمكن أن تعزز القوة ومقاومة التآكل النقطي؛ يتم استخدام النيوبيوم (Nb) أو التيتانيوم (Ti) أحيانًا لتثبيت الكربون (منع التحسس) في المتغيرات المحددة بشكل خاص.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

كل من 316 و 316L هما أوستنيتيان بالكامل (مكعب مركزي الوجه) بعد العمل الساخن/البارد التقليدي والتسخين. سلوك البنية المجهرية النموذجي:

• حالة المعالجة الحرارية: مصفوفة أوستنيتية موحدة مع كميات صغيرة محتملة من الفيريت دلتا اعتمادًا على التركيب ومسار التبريد. قد تكون الكربيدات (M23C6) موجودة إذا تم تعرض المادة لدرجات حرارة تحسسية لفترة كافية وإذا كان الكربون موجودًا.
• التحسس: 316 القياسي (الكربون الأعلى) أكثر عرضة لترسيب كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات بعد التعرض لنطاق التحسس (حوالي 450–850 درجة مئوية)، مما يمكن أن ينتج عنه تآكل بين الحبيبات. محتوى الكربون المنخفض في 316L يقلل بشكل كبير من ترسيب الكربيد، مما يحتفظ بالكروم في الحل الصلب المجاور لحدود الحبيبات.
• المتغيرات المستقرة: عندما يتم إضافة Nb أو Ti عمدًا (مثل 316Ti، 316Nb)، فإنها تربط الكربون ككربيدات مستقرة أو كاربونيتريدات وتقلل من خطر التحسس حتى مع كربون أعلى.
• المعالجة الحرارية: هذه الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية لا تتصلب بواسطة المعالجات التقليدية للتبريد والتسخين. يتم استخدام التسخين الحلولي متبوعًا بالتبريد السريع لحل الكربيدات واستعادة مقاومة التآكل. الممارسة القياسية: تسخين الحل عند ~1,020–1,120 درجة مئوية متبوعًا بالتبريد بالماء (استشر المواصفة للحصول على درجات الحرارة الدقيقة).

أثر المعالجة الحرارية الميكانيكية: - العمل البارد يزيد من كثافة الانزلاق ويقوي المادة؛ بعد ذلك، يستعيد التسخين اللدونة ويذيب الترسبات إذا تم إجراؤه عند درجات حرارة التسخين الحلولي. - التشوه الثقيل مع التعرض غير الصحيح للحرارة يمكن أن يسبب التحسس في 316 ولكنه أقل إشكالية بالنسبة لـ 316L.

4. الخصائص الميكانيكية

الخصائص الميكانيكية النموذجية المعالجة حراريًا قابلة للمقارنة، حيث يظهر 316 عمومًا قوة عائد وقوة شد أعلى قليلاً بسبب محتوى الكربون الأعلى؛ بينما يظهر 316L عادةً لدونة أكبر قليلاً. القيم أدناه تمثل نطاقات معالجة حرارية نموذجية — تأكد دائمًا من قيم التصميم من شهادة المواد الخاصة بالمورد أو المواصفة الحاكمة.

الخاصية (معالجة حرارية، نموذجية)	316	316L
قوة الشد (ميغاباسكال)	~480–620 (نموذجي)	~485–620 (نموذجي)
قوة العائد (0.2% انزياح، ميغاباسكال)	~200–260 (نموذجي)	~170–240 (نموذجي)
التمدد (نسبة مئوية، في 50 مم)	≥ 40% (نموذجي)	≥ 40% (نموذجي) — غالبًا أعلى قليلاً
صلابة التأثير (شاربي V، درجة حرارة الغرفة)	جيدة — تعتمد على المنتج والحرارة	جيدة — قابلة للمقارنة أو أفضل قليلاً بسبب انخفاض C
الصلابة (HB)	~80–200 (تعتمد على تصلب العمل)	~70–200 (تعتمد على تصلب العمل)

التفسير: - القوة: عادةً ما يظهر 316 قوة عائد وقوة شد أعلى قليلاً مقارنةً بـ 316L في نفس الحالة بسبب مساهمة الكربون في القوة. - اللدونة/المتانة: الكربون المنخفض في 316L يحسن قليلاً من اللدونة ويقلل من خطر هشاشة حدود الحبيبات؛ في الأجزاء الملحومة أو المعالجة بالبرد بشكل كبير، غالبًا ما يُفضل 316L من أجل المتانة. - بالنسبة للخدمة عند درجات حرارة منخفضة جدًا أو عند درجات حرارة منخفضة جدًا، تحتفظ كلتا السبيكتين بمتانة أوستنيتية، لكن أرقام المتانة الدقيقة تعتمد على شكل المنتج والمعالجة الحرارية.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام هي عامل حاسم متكرر بين 316 و 316L.

الاعتبارات الرئيسية: - الكربون والتحسس: يزيد الكربون الأعلى في 316 من خطر ترسيب كربيد الكروم في منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء اللحام، مما يمكن أن يؤدي إلى تآكل بين الحبيبات. يقلل الكربون المنخفض في 316L من هذا الخطر. - قابلية التصلب وتصدع منطقة اللحام HAZ: الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية ليست عادةً عرضة للتصدع البارد الناتج عن الهيدروجين، ولكن يجب إدارة التصدع الساخن والضغط والتشوه؛ يتطلب كل من 316 و 316L مواد تعبئة ذات كيمياء متطابقة لأداء تآكل مثالي. - المعالجة الحرارية بعد اللحام: يمكن أن يستعيد التسخين الحلولي مقاومة التآكل عن طريق إذابة الكربيدات، لكنه غير عملي للعديد من المكونات المصنعة؛ اختيار 316L يتجنب الحاجة إلى PWHT فقط لتخفيف التحسس.

مؤشرات قابلية اللحام الشائعة (للتفسير، لا يوجد استبدال عددي هنا): - معادل الكربون IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ يشير انخفاض $CE_{IIW}$ عمومًا إلى قابلية لحام أسهل لتجنب التصلب في الفولاذ؛ بالنسبة للفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية، هذا دليل نوعي فقط. - مؤشر قابلية اللحام للتآكل النقطي (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ هذا المؤشر مفيد لتقييم القابلية للتآكل بين الحبيبات بعد اللحام في الفولاذات المقاومة للصدأ.

التفسير النوعي: - يُفضل 316L للهياكل الملحومة ذات السماكة الثقيلة، وأنابيب العمليات الكيميائية، والخزانات حيث يكون التعرض المطول لدرجات الحرارة في نطاق التحسس أو التآكل بعد اللحام خطرًا. - بالنسبة للأقسام الرقيقة أو التجميعات التي تتعرض لحد أدنى من التعرض لدرجات الحرارة العالية، قد يكون 316 مقبولًا؛ يمكن أن تحد إجراءات اللحام التي تحد من إدخال الحرارة والتبريد السريع من مخاطر التحسس. - اختيار مادة التعبئة: عند اللحام، استخدم مادة تعبئة متطابقة أو مكافئة منخفضة الكربون (مثل، مادة تعبئة 316L لمادة قاعدة 316 عندما تكون مقاومة التآكل في HAZ حرجة).

6. التآكل وحماية السطح

• سلوك مقاوم للصدأ: يعتمد كل من 316 و 316L على فيلم سالب غني بالكروم لحماية عامة من التآكل. نظرًا لأن محتويات الكروم والموليبدينوم متشابهة، فإن مقاومة التآكل النقطي والتآكل في الشقوق في البيئات المحتوية على الكلوريد قابلة للمقارنة نظرًا لوجود حالة معدنية متكافئة.
• PREN: لتقييم مقاومة التآكل النقطي، يتم استخدام رقم مقاومة التآكل النقطي بشكل شائع: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ لدى 316 و 316L قيم PREN مشابهة لأن الموليبدينوم والكروم متشابهان؛ يمكن أن تؤدي التغيرات أو الإضافات النيتروجينية إلى تغيير PREN بشكل كبير.
• عندما تكون قيم PREN أو مؤشرات التآكل المحلية الأخرى منخفضة بالنسبة لبيئة الخدمة (مثل، تركيز الكلوريد العالي، درجة الحرارة المرتفعة)، قد تكون الفولاذات الأوستنيتية المزدوجة أو الفولاذات ذات السبائك الأعلى أو سبائك النيكل مطلوبة.
• حماية السطح للفولاذات غير المقاومة للصدأ: غير قابلة للتطبيق على 316/316L لأنها مقاومة للصدأ. بالنسبة للفولاذات الكربونية، سيتم مناقشة المجلفن، والطلاء، أو الطلاءات.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: تعمل الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية على تصلب بسرعة وتكون أكثر صعوبة في التشغيل من الفولاذات الكربونية الشائعة. تتمتع 316 و 316L بقابلية تشغيل مشابهة؛ يمكن أن تكون 316L أسهل قليلاً بسبب القوة الأقل قليلاً وأقل تصلب في بعض العمليات.
• قابلية التشكيل: تعطي قوة العائد المنخفضة في 316L والميول المنخفضة للتحسس بعد عمليات التشكيل ميزة للتشكيل العميق، والدوران، والتشكيل المعقد حيث من المحتمل أن يكون اللحام أو التعرض للحرارة بعد التشكيل.
• تشطيب السطح: تأخذ الدرجتان تشطيبات سطحية مشابهة؛ يعتبر التخليل والتخميل روتينيًا لاستعادة الفيلم السالب بعد اللحام أو التصنيع.
• الانضمام والمثبتات: استخدم مثبتات متوافقة واعتبر تخفيف التآكل عند تجميع الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية (مثل، التشحيم، عزم الدوران المحدد).

8. التطبيقات النموذجية

316	316L
أنابيب مبادل الحرارة، تجهيزات بحرية، أعمدة مضخات، معدات العمليات الكيميائية حيث تكون القوة الأعلى في الحالة المعالجة حراريًا مفيدة والتعرض للحام محدود	أنابيب العمليات الكيميائية، أوعية ضغط ملحومة وخزانات، معدات معالجة الأدوية والأغذية حيث يكون تقليل التحسس أثناء اللحام أمرًا حاسمًا
مثبتات ومكونات تتطلب قوة متوسطة ومقاومة للتآكل	هياكل ملحومة ثقيلة، أوعية كريوجينية (حيث تكون اللدونة الموحدة مفضلة)، ومكونات مرسومة عميقًا أو مشكّلة
مكونات صناعية عامة معرضة لبيئات الكلوريد ولكنها ليست عرضة للتعرض المطول للتحسس	زراعة طبية (تتطلب سبائك وشهادات محددة)، معدات صحية، وتجميعات ملحومة في بيئات عدوانية

مبررات الاختيار: - اختر 316 عندما تكون القوة الأعلى قليلاً أو توفر المخزون القياسي في أشكال المنتجات معينة هي الأولوية، وسيتم التحكم في اللحام أو التعرض للحرارة. - اختر 316L عندما تكون اللحام، والأقسام الثقيلة، ومقاومة التآكل بعد اللحام، أو متطلبات التشكيل هي السائدة في المواصفة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية: عادةً ما تحمل 316L علاوة متواضعة على 316 بسبب التحكم الأكثر صرامة في الكربون والمعالجة المطلوبة لتحقيق محتوى كربون منخفض. الفرق في السعر صغير بالنسبة للإضافات السبائكية (Ni، Mo) ويتقلب مع ظروف السوق.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في الورق، واللوحات، والبار، والأنابيب، والأنابيب، والمسبوكات. قد تكون 316 أكثر شيوعًا في بعض المناطق وأشكال المنتجات، لكن 316L هو المعيار للعديد من التطبيقات الملحومة والصحية، لذا فإن سلاسل التوريد عادةً ما تحمل كلاهما.
• ملاحظات الشراء: للتطبيقات الحرجة، حدد التسمية الدقيقة للمادة (مثل، رقم UNS أو درجة EN) والمعالجة الحرارية أو الاختبار المطلوب (مثل، اختبار التآكل، PMI) لتجنب الاستبدال.

10. الملخص والتوصية

السمة	316	316L
قابلية اللحام (المقاومة للتحسس في HAZ)	جيدة، ولكن خطر أكبر لترسيب الكربيد	أفضل — يقلل الكربون المنخفض من التحسس
القوة–المتانة (معالجة حرارية)	قوة عائد/شد أعلى قليلاً	أكثر لدونة قليلاً، متانة قابلة للمقارنة
التكلفة	أقل قليلاً (عادةً)	أعلى قليلاً (عادةً)

التوصيات: - اختر 316 إذا: كنت بحاجة إلى قوة عائد أعلى قليلاً في الحالة المعالجة حراريًا، لن يتم لحام الجزء بشكل كبير أو التعرض لدرجات حرارة تحسسية لفترة طويلة، أو إذا كانت المواصفة/التوافر تفرض 316 وتتحكم إجراءات اللحام في إدخال الحرارة. - اختر 316L إذا: كانت المكون سيخضع للحام بشكل كبير، أو تصنيع سماكة ثقيلة، أو التعرض بعد اللحام لوسائط تآكل؛ إذا كنت بحاجة لتجنب التحسس دون التسخين الحلولي؛ أو إذا كانت اللدونة الممتازة للتشكيل العميق مطلوبة.

ملاحظة نهائية: غالبًا ما تكون 316 و 316L قابلة للتبادل من حيث مقاومة التآكل العامة، لكن إجراءات اللحام، وتاريخ درجات حرارة الخدمة، وطريق التصنيع تحدد الاختيار الصحيح للأداء على المدى الطويل. تأكد دائمًا من خصائص المواد والشهادات مع الموردين واستخدم رموز التصميم ومواصفات المواد المناسبة للصناعة وبيئة الخدمة.