A مقابل B – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع والمهنيون في الصناعة بشكل متكرر قرار اختيار بين نوعين من الفولاذ المحدد بشكل شائع - المشار إليهما هنا بالدرجة A والدرجة B. تشمل سياقات القرار النموذجية موازنة الصلابة والليونة مقابل القوة ومقاومة التآكل، والتداول بين التكلفة وسهولة التصنيع مقابل الأداء أثناء الخدمة، ومطابقة قدرة المعالجة الحرارية مع متطلبات التصميم.

تتمثل السمة الرئيسية المميزة بين هذين الدرجتين في استراتيجيات سبائك الكربون والسلوك الناتج عن الصلابة التأثير: حيث يتم تحسين درجة واحدة لمحتوى كربون أقل وصلابة عبر السماكة أعلى وقابلية اللحام، بينما تركز الأخرى على قوة أعلى من خلال زيادة الكربون أو استخدام سبائك دقيقة على حساب الصلابة كما هو مدلفن ما لم يتم معالجتها حرارياً بشكل مناسب. تجعل هذه الأساليب المتناقضة من الدرجة A والدرجة B بدائل شائعة في التطبيقات الهيكلية، والاحتفاظ بالضغط، والأدوات.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير الشائعة وأنظمة التسمية التي تظهر بموجبها هذه الأنواع من الدرجات ما يلي:

• ASTM / ASME: على سبيل المثال، يتم تغطية العديد من الفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبيكة والفولاذ الهيكلي والفولاذ المستخدم في الأوعية تحت الضغط بموجب تسميات سلسلة ASTM A والمعادلات ASME.
• EN (الأوروبية): EN 10025 (هيكلية)، EN 10113–10130 (مدلفن على البارد)، EN 10250+ (قضبان)، إلخ.
• JIS (المعايير الصناعية اليابانية): شائعة لألواح الفولاذ والقضبان في آسيا.
• GB (المعيار الوطني الصيني): مستخدم على نطاق واسع في مواصفات سلسلة التوريد الصينية.

التصنيف النموذجي حسب النوع: - الدرجة A - تمثل عادة بالفولاذ الكربوني أو الفولاذ منخفض السبيكة (فولاذ معتدل، فولاذ هيكلي، أو درجات منخفضة الكربون المعالجة حرارياً). - الدرجة B - تمثل عادة بالفولاذ متوسط/عالي الكربون، والفولاذ المجهز بسبائك دقيقة، أو الفولاذ السبيكي (مصمم لقوة أعلى، مقاومة للتآكل، أو قابلية للتصلب).

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

تتبنى الدرجتان فلسفات سبائك مختلفة: تفضل الدرجة A محتوى كربون أقل وإضافات صلابة طفيفة للحفاظ على الليونة وقابلية اللحام؛ بينما تزيد الدرجة B من الكربون أو تستخدم سبائك دقيقة وعناصر سبيكة لزيادة القوة وقابلية التصلب.

عنصر	الدرجة A (استراتيجية نموذجية)	الدرجة B (استراتيجية نموذجية)	ملاحظات
C (الكربون)	منخفض نسبياً؛ يتم prioritizing للليونة وقابلية اللحام	أعلى أو أعلى بشكل متحكم؛ يستخدم لزيادة القوة وإمكانات الصلابة	يؤثر الكربون بشكل كبير على القوة والصلابة وقابلية التصلب
Mn (المنغنيز)	معتدل؛ يدعم القوة وإزالة الأكسدة	معتدل إلى مرتفع؛ يعزز قابلية التصلب وقوة الشد	يساعد المنغنيز في القوة ولكنه يزيد من CE إذا كان مفرطاً
Si (السيليكون)	منخفض-معتدل؛ إزالة الأكسدة والتحكم في الارتداد	منخفض-معتدل؛ أدوار مشابهة، أحياناً يتم الاحتفاظ بها منخفضة للحام	يؤثر السيليكون على الأكسدة وبعض التعزيز
P (الفوسفور)	تحكم صارم؛ متبقي فقط	تحكم صارم ولكن أحياناً أعلى قليلاً في بعض الدرجات عالية القوة	يمكن أن يجعل الفوسفور حدود الحبيبات هشة إذا كان مفرطاً
S (الكبريت)	يتم الاحتفاظ به منخفضاً؛ يحسن قابلية التشغيل عند زيادته عمداً	يتم الاحتفاظ به منخفضاً ما لم يكن درجة تشغيل مجانية	يحسن الكبريت قابلية التشغيل ولكنه يمكن أن يقلل من الصلابة
Cr (الكروم)	عادة ما يكون منخفضاً أو غائباً	موجود في الفولاذ السبيكي؛ يحسن قابلية التصلب ومقاومة التآكل/التآكل	يزيد الكروم من قابلية التصلب ومقاومة الحرارة
Ni (النيكل)	منخفض أو غائب	قد يكون موجوداً لتحسين الصلابة عند درجات حرارة منخفضة	النيكل عنصر فعال في سبائك الصلابة
Mo (الموليبدينوم)	عادة ما يكون غائباً	يستخدم لزيادة قابلية التصلب ومقاومة التصلب	يرفع الموليبدينوم قابلية التصلب ويحافظ على الخصائص عند درجات الحرارة
V (الفاناديوم)	تتبع في المتغيرات منخفضة السبيكة المجهزة بسبائك دقيقة	يستخدم في الفولاذ المجهز بسبائك دقيقة لتعزيز الترسيب	يشكل الفاناديوم كربيدات/نيتريدات لتعزيز الحبيبات الدقيقة
Nb (النيوبيوم)	نادر في المتغيرات الكربونية العادية	موجود في الدرجات المجهزة بسبائك دقيقة لتصفية الحبيبات وزيادة القوة	النيوبيوم فعال عند تركيزات منخفضة
Ti (التيتانيوم)	تتبع للتثبيت في بعض الدرجات	يستخدم بشكل مشابه لربط النيتروجين وتصفية الحبيبات	يتحكم التيتانيوم في النيتروجين ويمكن أن يحسن القابلية للتشكيل
B (البورون)	ليس نموذجياً	تستخدم إضافات صغيرة لتعزيز قابلية التصلب بكميات منخفضة	البورون قوي؛ يتطلب تحكماً صارماً
N (النيتروجين)	مستويات منخفضة متحكم بها	متحكم؛ يتفاعل مع عناصر السبيكة الدقيقة	يمكن أن يشكل النيتروجين نيتريدات؛ يؤثر على الصلابة وتعزيز الترسيب

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - زيادة الكربون وعناصر قابلية التصلب ترفع القوة ومقاومة التآكل الممكنة ولكن تميل إلى تقليل صلابة التأثير كما هو مدلفن وسهولة اللحام. - تمكّن السبيكة الدقيقة (Nb، V، Ti) من تحقيق قوة أعلى مع بنية دقيقة بينما تحاول الاحتفاظ بالصلابة، لكنها تعقد الدورات الحرارية ويمكن أن تزيد من القابلية للهشاشة إذا لم تتم معالجتها بشكل صحيح.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

تختلف الميكروهياكل والاستجابات النموذجية بسبب التركيب والمعالجة:

الدرجة A: - كما هو مدلفن أو معالجة حرارياً: تتكون بشكل أساسي من الفريت مع جزر من البيرلايت في المتغيرات منخفضة الكربون؛ البيرلايت الخشن ضئيل. - استجابة المعالجة الحرارية: تعطي المعالجة الحرارية فريت-بيرلايت مصفى مع صلابة جيدة؛ التبريد السريع غير شائع ما لم تكن إضافات السبيكة موجودة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: يمكن أن تزيد الدرفلة المتحكم فيها والتبريد المعجل من قوة العائد مع الاحتفاظ بالليونة.

الدرجة B: - كما هو مدلفن أو معالجة حرارياً: يمكن أن تحتوي على باينيت، مارتنسيت معالج، أو هياكل بيرلايتية أصعب اعتماداً على الكربون والسبيكة. - استجابة المعالجة الحرارية: تستجيب لدورات التبريد والتسخين لتطوير قوة عالية مع مارتنسيت معالج؛ تستخدم المعالجة الحرارية بالحث والمعالجة الحرارية السطحية عادة لمقاومة التآكل السطحية. - المعالجة الحرارية الميكانيكية: ينتج TMCP مع السبيكة الدقيقة هياكل ميكروية دقيقة من الباينيت أو مختلطة توازن بين الصلابة والقوة ولكن تتطلب تحكماً حرارياً دقيقاً.

آثار المعالجة: - تميل المعالجة الحرارية إلى تحسين التوحيد والصلابة لكلا الدرجتين ولكنها مفيدة بشكل خاص للدرجة A لتطوير بنية ميكروية لينة متوقعة. - التبريد والتسخين هو الطريق الرئيسي للدرجة B عندما تكون القوة العالية والصلابة العالية مطلوبة؛ يجب تحسين التسخين لاستعادة الصلابة. - يمكن أن توفر المعالجة الحرارية الميكانيكية قوة عالية مع صلابة مقبولة في الفولاذ المجهز بسبائك دقيقة من الدرجة B، ولكنها حساسة للعملية.

4. الخصائص الميكانيكية

تقديم سلوك ميكانيكي مقارن نوعياً (النطاقات تعتمد على العملية والسبيكة).

الخاصية	الدرجة A	الدرجة B	ملاحظات
قوة الشد	معتدلة - مصممة للليونة الهيكلية	أعلى - مصممة لقوة الشد والعائد المرتفعة	تحقق الدرجة B قوة شد أعلى عبر الكربون/السبيكة أو المعالجة الحرارية
قوة العائد	معتدلة	أعلى	ترفع السبيكة الدقيقة أو المعالجة الحرارية العائد في الدرجة B
التمدد	ليونة أعلى	ليونة أقل (ما لم يتم تسخينها أو معالجتها من أجل الصلابة)	يقلل الكربون الأعلى من الليونة عند قوة متساوية
صلابة التأثير	عموماً أعلى، خاصة عند درجات حرارة منخفضة	أقل في الحالة المدلفنة؛ يمكن تحسينها بالتسخين/السبيكة	تعتمد الصلابة على الميكروهيكل والتحكم في الشوائب
الصلابة	أقل	أعلى (بعد التصلب)	ترتبط الصلابة بمحتوى الكربون والتصلب

التفسير: - تعتبر الدرجة A الخيار الأكثر أماناً حيث تكون الليونة ومقاومة التأثير والتصنيع هي الأولويات. - تعتبر الدرجة B مفضلة حيث تكون القوة الساكنة الأعلى، والصلابة السطحية، أو مقاومة التآكل مطلوبة، شريطة أن يتم تطبيق المعالجة الحرارية المناسبة أو تصميم السبيكة لتلبية متطلبات الصلابة.

5. قابلية اللحام

قابلية اللحام هي وظيفة من المعادل الكربوني، ومحتوى السبيكة، والسماكة. اثنان من التقديرات التجريبية المستخدمة بشكل شائع هما:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

و

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - الدرجة A: عادة ما تؤدي محتويات الكربون والسبيكة المنخفضة إلى قيم منخفضة من المعادل الكربوني وبالتالي قابلية لحام جيدة مع متطلبات تسخين مسبق/لاحق أقل. هذا يقلل من خطر التشقق البارد الناتج عن الهيدروجين ويسهل التصنيع. - الدرجة B: تزيد السبيكة العالية من الكربون وقابلية التصلب من $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$، مما يشير إلى أن درجات حرارة التسخين المسبق والمراقبة بين الطبقات غالباً ما تكون مطلوبة لتجنب تصلب اللحام والتشقق. يمكن أن تساعد عناصر السبيكة الدقيقة التي تصفي الحبيبات في الصلابة ولكنها لا تقلل دائماً من خطر تشقق اللحام.

التوصيات العملية: - بالنسبة للدرجة B، اتبع إجراءات اللحام المؤهلة (PQR/WPS)، تحكم في الهيدروجين، استخدم التسخين المسبق/بين الطبقات المناسب، واختر المعادن المالئة المتطابقة لإدارة صلابة HAZ والضغوط المتبقية. - ضع في اعتبارك المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) حيثما تتطلبها رموز الأوعية تحت الضغط أو لاستعادة الصلابة.

6. التآكل وحماية السطح

المتغيرات غير المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ: - لا تعتبر الدرجة A ولا الدرجة B مقاومة للصدأ بشكل جوهري ما لم يتم تحديد ذلك؛ يتم تحقيق حماية التآكل عبر الطلاءات (التغليف بالغمس الساخن، الطلاء الكهربائي بالزنك)، الطلاءات العضوية (الدهانات، الطلاءات المسحوقة)، أو علاجات الحواجز (الفوسفات، الطلاءات التحويلية).

المتغيرات المقاومة للصدأ أو التآكل: - إذا كانت الدرجة B تمثل فولاذ سبيكي يحتوي على كميات كبيرة من الكروم أو عناصر مقاومة للتآكل الأخرى، فإن مؤشرات التآكل مثل PREN تنطبق:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• PREN له معنى فقط بالنسبة للكيمياء من الدرجات المقاومة للصدأ؛ لا ينطبق على الفولاذ الكربوني البسيط بدون الكروم الواقي.

إرشادات الاختيار: - استخدم الدرجة A المجلفنة أو المطلية للتعرض الهيكلي العام. - للخدمة في وسائل عدوانية (بيئات الكلور، درجات الحرارة المرتفعة)، اختر سبيكة مقاومة للتآكل أو درجة مقاومة للصدأ؛ قيم PREN حيث تكون الأداء المقاوم للصدأ حاسماً.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، والقابلية للتشكيل

• القابلية للتشكيل والانحناء: تعتبر الدرجة A، بمحتوى كربون أقل وبنية ميكروية أكثر ليونة، أسهل في التشكيل والانحناء دون تشقق. تتطلب الدرجة B نوافذ عملية دقيقة وقد تحتاج إلى معالجة حرارية أو تسخين متحكم به قبل التشكيل.
• قابلية التشغيل: يمكن أن تكون الدرجة B عالية الكربون أكثر صعوبة في التشغيل ولكن قد تقدم كسر شريحة أفضل لبعض العمليات؛ تعتمد قابلية التشغيل بشكل كبير على المعالجة الحرارية ومحتوى الكبريت.
• إنهاء السطح: تقبل الدرجة A عادة الطلاءات بشكل أكثر سهولة؛ قد تتطلب الدرجة B معالجة مسبقة أو تعديل صلابة السطح لعمليات الانتهاء (الطحن، التلميع).

8. التطبيقات النموذجية

الدرجة A - الاستخدامات النموذجية	الدرجة B - الاستخدامات النموذجية
عوارض هيكلية، تصنيع عام، إطارات ملحومة، أنابيب ضغط منخفض، ألواح هيكلية للسيارات، مقاطع مدلفنة على البارد	مكونات عالية القوة، أعمدة، تروس، ألواح مقاومة للتآكل، أعضاء هيكلية معالجة بالتبريد والتسخين، أدوات، عناصر آلة معالجة حرارياً
مبررات الاختيار:
- يتم اختيار الدرجة A حيث تكون سرعة التصنيع، وقابلية اللحام، والصلابة، والجدوى الاقتصادية هي الأهم.
- يتم اختيار الدرجة B حيث تكون سعة التحميل الأعلى، والصلابة السطحية، أو قدرة المعالجة الحرارية المحددة للتصميم مطلوبة.

9. التكلفة والتوافر

• الدرجة A: عادة ما تكون أكثر اقتصادية لكل كيلوغرام بسبب محتوى السبيكة المنخفض وقاعدة التصنيع الواسعة؛ متاحة على نطاق واسع في الألواح، واللفائف، والأوراق، والأشكال الهيكلية القياسية.
• الدرجة B: عادة ما تكون أكثر تكلفة بسبب عناصر السبيكة، وخطوات المعالجة الحرارية، أو طرق الإنتاج الخاصة؛ متاحة في أشكال منتجات المطاحن الشائعة ولكن قد يكون لديها أوقات تسليم أطول للمعالجات الحرارية المحددة أو تحملات كيميائية أكثر صرامة.

اعتبارات التوريد: - من الأسهل الحصول على الدرجات القياسية ذات الطلب الواسع في السوق بسرعة وعلى نطاق واسع. غالباً ما تتطلب المتغيرات المعالجة حرارياً أو المجهزة بسبائك دقيقة تخطيطاً أطول للتوريد وكمية طلب دنيا أعلى.

10. الملخص والتوصية

المعيار	الدرجة A	الدرجة B
قابلية اللحام	عالية - أسهل في اللحام مع تسخين مسبق أقل	معتدلة إلى منخفضة - تتطلب إجراءات لحام متحكم بها
توازن القوة-الصلابة	صلابة أعلى، قوة معتدلة	إمكانات قوة أعلى، تعتمد الصلابة على المعالجة
التكلفة	أقل	أعلى

اختر الدرجة A إذا: - كانت التصميمات تعطي الأولوية لليونة، ومقاومة الشقوق، وسهولة اللحام والتصنيع. - كانت التكلفة والتوافر السريع مهمين وكانت ظروف الخدمة ليست عدوانية فيما يتعلق بالتآكل أو الضغط العالي.

اختر الدرجة B إذا: - كانت التطبيق يتطلب قوة ساكنة أعلى، وصلابة سطحية، أو مقاومة للتآكل وكانت عملية التصنيع يمكن أن تقدم معالجة حرارية مناسبة أو تحكم في السبيكة الدقيقة. - يمكنك تنفيذ إجراءات لحام متحكم بها، وتسخين مسبق/PWHT حيثما كان مطلوباً، وقبول تكلفة المواد الأعلى من أجل تحسين الأداء.

ملاحظة نهائية: يجب أن يكون الاختيار النهائي بين الدرجة A والدرجة B مدفوعاً بتفاعل الأحمال الخدمية، والتعرض البيئي، ومتطلبات التحكم في التصنيع، وقدرة المعالجة الحرارية. حيث تكون كل من الصلابة العالية وسهولة التصنيع مطلوبة، ضع في اعتبارك تحديد المتغيرات المجهزة بسبائك دقيقة أو TMCP التي توازن بين الهدفين، ودوماً تحقق من الاختيار من خلال اختبارات المواد المناسبة (الشد، تأثير شارب، صلابة) وتأهيل إجراءات اللحام.