AH36 مقابل AH40 - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

AH36 و AH40 هما درجات من الفولاذ الهيكلي البحري تُستخدم عادةً في هياكل السفن، والهياكل البحرية، وتطبيقات الألواح الثقيلة. يقوم المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بتقييم هذه الدرجات بشكل روتيني عند موازنة المتطلبات المتعلقة بالقوة الهيكلية، ومقاومة الكسر، وقابلية اللحام، وقابلية التصنيع، والتكلفة. تشمل سياقات القرار النموذجية اختيار لوحة أثقل وأكثر مرونة لمقاومة الكسر الهش في البيئات الباردة مقابل لوحة ذات قوة أعلى لتقليل سمك المقطع والوزن.

التمييز العملي الأساسي بين AH36 و AH40 يكمن في مستوى قوة التصميم والتدابير المعدنية المستخدمة لتحقيق ذلك: يتم إنتاج AH40 إلى فئة قوة دنيا أعلى من AH36، مما يؤثر على السبائك المطلوبة، والمعالجة الحرارية الميكانيكية، والتوازن الناتج بين المرونة/المتانة. تجعل هذه الاختلافات الدرجتين مقارنتين طبيعيتين عندما يتعين على المصممين الاختيار بين الفولاذ الأكثر سمكًا ومرونة والفولاذ الأكثر نحافة وقوة.

1. المعايير والتسميات

• المعايير الشائعة وقواعد الفئات:
• ABS (المكتب الأمريكي للشحن) — AH36 و AH40 هما درجات هيكلية ABS.
• ASTM/ASME — ASTM A131 تشير إلى الفولاذ المستخدم في بناء السفن بأسماء درجات مماثلة.
• JIS (اليابان) و EN (أوروبا) لديهما تسميات مختلفة ولكن درجات HSLA/بحرية قابلة للمقارنة.
• توجد معادلات GB (الصين) في المواصفات الوطنية لبناء السفن.
• التصنيف المعدني:
• كلا من AH36 و AH40 هما فولاذان عالي القوة ومنخفض السبيكة (HSLA) قائم على الكربون والمنغنيز مصممان لتطبيقات الهيكل البحري (ليس فولاذ مقاوم للصدأ، وليس فولاذ أدوات).
• تم تصميمهما لتوفير مزيج متوازن من القوة والمتانة بدلاً من الصلابة أو مقاومة التآكل.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

فيما يلي مقارنة نوعية لممارسات السبيكة النموذجية بدلاً من الأرقام المضمونة المحددة (تختلف الحدود الكيميائية الفعلية حسب المعيار، والمطحنة، وشكل المنتج — استشر شهادات المطحنة لقرارات الشراء).

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يزيد الكربون والمنغنيز من القوة وقابلية التصلب ولكن الكربون المرتفع يقلل من قابلية اللحام والمتانة. تدير كلا الدرجتين الكربون لتحقيق توازن الخصائص. - تُستخدم عناصر السبيكة الدقيقة (Nb، V، Ti) بكميات صغيرة لتحسين حجم الحبيبات، وتمكين قوة أعلى من خلال تقوية الترسيب، والحفاظ على المتانة دون الحاجة إلى زيادات كبيرة في الكربون. - السيليكون هو في الأساس مزيل للأكسدة وله تأثيرات تقوية طفيفة. - السبيكة لمقاومة التآكل (Cr، Ni، Mo) هي الحد الأدنى أو غائبة في هذه الفولاذات الهيكلية البحرية غير المقاومة للصدأ؛ يتم تحقيق حماية التآكل من خلال الطلاءات والتدابير الكاثودية.

3. البنية المجهرية واستجابة المعالجة الحرارية

• مسار الإنتاج النموذجي:
• يتم إنتاج AH36 و AH40 عادةً من خلال الدرفلة والتحكم في التبريد (معالجة التحكم الحراري الميكانيكي، TMCP). يتم تزويدهما عادةً في الحالة المدرفلة أو المعالجة بدلاً من التبريد والتقسية.
• البنية المجهرية:
• AH36: بنية مجهرية من الفريت واللؤلؤ أو الفريت والبانيتي مع حجم حبيبات مُراقب بسبب TMCP والسبيكة الدقيقة. تؤكد المصفوفة على المرونة والمتانة الجيدة في درجات الحرارة المنخفضة.
• AH40: عائلة مشابهة من البنى المجهرية ولكن عادةً ما تحتوي على نسبة أعلى من مكونات بانيتي أصغر و/أو تقوية أقوى من الترسيب الناتج عن السبيكة الدقيقة. وهذا يؤدي إلى مستوى أعلى من القوة مع السعي للحفاظ على متانة مقبولة.
• حساسية المعالجة الحرارية:
• يمكن أن يحسن التعديل (التسخين فوق النقطة الحرجة والتبريد في الهواء) المتانة ويقلل من حجم الحبيبات لكلا الدرجتين ولكن لا يتم تطبيقه دائماً على الألواح الكبيرة بسبب التكلفة.
• التبريد والتقسية غير شائعين لهذه الدرجات المستخدمة في بناء السفن لأنه يزيد من التكلفة وقد يقلل من قابلية اللحام؛ عند استخدامه، فإنه سيرفع القوة بشكل كبير ولكنه يتطلب تحكمًا صارمًا في العملية.
• الدرفلة الحرارية الميكانيكية والتبريد المسرع هما الوسيلتان المفضلتان لزيادة القوة مع الحفاظ على متانة جيدة.

4. الخصائص الميكانيكية

يوفر الجدول التالي مقارنات نوعية؛ القيم المضمونة تعتمد على السمك والمعيار ويجب أخذها من المواصفة أو شهادة اختبار المطحنة المعمول بها.

تفسير: - تحقق AH40 قوة أعلى من خلال سبيكة أعلى قليلاً و/أو تحكمات TMCP أكثر صرامة؛ عادةً ما يقلل هذا من المرونة وقد يغير سلوك متانة الصدمة إذا لم تتم المعالجة بعناية. - يختار المصممون AH36 عندما تكون القدرة على التشوه وامتصاص الطاقة (على سبيل المثال، في سيناريوهات الاصطدام أو الخدمة في درجات الحرارة المنخفضة) هي الأولوية. - يتم اختيار AH40 عندما تكون تقليل المقطع ووفورات الوزن هي الأولويات، بشرط تلبية متطلبات المتانة وقابلية اللحام.

5. قابلية اللحام

تعتمد اعتبارات قابلية اللحام لهذه الدرجات على محتوى الكربون، وقابلية التصلب الفعالة، ومحتوى السبيكة الدقيقة. يتم عرض مؤشرين شائعين لمحتوى اللحام أدناه:

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

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

التفسير (نوعي): - تشير القيم المنخفضة من $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ إلى قابلية لحام أسهل وانخفاض القابلية للتصدع البارد المدعوم بالهيدروجين. عادةً ما يكون لدى AH36 مؤشرات قابلية تصلب فعالة أقل من AH40 لأن كيمياء AH40 ومعالجته تدفعان نحو قوة أعلى. - يمكن أن تزيد عناصر السبيكة الدقيقة (Nb، V) وارتفاع المنغنيز قليلاً من قابلية التصلب وخطر المناطق المارتنسيتية في منطقة التأثير الحراري (HAZ) تحت معدلات التبريد العالية؛ وبالتالي، غالبًا ما تتطلب AH40 في الأقسام السميكة تسخينًا مسبقًا ودرجات حرارة تحكم بين الطبقات. - كلا الدرجتين قابلة للحام باستخدام العمليات التقليدية (SMAW، GMAW، SAW)، ولكن يجب أن تأخذ مواصفات إجراءات اللحام في الاعتبار سمك اللوحة، وتصميم الوصلات، وقابلية التصلب الفعالة للدرجة. نادراً ما تُستخدم معالجة الحرارة بعد اللحام للألواح المستخدمة في بناء السفن؛ بدلاً من ذلك، يتم استخدام التسخين المسبق والمواد الاستهلاكية المتحكم فيها.

6. التآكل وحماية السطح

• هذه الدرجات AH غير مقاومة للصدأ من الفولاذ الكربوني/السبيكة؛ مقاومة التآكل الجوهرية ضئيلة. تعتمد حماية التآكل على الطلاءات، والحماية الكاثودية، وتفاصيل التصميم التي تتجنب الشقوق أو المياه الراكدة.
• طرق الحماية النموذجية: الغلفنة بالغمر الساخن (حيثما كان مناسبًا للأجزاء أو المكونات الرقيقة)، والطلاءات الصناعية (إيبوكسي، بولي يوريثان)، والأنودات التضحية للهياكل المغمورة.
• PREN (رقم مقاومة التآكل) غير قابل للتطبيق على هذه الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ للمرجع، يتم حساب PREN كالتالي: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ ولكن لن يكون له معنى بالنسبة لـ AH36/AH40 لأن محتويات Cr و Mo ضئيلة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل والانحناء:
• AH36، كونه أكثر مرونة، أسهل في التشكيل والانحناء إلى أشعة دون التصدع؛ ارتداد أقل.
• AH40 يتطلب أدوات أكثر دقة وبدلات انحناء؛ يجب تقييم أشعة الانحناء الأصغر وعمليات التشكيل الباردة مقابل انخفاض التمدد.
• القطع والتشغيل:
• يمكن أن تزيد القوة الأعلى في AH40 من قوى القطع وتآكل الأدوات قليلاً مقارنة بـ AH36؛ ومع ذلك، يمكن تشغيل كلاهما بسهولة باستخدام الممارسات القياسية عند استخدام الأدوات والتغذية المناسبة.
• التشطيب:
• تعمل عمليات الطحن، والطلاء بالرصاص، وتحضير السطح بشكل مشابه؛ تجنب ارتفاع درجة الحرارة أثناء القطع أو الطحن لمنع تأثيرات تصلب السطح أو التقسية.
• التحكم في الأبعاد:
• يجب الحكم على الأقسام الرقيقة التي تجعلها AH40 ضد حساسية التشوه أثناء اللحام والتشطيب.

8. التطبيقات النموذجية

مبررات الاختيار: - اختر AH36 حيث تكون القدرة على التشوه، والأداء في درجات الحرارة المنخفضة، وسهولة التصنيع/اللحام هي الحاسمة. - اختر AH40 حيث يبرر تقليل وزن المادة، وزيادة الإجهادات المسموح بها، أو قيود المساحة اللوحة ذات القوة الأعلى، وحيث يمكن أن تضمن ضوابط التصنيع المتانة الكافية وسلامة اللحام.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة النسبية:
• عادةً ما تكون تكلفة AH40 أعلى لكل طن من AH36 بسبب ضوابط المعالجة الأكثر صرامة وإضافات السبيكة الدقيقة المحتملة اللازمة لتحقيق فئة القوة الأعلى.
• قد تكون التكلفة الإجمالية للمكونات أقل مع AH40 إذا أدت تخفيضات سمك المقطع إلى تقليل وزن المادة وتوفير في المراحل اللاحقة.
• التوافر:
• AH36 متاح على نطاق واسع في معظم مخزونات ألواح بناء السفن وخطوط المنتجات القياسية للمطاحن.
• AH40 شائع أيضًا ولكن قد يكون التوافر أكثر محدودية للأبعاد الخاصة، والعرض، والدرجات التي تتطلب جداول TMCP محددة؛ يمكن أن تكون أوقات التسليم أطول للأحجام غير القياسية من الألواح.
• ملاحظة الشراء:
• قم بتقييم التكلفة الإجمالية لدورة الحياة بما في ذلك التصنيع، وتحضير اللحام، والطلاءات، والتوفير المحتمل من الوزن المنخفض عند تحديد AH40 بدلاً من AH36.

10. الملخص والتوصية

التوصية: - اختر AH36 إذا كانت متطلباتك الأساسية تؤكد على المرونة، وسهولة التصنيع واللحام، والمتانة القوية في درجات الحرارة المنخفضة، وشراء بسيط (تطبيقات بناء السفن الثقيلة النموذجية). - اختر AH40 إذا كنت بحاجة إلى قوة تصميم أعلى لتقليل سمك اللوحة ووزن الهيكل، ويمكنك قبول (وإدارة) التبادلات: انخفاض طفيف في التمدد، وتحكم أكثر صرامة في المعالجة واللحام، وتكلفة وحدة مادة أعلى محتملة.

ملاحظة عملية نهائية: تأكد دائمًا من المعيار المعمول به واستعرض شهادات اختبار المطحنة للتركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية المضمونة لسمك اللوحة المحدد والحرارة. يجب أن تستند مواصفات إجراءات اللحام واختبارات التأهيل إلى الدرجة المختارة، والسمك، وبيئة الخدمة لضمان الأداء والامتثال.