B مقابل D - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

غالبًا ما يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع خيارًا بين درجتين من الفولاذ محددتين بحرفين عند تحديد المكونات للهياكل أو المعدات الضغط أو التصنيع. تدور المقايضات عادةً حول قابلية اللحام والتكلفة والأداء الميكانيكي المطلوب (القوة والمرونة) في ظروف الخدمة. في العديد من المعايير وخطوط المنتجات، يتمحور التمييز بين الدرجة "B" والدرجة "D" حول أدائها المتوقع عبر نطاقات درجات حرارة الخدمة وشدة متطلبات صلابة التأثير، مما يؤدي إلى اختلافات في الكيمياء والمعالجة.

يقارن هذا المقال بين الدرجة B والدرجة D بطريقة عملية وواعية للمعايير: كيف يتم تحديدها، كيف تختلف التركيبات واستراتيجيات السبائك، هياكلها الدقيقة واستجابات المعالجة الحرارية، الخصائص الميكانيكية وقابلية اللحام، اعتبارات حماية التآكل، سلوك التصنيع، التطبيقات النموذجية، وآثار الشراء.

1. المعايير والتسميات

تستخدم الدرجات الحرفية (B، D، إلخ) بشكل مختلف عبر المعايير وعائلات المنتجات. تشمل المعايير الشائعة حيث تظهر الدرجات الحرفية أو تسميات بسيطة مماثلة:

• ASTM / ASME: تستخدم في مواصفات الأنابيب والألواح والشفرات (بعض المعايير تشمل درجات B وD).
• EN (المعايير الأوروبية): تستخدم عادةً Sxxx أو تسميات عددية بدلاً من الحروف الفردية؛ ومع ذلك، غالبًا ما يتم الإشارة إلى الفولاذات الأوروبية ذات الخصائص القابلة للمقارنة.
• JIS (المعايير الصناعية اليابانية) وGB (المعايير الوطنية الصينية): تستخدم أحيانًا أنظمة درجات حرفية/عددية للفولاذات الأنابيب والغلايات.
• API (النفط والغاز) ومواصفات الصناعة الأخرى: قد تشمل درجات حرفية لتصنيفات بسيطة.

التصنيف النموذجي: تكون الدرجة B غالبًا فولاذ هيكلي كربوني أو منخفض السبيكة مع متطلبات صلابة معتدلة؛ بينما تكون الدرجة D عادةً متغيرًا مع متطلبات تأثير أكثر صرامة أو أداء محسّن في درجات الحرارة المنخفضة (لذلك غالبًا ما يتم تنفيذها عن طريق تعديل السبيكة أو معالجة حرارية مختلفة). يجب أخذ التعريفات الدقيقة من رقم المعيار المعمول به للشراء أو الشهادة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

عنصر	الدرجة B (نموذجية)	الدرجة D (نموذجية)	تعليق
C (الكربون)	منخفض إلى متوسط	منخفض إلى متوسط (قد يكون أقل قليلاً)	الكربون المنخفض يحسن من الصلابة وقابلية اللحام؛ غالبًا ما تتحكم الدرجة D في الكربون بشكل صارم لتلبية متطلبات التأثير.
Mn (المنغنيز)	معتدل	معتدل إلى أعلى	يزيد المنغنيز من القابلية للتصلب والقوة؛ متوازن لتجنب الهياكل الدقيقة الهشة.
Si (السيليكون)	منخفض	منخفض	عامل إزالة الأكسدة؛ يبقى منخفضًا للتحكم في الصلابة.
P (الفوسفور)	أثر (مقيد)	أثر (مقيد بشكل أكثر صرامة)	الفوسفور ضار بالصلابة وعادة ما يتم التحكم فيه بشكل أكثر صرامة في الدرجة D.
S (الكبريت)	أثر (مقيد)	أثر (مقيد بشكل أكثر صرامة)	يقلل الكبريت من الصلابة وقابلية التشغيل؛ محدود في كلاهما، أكثر صرامة في الدرجة D.
Cr (الكروم)	غالبًا غائب أو منخفض	قد يضاف بكميات صغيرة	يرفع الكروم من القابلية للتصلب وقوة درجات الحرارة المرتفعة؛ يستخدم إذا كانت الدرجة D تحتاج إلى مزيد من الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة عبر التحكم في الهيكل الدقيق.
Ni (النيكل)	غائب أو منخفض	قد يكون موجودًا	يحسن النيكل من الصلابة، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة؛ سبيكة شائعة للمتغيرات من النوع D.
Mo (الموليبدينوم)	نادر أو منخفض	إضافات منخفضة ممكنة	يزيد الموليبدينوم من القابلية للتصلب والقوة دون كربون مفرط.
V / Nb / Ti (السبائك الدقيقة)	ممكن أن تكون ضئيلة	ممكن أن تكون موجودة لتنقيح الحبيبات	تساعد السبائك الدقيقة في القوة عبر الترسيب وتنقيح الحبيبات مع الحفاظ على الكربون منخفضًا.
B (البورون)	ليس نموذجيًا	أثر إذا تم استخدامه	يمكن أن يزيد أثر البورون بشكل ملحوظ من القابلية للتصلب؛ يتم التحكم فيه بعناية.
N (النيتروجين)	أثر	أثر	يمكن أن يؤثر على الصلابة من خلال تكوين النيتريد؛ يتم التحكم فيه عبر السبيكة والمعالجة.

ملاحظات: تستخدم الجدول وجود نوعي بدلاً من النسب الثابتة لأن الكيمياء الدقيقة يتم تعريفها بواسطة معايير معينة أو مواصفات مطحنة خاصة. عادةً ما يتم تصميم متغيرات الدرجة D لتلبية أداء التأثير الأكثر صرامة من خلال التحكم الأكثر صرامة في الشوائب والسبائك الانتقائية أو السبائك الدقيقة بدلاً من الزيادات الكبيرة في الكربون.

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - تزداد القوة والقابلية للتصلب مع المنغنيز والكروم والموليبدينوم والسبائك الدقيقة؛ ومع ذلك، يمكن أن تؤدي القابلية للتصلب الأعلى إلى هياكل دقيقة أكثر صلابة وأقل مرونة في مناطق التأثير الحراري للحام. - يحسن النيكل والعناصر التي تعزز الحبيبات الدقيقة (Nb، Ti، V) من صلابة درجات الحرارة المنخفضة دون كربون مفرط. - التحكم الدقيق في الفوسفور والكبريت ضروري لأداء التأثير في درجات الحرارة المنخفضة.

3. الهيكل الدقيق واستجابة المعالجة الحرارية

الهياكل الدقيقة النموذجية وكيف تستجيب للمعالجة:

• الدرجة B (الأساسية): تميل المواد المدرفلة أو المعالجة حراريًا إلى إظهار هيكل دقيق من الفريت واللؤلؤ مع لؤلؤة خشنة نسبيًا اعتمادًا على معدل التبريد. يوفر ذلك مرونة متوقعة وصلابة كافية لنطاقات درجات الحرارة المعتدلة.
• الدرجة D (متغير درجات الحرارة المنخفضة/التأثير): لتلبية معايير التأثير الأعلى، تستهدف الهياكل الدقيقة حجم حبيبات فريت أدق، باينيت معالج، أو لؤلؤة أدق. يتم تحقيق ذلك من خلال الدرفلة المتحكم بها (TMCP)، وتقليل العناصر البينية، والسبائك الدقيقة، وأحيانًا المعالجة الحرارية أو التبريد/التسخين المتحكم فيه.

طرق المعالجة الحرارية وتأثيراتها: - المعالجة الحرارية: تنقيح حجم الحبيبات وتحسين تجانس الخصائص؛ مفيد لكلا الدرجتين ولكنه ضروري لتلبية مواصفات التأثير الصارمة للدرجة D. - التبريد والتسخين: يستخدم عندما تكون القوة الأعلى مع الحفاظ على الصلابة مطلوبة (أكثر شيوعًا للمتغيرات D ذات السبيكة العالية). يتطلب تسخينًا دقيقًا لتجنب الهشاشة. - المعالجة الحرارية الميكانيكية المتحكم بها (TMCP): تستخدم على نطاق واسع لإنتاج ألواح ولفائف ذات حبيبات دقيقة وصلابة عالية — غالبًا ما تكون طريقة المعالجة المستخدمة لتحويل كيمياء B إلى منتج أداء D دون سبيكة ثقيلة.

4. الخصائص الميكانيكية

الخاصية	الدرجة B (نموذجية)	الدرجة D (نموذجية)
قوة الشد	معتدلة	مماثلة أو أعلى قليلاً (تساوي أو أعلى قليلاً إذا كانت مضافة/معالجة حرارية)
قوة الخضوع	معتدلة	مماثلة أو أعلى قليلاً (عبر السبيكة الدقيقة/المعالجة)
التمدد (%)	جيد / مرن	جيد، قد يكون أقل قليلاً عند مستويات القوة الأعلى
صلابة التأثير (شاربي)	معتدلة في درجة حرارة الغرفة؛ أقل في درجات الحرارة المنخفضة	صلابة مضمونة أعلى في درجات الحرارة المنخفضة حسب المواصفات
الصلابة	معتدلة	مماثلة؛ يمكن أن تكون المتغيرات المعالجة حراريًا أكثر صلابة

التفسير: - يتم تحديد الدرجة D عادةً عندما يجب أن تلبي طاقة التأثير في درجات الحرارة المنخفضة حدًا أدنى؛ وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى متطلبات كيميائية ومعالجة أكثر صرامة. يمكن أن تكون اختلافات القوة صغيرة إذا تم إنتاج كلاهما كفولاذات منخفضة السبيكة، ولكن تركز الدرجة D على الحفاظ على الصلابة عبر نطاق درجات حرارة أوسع. - يتم تحقيق توازن المرونة مقابل الصلابة من خلال تقليل الكربون والتحكم في الشوائب مع استخدام السبيكة الدقيقة والمعالجة الحرارية للحفاظ على القوة.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على المعادل الكربوني والسبيكة. اثنان من المقاييس التجريبية المستخدمة بشكل شائع هما المعادل الكربوني IIW وPcm لتقييم أكثر تفصيلاً:

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

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

التفسير النوعي: - عادةً ما تكون الدرجة B لديها معادل كربوني فعال أقل وإضافات سبيكة أقل لزيادة القابلية للتصلب، مما يمنحها سلوكًا أفضل بشكل عام عند اللحام واحتياجات أقل للتسخين المسبق/ما بعد اللحام. - تم تصميم الدرجة D من أجل صلابة أعلى في درجات الحرارة المنخفضة، وغالبًا ما تتميز بتحكم أكثر صرامة في الشوائب وقد تشمل سبيكة تزيد من القابلية للتصلب (مثل المنغنيز والكروم والموليبدينوم والسبائك الدقيقة). يمكن أن يؤدي ذلك إلى رفع $CE_{IIW}$ و$P_{cm}$، مما يتطلب تسخينًا مسبقًا أعلى، ودرجات حرارة بينية متحكم فيها، أو معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT) لتجنب تشقق منطقة التأثير الحراري. - عند تحديد اللحام، يجب على المهندسين حساب $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ للكيمياء المطلوبة وتطبيق مؤهلات إجراءات اللحام ذات الصلة.

6. التآكل وحماية السطح

• الفولاذات غير المقاومة للصدأ B/D: لا تكون الدرجة B ولا الدرجة D نموذجية مقاومة للصدأ بطبيعتها. تشمل استراتيجيات الحماية الطلاءات (التغليف بالغمس الساخن، الدهانات، الإيبوكسي الملتحم)، الحماية الكاثودية، أو التكسية حسب بيئة الخدمة.
• المتغيرات المقاومة للصدأ: إذا كانت تسمية "D" أو "B" المعطاة تتوافق مع الأنواع المقاومة للصدأ (ليس شائعًا للدرجات الكربونية ذات الحروف البسيطة)، فإن مؤشرات تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ مثل PREN تكون ذات صلة:

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

• توضيح: لا ينطبق PREN على درجات B وD الكربونية/المنخفضة السبيكة ما لم يكن المادة فولاذًا مقاومًا للصدأ أو مزدوجًا. بالنسبة لمعظم المواد الهيكلية من الدرجة B/D، فإن أداء التآكل يعتمد على حماية السطح والبيئة، وليس على سلبية السبيكة.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشكيل والانحناء البارد: توفر الدرجة B ذات القوة المنخفضة قليلاً والهيكل الدقيق الأبسط عادةً تشكيلًا باردًا وانحناءً أسهل مع ارتداد متوقع. قد تكون مواد الدرجة D المصممة للصلابة أقل قابلية للتشكيل قليلاً إذا زادت القوة، ولكن يمكن أن تحافظ TMCP والسبائك الدقيقة على قابلية التشكيل.
• قابلية التشغيل: يعني تقليل الكبريت والإضافات القابلة للتقطيع أن كلا الدرجتين ليستا فولاذات ذات قابلية تشغيل عالية؛ تميل الدرجة B إلى أن تكون أسهل في التشغيل إذا كانت ذات قوة أقل وأقل من الشوائب الصلبة. يمكن أن تكون الدرجة D ذات الحبيبات الدقيقة والقوة الأعلى أكثر صعوبة على الأدوات.
• عمليات القطع والحرارة: سلوك القطع بالبلازما أو الأكسجين والوقود قابل للمقارنة؛ بالنسبة للدرجات D التي لديها قابلية تصلب أعلى أو ظروف معالجة حرارية، قد يتطلب الأمر تخفيف الضغط بعد القطع بعناية في التطبيقات الحرجة.

8. التطبيقات النموذجية

الدرجة B — الاستخدامات النموذجية	الدرجة D — الاستخدامات النموذجية
ألواح هيكلية عامة، عوارض، قنوات للمباني والأعمال المدنية الخفيفة	هياكل ومكونات ضغط تتطلب ضمان صلابة تأثير في درجات الحرارة المنخفضة (مثل المناخات الباردة، السترات البحرية)
أنابيب ضغط أساسية أو شفرات حيث تكون متطلبات التأثير معتدلة	أجزاء من وعاء الضغط، مكونات الجسور، أو أقسام الأنابيب مع طاقة شاربي محددة في درجات الحرارة السلبية
مكونات مصنعة حيث تكون سهولة اللحام/التشكيل ذات أولوية	تطبيقات حيث تدفع مواصفات الصلابة الشراء حتى لو كانت التكلفة أعلى
أجزاء الناقل، إطارات الآلات العامة	خدمة كريوجينية أو تحت الصفر حيث تكون الصلابة حرجة

مبررات الاختيار: اختر الدرجة B للتطبيقات الحساسة للتكلفة، ودرجات الحرارة المعتدلة، وسهولة اللحام. اختر الدرجة D حيث يبرر نطاق درجة حرارة الخدمة وأداء التأثير الإلزامي التحكم الأكثر صرامة في الكيمياء والمعالجة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: تكون مواد الدرجة B عمومًا أقل تكلفة بسبب الكيمياء الأبسط، والمعالجة الأقل، وعدد أقل من اختبارات الأداء. تكلف الدرجة D أكثر بسبب اختيار المواد الأكثر صرامة، والاختبارات الإضافية (اختبارات التأثير عند درجات حرارة متعددة)، وربما معالجة أكثر تعقيدًا (TMCP، المعالجة الحرارية).
• التوافر حسب الشكل: الألواح واللفائف من الدرجة B متاحة على نطاق واسع من مطاحن السلع. قد تكون متغيرات الدرجة D — خاصة تلك المعتمدة للتأثير في درجات الحرارة المنخفضة — لها أوقات تسليم أطول، خاصة للأبعاد الكبيرة أو غير العادية، لأنها تتطلب معالجة متحكم فيها واختبارات إضافية.

10. الملخص والتوصية

السمة	الدرجة B	الدرجة D
قابلية اللحام	جيدة عمومًا (CE أقل)	مقبولة ولكن قد تتطلب تسخينًا مسبقًا/PWHT (احتمال CE أعلى)
توازن القوة–الصلابة	قوة معتدلة مع مرونة جيدة	مضبوطة لصلابة أعلى في درجات الحرارة المنخفضة؛ قوة مماثلة أو أعلى قليلاً
التكلفة	أقل	أعلى

التوصيات: - اختر الدرجة B إذا كانت المكون سيعمل في نطاقات درجات حرارة معتدلة، وسهولة اللحام والتكلفة هي الأولويات، ولم تكن صلابة التأثير في درجات الحرارة المنخفضة متطلبًا حرجًا. - اختر الدرجة D إذا كانت التطبيق يتطلب صلابة تأثير موثقة عبر نطاق درجات حرارة منخفضة محدد (مثل المناخات الباردة، الخدمة تحت الصفر، أو التطبيقات الحرجة للضغط/الأوعية)، أو إذا كانت المعايير/المعايير تتطلب تسمية الدرجة D للشهادة.

ملاحظات نهائية: دائمًا ما يجب الرجوع إلى المعيار الدقيق وشهادات اختبار المطحنة للمواد المحددة من الدرجة B أو الدرجة D التي تقوم بشرائها. احسب المعادلات الكربونية لتخطيط اللحام باستخدام التحليل الكيميائي الفعلي وحقق صلابة التأثير عبر مصفوفة الاختبار المحددة. عند الشك، ناقش المقايضات مع مورد المادة ومهندس اللحام لضمان توافق الكيمياء والمعالجة وممارسات التصنيع مع متطلبات الخدمة.