D مقابل E – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

يواجه المهندسون ومديرو المشتريات ومخططو التصنيع بشكل متكرر التوازن بين القوة والصلابة وقابلية اللحام ومقاومة التآكل والتكلفة عند اختيار درجة الفولاذ. تنشأ القرارات عادة في سياقات مثل مواصفات أوعية الضغط، والهياكل الإنشائية في المناخات الباردة، والمعدات تحت الماء، والآلات الثقيلة حيث يجب موازنة أداء المواد تحت الحمل ودرجات الحرارة القصوى مع تكلفة التصنيع ودورة الحياة.

يقارن هذا المقال بين عائلتين نموذجيين من الدرجات يتم تحديدهما هنا على أنهما "D" و"E". المقارنة عملية بدلاً من أن تكون مرتبطة بمعيار واحد: تمثل الدرجة D الفولاذات المحسّنة للقوة العالية وقابلية التصلب من خلال إضافة الكربون والسبائك؛ تمثل الدرجة E الفولاذات المصممة لأداء متفوق في درجات الحرارة المنخفضة (تحسين الصلابة) باستخدام السبائك والمعالجة التي تقلل من حساسية الشقوق. يتم مقارنة الاثنين عادة عندما يتعين على المصممين الاختيار بين أقصى سعة تحميل وضمان الصلابة في بيئات الخدمة الباردة.

1. المعايير والتسميات

تظهر معرفات الدرجات الحرفية مثل D وE في مواصفات مختلفة وقد تتوافق مع متطلبات كيميائية وميكانيكية مختلفة اعتمادًا على الهيئة المعيارية وشكل المنتج. تشمل المعايير النموذجية وكيفية تعاملها مع الدرجات الحرفية ما يلي:

• ASTM / ASME: تظهر الدرجات الحرفية في بعض مواصفات المواد (مثل، فولاذ أوعية الضغط، الدرجات المعالجة بالتبريد والتصلب). ربط حرف بتركيب/متطلب ميكانيكي محدد يعتمد على المواصفة.
• EN (الأوروبية): تستخدم تسميات رقمية X−XX (مثل، X70)، ولكن يتم استخدام الأنواع الحرفية أحيانًا في المواصفات الوطنية أو الصناعية؛ تنطبق مقارنات وظيفية مماثلة (القوة مقابل الصلابة).
• JIS (اليابانية) وGB (الصينية): تستخدم كل من التصنيفات الرقمية والحرفية في بعض عائلات المنتجات؛ يتم توثيق الغرض الوظيفي للدرجة (القوة، الصلابة، مقاومة التآكل) في كل معيار.
• معايير الصناعة الأخرى أو OEM: قد تعرف "الدرجة D" أو "الدرجة E" لمعدات معينة بتركيبات وخصائص مخصصة.

التصنيف الوظيفي: - الدرجة D: تقع عادة ضمن فئات الفولاذ السبيكي / HSLA / المعالجة بالتبريد والتصلب - مصممة لتعظيم القوة وخصائص الصلابة/المتانة. - الدرجة E: عادة فولاذ كربوني مركّز على الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة أو فولاذ منخفض السبيكة مع النيكل/السبائك الدقيقة والشوائب المتحكم بها - مصممة للخدمة في درجات الحرارة المنخفضة أو تحت الصفر.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

تلخص الجدول التالي استراتيجيات السبائك الشائعة لدرجة محسّنة للقوة (D) مقابل درجة محسّنة للصلابة في درجات الحرارة المنخفضة (E). القيم هي أوصاف نوعية تشير إلى النهج النموذجي بدلاً من الأرقام الدقيقة، من معيار إلى آخر.

عنصر	الدرجة D (تركيز على القوة/قابلية التصلب)	الدرجة E (تركيز على الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة)
C (الكربون)	متوسط إلى أعلى (لزيادة قابلية التصلب والقوة الممكنة)	منخفض إلى متوسط (للتقليل من صلابة المارتنسيت وتحسين الصلابة)
Mn (المنغنيز)	متوسط (يساعد على قابلية التصلب والقوة)	متوسط (يُنقي الحبيبات، يدعم الصلابة)
Si (السيليكون)	أثر–متوسط (إزالة الأكسدة، يمكن أن تزيد القوة)	منخفض–أثر (يُحتفظ به منخفضًا عندما تكون الصلابة حرجة)
P (الفوسفور)	منخفض متحكم فيه (شوائب)	منخفض متحكم فيه بشكل صارم (حساس للصلابة)
S (الكبريت)	منخفض متحكم فيه (تبادل قابلية التشغيل)	منخفض جدًا (الكبريتيدات هي مواقع الهشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة)
Cr (الكروم)	موجود بكميات متوسطة في الفولاذ السبيكي (يحسن قابلية التصلب والقوة)	منخفض أو غائب (ما لم تكن هناك حاجة لمقاومة التآكل الخاصة)
Ni (النيكل)	منخفض–متوسط (يحسن الصلابة ومقاومة التآكل ولكن يزيد التكلفة)	غالبًا مرتفع (سبائك رئيسية لتحسين الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة)
Mo (الموليبدينوم)	يستخدم لقابلية التصلب والقوة في درجات الحرارة العالية	منخفض–متوسط (يمكن أن ينقي البنية الدقيقة دون التسبب في الهشاشة)
V / Nb / Ti (السبائك الدقيقة)	موجودة لزيادة القوة عبر الترسيب وتنقية الحبيبات	موجودة بكميات متحكم فيها لتنقية الحبيبات وتحسين الصلابة
B (البورون)	إضافات أثرية في بعض الفولاذات القابلة للتصلب	نادرة؛ متحكم فيها إذا كانت موجودة لقابلية التصلب دون التسبب في الهشاشة
N (النيتروجين)	متحكم فيه (مركب مع Ti/Nb لتشكيل نيتريدات مستقرة)	منخفض جدًا أو مستقر (النيتروجين الحر يمكن أن يسبب الهشاشة)

كيف تؤثر السبائك على الخصائص: - زيادة C وCr وMo وبعض عناصر السبائك الدقيقة تزيد من قابلية التصلب والقوة الشد/الحد، ولكنها تزيد أيضًا من خطر الكسر الهش إذا لم يتم التحكم في حجم الحبيبات والصلابة. - الكربون المنخفض مع النيكل والتحكم الصارم في P وS وN الحر عادة ما يحسن خصائص التأثير في درجات الحرارة المنخفضة من خلال تعزيز الهياكل الدقيقة القابلة للطرق وتقليل مواقع بدء الانقسام.

3. البنية الدقيقة واستجابة المعالجة الحرارية

تختلف البنى الدقيقة والاستجابات للمعالجة الحرارية حسب الغرض التصميمي.

الدرجة D: - البنى الدقيقة النموذجية بعد التبريد والتصلب أو المعالجة الحرارية الميكانيكية الدقيقة: مارتنسيت مقسى، باينيت، وفيريت مقوى بالسبائك الدقيقة. - تدعم الكيمياء الموجهة نحو قابلية التصلب تصلبًا أعمق أثناء التبريد، مما يسمح بقوة أعلى في الأقسام السميكة. - التبريد والتصلب (Q&T) هو مسار شائع: تحويل إلى أوستنيت → تبريد لتشكيل مارتنسيت/باينيت → تصلب لتخصيص الصلابة مقابل القوة.

الدرجة E: - تم تحسين البنية الدقيقة لمصفوفة باينيتية/فيريتية ذات حبيبات دقيقة مع الحد الأدنى من كسر المارتنسيت الهش. - تعطي المعالجة الحرارية الميكانيكية الدقيقة (TMCP) أو الدرفلة المتحكم بها تكرارًا لحجم الحبيبات وتحسين مقاومة التأثير. - تعطي المعالجات الحرارية الأولوية لتنقية الحبيبات واستراتيجيات التصلب التي تحافظ على القابلية للطرق؛ عادة ما يتم تجنب التصلب العميق إلا إذا تبعته معالجة حرارية دقيقة لاستعادة الصلابة.

تأثير المعالجة: - يساعد التطبيع في تنقية حجم الحبيبات في كلا الدرجتين؛ ومع ذلك، تعتمد الدرجة D أكثر على التحول المارتنسيت/الباينيت لتحقيق القوة بينما تعتمد الدرجة E على تنقية الحبيبات والكيمياء المتحكم فيها للحفاظ على الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة. - يجب اختيار تصلب الفولاذات D عالية القوة بعناية لتجنب الهشاشة الناتجة عن التصلب؛ تركز درجات E على الحفاظ على صلابة الشقوق بعد أي تعرض حراري.

4. الخصائص الميكانيكية

تلخص الجدول أدناه السلوك الميكانيكي النسبي؛ القيم نوعية (أعلى/أقل) وتمثل الاختلافات الوظيفية النموذجية بدلاً من المواصفات الرقمية المحددة.

الخاصية	الدرجة D	الدرجة E
قوة الشد	أعلى (مصممة لقوة نهائية أكبر)	متوسطة (متوازنة للصلابة)
قوة العائد	أعلى (تزداد بالسبائك والمعالجة الحرارية)	متوسطة إلى عالية (لكن عمومًا أقل من D لنفس السماكة)
التمدد (القابلية للطرق)	متوسطة إلى أقل (تتبادل القوة مع القابلية للطرق)	أعلى (مصممة للحفاظ على القابلية للطرق في درجات الحرارة المنخفضة)
صلابة التأثير	أقل عند درجات حرارة منخفضة جدًا ما لم يتم معالجتها بشكل خاص	متفوقة عند درجات حرارة تحت الصفر (انخفاض أقل في الطاقة)
الصلابة	أعلى (يمكن أن تكون صلابة السطح واللب مرتفعة)	منخفضة إلى متوسطة (لتجنب الهشاشة عند درجات الحرارة المنخفضة)

لماذا الاختلافات: - تحقق الدرجة D قوة أعلى من خلال قابلية تصلب أعلى وتقوية الترسيب، مما يميل إلى تقليل التمدد الموحد وصلابة التأثير ما لم يتم استخدام تصلب واسع النطاق والتحكم في البنية الدقيقة. - تقلل الدرجة E من المراحل الهشة وتركيزات الشوائب، وغالبًا ما تتضمن النيكل أو السبائك الدقيقة المنقية؛ هذا يحافظ على طاقة التأثير العالية في درجات الحرارة المنخفضة مع التضحية ببعض القوة النهائية.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام بشكل أساسي على المعادل الكربوني والتحكم في الشوائب. مؤشرين شائعين:

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

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

التفسير: - يشير ارتفاع $CE_{IIW}$ أو $P_{cm}$ إلى قابلية تصلب أكبر وزيادة خطر الكسر البارد (المساعد بالهيدروجين) في منطقة التأثير الحراري (HAZ)، مما يتطلب تسخينًا مسبقًا، والتحكم في درجات حرارة التداخل، وربما معالجة حرارية بعد اللحام (PWHT). - التأثير النموذجي لهذه الدرجات: - الدرجة D: تميل إلى إظهار محتوى كربوني وسبيكي أعلى → معادل كربوني أعلى → إجراءات لحام أكثر صرامة مطلوبة، بما في ذلك التسخين المسبق وPWHT على الأقسام السميكة. - الدرجة E: مصممة بمحتوى كربوني أقل وتوازن سبيكي دقيق (غالبًا مع النيكل) → معادل كربوني أقل لمستوى قوة معين → عمومًا أفضل قابلية للحام وتقليل خطر الكسر، ولكن يجب التحكم في إجراءات اللحام للحفاظ على صلابة درجات الحرارة المنخفضة. - قد تتطلب السبائك الدقيقة (V، Nb، Ti) في أي من الدرجتين الانتباه لتجنب نمو الحبيبات في HAZ أو الترسيب الذي يمكن أن يقلل من الصلابة؛ التحكم في الهيدروجين أثناء اللحام أمر حاسم لكلاهما.

6. التآكل وحماية السطح

درجات غير مقاومة للصدأ: - كل من D وE عادة ما تكون غير مقاومة للصدأ؛ تشمل استراتيجيات حماية التآكل الجلفنة، والطلاء، والطلاءات المسحوقة، والمعالجات المحلية (مثل، التمعدن). - يمكن أن تحسن إضافات السبائك مثل Cr وMo أو Ni بكميات صغيرة إلى متوسطة مقاومة التآكل العامة ولكن لا تعوض عن اختيار سبائك مقاومة للصدأ.

متغيرات مقاومة للصدأ أو متخصصة في التآكل: - إذا كانت الدرجة E أو D هي متغير مقاوم للصدأ أو مزدوج الأوستنيتي، استخدم PREN (عدد مقاومة التآكل المحلي) لتقييم مقاومة التآكل المحلية: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ - لا ينطبق PREN على الفولاذ الكربوني العادي أو الفولاذات منخفضة السبيكة.

اختيار الحماية: - للخدمة المدفونة أو البحرية حيث تكون الصلابة في درجات الحرارة المنخفضة ومقاومة التآكل مطلوبة، قد يكون من الضروري استخدام سبيكة مقاومة للتآكل في درجات الحرارة المنخفضة أو درجة مقاومة للصدأ؛ خلاف ذلك، يتم تطبيق الطلاءات الصناعية مع الحماية الكاثودية والصيانة الروتينية.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• قابلية التشغيل: الدرجة D (قوة/صلابة أعلى) عمومًا أكثر خشونة على الأدوات وقد تتطلب تغذيات أبطأ، ودرجات أدوات أكثر صلابة، واستراتيجيات تبريد. الدرجة E، مع صلابة أقل، عادة ما تكون أكثر قابلية للتشغيل.
• قابلية التشكيل: قوة العائد المنخفضة في الدرجة E وارتفاع القابلية للطرق يحسن الأداء في التشكيل البارد والانحناء؛ قد تتطلب الدرجة D أشعة أعلى، أو تشكيل ساخن، أو تلدين قبل التشكيل لتجنب الكسر.
• تشطيب السطح: قد تتطلب الدرجات الأكثر صلابة الطحن أو الصقل لزيادة عمر التعب؛ غالبًا ما تقبل الدرجات القابلة للطرق ذات الصلابة المنخفضة المعالجات السطحية القياسية بشكل أكثر سهولة.

8. التطبيقات النموذجية

الدرجة D – الاستخدامات النموذجية	الدرجة E – الاستخدامات النموذجية
أعضاء هيكلية ثقيلة حيث تكون القوة العالية وأحجام الأقسام المنخفضة مطلوبة (الجسور، الرافعات)	أوعية كريوجينية، تخزين ونقل الغاز الطبيعي المسال، أنابيب وضغط منخفض الحرارة
مكونات مقاومة للاهتراء، تروس، أعمدة، وأجزاء معالجة بالتبريد والتصلب	منصات بحرية وهياكل تحت الماء تتطلب الحفاظ على الصلابة في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة
أوعية ضغط بسماكات سميكة حيث توفر القوة المسموح بها الأعلى توفيرًا في المواد	خزانات تخزين وهياكل حيث يجب تقليل خطر الكسر الهش في المناخات الباردة
أجزاء معرضة للاحتكاك وإطارات آلات ثقيلة	وصلات هيكلية في المناخات الباردة، عربات السكك الحديدية لنقل البضائع الكريوجينية

مبررات الاختيار: - اختر الدرجة D عندما يكون تقليل حجم القسم، وتحسين عمر التعب تحت الضغط العالي، وزيادة مقاومة الاهتراء أمرًا بالغ الأهمية. - اختر الدرجة E عندما تقترب درجات حرارة الخدمة من 0 درجة مئوية أو تقل عنها (وخاصة بالقرب من النطاقات الكريوجينية)، ويكون الحفاظ على مقاومة التأثير والقابلية للطرق أمرًا حاسمًا للتحكم في الكسر.

9. التكلفة والتوافر

• تكلفة المواد: قد تكون الدرجة D أكثر اقتصادية على أساس التكلفة لكل أداء عندما تسمح القوة بتقليل الوزن/سماكة القسم. تزيد السبائك والمعالجة الحرارية من التكلفة مقارنة بالفولاذ الكربوني الأساسي.
• قد تكون الدرجة E أكثر تكلفة لكل طن إذا تم استخدام النيكل أو عناصر أخرى تمكّن من الصلابة؛ ومع ذلك، يمكن أن تبرر المدخرات في دورة الحياة الناتجة عن تقليل خطر الكسر وتكاليف الإصلاح/التفتيش الإضافية.
• التوافر: تتوفر كلا الاستراتيجيتين على نطاق واسع من كبار مصنعي الفولاذ، ولكن قد تكون التركيبات المحددة (مثل، الفولاذات منخفضة الحرارة عالية النيكل) لها أوقات تسليم وكميات طلبات دنيا. يتم تخزين أشكال المنتجات مثل الألواح والأنابيب بشكل شائع؛ قد تكون العناصر المخصصة المعالجة بالتبريد والتصلب مقيدة بوقت التسليم.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص (نوعي):

المقياس	الدرجة D	الدرجة E
قابلية اللحام	متوسطة–تحدي (CE أعلى)	أفضل (CE أقل لنفس السماكة)
توازن القوة–الصلابة	قوة عالية / صلابة متوسطة	صلابة محسّنة عند درجات الحرارة المنخفضة / قوة متوسطة
التكلفة	متوسطة–عالية (تكلفة المعالجة والسبائك)	متوسطة–عالية (قد تشمل النيكل)

التوصيات الختامية: - اختر الدرجة D إذا كان هدفك الأساسي هو تعظيم القوة الثابتة وقوة التعب، لتقليل أحجام الأقسام، أو للحصول على خصائص مقاومة للاهتراء حيث تكون درجات حرارة التشغيل ضمن نطاق تصلب المادة ويتم إدارة خطر الكسر الهش عند درجات الحرارة المنخفضة بشكل مقبول من خلال التصميم والتفتيش. - اختر الدرجة E إذا كانت الخدمة تتضمن درجات حرارة تحت الصفر أو كريوجينية، إذا كانت صلابة الكسر عند درجات الحرارة المنخفضة قيد سلامة حاسمة، أو إذا كنت بحاجة إلى مادة تتحمل التأثير وتحميل الشقوق دون فقدان حاد في القابلية للطرق.

ملاحظة أخيرة: استشر دائمًا المواصفة الدقيقة للمادة (ASTM/EN/JIS/GB أو معيار OEM)، وقم بإجراء تقييم ميكانيكا الكسر المحدد للموقع لمكونات الخدمة الباردة، وتحقق من إجراءات اللحام والمعالجة الحرارية باستخدام نماذج أو اختبارات إجراءات مؤهلة. يجب أن يتم ربط المقارنات النوعية أعلاه بمواصفات المنتج الحقيقية والتحقق منها من خلال وثائق المورد والاختبارات لتطبيقك المحدد.