TP316 مقابل TP316L – التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

TP316 و TP316L هما درجتان من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المرتبطتين ارتباطًا وثيقًا، ويتم تحديدهما على نطاق واسع في الأنابيب، وأوعية الضغط، والمبادلات الحرارية، والتصنيع العام. يواجه المهندسون ومديرو المشتريات عادةً معضلة اختيار: موازنة مقاومة التآكل، وقابلية اللحام، والحاجة إلى معالجة حرارية بعد اللحام مقابل القوة، والتكلفة، والتوافر. في العديد من التجميعات المصنعة، يتم تقليل القرار إلى ما إذا كانت النسبة الصغيرة من تقليل محتوى الكربون (وعواقبه المعدنية) في TP316L تبرر أي اختلافات في الأداء الميكانيكي أو السعر.

التمييز الأساسي بين الاثنين هو الحد الأقصى لمحتوى الكربون: TP316L لديه حد كربون أقل بكثير من TP316. يؤثر هذا التحكم في الكربون بشكل أساسي على القابلية لتكوين كربيدات الكروم (التحسس) أثناء التبريد البطيء من درجات حرارة اللحام أو المعالجة الحرارية، وبالتالي يؤثر بشكل كبير على ممارسة اللحام ومتطلبات ما بعد اللحام. نظرًا لأن مستويات الكروم والنيكل والموليبدينوم متشابهة بخلاف ذلك، فإن TP316 و TP316L قابلان للمقارنة من حيث مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية العامة في الحالة المعالجة حراريًا.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والتسميات الشائعة لهذه الفولاذات المقاومة للصدأ: - ASTM/ASME: TP316، TP316L بموجب ASTM A240 / ASME SA-240 (لوح، ورقة) والمواصفات ذات الصلة للبار، والأنابيب، والمسبوكات. - EN: X5CrNiMo17-12-2 (≈ 316)، X2CrNiMo17-12-2 (≈ 316L) بموجب سلسلة EN 10088. - JIS: SUS316 / SUS316L. - GB (الصين): 00Cr17Ni14Mo2 / 0Cr17Ni14Mo2 (معادلات تقريبية).

التصنيف: كلا من TP316 و TP316L هما فولاذان مقاومان للصدأ الأوستنيتي (فئة مقاومة للصدأ). هما ليسا فولاذين كربونيين ولا فولاذين HSLA/أدوات.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبائك

استراتيجية السبائك الأساسية لعائلة 316 هي توفير مصفوفة أوستنيتية (عبر Ni)، ومقاومة للتآكل (Cr و Mo)، وكربون متحكم فيه لتحقيق توازن بين القوة ومخاطر التحسس.

الجدول: نطاقات التركيب النموذجية (وزن%) — استشر المعيار المحدد أو شهادة المصنع للحدود الدقيقة لكل شكل منتج.

عنصر	TP316 (نطاق نموذجي)	TP316L (نطاق نموذجي)
C (كربون)	≤ 0.08	≤ 0.03 (أو ≤ 0.035 حسب المواصفة)
Mn (منغنيز)	≤ 2.0	≤ 2.0
Si (سيليكون)	≤ 1.0	≤ 1.0
P (فوسفور)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (كبريت)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (كروم)	16.0–18.0	16.0–18.0
Ni (نيكل)	10.0–14.0	10.0–14.0
Mo (موليبدينوم)	2.0–3.0	2.0–3.0
V (فاناديوم)	عادةً ≤ 0.1	عادةً ≤ 0.1
Nb (نيوبوم)	بشكل عام ≤ 0.1	بشكل عام ≤ 0.1
Ti (تيتانيوم)	عادةً ≤ 0.1	عادةً ≤ 0.1
B (بورون)	أثر	أثر
N (نيتروجين)	≤ 0.10 (يختلف)	≤ 0.11 (يختلف)

كيف تؤثر السبائك على الأداء: - الكروم (Cr): يوفر مقاومة عامة للتآكل وسلبية. - النيكل (Ni): يثبت الأوستنيت، ويحسن المتانة والليونة. - الموليبدينوم (Mo): يزيد من المقاومة للتآكل الناتج عن الثقوب والشقوق. - الكربون (C): يزيد القوة بشكل معتدل ولكنه يعزز تكوين كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات إذا تم الاحتفاظ به في نطاق التحسس (حوالي 450–850 °م)، مما يقلل من مقاومة التآكل بين الحبيبات. - العناصر الثانوية (Mn، Si، N) تؤثر على إزالة الأكسدة، والقوة، واستقرار الأوستنيت.

3. التركيب المجهري واستجابة المعالجة الحرارية

التركيب المجهري: - كلا من TP316 و TP316L هما في الأساس أوستنيتيان بالكامل في الحالة المعالجة حراريًا. هيكل الحبيبات هو أوستنيت متساوي المحاور؛ يمكن الاحتفاظ بكميات صغيرة من الفريت (δ‑فريت) اعتمادًا على التركيب وطريقة التصلب — خاصة في المسبوكات ومعدن اللحام. - ترسيب الكربيد: يعزز الكربون تكوين كربيدات الكروم (Cr23C6) عند حدود الحبيبات أثناء التعرض لدرجات حرارة التحسس، مما يستنفد الكروم محليًا ويمكّن من الهجوم بين الحبيبات.

المعالجة الحرارية والمعالجة: - معالجة حرارية للحل (نموذجية): تسخين إلى $1010\text{–}1120\ ^\circ\text{C}$ (حسب المواصفة) يتبعها تبريد سريع، عادةً عن طريق التبريد بالماء، لإعادة إذابة الكربيدات واستعادة مقاومة التآكل. - لا يتم تقوية أي من الدرجتين بواسطة المعالجة الحرارية التقليدية (لأنها ليست مارتنسيتية أو قابلة للتصلب بالترسيب)؛ يمكن زيادة القوة عن طريق العمل البارد. - المعالجة الحرارية الميكانيكية (الدرفلة، العمل البارد + المعالجة الحرارية) تتحكم في حجم الحبيبات ويمكن أن تؤثر على المتانة؛ العمل البارد الثقيل يزيد القوة ويقلل من الليونة. - بالنسبة للمكونات الملحومة: يقلل الكربون المنخفض في TP316L من القوة الدافعة لتكوين الكربيد أثناء التبريد البطيء؛ قد يتطلب TP316 معالجة حرارية للحل بعد اللحام الثقيل أو الواسع إذا كانت الخدمة تتطلب أقصى مقاومة للتآكل بين الحبيبات.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية على شكل المنتج (لوح، ورقة، أنبوب، قضيب)، ودرجة العمل البارد، والمعالجة الحرارية. الجدول أدناه يعطي نطاقات نموذجية معالجة حراريًا تمثل الاختيار الهندسي. تحقق دائمًا مع شهادة اختبار المصنع.

الخاصية (معالجة حرارية)	TP316 (نموذجي)	TP316L (نموذجي)
قوة الشد (ميغاباسكال)	~480–620	~480–620
قوة الخضوع، 0.2% انحراف (ميغاباسكال)	~170–310	~140–290
التمدد (A، %)	≥ 40% (يختلف)	≥ 40% (يختلف)
صلابة التأثير	جيدة - تحتفظ بالمتانة في درجات الحرارة المنخفضة (غير محددة بواسطة المعيار)	جيدة - مشابهة لـ TP316
الصلابة (HB/HRB)	معالجة حرارية: عادةً ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB)	معالجة حرارية: عادةً ≤ 200 HV (≈ ≤ 95 HRB)

التفسير: - القوة: تعتبر قوة الشد الاسمية متشابهة لأن سبائك القاعدة متشابهة؛ قد يظهر TP316 قوة خضوع أعلى قليلاً بسبب الكربون الأعلى، لكن الاختلافات متواضعة في الحالة المعالجة حراريًا. - المتانة والليونة: كلاهما عالي الليونة والمتانة؛ يمكن أن يقدم TP316L ليونة وقابلية تشكيل أفضل قليلاً في بعض العمليات بسبب انخفاض قوة الخضوع. - الصلابة: كلاهما ناعم في الحالة المعالجة حراريًا؛ يزيد العمل البارد من الصلابة والقوة بشكل كبير.

5. قابلية اللحام

تعتبر الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية من بين أكثر الدرجات قابلية للحام، لكن محتوى الكربون يؤثر على اختيار المادة المالئة، وممارسة التسخين المسبق/ما بعد التسخين، والحاجة إلى المعالجة الحرارية بعد اللحام.

الاعتبارات الرئيسية للحام: - مخاطر التحسس: يزيد الكربون الأعلى من خطر ترسيب كربيدات الكروم في منطقة التأثير الحراري (HAZ) أثناء التبريد البطيء. يقلل الكربون المنخفض في TP316L بشكل كبير من هذا الخطر، وبالتالي يُفضل حيثما يتطلب الأمر لحامًا واسع النطاق أو مقاومة للتآكل بعد اللحام. - التشقق الساخن: تستفيد الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية من بعض الفريت δ المحتفظ به في معدن اللحام لمقاومة التشقق الساخن. تحدد التركيبة وطريقة التصلب محتوى الفريت الناتج. - المعادن المالئة: عادةً ما يتم استخدام المعادن المطابقة أو المطابقة منخفضة الكربون (مثل ER316/ER316L)؛ لاستخدام الوصلات غير المتشابهة، استخدم مواد مالئة انتقالية مناسبة (مثل 309 للوصلات الفريتية إلى الأوستنيتية).

مؤشرات تجريبية مفيدة (تفسير نوعي): - مكافئ الكربون (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr + Mo + V}{5} + \frac{Ni + Cu}{15}$$ يشير $CE_{IIW}$ الأعلى إلى زيادة القابلية للتصلب وزيادة القابلية للتشقق البارد في الفولاذ الكربوني؛ بالنسبة للفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية، يمكن استخدامه نوعيًا لمقارنة الميل لتشكيل هياكل مجهرية غير مرغوب فيها أثناء اللحام. - مقياس مقاومة الثقوب والتشقق أثناء اللحام: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn + Cu}{20} + \frac{Cr + Mo + V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ يشير $P_{cm}$ الأعلى إلى تحديات أكبر في قابلية اللحام للدرجات المقاومة للصدأ؛ يقلل الكربون المنخفض من $P_{cm}$.

التفسير: - يوفر TP316L ضمانًا أفضل ضد التحسس دون الحاجة إلى معالجة حرارية للحل بعد اللحام. في الهياكل التي تكون فيها المعالجة الحرارية بعد اللحام غير عملية (خزانات كبيرة، لحام ميداني)، يعتبر TP316L الخيار الأكثر أمانًا. - يمكن استخدام TP316 حيث يكون اللحام محدودًا، أو حيث تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام ممكنة، أو حيث تكون القوة/مقاومة الزحف أعلى قليلاً في درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة.

6. التآكل وحماية السطح

تعتمد الفولاذات المقاومة للصدأ من عائلة 316 على أفلام أكسيد الكروم السلبية لمقاومة التآكل. يحسن الموليبدينوم مقاومة التآكل المحلي (الثقوب، تآكل الشقوق).

يستخدم أحيانًا رقم مكافئ مقاومة الثقوب (PREN) لمقارنة مقاومة التآكل المحلي: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ بالنسبة لـ 316/316L التقليدية (كروم معتدل، ~2–3% موليبدينوم، نيتروجين منخفض) يشير PREN إلى مقاومة معتدلة للتآكل مقارنةً بالدرجات المزدوجة أو الفائقة الأوستنيتية.

ملاحظات: - كلا من TP316 و TP316L لهما مقاومة تآكل شاملة مماثلة لأن محتويات Cr و Ni و Mo متشابهة؛ لا يغير الكربون مباشرةً مقاومة الثقوب ولكنه يؤثر بشكل غير مباشر على أداء التآكل من خلال تعزيز التحسس والتآكل بين الحبيبات إذا تشكلت الكربيدات. - تنطبق طرق حماية السطح (التغليف، الطلاء) على الفولاذات غير المقاومة للصدأ؛ بالنسبة للركائز المقاومة للصدأ، تُستخدم علاجات التمرير (نقع الحمض، تمرير النيتريك) لاستعادة أو تعزيز الفيلم السلبي.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

• التشكيل: كلا الدرجتين لهما قابلية تشكيل ممتازة في الحالة المعالجة حراريًا. يمكن أن تجعل قوة الخضوع المنخفضة قليلاً في TP316L عملية السحب العميق والضغط أسهل قليلاً وتقلل من الارتداد.
• قابلية التشغيل: تعمل الفولاذات المقاومة للصدأ الأوستنيتية على زيادة الصلابة بسرعة ولها قابلية تشغيل ضعيفة مقارنة بالفولاذات الكربونية. تتطلب أدوات خاصة، وإعدادات صارمة، وتغذيات/سرعات مناسبة. تعمل TP316 و TP316L بشكل مشابه؛ تظهر اختلافات صغيرة نتيجة ميول العمل البارد.
• التشطيب: يعتبر التلميع الكهربائي والتلميع الميكانيكي شائعين. يستفيد TP316L من انخفاض خطر التحسس أثناء التعرض الحراري في التصنيع.
• يزيد التشكيل البارد من القوة بشكل كبير ويقلل من الليونة؛ تستعيد المعالجة الحرارية بعد التشكيل مقاومة التآكل الكاملة إذا كانت التحسس مصدر قلق.

8. التطبيقات النموذجية

TP316 (الاستخدامات)	TP316L (الاستخدامات)
أنابيب المبادلات الحرارية حيث يتطلب الأمر بعض القوة/مقاومة الزحف الأعلى عند درجات حرارة مرتفعة معتدلة؛ مكونات أوعية الضغط عندما يكون من المخطط إجراء معالجة حرارية بعد اللحام	خزانات وأوعية ملحومة كبيرة لمعالجة المواد الكيميائية/الصيدلانية حيث يكون تقليل المعالجة الحرارية بعد اللحام أمرًا حاسمًا
معدات بحرية وساحلية مع تعرض معتدل للتآكل (حيث يوفر الموليبدينوم مقاومة للثقوب)	أنظمة الأنابيب، والتجهيزات، والمعدات الصحية حيث يحدث لحام ميداني واسع النطاق
المثبتات، والمسامير، والأجزاء التي سيتم العمل عليها لزيادة القوة	التطبيقات الكريوجينية، والأجهزة الصيدلانية والطبية حيث يُفضل الكربون المنخفض لتجنب التلوث والتحسس
بعض معدات العمليات الكيميائية حيث يتضمن التصنيع لحامًا محدودًا	معالجة الطعام، والتخمير، وخزانات التخزين مع متطلبات لحام ثقيلة

مبررات الاختيار: - اختر TP316 حيث تكون القوة الأعلى قليلاً أو خصائص درجات الحرارة المرتفعة مطلوبة وحيث يمكن إجراء معالجة حرارية للحام أو لا توجد مخاطر للتحسس في ظروف الخدمة. - اختر TP316L حيث يكون اللحام واسع النطاق، والمعالجة الحرارية بعد اللحام غير عملية، ويكون أقصى ضمان ضد التآكل بين الحبيبات مطلوبًا.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: في معظم الأسواق، يتم تسعير TP316 و TP316L بشكل مشابه لأن إضافات سبائك القاعدة (Ni، Mo) تهيمن على التكلفة؛ قد يحمل TP316L علاوة صغيرة في بعض أشكال المنتجات بسبب ضوابط المعالجة الإضافية. تتأثر الأسعار بشدة بأسواق النيكل والموليبدينوم العالمية.
• التوافر: كلا الدرجتين متاحتان على نطاق واسع في الأوراق، والألواح، والأنابيب، والأنابيب، والقضبان، والمسبوكات، ومواد اللحام. يتم تخزين TP316L بشكل شائع للاستخدام في الأنابيب والصرف الصحي؛ TP316 شائع في أنابيب المبادلات الحرارية وبعض مكونات الاحتفاظ بالضغط.

10. الملخص والتوصية

المقياس	TP316	TP316L
قابلية اللحام (مقاومة للتحسس)	جيدة؛ تتطلب الحذر للحام الثقيل	أفضل للحام الثقيل/الميداني؛ خطر منخفض للتحسس
القوة–المتانة	قوة خضوع أعلى قليلاً في بعض الظروف؛ قوة شد ومتانة مشابهة	قوة خضوع أقل قليلاً؛ متانة وليونة ممتازة
التكلفة والتوافر	قابلة للمقارنة؛ قد تكون أقل قليلاً في بعض الأسواق	قابلة للمقارنة؛ مخزنة على نطاق واسع للتصنيع الملحوم

الاستنتاجات — إرشادات عملية - اختر TP316L إذا: كان تصميمك يتضمن لحامًا واسع النطاق أو لحامًا ميدانيًا، لا يمكنك إجراء معالجة حرارية للحل بعد اللحام، أو إذا كانت أقصى حماية ضد التآكل بين الحبيبات مطلوبة (مثل خزانات المواد الصيدلانية، الغذائية، الكيميائية، أو أنابيب لحام طويلة). - اختر TP316 إذا: كنت بحاجة إلى قوة خضوع أعلى قليلاً أو مقاومة زحف متاحة في بعض الخلطات، يمكنك تطبيق معالجة حرارية بعد اللحام (معالجة حرارية للحل) عند الحاجة، أو إذا كانت المواصفة تتطلب TP316 للتوافق مع المكونات والممارسات التصنيعية الحالية.

ملاحظة نهائية: كلا الدرجتين هما فولاذان مقاومان للصدأ ممتازان للاستخدام العام. حدد المعيار الدقيق، وأداء التآكل المطلوب، والحد الأقصى المسموح به من الكربون (وما إذا كانت المتغيرات المستقرة مثل 316Ti أو 316Cb مقبولة)، والمعالجات المطلوبة بعد التصنيع في وثائق الشراء. تحقق دائمًا من البيانات الميكانيكية والكيميائية مع شهادة اختبار المصنع للشكل المحدد من المنتج ودفعة الحرارة في الطلب.