الفولاذ السبائكي
الفولاذ السبائكي هو الفولاذ الذي يتم خلطه بمجموعة متنوعة من العناصر بنسب تتراوح بين 1.0% و 50% من حيث الوزن، وذلك عادةً لتحسين خصائصه الميكانيكية .
الأنواع
تنقسم سبائك الصلب إلى مجموعتين: سبائك منخفضة السبائك وسبائك عالية السبائك. ويُعدّ الحد الفاصل بينهما محل خلاف. فقد حدّد ويليام سميث وجواد هاشمي الفرق بنسبة 4.0%، [ 1 ] : 393، بينما حدّده بول ديغارمو وآخرون بنسبة 8.0%. [ 2 ] : 112. ومعظم سبائك الصلب هي سبائك منخفضة السبائك.
أبسط أنواع الفولاذ هي الفولاذ الكربوني، وهو عبارة عن حديد (Fe) مخلوط بنسبة (0.1% إلى 1%) من الكربون (C) فقط (باستثناء شوائب طفيفة). أما الفولاذ السبائكي ، فيشمل أنواع الفولاذ التي تحتوي على عناصر سبائك معدنية إضافية. ومن العناصر الشائعة في السبائك: المنغنيز (Mn) (الأكثر شيوعًا)، والنيكل (Ni)، والكروم (Cr)، والموليبدينوم (Mo)، والفاناديوم (V)، والسيليكون (Si)، والبورون (B). ومن العناصر الأقل شيوعًا: الألومنيوم (Al)، والكوبالت (Co)، والنحاس (Cu)، والسيريوم (Ce)، والنيوبيوم (Nb)، والتيتانيوم (Ti)، والتنغستن (W)، والقصدير (Sn)، والزنك (Zn)، والرصاص (Pb)، والزركونيوم (Zr).
ملكيات
تُحسّن سبائك الصلب بشكلٍ متفاوت من القوة والصلابة والمتانة ومقاومة التآكل ومقاومة الصدأ وقابلية التصليد والصلابة عند درجات الحرارة العالية . ولتحقيق هذه الخصائص المحسّنة، قد يتطلب المعدن معالجة حرارية خاصة ، بالإضافة إلى بروتوكولات تبريد صارمة.
على الرغم من أن صناعة سبائك الصلب تعود إلى قرون مضت، إلا أن علم المعادن الخاص بها لم يكن مفهوماً جيداً حتى كشف التقدم الذي أحرزه علم الكيمياء في القرن التاسع عشر عن تركيباتها. كانت سبائك الصلب في العصور السابقة سلعاً فاخرة باهظة الثمن، تُصنع وفق "وصفات سرية"، وتُستخدم في صناعة الأدوات مثل السكاكين والسيوف. أما سبائك الصلب في عصر الآلات، فكانت تُستخدم في صناعة أدوات الصلب والفولاذ المقاوم للصدأ .
بسبب الخصائص المغناطيسية الحديدية للحديد ، تجد بعض السبائك تطبيقات مهمة حيث يتم تقدير استجاباتها للمغناطيسية، بما في ذلك في المحركات الكهربائية والمحولات.
الفولاذ منخفض السبائك
| تصنيف SAE | تعبير |
|---|---|
| 13xx | منغنيز 1.75% |
| 40xx | Mo 0.20% أو 0.25% أو 0.25% Mo و 0.042% S |
| 41xx | الكروم 0.50% أو 0.80% أو 0.95%، الموليبدينوم 0.12% أو 0.20% أو 0.25% أو 0.30% |
| 43xx | ني 1.82%، كروم 0.50% إلى 0.80%، مو 0.25% |
| 44xx | Mo 0.40% أو 0.52% |
| 46xx | ني 0.85% أو 1.82%، مو 0.20% أو 0.25% |
| 47xx | ني 1.05%، كروم 0.45%، مو 0.20% أو 0.35% |
| 48xx | نيكل 3.50%، موليبدينوم 0.25% |
| 50xx | نسبة الكروم 0.27% أو 0.40% أو 0.50% أو 0.65% |
| 50xxx | كروم 0.50%، ج 1.00% كحد أدنى |
| 50Bxx | نسبة الكروم 0.28% أو 0.50%، مع إضافة البورون |
| 51xx | نسبة الكروم 0.80% أو 0.87% أو 0.92% أو 1.00% أو 1.05% |
| 51xxx | كروم 1.02%، كربون 1.00% كحد أدنى |
| 51Bxx | نسبة الكروم 0.80%، والبورون المضاف |
| 52xxx | كروم 1.45%، كربون 1.00% كحد أدنى |
| 61xx | نسبة الكروم 0.60% أو 0.80% أو 0.95%، ونسبة الفاناديوم 0.10% أو 0.15% كحد أدنى |
| 86xx | Ni 0.55%، Cr 0.50%، Mo 0.20% |
| 87xx | Ni 0.55%، Cr 0.50%، Mo 0.25% |
| 88xx | Ni 0.55%، Cr 0.50%، Mo 0.35% |
| 92xx | Si 1.40% أو 2.00%، Mn 0.65% أو 0.82% أو 0.85%، Cr 0.00% أو 0.65% |
| 94Bxx | Ni 0.45%، Cr 0.40%، Mo 0.12%، والبورون المضاف |
| ES-1 | Ni 5%، Cr 2%، Si 1.25%، W 1%، Mn 0.85%، Mo 0.55%، Cu 0.5%، Cr 0.40%، C 0.2%، V 0.1% |
علم المواد
تُتيح عناصر السبائك خصائص مُحددة. [ 3 ] وكقاعدة عامة، تُضاف عناصر السبائك بنسب منخفضة (أقل من 5%) لزيادة القوة أو قابلية التصلب، أو بنسب أعلى (أكثر من 5%) لتحسين مقاومة التآكل أو استقرار درجة الحرارة. [ 2 ] : 112
| ملكية | عناصر | الآلية |
|---|---|---|
| صناعة الصلب | المنغنيز أو السيليكون أو الألومنيوم | إزالة الأكسجين المذاب والكبريت والفوسفور |
| قوة | المنغنيز والسيليكون والنيكل والنحاس | تشكل محاليل صلبة في الفريت |
| قوة | الكروم والفاناديوم والموليبدينوم والتنغستن | تكوين كربيدات الطور الثاني |
| مقاومة التآكل | النيكل والنحاس | |
| مقاومة التقصف | الموليبدينوم | |
| التحكم في شكل التضمين | الزركونيوم والسيريوم والكالسيوم | |
| قابلية التشغيل الآلي | الكبريت ( كبريتيد المنغنيز )، والرصاص، والبزموت، والسيلينيوم، والتيلوريوم | [ 2 ] : 113 |
تميل عناصر السبائك إلى تكوين إما محاليل صلبة أو مركبات أو كربيدات.
- النيكل قابل للذوبان في الفريت؛ لذلك، فإنه عادة ما يشكل Ni3Al .
- يذوب الألومنيوم في الفريت ويشكل Al 2 O 3 و AlN. السيليكون قابل للذوبان أيضًا وعادة ما يشكل SiO 2 •M x O y .
- يذوب المنغنيز في الغالب في الفريت مكونًا MnS و MnO•SiO 2 ، ولكن أيضًا الكربيدات: (Fe,Mn) 3 C.
- يشكل الكروم فواصل بين طوري الفريت والكربيد في الفولاذ، مكوناً (Fe,Cr 3 )C و Cr 7 C 3 و Cr 23 C 6. ويعتمد نوع الكربيد الذي يشكله الكروم على كمية الكربون وعناصر السبائك الأخرى الموجودة.
- يشكل التنجستن والموليبدينوم الكربيدات إذا توفرت كمية كافية من الكربون وغياب العناصر الأقوى المكونة للكربيدات (مثل التيتانيوم والنيوبيوم )، فإنهما يشكلان الكربيدات W2C و Mo2C على التوالي.
- يُعدّ الفاناديوم والتيتانيوم والنيوبيوم عناصر قوية في تكوين الكربيدات، حيث تُشكّل على التوالي كربيد الفاناديوم وكربيد التيتانيوم وكربيد النيوبيوم . [ 1 ] : 394-395
درجة حرارة يوتكتويد
يمكن أن يكون لعناصر السبائك تأثير على درجة حرارة التحول اليوتكتويدي .
- يُخفّض المنجنيز والنيكل درجة حرارة التحول اليوتكتويدي، ويُعرفان بعناصر تثبيت الأوستنيت. بوجود كمية كافية من هذه العناصر، قد تتشكل بنية الأوستنيت في درجة حرارة الغرفة.
- تساهم العناصر المكونة للكربيدات في رفع درجة حرارة التحول اليوتكتويدي وتثبيت الفريتات. [ 1 ] : 395-396
| عنصر | نسبة مئوية | الوظيفة الأساسية |
|---|---|---|
| الألومنيوم | 0.95–1.30 | عنصر السبائك في فولاذ النتردة |
| البزموت | — | يحسن قابلية التشغيل الآلي |
| البورون | 0.001–0.003 | ( فولاذ البورون ) عامل قوي لزيادة الصلابة |
| الكروم | 0.5–2 | يزيد من قابلية التصلب |
| 4-18 | ( الفولاذ المقاوم للصدأ ) يزيد من مقاومة التآكل | |
| نحاس | 0.1–0.4 | مقاومة التآكل |
| يقود | — | تحسين قابلية التشغيل الآلي |
| المنغنيز | 0.25–0.40 | يتحد مع الكبريت والفوسفور لتقليل الهشاشة. كما يساعد على إزالة الأكسجين الزائد . |
| >1 | يزيد من قابلية التصلب عن طريق خفض نقاط التحول وجعل التحولات بطيئة | |
| الموليبدينوم | 0.2–5 | كربيدات مستقرة ؛ تمنع نمو الحبيبات. تزيد من صلابة الفولاذ، مما يجعل الموليبدينوم معدنًا ذا قيمة عالية في صناعة أجزاء القطع في أدوات الآلات ، وكذلك شفرات التوربينات في المحركات النفاثة . كما يُستخدم في محركات الصواريخ . |
| النيكل | 2-5 | مُقوّي |
| 12-20 | يزيد من مقاومة التآكل | |
| النيوبيوم | — | يعمل على تثبيت البنية المجهرية |
| السيليكون | 0.2–0.7 | يزيد من القوة |
| 2.0 | فولاذ زنبركي | |
| نسب أعلى | يحسن الخصائص المغناطيسية | |
| الكبريت | 0.08–0.15 | خصائص التشغيل الحر |
| التيتانيوم | — | يثبت الكربون في الجزيئات الخاملة؛ ويقلل من صلابة المارتنسيت في فولاذ الكروم |
| التنجستن | — | كما أنه يزيد من درجة الانصهار. |
| الفاناديوم | 0.15 | كربيدات مستقرة؛ تزيد من القوة مع الحفاظ على الليونة؛ تعزز بنية الحبيبات الدقيقة. تزيد من المتانة عند درجات الحرارة العالية |
البنية المجهرية
تعتمد خصائص الفولاذ على بنيته المجهرية: أي ترتيب أطواره المختلفة ، بعضها أكثر صلابة، وبعضها الآخر أكثر مرونة . على المستوى الذري، تشمل الأطوار الأربعة للفولاذ المستخدم في صناعة السيارات: المارتنسيت (الأكثر صلابة ولكنه الأكثر هشاشة)، والباينيت (أقل صلابة)، والفريت (أكثر مرونة)، والأوستنيت (الأكثر مرونة). يقوم مصنّعو الفولاذ بترتيب هذه الأطوار من خلال التحكم في فترات التسخين والتبريد (أحيانًا بالثواني فقط) ودرجات حرارتها. [ 4 ]
اللدونة الناتجة عن التحول
تتحول فولاذات TRIP من حالة مطاوعة نسبيًا إلى حالة صلبة نسبيًا عند تعرضها للتشوه، كما هو الحال في حوادث السيارات. ويؤدي التشوه إلى تحويل البنية المجهرية الأوستنيتية إلى بنية مجهرية مارتنسيتية. تستخدم فولاذات TRIP نسبة عالية نسبيًا من الكربون لتكوين البنية المجهرية الأوستنيتية. كما أن النسبة العالية نسبيًا من السيليكون/الألومنيوم تثبط ترسيب الكربيدات في منطقة البينيت وتساعد على تسريع تكوين الفريت/البينيت. وهذا بدوره يساعد على الاحتفاظ بالكربون لدعم الأوستنيت عند درجة حرارة الغرفة. وتقلل عملية تبريد محددة من تحول الأوستنيت/المارتنسيت أثناء التشكيل. تتطلب فولاذات TRIP عادةً تثبيتًا متساوي الحرارة عند درجة حرارة متوسطة أثناء التبريد، مما ينتج عنه بعض البينيت. ويتطلب السيليكون/الكربون الإضافي تعديل دورة اللحام، مثل استخدام اللحام النبضي أو لحام التخفيف. [ 5 ]
في إحدى الطرق، يُسخّن الفولاذ إلى درجة حرارة عالية، ثم يُبرّد قليلاً، ويُثبّت عند هذه الدرجة لفترة، ثم يُقسّى فجأة. ينتج عن ذلك جزر من الأوستنيت محاطة بمصفوفة من الفريت الأكثر ليونة، مع مناطق من البينيت والمارتنسيت الأكثر صلابة. يتميز المنتج الناتج بقدرته على امتصاص الطاقة دون أن يتشقق، مما يجعله مناسبًا لتصنيع قطع غيار السيارات مثل المصدات والأعمدة.
تتوفر ثلاثة أجيال من الفولاذ المتطور عالي القوة. طُوّر الجيل الأول في تسعينيات القرن الماضي، مما زاد من قوته وليونته. استخدم الجيل الثاني سبائك جديدة لزيادة الليونة، ولكنه كان مكلفًا وصعب التصنيع. أما الجيل الثالث فهو في طور الظهور. تعمل أنماط التسخين والتبريد المُحسّنة على زيادة القوة على حساب الليونة (مقارنةً بالجيل الثاني). يُزعم أن هذه الأنواع من الفولاذ تقارب قوتها عشرة أضعاف الأنواع السابقة، وهي أرخص بكثير في التصنيع. [ 5 ]
المركبات المعدنية البينية
ابتكر الباحثون سبيكة تتمتع بقوة الفولاذ وخفة سبيكة التيتانيوم، وذلك بدمج الحديد والألومنيوم والكربون والمنغنيز والنيكل. أما المكون الآخر فهو جزيئات نانوية الحجم من مركب B2 البيني (معدنان متساويان في عدد الذرات) موزعة بانتظام. وقد ساهم استخدام النيكل في تجنب المشاكل التي واجهت المحاولات السابقة لاستخدام مركب B2، مع زيادة الليونة. [ 6 ]
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 3 4 سميث، ويليام ف.؛ هاشمي، جواد (2001)، أسس علم وهندسة المواد (الطبعة الرابعة )، ماكجرو هيل، ص 394، ISBN 0-07-295358-6
- 1 2 3 4 ديغارمو، إي. بول؛ بلاك، جيه تي؛ كوهسر، رونالد أ. (2007)، المواد والعمليات في التصنيع ( الطبعة العاشرة)، وايلي، ISBN 978-0-470-05512-0
- ↑ "ما هي أنواع الفولاذ المختلفة؟ | مدونة خبراء المعادن" . خبراء المعادن . 18 أغسطس 2020. تاريخ الاطلاع: 29 يناير 2021 .
- ↑ جونسون الابن، جون (2024-08-05). "أشكال جديدة من الفولاذ لسيارات أقوى وأخف وزنًا" . مجلة Knowable . doi : 10.1146/knowable-080524-1 .
- 1 2 هيكي، كيت (23-06-2021). "اللدونة المستحثة بالتحول (TRIP)" . إرشادات AHSS . تم الاسترجاع في 21-08-2024 .
- ↑ جيفري، كولين (12 فبراير 2015). "ابتكار سبيكة فولاذية جديدة تتميز بقوة وخفة التيتانيوم" . نيو أطلس . تاريخ الاسترجاع: 22 ديسمبر 2024 .
روابط خارجية
- جروفر، ميكيل ب. (26 فبراير 2009). أساسيات التصنيع الحديث: المواد والعمليات والأنظمة . جون وايلي وأولاده، المحدودة.
- سبائك الصلب