الأوستنيت

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
مخطط طور الحديد والكربون، يوضح الظروف التي يكون فيها الأوستنيت (γ) مستقرًا في الفولاذ الكربوني.
أشكال الحديد المتآصلة؛ حديد ألفا وحديد غاما

الأوستنيت ، المعروف أيضًا باسم حديد الطور غاما ( γ-Fe )، هو شكلٌ معدنيٌّ غير مغناطيسيٍّ من أشكال الحديد، أو محلولٌ صلبٌ من الحديد مع عنصرٍ مُسبِّك . [ 1 ] في الفولاذ الكربونيّ العاديّ ، يوجد الأوستنيت فوق درجة حرارة التَّحَوُّل الحرجّة البالغة 1000 كلفن (727  درجة مئوية)؛ بينما تتميّز سبائك الفولاذ الأخرى بدرجات حرارة تَّحَوُّل حرجة مختلفة. سُمِّيَ شكل الأوستنيت نسبةً إلى السير ويليام تشاندلر روبرتس-أوستن (1843-1902). [ 2 ] يوجد الأوستنيت في درجة حرارة الغرفة في بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، وذلك لوجود النيكل الذي يُثبِّت الأوستنيت عند درجات الحرارة المنخفضة.

أحد أشكال الحديد

في نطاق درجات حرارة يتراوح بين 912 و1394 درجة مئوية (1674 إلى 2541 درجة فهرنهايت)، يخضع حديد ألفا لتحول طوري من بنية مكعبة مركزية الجسم (BCC) إلى بنية مكعبة مركزية الأوجه (FCC) لحديد غاما، المعروف أيضًا باسم الأوستنيت. يتميز هذا الحديد بنعومته وليونته، ولكنه قادر على إذابة كمية أكبر بكثير من الكربون (تصل إلى 2.03% من الكتلة عند 1146 درجة مئوية (2095 درجة فهرنهايت) ). يوجد هذا الشكل من حديد غاما في أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ شيوعًا في صناعة معدات المستشفيات وخدمات الطعام.    

مادة

تعني عملية الأوستنة تسخين الحديد أو المعادن الحديدية أو الفولاذ إلى درجة حرارة تُغير عندها بنيته البلورية من الفريت إلى الأوستنيت. [ 3 ] وبذلك، تصبح بنية الأوستنيت الأكثر انفتاحًا قادرة على امتصاص الكربون من كربيدات الحديد الموجودة في الفولاذ الكربوني. وقد تؤدي عملية الأوستنة الأولية غير المكتملة إلى ترك كربيدات غير ذائبة في المادة الأساسية. [ 4 ]

بالنسبة لبعض المعادن الحديدية والمعادن القائمة على الحديد والفولاذ، قد يحدث وجود الكربيدات أثناء مرحلة الأوستنة. ويُطلق على هذه الظاهرة عادةً اسم الأوستنة ثنائية الطور . [ 5 ]

التصلب الأوستنيتي

التصليد الأوستنيتي هو عملية تقوية تُستخدم في المعادن الحديدية لتحسين خواصها الميكانيكية. يُسخّن المعدن إلى منطقة الأوستنيت في مخطط طور الحديد- السمنتيت ، ثم يُبرّد فجأة في حمام ملحي أو وسط آخر لاستخلاص الحرارة عند درجات حرارة تتراوح بين 300 و375 درجة مئوية (572-707 درجة فهرنهايت) . يُخضع المعدن لعملية تلدين في هذا النطاق الحراري حتى يتحول الأوستنيت إلى باينيت أو أوسفريت (فريت باينيت + أوستنيت عالي الكربون). [ 6 ]  

بتغيير درجة حرارة الأوستنة، يمكن لعملية التصليد الأوستنيتي أن تُنتج بنى مجهرية مختلفة ومرغوبة. [ 7 ] فارتفاع درجة حرارة الأوستنة يُنتج محتوى كربون أعلى في الأوستنيت، بينما انخفاضها يُنتج توزيعًا أكثر تجانسًا للبنية المُصلّدة. [ 7 ] وقد تم تحديد محتوى الكربون في الأوستنيت كدالة لزمن التصليد الأوستنيتي. [ 8 ]

السلوك في الفولاذ الكربوني العادي

البنية المجهرية للأوستنيت عند درجتي حرارة مختلفتين

مع تبريد الأوستنيت، ينتشر الكربون خارجه مكونًا كربيد الحديد الغني بالكربون (السمنتيت)، تاركًا وراءه الفريت الفقير بالكربون . وبحسب تركيب السبيكة، قد تتشكل طبقات من الفريت والسمنتيت تُسمى البيرلايت . إذا كان معدل التبريد سريعًا جدًا، فلن يتوفر للكربون وقت كافٍ للانتشار، وقد تتعرض السبيكة لتشوه كبير في بنيتها البلورية يُعرف بالتحول المارتنسيتي ، حيث تتحول إلى مارتنسيت ، وهو بنية رباعية مركزية الجسم . يحدد معدل التبريد النسب النسبية للمارتنسيت والفريت والسمنتيت، وبالتالي يحدد الخواص الميكانيكية للفولاذ الناتج، مثل الصلابة وقوة الشد .

يؤدي معدل التبريد العالي للمقاطع السميكة إلى تدرج حراري حاد في المادة. تبرد الطبقات الخارجية للجزء المعالج حراريًا بشكل أسرع وتتقلص أكثر، مما يجعلها تحت تأثير الشد والإجهاد الحراري. عند معدلات التبريد العالية، تتحول المادة من الأوستنيت إلى المارتنسيت، وهو أكثر صلابة بكثير، مما يؤدي إلى ظهور تشققات عند مستويات إجهاد أقل بكثير. كما أن تغير الحجم (المارتنسيت أقل كثافة من الأوستنيت) [ 9 ] يمكن أن يولد إجهادات أيضًا. قد يؤدي اختلاف معدلات الإجهاد بين الجزء الداخلي والخارجي للجزء إلى ظهور تشققات في الجزء الخارجي، مما يستدعي استخدام معدلات تبريد أبطأ لتجنب ذلك. من خلال إضافة التنجستن إلى الفولاذ ، يتباطأ انتشار الكربون ويحدث التحول إلى شكل BCT عند درجات حرارة منخفضة، وبالتالي تجنب التشققات. يُقال إن هذه المادة تزداد قابليتها للتصلب. يؤدي التلدين بعد التبريد إلى تحويل جزء من المارتنسيت الهش إلى مارتنسيت مُلدّن. إذا تم تبريد الفولاذ ذي قابلية التصلب المنخفضة، فسيتم الاحتفاظ بكمية كبيرة من الأوستنيت في البنية المجهرية، مما يترك الفولاذ مع إجهادات داخلية تجعل المنتج عرضة للكسر المفاجئ.

أثناء تبريد الأوستنيت، يلعب تحلله دورًا حاسمًا في تحديد البنية المجهرية النهائية للفولاذ. تتأثر حركية هذا التحول بشكل كبير بمورفولوجيا الكربيدات الموجودة في المادة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي وجود الكربيدات الخشنة إلى إبطاء معدل تكوين الأوستنيت أثناء التلدين بين درجات الحرارة الحرجة، نظرًا لبطء حركية ذوبانها. [ 10 ] يتشكل البيرلايت، وهو بنية صفائحية تتكون من طبقات متناوبة من الفريت والسمنتيت، من خلال عمليات التكوين والنمو التعاونية من الأوستنيت. يؤثر سمك هذه الطبقات بشكل مباشر على الخواص الميكانيكية للفولاذ. [ 10 ]

يتأثر تحلل الأوستنيت بمعدل التبريد، الذي يؤثر بدوره على شكل الكربيدات، وبالتالي على بنية الفولاذ النهائية. تسمح معدلات التبريد البطيئة بتكوّن جزيئات السمنتيت الخشنة عند حدود الحبيبات، بينما تعزز معدلات التبريد الأسرع تكوين مستعمرات البيرلايت الدقيقة. ولدرجة حرارة اللف ، على وجه الخصوص، تأثير كبير على شكل الكربيدات: فدرجات حرارة اللف المنخفضة (أقل من درجة حرارة التحول اليوتكتويدي) تعزز تكوين البيرلايت الدقيق، بينما تشجع درجات الحرارة المرتفعة على تكوين السمنتيت الخشن. [ 10 ] يؤثر هذا الاختلاف في شكل الكربيدات على معدل ودرجة حرارة تكوّن الأوستنيت وتحلله أثناء المعالجات الحرارية اللاحقة. [ 10 ]

سلوك الحديد الزهر

يؤدي تسخين الحديد الزهر الأبيض (الذي يحتوي على كربيد الحديد، أي السمنتيت، ولكن لا يحتوي على كربون غير مرتبط) إلى درجة حرارة أعلى من 727 درجة مئوية (1341 درجة فهرنهايت) إلى تكوين الأوستنيت في بلورات السمنتيت الأولي. [ 11 ] تحدث عملية الأوستنة هذه للحديد الأبيض في السمنتيت الأولي عند الحد الفاصل بين الطورين مع الفريت. [ 11 ] عندما تتشكل حبيبات الأوستنيت في السمنتيت، فإنها تظهر على شكل تجمعات صفائحية موجهة على طول سطح طبقة بلورات السمنتيت. [ 11 ] يتكون الأوستنيت من خلال انتشار ذرات الكربون من السمنتيت إلى الفريت. [ 11 ] [ 12 ]  

الاستقرار عند درجات حرارة منخفضة

يمكن أن تؤدي إضافة بعض عناصر السبائك، مثل المنغنيز والنيكل ، إلى استقرار البنية الأوستنيتية، مما يسهل المعالجة الحرارية للفولاذ منخفض السبائك . وفي حالة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي ، فإن المحتوى العالي من السبائك يجعل هذه البنية مستقرة حتى في درجة حرارة الغرفة.

من ناحية أخرى، تميل عناصر مثل السيليكون والموليبدينوم والكروم إلى زعزعة استقرار الأوستنيت، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة اليوتكتويد .

الأغشية الرقيقة

لا يكون الأوستنيت مستقرًا إلا عند درجات حرارة أعلى من 910 درجة مئوية (1670 درجة فهرنهايت) في حالته المعدنية الصلبة. مع ذلك، يمكن تنمية المعادن الانتقالية ذات التركيب البلوري المكعب المتمركز على الوجوه (FCC) أو المكعب الماسي . [ 13 ] يُعد النمو المتناحي للأوستنيت على وجه الماس (100) ممكنًا نظرًا لتطابق الشبكة البلورية الوثيق وتناظر وجه الماس (100) المكعب المتمركز على الوجوه. يمكن تنمية أكثر من طبقة أحادية من حديد غاما لأن السماكة الحرجة للطبقات المتعددة المشدودة أكبر من طبقة أحادية. [ 13 ] تتوافق السماكة الحرجة المُحددة توافقًا وثيقًا مع التنبؤ النظري. [ 13 ]  

التحول ونقطة كوري

في العديد من السبائك الحديدية المغناطيسية، تحدث نقطة كوري ، وهي درجة الحرارة التي تتوقف عندها المواد المغناطيسية عن التصرف مغناطيسيًا، عند درجة حرارة قريبة جدًا من درجة حرارة تحول الأوستنيت. يُعزى هذا السلوك إلى الطبيعة البارامغناطيسية للأوستنيت، بينما يتميز كل من المارتنسيت [ 14 ] والفريت [ 15 ] [ 16 ] بخاصية المغناطيسية الحديدية القوية .

الانبعاث الحراري البصري، يشير اللون إلى درجة الحرارة

أثناء المعالجة الحرارية ، يُحدث الحداد تغييرات طورية في نظام الحديد والكربون للتحكم في الخواص الميكانيكية للمادة، وغالبًا ما يستخدم عمليات التلدين والتبريد السريع والتطبيع. في هذا السياق، يُعد لون الضوء، أو " إشعاع الجسم الأسود "، المنبعث من قطعة العمل مؤشرًا تقريبيًا لدرجة الحرارة . تُقاس درجة الحرارة عادةً بمراقبة درجة حرارة لون قطعة العمل، حيث يتوافق الانتقال من اللون الأحمر الكرزي الداكن إلى اللون البرتقالي المحمر ( من 815 درجة مئوية (1499 درجة فهرنهايت) إلى 871 درجة مئوية (1600 درجة فهرنهايت) ) مع تكوّن الأوستنيت في الفولاذ متوسط ​​وعالي الكربون. في الطيف المرئي، يزداد سطوع هذا التوهج مع ارتفاع درجة الحرارة. عندما يكون اللون أحمر كرزيًا، يكون التوهج قريبًا من أدنى شدة له وقد لا يكون مرئيًا في الضوء المحيط. لذلك، عادةً ما يُجري الحدادون عملية الأوستنة للفولاذ في ظروف إضاءة منخفضة لتقييم لون التوهج بدقة.    

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ريد-هيل ر، عباسشيان ر (1991). مبادئ علم المعادن الفيزيائي (  الطبعة الثالثة). بوسطن: دار نشر بي دبليو إس-كينت. رقم ISBN 978-0-534-92173-6.
  2. ↑ غوف بي بي، محرر. (1963). قاموس ويبستر الجامعي الجديد السابع . سبرينغفيلد، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: شركة جي آند سي ميريام. ص 58. 
  3. ↑ نيكولز ر (29 يوليو 2001). "تبريد وتلطيف الأنابيب الفولاذية الكربونية الملحومة" . مجلة المصنّع .
  4. ↑ لامبرز إتش جي، تشوماك إس، ماير إتش جيه، كانادينك دي (أبريل 2009). "دور الأوستنة والتشوه المسبق في حركية التحول البينيتي متساوي الحرارة". مجلة المعادن والمواد، الجزء أ . 40 (6): 1355-1366 . رمز Bibcode : 2009MMTA...40.1355L . doi : 10.1007/s11661-009-9827-z . S2CID 136882327 . 
  5. ↑ "التحول إلى الأوستنيت" .
  6. ↑ كيليتشيلي، ف.، وأردوغان، م. (2008). "سلوك التصلب الإجهادي للحديد المطاوع المُعالج جزئيًا بالأوستنيت والمُعالج بالأوستنيت ذي البنية المصفوفية المزدوجة" . مجلة هندسة المواد والأداء . 17 (2): 240-249 . Bibcode : 2008JMEP...17..240K . doi : 10.1007/s11665-007-9143-y . S2CID 135484622 . 
  7. 1 2 باترا يو، راي إس، برابهاكار إس آر (2003). "تأثير الأوستنة على التصليد الأوستنيتي للحديد المطاوع المخلوط بالنحاس" . مجلة هندسة المواد والأداء . 12 (5): 597-601 . doi : 10.1361/105994903100277120 . S2CID 135865284 . 
  8. ↑ تشوباتاناكول إس، ناش ب (أغسطس 2006). "قياس إثراء الكربون في الأوستنيت أثناء تحول البينيت باستخدام قياس التمدد الحراري". مجلة علوم المواد . 41 (15): 4965-4969 . Bibcode : 2006JMatS..41.4965C . doi : 10.1007/s10853-006-0127-3 . S2CID 137527848 . 
  9. ↑ آشبي إم إف، هانكين-جونز دي آر (1986-01-01). مواد هندسية 2: مقدمة في البنى المجهرية والمعالجة والتصميم . ISBN 978-0-080-32532-3.
  10. 1 2 3 4 ألفارينغا إتش دي، فان ستينبيرج إن، سيتسما جيه، تيرين إتش (فبراير 2017). "حركية تكوين وتحلل الأوستنيت وعلاقتها بمورفولوجيا الكربيد" . مجلة المعادن والمواد، الجزء أ . 48 : 828-840 . doi : 10.1007/s11661-016-3874-z .
  11. 1 2 3 4 إرشوف في إم، نيكراسوفا إل إس (يناير 1982). “تحويل السمنتيت إلى الأوستينيت”. علاج الحرارة بالخيال العلمي للمعادن . 24 (1): 9– 11. بيب كود : 1982MSHT...24....9E . دوى : 10.1007/BF00699307 . S2CID 136543311 . 
  12. ↑ ألفارينغا إتش دي، فان دي بوت تي، فان ستينبيرج إن، سيتسما جيه، تيرين إتش (أبريل 2009). "تأثير مورفولوجيا الكربيد وبنيته المجهرية على حركية إزالة الكربون السطحية من فولاذ الكربون والمنغنيز". مجلة المعادن والمواد، الجزء أ . 46 (1): 123-133 . رمز Bibcode : 2015MMTA...46..123A . doi : 10.1007/s11661-014-2600-y . S2CID 136871961 . 
  13. هوف ، هـ. أ .، وايتينا، ج. ل.، جليسنر، ج. و.، هاريس، ف. ج.، باباس، د. ب. (مارس 1995). "السماكة الحرجة لبلورة حديد أحادية مركزية الوجوه على الماس". مجلة علوم الأسطح . 326 (3): 252-266 . رمز Bibcode : 1995SurSc.326..252H . doi : 10.1016/0039-6028(94)00787-X . S2CID 93826286 . 
  14. ↑ م. بيغديلي كريمية، ح. عربيب، أ. خسروانيا، و ج. سامعي (2008). "تأثير إجهاد الدرفلة على اللدونة المستحثة بالتحول من الأوستنيت إلى المارتنسيت في فولاذ أوستنيتي عالي السبائك" (ملف PDF) . مجلة تكنولوجيا معالجة المواد . 203 ( 1-3 ): 349-354 . doi : 10.1016/j.jmatprotec.2007.10.029 . تاريخ الاسترجاع: 4 سبتمبر 2019 .{{cite journal}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  15. ↑ مارانيان، بيتر (2009)، الحد من حالات الفشل الهش والإجهادي في الهياكل الفولاذية ، نيويورك: الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين، ISBN 978-0-7844-1067-7.
  16. ↑ غرينوود، نورمان ن.؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر ( الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN  978-0-08-037941-8.