التصليد (علم المعادن)

التصليد عملية معدنية تُستخدم لزيادة صلابة المعدن. تتناسب صلابة المعدن طرديًا مع إجهاد الخضوع أحادي المحور عند موضع الإجهاد المُسلط. يتميز المعدن الأكثر صلابة بمقاومة أعلى للتشوه اللدن مقارنةً بالمعدن الأقل صلابة .

عمليات التصلب الخمس هي:

• تعتمد طريقة هال -بيتتش ، أو تقوية حدود الحبيبات، على الحصول على حبيبات صغيرة. فالحبيبات الأصغر حجمًا تزيد من احتمالية اصطدام الانخلاعات بحدود الحبيبات بعد مسافات أقصر، والتي تُشكل حواجز قوية جدًا للانخلاعات. وبشكل عام، يؤدي صغر حجم الحبيبات إلى زيادة صلابة المادة. ولكن عندما يقترب حجم الحبيبات من أحجام دون الميكرون، قد تصبح بعض المواد أكثر ليونة. وهذا ببساطة نتيجة لآلية تشوه أخرى تصبح أسهل، ألا وهي انزلاق حدود الحبيبات. عند هذه النقطة، تصبح جميع آليات التصلب المرتبطة بالانخلاعات غير ذات صلة. ^{[ 1 ]}
• في عملية التصليد بالتشكيل (المعروفة أيضًا بالتصليد بالإجهاد)، يتم إجهاد المادة بما يتجاوز حدّها الأدنى، كما في حالة التشكيل على البارد . يصبح المعدن المطيل أكثر صلابة وقوة مع تشوهه الفيزيائي. يُولّد الإجهاد اللدن انخلاعات جديدة. ومع ازدياد كثافة الانخلاعات، يصبح تحركها أكثر صعوبة نظرًا لتداخلها، مما يعني زيادة صلابة المادة. ^{[ 2 ]}
• في تقوية المحلول الصلب ، يُضاف عنصر سبيكة قابل للذوبان إلى المادة المراد تقويتها، فيشكلان معًا "محلولًا صلبًا". يُمكن تشبيه المحلول الصلب بالمحلول السائل "العادي"، كالملح في الماء، إلا أنه صلب. وبحسب حجم أيون عنصر السبيكة المذاب مقارنةً بحجم أيون المعدن الأساسي، فإنه يذوب إما استبداليًا (حيث يحل عنصر السبيكة الكبير محل ذرة في البلورة) أو بينيًا (حيث يحل عنصر السبيكة الصغير محل ذرات في الشبكة البلورية). في كلتا الحالتين، يُؤدي اختلاف حجم العناصر الغريبة إلى عملها كحبيبات رمل في ورق الصنفرة، مُقاومةً الانخلاعات التي تُحاول الانزلاق، مما يُؤدي إلى زيادة قوة المادة. في التصليد بالمحلول، لا يترسب عنصر السبيكة من المحلول.
• التصليد بالترسيب (ويُسمى أيضًا التصليد بالتقادم ) هو عملية يتم فيها ترسيب طور ثانٍ، يبدأ في محلول صلب مع المعدن الأساسي، من المحلول مع المعدن أثناء تبريده السريع، تاركًا جزيئات من هذا الطور موزعة في جميع أنحاء المعدن لتوفير مقاومة لانزلاق الانخلاعات. ويتحقق ذلك بتسخين المعدن أولًا إلى درجة حرارة تذوب فيها العناصر المكونة للجزيئات، ثم تبريده سريعًا، مما يحبسها في محلول صلب. لو كان المحلول سائلًا، لتشكلت رواسب، كما هو الحال في الماء المالح فائق التشبع الذي يُرسب بلورات ملح صغيرة، ولكن انتشار الذرات في المواد الصلبة بطيء جدًا عند درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، يلزم إجراء معالجة حرارية ثانية عند درجة حرارة مناسبة لتقادم المادة. تسمح درجة الحرارة المرتفعة للعناصر المذابة بالانتشار بسرعة أكبر، وتشكيل الجزيئات المترسبة المطلوبة. التبريد السريع ضروري لأن المادة، لولا ذلك، ستبدأ الترسيب بالفعل أثناء التبريد البطيء. ينتج عن هذا النوع من الترسيب عدد قليل من الجزيئات الكبيرة بدلًا من الوفرة المرغوبة عمومًا من الرواسب الصغيرة. يُعد التصليد بالترسيب أحد أكثر التقنيات استخدامًا لتصليد السبائك المعدنية.
• التحول المارتنسيتي ، المعروف أيضًا باسم التبريد والتطبيع ، هو آلية تقوية خاصة بالفولاذ. يجب تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة يتحول عندها طور الحديد من الفريت إلى الأوستنيت، أي يتغير التركيب البلوري من مكعب مركزي الجسم (BCC ) إلى مكعب مركزي الأوجه (FCC ). في الحالة الأوستنيتية، يستطيع الفولاذ إذابة كمية أكبر من الكربون. بمجرد ذوبان الكربون، يتم تبريد المادة بسرعة. من المهم التبريد بمعدل تبريد عالٍ حتى لا يتاح للكربون الوقت الكافي لتكوين رواسب الكربيدات. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى مستوى كافٍ، يحاول الفولاذ العودة إلى التركيب البلوري المكعب مركزي الجسم (BCC) الذي كان عليه عند درجات الحرارة المنخفضة. هذا التغير سريع جدًا لأنه لا يعتمد على الانتشار، ويُسمى التحول المارتنسيتي. نظرًا للتشبع الفائق الشديد للكربون في المحلول الصلب، يصبح التركيب البلوري رباعي الأضلاع مركزي الجسم (BCT ). تُسمى هذه المرحلة المارتنسيت، وهي صلبة للغاية بسبب التأثير المشترك للبنية البلورية المشوهة وتقوية المحلول الصلب الشديد، وكلا الآليتين تقاومان انزلاق الخلع.

تُدخل جميع آليات التصلب عيوبًا في الشبكة البلورية تعمل كحواجز أمام انزلاق الخلع.

يُعدّ تقوية المواد أمراً ضرورياً للعديد من التطبيقات:

• يجب أن تكون أدوات القطع الآلية (ريش الحفر، والصنابير، وأدوات الخراطة) أكثر صلابة بكثير من المادة التي تعمل عليها لكي تكون فعالة.
• شفرات السكاكين – الشفرة ذات الصلابة العالية تحافظ على حدتها.
• المحامل - من الضروري أن يكون لها سطح صلب للغاية يتحمل الإجهادات المستمرة.
• الدروع الواقية - القوة العالية مهمة للغاية لكل من الألواح المضادة للرصاص والحاويات الثقيلة المستخدمة في التعدين والبناء.
• مقاومة الإجهاد - يمكن أن يؤدي التصلب السطحي المارتنسيتي إلى تحسين عمر الخدمة للمكونات الميكانيكية بشكل كبير مع التحميل/التفريغ المتكرر، مثل المحاور والتروس.