أستنة الفولاذ

مبدأ الأوستنة

• مبدأ التحول الطوري: عند تسخين الفولاذ، ستتحول الهياكل الداخلية مثل الفريت والبيرلايت تدريجياً إلى أوستنيت من خلال إعادة توزيع ذرات الكربون في الشبكة البلورية للحديد.
• تأثير درجة الحرارة: عادة ما تكون درجة حرارة الأوستنة بين ac₁ (النقطة الحرجة السفلية) و ac₃ (النقطة الحرجة العليا). ومع ذلك، تختلف درجة حرارة النقطة الحرجة باختلاف تركيبة الفولاذ. على سبيل المثال، يؤثر محتوى الكربون وأنواع ومحتويات عناصر السبائك على النقطة الحرجة.

عملية الأوستنة (بأخذ الفولاذ الإيوتكتويدي كمثال)

• تكوين نوى الأوستنيت: تتشكل نوى الأوستنيت عادةً بشكل تفضيلي عند واجهة الطور بين الفريت والسمنتيت، لأن تركيز ذرات الكربون عند واجهة الطور غير متساوٍ، والطاقة عالية وترتيب الذرات غير منتظم، مما يلبي بسهولة شروط تقلب التركيز وتقلب الطاقة وتقلب الهيكل المطلوبة للتكوين النووي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون حدود مجالات البيرلايت وكتل الفريت الفسيفسائية أيضًا مواقع للتكوين النووي.
• نمو نوى الأوستنيت: بعد التسخين إلى منطقة طور الأوستنيت، تتسارع معدل انتشار ذرات الكربون في درجة الحرارة المرتفعة، ويمكن لذرات الحديد وذرات السبائك أن تنتشر أيضًا بشكل كامل. تستمر نوى الأوستنيت في النمو نحو الفريت والسمنتيت من خلال انتشار ذرات الكربون.
• إذابة السمنتيت المتبقي: نظرًا لأن تركيبة وهيكل الفريت أقرب إلى الأوستنيت، يختفي الفريت أولاً أثناء نمو نوى الأوستنيت، بينما يستمر السمنتيت المتبقي في الذوبان مع امتداد وقت التثبيت حتى يختفي كله.
• تجانس تركيبة الأوستنيت: بعد ذوبان كل السمنتيت، لا يكون تركيز الكربون في الأوستنيت موحدًا، ويكون محتوى الكربون في منطقة السمنتيت الأصلية أعلى. في هذا الوقت، من الضروري الخضوع لتثبيت طويل الأجل أو الاستمرار في التسخين للسماح لذرات الكربون بالانتشار بشكل كامل، وذلك للحصول على أوستنيت بتركيبة موحدة.

أوستنة الفولاذ الهيبوإيوتكتويدي والفولاذ الهيبرإيوتكتويدي

• الفولاذ الهيبوإيوتكتويدي: بالإضافة إلى العملية الأساسية لتكوين الأوستنيت للفولاذ الإيوتكتويدي المذكور أعلاه، عند تسخينه فوق درجة حرارة ac₁، يحتاج الفريت البريوتكتويدي إلى الذوبان تدريجياً حتى يتم تسخينه فوق درجة حرارة ac₃ ليتحول بالكامل إلى أوستنيت.
• الفولاذ الهيبرإيوتكتويدي: عند تسخينه فوق درجة حرارة ac₁، يحتاج السمنتيت البريوتكتويدي (السمنتيت الثانوي) إلى الذوبان تدريجياً، وفقط عند تسخينه فوق Accm (النقطة الحرجة العليا للفولاذ الهيبرإيوتكتويدي) يمكن أن يذوب كل السمنتيت والحصول على هيكل أوستنيت واحد.

العوامل المؤثرة على الأوستنة

• درجة حرارة التسخين والوقت: كلما ارتفعت درجة حرارة التسخين، زاد معدل انتشار الذرات، وزادت سرعة الأوستنة، وقل الوقت اللازم للتكوين؛ عند درجة حرارة معينة، كلما طال وقت التثبيت، أصبحت تركيبة الأوستنيت أكثر تجانسًا، ولكن وقت التثبيت الطويل جدًا سيؤدي إلى نمو الحبيبات.
• معدل التسخين: كلما زاد معدل التسخين، قصرت فترة الحضانة، وارتفعت درجة الحرارة التي يبدأ عندها الأوستنيت في التحول وينتهي، وقصر الوقت اللازم للتحول. أثناء التسخين السريع، يكون الزيادة في معدل تكوين نوى الأوستنيت أكبر من معدل النمو، ويمكن الحصول على حبيبات أوستنيت دقيقة.
• عناصر السبائك: ستعمل عناصر مثل الكوبالت والنيكل على تسريع عملية الأوستنة؛ تعمل عناصر مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم على إبطاء عملية الأوستنة؛ عناصر مثل السيليكون والألومنيوم والمنغنيز ليس لها تأثير أساسًا على عملية الأوستنة. نظرًا لأن معدل انتشار عناصر السبائك أبطأ بكثير من معدل انتشار الكربون، فإن درجة حرارة تسخين المعالجة الحرارية للفولاذ السبائكي تكون أعلى بشكل عام ووقت التثبيت أطول.
• الهيكل الأصلي: عندما يكون السمنتيت في الهيكل الأصلي صفائحيًا، يكون معدل تكوين الأوستنيت أسرع من معدل السمنتيت الحبيبي؛ كلما قل التباعد بين الصفائح للسمنتيت، زادت واجهات الطور، وزاد معدل التكوين النووي، وزاد معدل التحول؛ يحتوي البيرلايت الحبيبي في حالة التلدين الكروي على عدد قليل من واجهات الطور، لذا فإن معدل الأوستنة هو الأبطأ.

التطبيق العملي للأوستنة

• المعالجة الحرارية: الأوستنة هي خطوة رئيسية في المعالجة الحرارية للفولاذ. ستؤدي طرق التبريد اللاحقة المختلفة (مثل التبريد، والتطبيع، والتلدين، والتقسية، وما إلى ذلك) إلى تحول الأوستنيت إلى هياكل مختلفة، وذلك للحصول على الخصائص الميكانيكية المطلوبة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تبريد الفولاذ بعد الأوستنة إلى الحصول على هيكل مارتينسيت وتحسين صلابة وقوة الفولاذ؛ يمكن أن يؤدي علاج التطبيع إلى تنقية الحبيبات وتحسين قابلية تشغيل الفولاذ، إلخ.
• معالجة الضغط: يتم تسخين سبائك الفولاذ وسبائك الفولاذ ومنتجات الفولاذ بشكل عام إلى ما فوق 1100 درجة مئوية للأوستنة. في هذا الوقت، يتمتع الأوستنيت بمرونة جيدة وقوة خضوع منخفضة، وهو مناسب للمعالجة البلاستيكية مثل التشكيل والطرق والتدحرج لصنع أجزاء أو منتجات نهائية بأشكال مختلفة.