المعالجة الحرارية هي عملية تغير البنية الداخلية للمواد المعدنية من خلال التسخين والاحتفاظ والتبريد لتحقيق الخصائص المطلوبة. خلال هذه العملية، بسبب التغيرات غير المتساوية في درجة الحرارة، والتحولات الهيكلية، والقيود داخل المادة، يتم توليد إجهاد المعالجة الحرارية، مما يؤثر بشكل كبير على أداء المادة، واستقرار الأبعاد، والعمليات اللاحقة.
يشير إجهاد المعالجة الحرارية إلى الإجهاد الداخلي المتولد عن التمدد/الانكماش الحراري غير المتساوي، والتغيرات غير المنسقة في الحجم أثناء التحولات الهيكلية، والقيود الخارجية (مثل القوالب، والتركيبات) أو القيود الداخلية (مثل اختلافات الخصائص في المناطق المختلفة) داخل المادة.
جوهرها هو القوة المتبادلة بين الذرات أو الحبيبات عندما يتم إعاقة ترتيب الذرات أو التغيرات الحجمية المجهرية، والتي تظهر على أنها ميل نحو التشوه المرن أو اللدن.
يرتبط توليد إجهاد المعالجة الحرارية في المقام الأول بعمليتين أساسيتين:
عندما يتم تسخين أو تبريد المواد، تؤدي التغيرات غير المتساوية في درجة الحرارة في أجزاء مختلفة من قطعة العمل (مثل السطح مقابل اللب، الجدران الرقيقة مقابل السميكة) إلى درجات متفاوتة من التمدد أو الانكماش الحجمي:
- مرحلة التسخين: يسخن السطح ويتمدد أولاً، بينما يظل اللب أكثر برودة مع تمدد أبطأ. يتم تقييد السطح بواسطة اللب، مما يولد إجهاد الضغط، ويتم تمديد اللب بواسطة السطح، مما يولد إجهاد الشد.
- مرحلة التبريد: يبرد السطح وينكمش أولاً، بينما يظل اللب أكثر سخونة مع انكماش أبطأ. يتم تقييد السطح بواسطة اللب، مما يولد إجهاد الشد، ويتم ضغط اللب بواسطة السطح، مما يولد إجهاد الضغط.
تخلق معدلات التبريد الأسرع (مثل التبريد) تدرجات حرارة أكبر، مما يزيد من الإجهاد الحراري.
أثناء التحولات الطورية الصلبة (مثل الأوستينيت إلى المارتينسيت أو اللؤلؤ)، يكون للهياكل المختلفة أحجام محددة مختلفة (على سبيل المثال، يحتوي المارتينسيت على حجم محدد أكبر من الأوستينيت). تولد التغيرات الطورية غير المتزامنة عبر قطعة العمل إجهادًا هيكليًا:
- على سبيل المثال، أثناء التبريد، يخضع السطح أولاً لتحول الأوستينيت→المارتينسيت (تمدد الحجم)، بينما يظل اللب أوسيتينيًا. يتم تقييد تمدد السطح بواسطة اللب، مما يولد إجهاد الضغط. عندما يتمدد اللب لاحقًا أثناء التحول الطوري، فإن السطح - الذي تم تحويله بالفعل وربما تصلب - يقيد اللب، مما يؤدي إلى إجهاد الشد في اللب و إجهاد شد إضافي في السطح.
تزيد الاختلافات الأكبر في معدل التحول ومدى (مثل تكوين المارتينسيت المركز على السطح أثناء التبريد) من الإجهاد الهيكلي.
- القيود الخارجية: يؤدي التثبيت بواسطة المشابك أو التلامس مع القوالب إلى تقييد التمدد/الانكماش الحر، مما يؤدي إلى تفاقم الإجهاد.
- القيود الداخلية: تسبب هياكل قطعة العمل المعقدة (مثل الأخاديد والزوايا الحادة) أو التركيب غير المتكافئ للمواد اختلافات في الخصائص بين المناطق، مما يؤدي إلى تضخيم تركيز الإجهاد.
بناءً على مرحلة التوليد وحالة الوجود، يتم تصنيف إجهاد المعالجة الحرارية إلى ثلاثة أنواع:
الإجهاد موجود بشكل ديناميكي أثناء التسخين أو الاحتفاظ أو التبريد، ويتغير مع درجة الحرارة أو التحول الطوري. تشمل الأمثلة:
- الإجهاد الحراري من تدرجات درجة الحرارة أثناء التسخين؛
- الإجهاد الهيكلي الفوري من التغيرات الحجمية أثناء تحولات الطور في مرحلة التبريد.
إذا تجاوز الإجهاد العابر قوة الخضوع للمادة عند تلك درجة الحرارة، يحدث تشوه لدن؛ يؤدي تجاوز قوة الكسر إلى التصدع الفوري (مثل تشققات التبريد).
الإجهاد المتبقي في قطعة العمل بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة، الإجهاد المتبقي بعد التحرير الجزئي (مثل التشوه اللدن) للإجهاد العابر. يعتمد توزيعه على عمليات المعالجة الحرارية:
- عادةً ما تحتوي قطع العمل المبردة على إجهاد ضغط متبقي في السطح (بسبب تمدد المارتينسيت المقيد باللب) وإجهاد شد متبقي محتمل في اللب؛
- يقلل التلدين أو التقسية من الإجهاد المتبقي، ولكن العمليات غير الصحيحة قد تسبب تراكم إجهاد جديد.
- الإجهاد الحراري: الإجهاد من التمدد/الانكماش الحراري غير المتساوي وحده، غير مرتبط بالتحول الهيكلي (مثل المعادن النقية أو السبائك غير المتحولة).
- الإجهاد الهيكلي: الإجهاد من التغيرات الحجمية أثناء التحولات الطورية وحدها، غير مرتبط بتدرجات درجة الحرارة (مثل إجهاد التحول الطوري في ظل درجة حرارة موحدة مثالية).
في الممارسة العملية، غالبًا ما يتعايش الإجهاد الحراري والهيكلي، مما يشكل بشكل جماعي إجهاد المعالجة الحرارية.
لإجهاد المعالجة الحرارية (خاصة الإجهاد المتبقي) تأثيرات متعددة على أداء المواد والمعالجة والتطبيق، مع كل من الآثار الضارة والمفيدة عند تنظيمها.
- يتسبب الإجهاد المتبقي الذي يتجاوز قوة الخضوع للمادة في التشوه اللدن (مثل الانحناء والالتواء والانحرافات الأبعاد)؛
- قد يؤدي الإجهاد المتبقي المفرط (خاصة إجهاد الشد السطحي) مباشرة إلى التصدع (مثل "التصدع المتأخر" إذا تم تأخير التقسية بعد التبريد).
مثال: قد يتصدع الفولاذ عالي الكربون على طول حدود الحبيبات إذا لم يتم تقسيتها بعد التبريد بسبب إجهاد الشد السطحي.
- يتحرر الإجهاد المتبقي تدريجياً أثناء المعالجة أو الاستخدام اللاحق (مثل القطع واللحام وتغيرات درجة الحرارة)، مما يتسبب في التشوه الثانوي والتأثير على الأجزاء الدقيقة (مثل المحامل والقوالب).
مثال: قد تتسبب الإجهاد المتبقي غير المريح في التروس الدقيقة في انحرافات في شكل الأسنان بعد الاستخدام طويل الأمد بسبب تحرير الإجهاد.
- يقلل إجهاد الشد المتبقي من قوة الإجهاد (تبدأ الشقوق بسهولة في نقاط تركيز الإجهاد تحت التحميل الدوري)؛
- قد يزيد الإجهاد الداخلي المفرط من التقصف ويقلل من متانة التأثير.
- يتسبب توزيع الإجهاد المتبقي غير المتكافئ في تشوه غير متسق أثناء القطع (مثل التواء الأجزاء ذات الجدران الرقيقة بعد التشغيل)؛
- قد تتطور مناطق تركيز الإجهاد تشققات الطحن أثناء الطحن أو التلميع.
ليست كل الإجهادات المتبقية ضارة؛ يمكن للعمليات الصحيحة استخدامها لتحسين الأداء:
- يعزز إجهاد الضغط المتبقي السطحي قوة الإجهاد (مثل التروس المكربنة والمبردة ذات إجهاد الضغط السطحي لها عمر خدمة أطول)؛
- تحسين الإجهاد المسبق (مثل الاحتفاظ بإجهاد ضغط مناسب في الينابيع بعد التبريد والتقسية) من مقاومة التشوه.
للتخفيف من الآثار الضارة، يجب التحكم في توليد الإجهاد من خلال تحسين العملية، والقضاء على الإجهاد المتبقي من خلال المعالجات اللاحقة:
- التحكم في معدلات التسخين/التبريد: استخدم التسخين المتدرج (ارتفاع درجة الحرارة البطيء) أو التبريد المتدرج (مثل التبريد المتساوي الحرارة) لتقليل تدرجات درجة الحرارة؛
- تحسين هيكل قطعة العمل: تجنب الزوايا الحادة أو سمك الجدار غير المتكافئ لتقليل تركيز الإجهاد؛
- اختر الوسائط المناسبة: استخدم تبريد الزيت (أبطأ من الماء) أثناء التبريد لتقليل الإجهاد الحراري؛
-
يجب أن تكون رسالتك بين 20-3000 حرف!