تأثير تشكل الأوستينيت على خواص الفولاذ

أولاً. حجم حبيبات الأوستينيت: المحدد الأساسي لـ "توازن القوة والمتانة" للفولاذ

1. التأثير على القوة والصلابة

• أوستينيت دقيق الحبيبات: يتشكل عبر كثافة نووية عالية (مثل، من خلال التلدين الكروي أو التسخين بدرجة حرارة منخفضة)، يتحول إلى مارتينسيت إبري دقيق (أو بيرلايت دقيق في الفولاذ منخفض الكربون) بعد التبريد. العدد الكبير من حدود الحبيبات في المارتينسيت الدقيق يعيق بشكل فعال حركة التشوهات (حدود الحبيبات تعمل كـ "حواجز" للتشوهات)، وبالتالي يزيد بشكل كبير من قوة الشد، قوة الخضوع، والصلابة.
  مثال: بالنسبة للفولاذ 45# (فولاذ متوسط الكربون) المعرض لـ "التسخين عند 850 درجة مئوية (50 درجة مئوية فوق Ac₃) + التبريد بالماء،" تكون حبيبات الأوستينيت دقيقة (حوالي الدرجة 10)، والمارتينسيت المبرد أيضًا دقيق، مما يؤدي إلى صلابة تبلغ HRC 55–58. إذا تم تسخينه إلى 1000 درجة مئوية (فرط التسخين)، تتغلظ حبيبات الأوستينيت (حوالي الدرجة 3–4)، ويصبح المارتينسيت المبرد خشنًا، وتنخفض الصلابة إلى HRC 50–53.
• أوستينيت خشن الحبيبات: درجات حرارة تسخين عالية بشكل مفرط أو فترات احتجاز طويلة تسبب تغلظ الحبيبات، مما يؤدي إلى مارتينسيت صفائحي خشن بعد التبريد. تميل التشوهات إلى التراكم في المارتينسيت الخشن، ويضعف تأثير الحاجز لحدود الحبيبات—مما يؤدي إلى انخفاض القوة والصلابة. بالإضافة إلى ذلك، من المحتمل أن تتشكل "هياكل مجهرية مفرطة التسخين" (مثل هيكل Widmanstätten)، مما يزيد من تدهور الأداء.

2. التأثير على المتانة والمطيلية

• أوستينيت دقيق الحبيبات: منتجات التحول الطوري اللاحقة (مارتينسيت دقيق، سوربيت دقيق) لها حدود حبيبات تشتت تركيزات الإجهاد. يتطلب انتشار الشقوق تجاوز المزيد من حدود الحبيبات (مسار أطول)، وبالتالي تحسين متانة الصدمات (αk)، متانة الكسر (KIC)، والمطيلية (الاستطالة، انخفاض المساحة).
  مثال: بالنسبة للفولاذ المبرد والمقسى (مثل 40Cr) المستخدم في آلات البناء، إذا تم تنقية حبيبات الأوستينيت إلى الدرجة 8 أو أدق، يمكن أن تتجاوز متانة الصدمات بعد التبريد والتقسية بدرجة حرارة عالية (500–600 درجة مئوية) 80 J/cm². إذا تغلظت الحبيبات إلى الدرجة 5 أو أخشن، فقد تنخفض متانة الصدمات إلى أقل من 40 J/cm²، مما يزيد من خطر الكسر الهش في درجات الحرارة المنخفضة.
• أوستينيت خشن الحبيبات: تتشكل الشقوق بين الحبيبات بسهولة في المارتينسيت الخشن، ومقاومة انتشار الشقوق منخفضة—مما يؤدي إلى انخفاض حاد في المتانة. خاصة في بيئات درجات الحرارة المنخفضة (مثل، أقل من -20 درجة مئوية)، قد يحدث "الكسر غير المطيل" (الكسر الهش)، وهو سبب رئيسي لفشل المكونات الميكانيكية.

ثانياً. توحيد الأوستينيت: التأثير على استقرار الخواص والإجهاد الداخلي للفولاذ

1. التأثير على توحيد الصلابة والقوة

• أوستينيت موحد: ينتشر الكربون وعناصر السبائك بالكامل في الأوستينيت، مع عدم وجود اختلافات في التركيز المحلي. أثناء التبريد اللاحق، تتشكل جميع المناطق بشكل متزامن المارتينسيت (أو هياكل التحول الطوري الأخرى)، مما يؤدي إلى توزيع صلابة موحد (مثل، فرق الصلابة ≤ 2 HRC عبر أجزاء مختلفة من نفس المكون) وتقلب القوة الأدنى. يضمن هذا التوزيع الموحد للإجهاد في المكون ويتجنب تركيز الإجهاد المحلي.
  مثال: يجب تسخين فولاذ المحمل (GCr15) إلى 850–870 درجة مئوية مع وقت احتجاز كافٍ لضمان انتشار الكربون الموحد في الأوستينيت. بعد التبريد، تكون صلابة السطح موحدة (HRC 60–62)، مما يضمن التآكل الموحد أثناء تشغيل المحمل ويطيل عمر الخدمة.
• أوستينيت غير موحد: يؤدي التسخين غير الكافي (درجة حرارة منخفضة، وقت قصير) أو البنية المجهرية الأولية الخشنة إلى عدم اكتمال انتشار الكربون في الأوستينيت، مما يؤدي إلى "مناطق غنية بالكربون" (مثل، بالقرب من السمنتيت الأصلي) و "مناطق مستنفدة للكربون" (مثل، مناطق الفريت الأصلية). أثناء التبريد اللاحق:
  • المناطق الغنية بالكربون: تشكل مارتينسيت عالي الكربون، والذي يتمتع بصلابة عالية للغاية ولكن متانة ضعيفة؛
  • المناطق المستنفدة للكربون: تشكل مارتينسيت منخفض الكربون أو فريت، والذي يتمتع بصلابة منخفضة وقوة ضعيفة.
    في النهاية، يتسبب هذا في عدم تجانس شديد في صلابة وقوة الفولاذ. المكونات عرضة للتآكل المبكر في المناطق منخفضة الصلابة أو تشكل الشقوق في المناطق الهشة عالية الصلابة.

2. التأثير على الإجهاد الداخلي

• تشوه المكون (مثل، الانحناء، الاعوجاج) وتقليل الدقة الأبعاد؛
• حالات شديدة: "شقوق التبريد" (مثل، تتشكل الشقوق الطولية بسهولة في فولاذ الأدوات مع التسخين غير المتكافئ)، مما يؤدي مباشرة إلى إتلاف المكون.

ثالثاً. محتوى الكربون وعناصر السبائك في الأوستينيت: تنظيم "نسبة الصلابة والمتانة" للفولاذ

1. تأثير محتوى الكربون (العامل الأكثر أهمية)

• أوستينيت عالي الكربون (مثل، الفولاذ عالي الكربون مع C > 0.6%): يتحول إلى مارتينسيت عالي الكربون بعد التبريد (تشبع عالي الكربون، تشوه شديد للشبكة). يتمتع بصلابة عالية للغاية (HRC 60–65) ومقاومة جيدة للتآكل ولكن متانة ضعيفة (متانة الصدمات < 20 J/cm²). إنه مناسب للسيناريوهات التي تتطلب صلابة عالية وتأثيرًا منخفضًا (مثل، أدوات القطع، القوالب، المحامل).
  مثال: يتم أستنة فولاذ T10 (C = 1.0%) (780–800 درجة مئوية) وتبريده، مما يحقق صلابة تبلغ HRC 62–64، مما يجعله مناسبًا لتصنيع شفرات المنشار اليدوي.
• أوستينيت متوسط الكربون (مثل، الفولاذ متوسط الكربون مع C = 0.25%–0.6%): يتحول إلى مارتينسيت متوسط الكربون بعد التبريد. بعد التقسية (مثل، التقسية بدرجة حرارة عالية عند 500–600 درجة مئوية)، يتحول إلى "سوربيت،" الذي يوازن بين القوة العالية (σb = 800–1200 ميجا باسكال) والمتانة الجيدة (αk = 40–80 J/cm²). هذه هي الحالة النموذجية للفولاذ الهيكلي (مثل، الأعمدة، التروس).
  مثال: يخضع الفولاذ 45# للتبريد والتقسية (الأستنة عند 840 درجة مئوية + التبريد + التقسية عند 550 درجة مئوية)، مما يحقق قوة تبلغ حوالي 900 ميجا باسكال ومتانة صدمات تبلغ حوالي 60 J/cm²، مما يجعله مناسبًا لتصنيع أعمدة آلة الأدوات.
• أوستينيت منخفض الكربون (مثل، الفولاذ منخفض الكربون مع C 100 J/cm²) ومطيلية جيدة (الاستطالة > 15%). إنه مناسب للسيناريوهات التي تتطلب متانة عالية ومقاومة للصدمات (مثل، أذرع آلات البناء، إطارات السيارات).
  مثال: يتم تبريد الفولاذ Q355 (C ≈ 0.18%) بعد الأستنة بدرجة حرارة منخفضة (880–920 درجة مئوية) للحصول على مارتينسيت منخفض الكربون، مما يجعله مناسبًا لتصنيع المكونات الهيكلية المعرضة لأحمال الصدمات.

2. تأثير عناصر السبائك

• عناصر تنقية الحبيبات (Ti، Nb، V): تشكل كربيدات دقيقة (مثل، TiC، NbC) تمنع نمو حبيبات الأوستينيت، مما يؤدي إلى أوستينيت دقيق الحبيبات. بعد التبريد، يؤدي هذا إلى تحسين قوة ومتانة الفولاذ (مثل، الفولاذ عالي القوة الميكروسبيكي Q690، الذي يضيف Nb لتنقية الحبيبات، مما يحقق قوة تزيد عن 690 ميجا باسكال مع الحفاظ على متانة ممتازة).
• عناصر تعزيز المتانة (Ni): يخفض Ni درجة حرارة تحول المارتينسيت (نقطة Ms)، ويقلل من هشاشة المارتينسيت، وينقي البنية المجهرية للمارتينسيت—مما يتيح للفولاذ عالي الكربون الحفاظ على صلابة عالية مع تحسين المتانة (مثل، فولاذ القالب Cr12MoV مع إضافة Ni، الذي تزيد متانة صدماته بأكثر من 30%).
• عناصر تعزيز مقاومة التآكل (Cr، Mo): يشكل Cr و Mo كربيدات مقاومة للتآكل (مثل، Cr₇C₃، Mo₂C). تذوب هذه الكربيدات جزئيًا أثناء الأستنة وتترسب بعد التبريد والتقسية، مما يحسن بشكل كبير مقاومة تآكل الفولاذ (مثل، الفولاذ المقاوم للتآكل NM450، الذي يضيف Cr و Mo، مما يقلل من فقدان التآكل بنسبة 50% مقارنة بالفولاذ العادي).

رابعاً. استقرار الأوستينيت: التأثير على الاستقرار الأبعاد للفولاذ وقابلية التكيف مع عملية المعالجة الحرارية

1. التأثير على الاستقرار الأبعاد

• أوستينيت مستقر للغاية: يميل إلى تكوين أوستينيت محتفظ به (أوستينيت لم يتحول إلى مارتينسيت) أثناء التبريد. يتحول الأوستينيت المحتفظ به ببطء إلى مارتينسيت في درجة حرارة الغرفة (مصحوبًا بتمدد الحجم)، مما يتسبب في "تشوه الشيخوخة" للمكونات وتقليل الدقة الأبعاد (مثل، قد تشهد القوالب أو المقاييس الدقيقة مع الأوستينيت المحتفظ به المفرط زيادة في الأبعاد بنسبة 0.1%–0.3% بعد عدة أشهر من الاستخدام).
  الحل: تعزيز تحول الأوستينيت المحتفظ به إلى مارتينسيت عبر "المعالجة المبردة" (-80 درجة مئوية إلى -196 درجة مئوية)، أو تثبيت الأوستينيت المحتفظ به عبر "التقسية بدرجة حرارة منخفضة" (150–200 درجة مئوية) لتقليل التشوه اللاحق.
• أوستينيت منخفض الاستقرار: يتحول بسهولة إلى مارتينسيت بالكامل أثناء التبريد، مع محتوى منخفض من الأوستينيت المحتفظ به (< 5%). تتمتع المكونات باستقرار أبعاد جيد، مما يجعلها مناسبة للأجزاء الدقيقة (مثل، المحامل، التروس).

2. التأثير على قابلية التكيف مع عملية المعالجة الحرارية

• أوستينيت مستقر للغاية (مثل، فولاذ السبائك): يتحول منحنى C إلى اليمين، مما يقلل من معدل التبريد الحرج. يمكن استخدام تبريد الزيت (بدلاً من التبريد بالماء) لتحقيق تصلب التبريد، مما يقلل من التشوه والتشقق الناتج عن إجهاد التبريد (مثل، يمكن أن يصل الفولاذ 40Cr إلى HRC 50–55 عبر تبريد الزيت، بينما يتطلب الفولاذ 45# التبريد بالماء).
• أوستينيت منخفض الاستقرار (مثل، الفولاذ منخفض الكربون، الحديد النقي): يتحول منحنى C إلى اليسار، مما يؤدي إلى معدل تبريد حرج مرتفع. مطلوب تبريد سريع للغاية (مثل، التبريد بالماء، التبريد بالرش) للحصول على المارتينسيت؛ وإلا، يتشكل البيرلايت (صلابة منخفضة) بسهولة. وبالتالي، فإن قدرته على التكيف مع العملية ضعيفة (مثل، لا يتم عادةً تبريد الفولاذ منخفض الكربون بمفرده ويتطلب معالجة حرارية كيميائية مثل الكربنة).

الخلاصة: تشكل الأوستينيت هو "التحكم في المصدر" لخواص الفولاذ

• لـ توازن القوة والمتانة (مثل، المكونات الهيكلية)، يجب التحكم في الأوستينيت متوسط الكربون دقيق الحبيبات والموحد؛
• لـ الصلابة العالية ومقاومة التآكل (مثل، الأدوات، القوالب)، يجب التحكم في الأوستينيت عالي الكربون ودقيق الحبيبات؛
• لـ الدقة الأبعاد العالية (مثل، الأجزاء الدقيقة)، يجب التحكم في الأوستينيت ذي المحتوى المنخفض من الأوستينيت المحتفظ به.