استجابة الفولاذ للمراجعة والتصلد الثانوي

ما الذي يغيّره المراجعة الحرارية في الفولاذ

التعريف عند درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا

تعرّف ASM International المراجعة الحرارية بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا» (دليل ASM، المجلد 4A، 2024). وهذا التعريف أدق من الوصف الشائع للمراجعة الحرارية بأنها إعادة تسخين الفولاذ لجعله أكثر ليونة. تأتي المراجعة الحرارية بعد معاملة التقسية، وقد تأتي أيضًا بعد التطبيع. يُعاد تسخين الفولاذ، ويُحافَظ عليه عند درجة الحرارة المختارة مدةً محددة، ثم يُبرَّد في ظروف مضبوطة من دون تجاوز درجة الحرارة الحرجة الدنيا عمدًا وتكوين بنية أوستنيتية كتلية جديدة.

ترتبط درجة الحرارة الحرجة الدنيا عادةً بنطاق التحول اليوتكتويدي، مع أن موضعها الدقيق يعتمد على التركيب وظروف التسخين. ويكتسب البقاء دونها أهمية لأن المراجعة الحرارية تغيّر البنية الناتجة عن التقسية بدلًا من استبدالها عبر إعادة أوستنة كاملة. ولذلك تختلف الغاية الميتالورجية لدورة المراجعة الحرارية عن غاية التطبيع أو التلدين أو عملية تقسية ثانية.

تتمثل المتغيرات الرئيسية في درجة حرارة المراجعة الحرارية، وزمن المكوث، ومحتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبك، والعناصر المتبقية. كما تؤثر البنية المجهرية الابتدائية. وينطبق الأمر نفسه على درجة حرارة الأوستنة، وتاريخ التطبيع أو التشكيل السابق، وشدة التبريد السريع، وحجم المقطع، ومعدل التسخين. ولذلك قد تُظهر مكوّنان مصنوعان من فولاذين متماثلين اسميًا استجابتين مختلفتين عندما يختلف تاريخهما الحراري.

تُسرّع درجة الحرارة التفاعلات عادةً بدرجة أكبر من الزمن وحده، لكن الزمن يظل يتحكم في مدى تقدم تلك التفاعلات. ويؤثر محتوى الكربون في كمية الكربون المحتجز وفي درجة فرط إشباع المارتنسيت المتكوّن بعد التبريد السريع. كما تغيّر الكروم والموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن وسائر عناصر السبك استقرار الكربيدات، ومعدلات الانتشار، وسلوك الترسيب. وقد تغيّر العناصر المتبقية حركية التحول ومقاومة المراجعة الحرارية حتى عندما لا تكون إضافات مقصودة. فالمراجعة الحرارية معاملة تعتمد على المسار، وليست مجرد ضبط وحيد للصلادة.

من المارتنسيت المتكوّن بعد التبريد السريع إلى البنية المجهرية المراجَعة حراريًا

المارتنسيت بعد التقسية بالتبريدالمارتنسيت بعد التقسية بالتبريد طور قاسٍ مفرط الإشباع بالكربون، يتكوّن من التبريد السريع للأوستنيت، ويتميز بكثافة عالية من الانخلاعات وطاقة داخلية مخزنة.

المارتنسيت المتكوّن بعد التبريد السريع طور مفرط الإشباع ومجهَد. وتفسر كثافته العالية من الانخلاعات وفرط إشباعه بالكربون جزءًا كبيرًا من صلادته، لكنها تخزّن أيضًا طاقة مرنة وكيميائية. وتتيح المراجعة الحرارية للبنية خفض تلك الطاقة عبر عدة تفاعلات متداخلة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت، والاسترداد بأنها أجزاء أساسية من العملية (2010).

عند درجات حرارة المراجعة الحرارية المنخفضة نسبيًا، يتحرك الكربون لمسافات قصيرة، وقد ينفصل نحو العيوب أو يكوّن كربيدات انتقالية. وتنخفض الإجهادات الداخلية، كما تقل رباعية تناظر المارتنسيت مع مغادرة الكربون للشبكة المارتنسيتية. وقد يفقد الفولاذ بعض الصلادة، مع اكتسابه ثباتًا أبعاديًا ومقاومةً للتشقق المتأخر. ويمكن للأوستنيت المحتجز، إن وُجد، أن يتحلل أيضًا خلال مراحل المراجعة الحرارية اللاحقة، منتجًا نواتج تحول جديدة تؤثر في الأبعاد والخواص الميكانيكية معًا.

ومع ارتفاع درجة الحرارة أو إطالة زمن المكوث، تكبر جسيمات الكربيد أو تتحول إلى مركبات أكثر استقرارًا، بينما تسترد المصفوفة الفريتية عافيتها وتفقد بعض تقويتها الناتجة عن الانخلاعات. وتؤدي هذه التغيرات عادةً إلى خفض الصلادة ومقاومة الخضوع، لكنها تزيد المتانة والليونة. والنتيجة هي مارتنسيت مراجع حراريًا: مصفوفة فريتية تحتوي على توزيع من جسيمات الكربيد، ويتحدد هذا التوزيع بالتركيب وتاريخ المعالجة، لا بدرجة الحرارة وحدها.

يمكن لفولاذ العدد عالي السبيكة أن يطوّر تصلدًا ثانويًا أثناء المراجعة الحرارية من خلال ترسب كربيدات السبيكة الدقيقة. Strong evidence

التصلد الثانويالتصلد الثانوي ارتفاع في الصلادة أثناء المراجعة الحرارية، ينجم عن ترسب كربيدات سبائكية دقيقة بعد تفاعلات تليين سابقة.

تمثل فولاذات العدد عالية السبك استثناءً مهمًا من مفهوم التليين البسيط. وتذكر ASM International أن التقسية الثانوية تنتج عن ترسيب كربيدات السبك الدقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن (2024). وأثناء المراجعة الحرارية، يمكن لهذه الجسيمات أن تقوّي المصفوفة بدرجة كافية لإحداث زيادة في الصلادة بعد انخفاض سابق فيها. ويُسمى هذا التأثير التقسية الثانوية، ويؤدي الترسيب الأقوى عمومًا إلى مقاومة أكبر للمراجعة الحرارية.

أفاد المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في عام 1930 بأن «شدة قمة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». وتربط هذه النتيجة القمة ليس بدرجة حرارة المراجعة الحرارية فحسب، بل أيضًا بدورة التقسية السابقة. إذ يمكن لدرجة أعلى من الأوستنة أن تذيب كمية أكبر من عناصر السبك والكربون في الأوستنيت قبل التبريد السريع، فتغير التركيب المتاح للترسيب اللاحق. ونتيجة لذلك، يمكن لجدول المراجعة الحرارية الاسمي نفسه أن ينتج منحنيات صلادة مختلفة بعد معالجات أوستنة مختلفة.

يوضح فولاذ العدد H13 سبب ضرورة إدراج تاريخ التسخين. فقد سجلت دراسة محكّمة طريقة للتنبؤ باستجابة H13 للمراجعة الحرارية وفق جداول التسخين متساوي الحرارة، والتسخين البطيء، والتسخين السريع، بما في ذلك سلوك التقسية الثانوية (سجل منشور في جامعة أريزونا، 2013). ولا يمر مكوّن يُسخَّن باستمرار عبر نطاق ترسيب بالضرورة بالتفاعلات نفسها التي يمر بها مكوّن يُحافَظ عليه متساوي الحرارة عند درجة الحرارة نفسها. وقد تختلف استجابة الصلادة المحسوبة حتى عندما تكون درجة الحرارة الاسمية النهائية متطابقة.

تناول J. H. Hollomon وL. D. Jaffe في عام 1945 مشكلة الزمن–درجة الحرارة من خلال صياغة علاقة بين زمن المراجعة الحرارية ودرجة الحرارة والتركيب في الفولاذ المبرَّد سريعًا. وتُكتب علاقة Hollomon-Jaffe عادةً على النحو الآتي:

T(log t + c)

هنا، تمثل T درجة الحرارة المطلقة، ويمثل t زمن المراجعة الحرارية، وتمثل c ثابتًا يعتمد على التركيب والحالة. وتوفر هذه العلاقة معاملًا للمراجعة الحرارية لمقارنة فترات التعرض وقياس درجة مراجعة المارتنسيت حراريًا. وتكتسب فائدتها من إمكانية جمع درجة الحرارة والزمن في مؤشر واحد، لكن المعامل المكافئ لا يلغي الفروق في معدل التسخين، أو البنية المجهرية السابقة، أو الأوستنة، أو حجم المقطع، أو استجابة السبيكة.

يشير دليل ASM، المجلد 4C، إلى أن ارتباطي Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman يمكن أن يمثلا ظروفًا مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة عند تقييم الفولاذ المقسّى بالحث (ASM International، 2024). ويتعلق هذا الاتفاق بالارتباط، وليس بإثبات أن كل مسار حراري ينتج البنية المجهرية نفسها. ويكتسب هذا التمييز أهمية في الأجزاء المقسّاة سطحيًا، حيث يمكن لتدرج حراري حاد وتغير درجة حرارة المقطع أن يجعلا تاريخ المراجعة الحرارية الفعلي غير متجانس.

لماذا لا تُعد الصلادة متغير الاستجابة الوحيد

من السهل قياس الصلادة، لكنها ليست سوى إحدى نتائج المراجعة الحرارية. فقد تنخفض المقاومة مع انخفاض إجهادات المارتنسيت وكثافة الانخلاعات، ثم ترتفع موضعيًا عند ترسيب كربيدات السبك الدقيقة. وقد تتحسن المتانة بسبب زوال الإجهادات الداخلية، إلا أن تحلل الأوستنيت المحتجز، أو شكل الكربيدات، أو نطاقات درجات الحرارة المسببة للتقصف، قد يخفض المتانة في أنواع معينة من الفولاذ. وقد يتحسن الثبات الأبعادي نتيجة تخفيف الإجهادات، في حين يمكن لتحول الأوستنيت المحتجز أن يسبب تمددًا قابلًا للقياس.

وتوفر البنية المجهرية تفسيرًا لهذه الاتجاهات المتنافسة. فقد يحدث انتشار الكربون، والاسترداد، وترسيب الكربيدات، وتحلل الأوستنيت المحتجز، وتخشّن الجسيمات بالتتابع أو بالتداخل. وتتحكم البنية النهائية في سلوك الكلال، ومقاومة التآكل، ومقاومة الكسر، ومقاومة التعرض الحراري اللاحق، وليس في قيمة الانغراز الناتجة عن اختبار الصلادة فحسب.

استخدمت دراسة أجريت عام 2013 على فولاذ العدد المخصص للحدادة على الساخن والدافئ معامل المراجعة الحرارية—الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller—لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. وتفيد هذه الارتباطات عمليًا في وصف درجة معينة ونطاق معالجة محدد. لكنها ليست قوانين عامة للصلادة. وتظل الدرجة والحالة الابتدائية وتاريخ المعالجة عوامل حاسمة، ولهذا ينبغي تحديد المراجعة الحرارية بوصفها مسارًا حراريًا وبنية مجهرية ناتجة، لا بوصفها مجرد «تليين».

المتغيرات التي تتحكم في استجابة المراجعة الحرارية

لا تُعرَّف المراجعة الحرارية بمجرد قيمة ضبط الفرن. إذ تنص ASM International في ASM Handbook Volume 4A (2024) على أن: «المراجعة الحرارية هي تسخين الفولاذ المُقسى أو المُطبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا». ويحدد هذا التعريف مسار تحول، لا عملية منفردة. فدرجة الحرارة، والزمن، ومحتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبيكة، والعناصر المتبقية، كلها تؤثر في البنية المجهرية والخواص الناتجة. كما تهم سرعة التسخين، ودرجة الحرارة التي يبلغها الفولاذ نفسه، ومعالجة الأوستنة السابقة، والتبريد السريع.

درجة الحرارة والمدة

أثناء المراجعة الحرارية، ينتشر الكربون خارج المارتنسيت فائق الإشباع، وتتكوّن الكربيدات أو تتغير تركيبتها، وقد يتحلل الأوستنيت المحتجز، كما تخضع البنية المارتنسيتية للاسترجاع. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية العملية من خلال تفاعلات الانتشار والترسيب والتحلل والاسترجاع المترابطة هذه، وليس باعتبارها مجرد تليين ناتج عن الحرارة. فعند درجات الحرارة المنخفضة نسبيًا، يمكن لانفصال الكربون وترسيب كربيدات الانتقال أن يقللا الإجهاد الداخلي مع الاحتفاظ بقدر كبير من الصلادة. ومع ارتفاع درجة الحرارة أو زيادة زمن التثبيت، يؤدي نمو الكربيدات واسترجاع الفيريت واستمرار التحولات عمومًا إلى خفض الصلادة والمقاومة.

وتكمن أهمية كلمة «عمومًا» في ذلك. ففي فولاذ العدد عالي السبيكة، قد ترتفع الصلادة بعد انخفاض أولي. وقد أفادت ASM International في عام 2024 بأن التصلد الثانوي ينتج عن ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. ويجب أن يحتوي الفولاذ أولًا على كمية كافية من عناصر السبيكة والكربون المذابين، كما يجب أن تضع معالجة الأوستنة السابقة تلك العناصر في حالة تتيح حدوث الترسيب. ويؤدي الترسيب الأقوى إلى مقاومة أكبر للمراجعة الحرارية، إلا أن القمة ومقدارها يعتمدان على النوع وتاريخه الحراري؛ فلا توجد درجة حرارة عالمية واحدة للتصلد الثانوي.

تغيّر المدة النتيجة حتى عندما تكون درجة الحرارة الاسمية متطابقة. فقد يؤدي التعرض القصير إلى ترسيب أو استرجاع غير مكتملين، في حين يتيح التثبيت الأطول لتفاعلات الانتشار أن تتقدم بدرجة أكبر. وتضيف عمليات المراجعة المتكررة عنصرًا آخر إلى التاريخ الحراري؛ فقد تحول العملية الأولى الأوستنيت المحتجز أو تغير مجموعة مواقع التكوّن، ولذلك لا تعمل العملية الثانية على المارتنسيت الأصلي.

كما أن درجة حرارة الفرن ليست بالضرورة درجة حرارة القطعة. فقد تقترب عينة صغيرة بسرعة من قيمة الضبط، في حين تتشكل في قالب أو عمود أو صفيحة كبيرة تدرجات حرارية عبر مقطعها. وقد تؤدي دورة التسخين السريع إلى تعريض السطح لدرجة حرارة المراجعة الاسمية قبل أن يبلغها القلب. وعلى العكس، يتيح الارتفاع البطيء لدرجة الحرارة بدء التفاعلات تدريجيًا عند كل درجة حرارة وسيطة. ولذلك فإن عبارة «540 °C لمدة ساعتين» غير مكتملة ما لم يحدد البرنامج كيفية تسخين القطعة، ووقت بدء زمن التثبيت، وما إذا كانت درجة الحرارة المذكورة قد قِيست في الفرن أو عند الفولاذ.

تناول J. H. Hollomon وL. D. Jaffe هذه المشكلة في بحثهما المنشور عام 1945 في Metals Technology، إذ ربطا زمن المراجعة الحرارية ودرجة الحرارة والتركيب بالبنية والخواص في الفولاذ المُبرَّد سريعًا. وتُكتب علاقة Hollomon-Jaffe عادةً على النحو الآتي:

$$P=T(\log t+c)$$

حيث تمثل $T$ درجة الحرارة المطلقة، ويمثل $t$ الزمن، بينما يمثل $c$ ثابتًا يعتمد على التركيب والمادة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية هذا المعامل بأنه وسيلة لتحديد درجة مراجعة المارتنسيت كميًا. وهو مفيد لمقارنة حالات التعرض الحراري، إلا أن تساوي قيمة المعامل لا يلغي الفروق في سرعة التسخين، والبنية المجهرية السابقة، والأوستنة، وحجم المقطع، واستجابة السبيكة. فقد تنتج دورتان لهما قيمة $P$ المحسوبة نفسها توزيعات مختلفة للصلادة.

الكربون وعناصر السبيكة والعناصر المتبقية

يتحكم الكربون في كمية المارتنسيت المتكوّنة أثناء التبريد السريع وفي درجة فرط إشباعها، ولذلك يؤثر محتوى الكربون الاسمي بقوة في الصلادة الابتدائية وكمية الكربون المتاحة لتفاعلات المراجعة الحرارية. ويمكن لمحتوى كربون أعلى أن يدعم مارتنسيت أشد صلادة ومخزونًا أكبر من العناصر القادرة على تكوين الكربيدات، إلا أن الاستجابة النهائية تعتمد أيضًا على استقرار الأوستنيت وعلى الكربون المذاب قبل التبريد السريع. فالكربون المرتبط بكربيدات غير مذابة لا يعادل الكربون المذاب في الأوستنيت.

يغير الكروم والموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن استقرار الكربيدات والانتشار وحركية الترسيب. ويمكن للكروم أن يزيد قابلية التصلد ويسهم في تكوين كربيدات مستقرة؛ كما يمكن للموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن أن يدعموا ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة أثناء التصلد الثانوي. وقد تؤخر هذه العناصر التليين عند درجات حرارة المراجعة الحرارية المرتفعة، إلا أن تأثيرها يعتمد على ذوبانها أثناء الأوستنة وعلى حجم الكربيدات الموجودة وتوزيعها. وقد تؤدي الأوستنة المفرطة إلى إذابة كمية أكبر من الكربيدات وإغناء الأوستنيت، في حين قد تترك الأوستنة غير الكافية عناصر السبيكة غير متاحة للترسيب اللاحق.

في فولاذ السرعة العالية الذي درسه المعهد الوطني للمعايير والتقنية، ازدادت شدة ذروة التصلد الثانوي مع ازدياد درجة الأوستنة. Strong evidence

ذكرت دراسة NIST عن الفولاذ عالي السرعة، المنشورة عام 1930، أن «شدة قمة التصلد الثانوي تزداد مع درجة الأوستنة». وتحذر هذه النتيجة مباشرة من إسناد منحنى مراجعة حرارية ثابت واحد إلى نوع اسمي معين. فقد تغير الأوستنة الأكبر محتوى الكربون وعناصر السبيكة في المحلول، وكمية الأوستنيت المحتجز، وتركيب المارتنسيت، وإمكانات الترسيب. كما يمكنها أن تزيد حجم حبيبات الأوستنيت السابقة، مما يؤثر في سلوك التحول والمتانة.

وتضيف العناصر المتبقية وتاريخ التصنيع متغيرات أصغر، لكنها قد تكون مهمة أحيانًا. فالسليكون والمنغنيز والنيكل والنحاس والفوسفور والكبريت والنيتروجين والأكسجين والإضافات النزرة يمكن أن تؤثر في تفاعلات الكربيدات، والأوستنيت المحتجز، والانفصال، وهشاشة المراجعة الحرارية. كما تغير الإجهادات المتبقية والتشوه السابق مواقع التكوّن ومعدلات الاسترجاع. ولذلك قد تختلف عينتان معتمدتان على أنهما من النوع الاسمي نفسه بسبب اختلاف صهراتهما أو توزيعات الكربيدات أو نسب اختزالهما بالطرق، حتى قبل بدء المعالجة الحرارية.

يوضح فولاذ العدد عالي السبيكة هذه النقطة بجلاء. فالمراجعة الحرارية العادية تليّن المارتنسيت غير المُراجَع عندما يغادر الكربون المواقع فائقة الإشباع ويستمر الاسترجاع. أما التصلد الثانوي فيعكس اتجاه الصلادة خلال جزء من البرنامج، لأن كربيدات السبيكة الدقيقة توفر تقوية بالترسيب وتحد من الاسترجاع. ولا تدل القمة اللاحقة على توقف المراجعة الحرارية؛ بل تدل على أن التفاعلات المتنافسة غيرت التفاعل المتحكم في الصلادة.

الحالة الابتدائية وشدة التبريد السريع وحجم المقطع

تمثل البنية الناتجة عن التبريد السريع الحالة الابتدائية للمراجعة الحرارية. ويؤثر كل من حجم حبيبات الأوستنيت، والكربون المذاب، والكربيدات غير المذابة، والأوستنيت المحتجز، ومورفولوجيا المارتنسيت، وإجهادات التبريد السريع، في الاستجابة اللاحقة. فالعينة التي بُرِّدت بسرعة كافية لتكوين مارتنسيت غالبًا لن تخضع للمراجعة الحرارية مثل عينة تحتوي على البينايت أو البرليت. كما أن مركز مقطع سميك لا يطابق بالضرورة سطحه.

وتحدد شدة التبريد السريع معدل التبريد، ومن ثم نواتج التحول. إذ ينتج التبريد بالماء أو بالبوليمر أو بالزيت أو بالغاز تواريخ تبريد مختلفة، بل إن مادة تبريد واحدة قد تعطي نتائج مختلفة عند تغير التحريك أو درجة الحرارة أو التحميل. ويبرد المقطع الكبير ببطء عند قلبه، مما يتيح تكوّن البينايت أو البرليت أو الأوستنيت المحتجز في المواضع التي تتكون فيها بنية مارتنسيت في عينة صغيرة. وأثناء المراجعة الحرارية، تخضع تلك المناطق بعد ذلك لتفاعلات مختلفة، وقد تصل إلى قيم مختلفة للصلادة.

ويغير حجم المقطع أيضًا تأخر الأوستنة والمراجعة الحرارية. فقد يتجاوز السطح درجة الحرارة المستهدفة بينما يظل القلب في طور التسخين، مما ينشئ تدرجًا شعاعيًا في المراجعة الحرارية. وإذا بدأ جهاز التحكم زمن التثبيت عند بلوغ الفرن قيمة الضبط، فإن المركز يتلقى زمنًا أقل عند درجة الحرارة مما يوحي به البرنامج. وإذا وُضعت المزدوجة الحرارية عند السطح، فقد يسجل التاريخ الحراري تعرضًا أكبر من التعرض الفعلي للجزء الداخلي.

يمكن لفولاذ العدد H13 أن يُظهر استجابات صلادة متوقعة مختلفة تحت جداول المراجعة الحرارية متساوية الحرارة، وبطيئة التسخين، وسريعة التسخين، بما في ذلك سلوك التصلد الثانوي. Limited evidence

نمذت دراسة محكَّمة منشورة عام 2013 عن فولاذ العدد H13 برامج مراجعة حرارية متساوية الحرارة وبطيئة التسخين وسريعة التسخين، وتنبأت باستجابات مختلفة للصلادة، بما في ذلك سلوك التصلد الثانوي. وتدعم هذه النتيجة التعامل مع المراجعة الحرارية بوصفها تاريخًا حراريًا مستمرًا. كما تقارن ASM Handbook Volume 4C (2024) بين علاقات Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman للفولاذ المقسّى بالحث، باعتبارها وسائل لتمثيل حالات مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة، لا بدائل عن قياس العملية الفعلية.

واستخدمت دراسة منشورة عام 2013 في Journal of Materials Processing Technology عن أنواع فولاذ قوالب الطرق على الساخن والدافئ معامل المراجعة الحرارية، الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller، لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. وتُعد هذه العلاقات مفيدة لمقارنة العمليات، لكنها تظل أوصافًا تجريبية لفولاذ محدد وحالة ابتدائية محددة. فقد يصف الوسم نفسه لدرجة الحرارة الاسمية معالجات معدنية مختلفة عندما تتغير سرعة التسخين أو حجم المقطع أو الأوستنة أو التبريد السريع أو المراجعة الحرارية السابقة.

آليات المراجعة الحرارية: الانتشار والتحلل والاسترداد

تعرّف ASM International المراجعة الحرارية بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا» (دليل ASM، المجلد 4A، 2024). ويحدد هذا التعريف نطاق المعالجة، لا تفاعلًا واحدًا. إذ تعتمد البنية المجهرية والخواص الناتجة على درجة حرارة المراجعة الحرارية وزمنها، ومحتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبيكة، والعناصر المتبقية، والأوستنة السابقة، وحالة التبريد السريع، وتاريخ التسخين. ولذلك يمكن للفولاذ المبرَّد سريعًا أن يلين، أو يحتفظ بجزء كبير من صلادته، أو يطوّر زيادة لاحقة في الصلادة مع تغيّر مصفوفته المارتنسيتية فائقة الإشباع.

تصف وزارة الطاقة الأمريكية المراجعة الحرارية بأنها سلسلة تتضمن انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت المحتجز، والاسترداد. وتتداخل هذه الأحداث بدلًا من حدوثها في أربع خطوات منفصلة تمامًا. وتختلف معدلاتها وأهميتها النسبية باختلاف التركيب والمسار الحراري. وتُعدّ «المراجعة الحرارية عند درجة حرارة منخفضة» و«المراجعة الحرارية عند درجة حرارة متوسطة» و«المراجعة الحرارية عند درجة حرارة مرتفعة» أوصافًا مفيدة للعملية، لكنها لا تحدد مجموعة عالمية ثابتة من التفاعلات. فقد يستجيب فولاذ العدد عالي السبيكة وفولاذ مارتنسيتِي كربوني عادي بصورة مختلفة جدًا عند درجة الحرارة الاسمية نفسها.

انتشار الكربون والمراجعة الحرارية في المرحلة المبكرة

المارتنسيت الطازج طور فائق الإشباع ومجهَد. ويحتل الكربون مواقع بينية لا تكون في حالة اتزان مع الشبكة المارتنسيتية رباعية التماثل والمتمركزة حول الجسم، في حين أدى التبريد السريع إلى توليد كثافة كبيرة من الانخلاعات وإجهاد متبقٍّ. وخلال الجزء الأول من المراجعة الحرارية، ينتقل الكربون لمسافات قصيرة نحو المواقع الأكثر ملاءمة، مثل الانخلاعات، وحدود الصفائح، والمناطق ذات المراجعة الذاتية، وجسيمات كربيد الحديد الناشئة. وتؤدي إعادة التوزيع هذه إلى تقليل التربيع الشبكي وخفض الإجهادات المرنة وإجهادات التشوه المرتبطة بحالة ما بعد التبريد السريع.

ولا يكون التفاعل المبكر مجرد «إزالة للصلادة». فقد يؤدي انفصال الكربون إلى تثبيت ترتيبات موضعية قبل تكوّن مجموعة مميزة من الكربيدات، كما تعتمد درجة تخفيف الإجهاد على درجة الحرارة والزمن ومعدل التسخين. ويبدأ المكوّن الذي يُسخّن ببطء في التغير بينما تظل نواته وسطحه عند درجتي حرارة مختلفتين. أما المكوّن الذي يُسخّن بسرعة فقد يمر عبر المجال الاسمي نفسه لدرجات الحرارة قبل أن ينتج الانتشار التوزيع نفسه للكربون. وينطبق السبب نفسه على حجم المقطع.

في المارتنسيتات الكربونية العادية والمنخفضة السبيكة، قد تتكوّن كربيدات انتقالية قبل تكوّن السمنتيت الأكثر استقرارًا. ويعتمد التسلسل الدقيق على مستوى الكربون، والإضافات السبائكية، وتشكل المارتنسيت الأولي. وتحتوي بعض المارتنسيتات منخفضة الكربون على كمية أقل من الكربون فائق الإشباع، وقد تُظهر تفاعلًا مبكرًا أضعف؛ في حين يمكن للمارتنسيتات الأعلى كربونًا أن تُظهر تربيعًا شبكيًا أكبر وتخفيفًا أوليًا أقوى للإجهاد. ولهذا لا يمكن لوسم درجة الحرارة أن يحل محل الوصف القائم على الآلية.

تربط طريقة هولومون–جافي، التي صاغها J. H. Hollomon وL. D. Jaffe عام 1945، بين زمن المراجعة الحرارية ودرجة الحرارة والتركيب وبين البنية والخواص المتطورة في الفولاذ المبرَّد سريعًا. ويُستخدم شكلها المألوف، $T(\log t+c)$، لتحديد درجة مراجعة المارتنسيت حراريًا، حيث تمثل $T$ درجة الحرارة المطلقة، و$t$ الزمن، و$c$ ثابتًا مرتبطًا بالتركيب. وهي أداة مفيدة للمقارنة، لكنها لا تلغي التاريخ الميتالورجي. فالمعاملات المتساوية لا تضمن نتائج متساوية عندما يختلف معدل التسخين، أو البنية المجهرية السابقة، أو الأوستنة، أو حجم المقطع، أو استجابة السبيكة.

تكوّن الكربيدات ونموها

مع مغادرة الكربون للمارتنسيت فائق الإشباع، يصبح ترسيب الكربيدات جزءًا محوريًا من استجابة المراجعة الحرارية. ففي كثير من أنواع الفولاذ، تتطور النواتج من كربيدات انتقالية دقيقة إلى سمنتيت أكثر استقرارًا، في حين يمكن لعناصر السبيكة أن تؤخر هذا التسلسل أو تعدّله أو تستبدله. ويستهلك تنوي الكربيدات الكربون ويغيّر تركيب المصفوفة؛ كما يقلل النمو والتخشّن من العوائق المتاحة أمام حركة الانخلاعات. وينتج التليين المعتاد بالمراجعة الحرارية عادةً عندما تفقد المصفوفة حالة فرط الإشباع وتصبح الرواسب أكبر أو متباعدة على نحو أوسع.

يمكن لفولاذ العدد عالي السبيكة أن يعكس هذا الاتجاه. وتذكر ASM International أن «التصلد الثانوي في فولاذ العدد عالي السبيكة ينتج عن ترسيب كربيدات سبائكية دقيقة»، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن (2024). ويمكن للكربيدات السبائكية الدقيقة، المرتبطة ترابطيًا أو شبه ترابطي، أن تعيق حركة الانخلاعات بفاعلية أكبر من السمنتيت الخشن، فتؤدي إلى زيادة في الصلادة خلال فترة لاحقة من المراجعة الحرارية. ويؤدي الترسيب الأقوى عمومًا إلى مقاومة أكبر للمراجعة الحرارية، رغم أن النتيجة تعتمد على كمية السبيكة المنحلة، وجدول المراجعة الحرارية، واستقرار المصفوفة.

تتحكم الأوستنة في هذه الاستجابة لأنها تحدد أيّ الكربيدات ينحل، ومقدار عناصر السبيكة والكربون الذي يدخل إلى الأوستنيت قبل التبريد السريع. وقد أفادت دراسة أجراها المعهد الوطني للمعايير والتقنية عام 1930 عن الفولاذ عالي السرعة بأن «شدة قمة التصلد الثانوي تزداد مع درجة الأوستنة». ولا تثبت هذه الملاحظة وجود درجة حرارة قمة أو صلادة ثابتة واحدة لكل أنواع الفولاذ عالي السرعة، بل توضح أن الحالة الابتدائية تتحكم في قابلية الترسيب.

وتفيد الدراسة المحكمة المنشورة عام 2013 عن فولاذ العدد H13 للسبب نفسه. إذ تتنبأ طريقتها بالصلادة بعد جداول المراجعة الحرارية المتساوية الحرارة، وبالتسخين البطيء، وبالتسخين السريع، بما في ذلك سلوك التصلد الثانوي. ويمكن لهذه الجداول أن تنتج استجابات مختلفة متوقعة للصلادة حتى عندما تتداخل مجالات تعريضها الاسمية. وأثناء التسخين المستمر، يستمر الترسيب والاسترداد مع ارتفاع درجة الحرارة؛ أما المعالجة متساوية الحرارة فتوفر للتفاعلات زمنًا أطول عند درجة حرارة مختارة واحدة. وقد يؤدي اعتبار الجدولين متكافئين لمجرد اشتراكهما في معامل مراجعة حرارية محسوب إلى إخفاء هذه الاختلافات.

تحلل الأوستنيت المحتجز واسترداد المصفوفة

قد يترك التبريد السريع أوستنيتًا محتجزًا، ولا سيما عندما تخفض الإضافات السبائكية درجات حرارة التحول، أو عندما تؤدي حالة الأوستنة إلى إذابة مقدار كبير من الكربون وعناصر السبيكة. وخلال المراجعة الحرارية، قد يطرح الأوستنيت المحتجز الكربون، ويتحول إلى نواتج فيريتية وكربيدات، أو يصبح أقل استقرارًا قبل أن يتحول أثناء التبريد. ويمكن أن يغير تحلله الاستقرار الأبعادي والصلادة والإجهاد المتبقي. ويعتمد توقيت ذلك على نوع الفولاذ، ولا يتبع الأوستنيت المحتجز المسار نفسه في كل أنواع الفولاذ.

ويحدث استرداد المصفوفة بالتزامن مع هذه التفاعلات. فتعيد الانخلاعات ترتيب نفسها أو تتلاشى، وتنخفض إجهادات الصفائح والشرائح، وتصبح مجالات الانفعال الموضعية أقل حدة. ويؤدي الاسترداد عمومًا إلى خفض المقاومة والصلادة، لكن الترسيب قد يعوّض هذا الفقد أو يتجاوزه في الأنواع ذات التصلد الثانوي. ولذلك تكون الخاصية النهائية محصلة التوازن بين تليين المصفوفة، وتخفيف الإجهاد، وتحول الأوستنيت المحتجز، وترسيب الكربيدات، وتخشّن الكربيدات.

يقارن دليل ASM، المجلد 4C، بين ترابطي هولومون–جافي وGrange-Baughman بوصفهما تمثيلين لظروف مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة لتقييم أنواع الفولاذ المقسّاة بالحث. وتمثل هذه الترابطات وسائل عملية لتنظيم البيانات، لا دليلًا على أن تاريخين حراريين متماثلين يؤديان إلى بنيتين مجهريتين متطابقتين. كما استخدمت دراسة عن فولاذ قوالب الطرق الساخنة أو الدافئة، نُشرت في Journal of Materials Processing Technology عام 2013، معامل المراجعة الحرارية — ويسمى أيضًا معامل هولومون–جافي أو Larson-Miller — لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. وتصف هذه الأدوات الاتجاهات ضمن مادة ونطاق معالجة محددين. لكنها لا تقدم قيم صلادة عالمية أو تغيرات مضمونة في الخواص، لأن نوع الفولاذ، والحالة الابتدائية، والأوستنة، ومسار التسخين، وتاريخ التبريد تظل جميعها جزءًا من آلية المراجعة الحرارية.

التصلُّب الثانوي في فولاذ العدد عالي السبائكية

لماذا يمكن أن تزداد الصلادة أثناء المراجعة

لا تُعرَّف المراجعة ببساطة على أنها تليين. إذ تذكر ASM International في ASM Handbook Volume 4A (2024): «المراجعة هي تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا». وتعتمد البنية والخواص الناتجة على درجة حرارة المراجعة وزمنها، ومحتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبيكة، والعناصر المتبقية، والحالة التي نتجت عن التقسية أو التطبيع. وتحدد هذه المتغيرات التفاعلات التي تحدث ومدى تقدمها.

في الفولاذ الكربوني العادي وكثير من أنواع الفولاذ منخفض السبائكية، تكون النتيجة المعتادة هي انخفاض الصلادة. إذ يحتوي المارتنسيت المُخمَد على كربون فوق مشبع، وكثافة عالية من الانخلاعات، وإجهاد داخلي كبير. وأثناء المراجعة، ينتشر الكربون خارج المارتنسيت، وتتكوّن كربيدات انتقالية أو سمنتيت، وقد يتحلل الأوستنيت المحتجز، وتتعافى البنية المارتنسيتية. ويصف تناول وزارة الطاقة الأمريكية للمراجعة في عام 2010 هذه العمليات المترابطة بأنها انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت، والتعافي. ويؤدي كل منها عمومًا إلى خفض طاقة الانفعال المختزنة ومقاومة التشوه اللدن.

يمكن لفولاذ العدد عالي السبائكية أن يسلك مسارًا مختلفًا. فمع ارتفاع درجة الحرارة، تستطيع عناصر السبيكة التي ظلت مذابة أثناء التخميد أن تنتشر لمسافات قصيرة وتكوّن مجموعة كثيفة من كربيدات السبيكة شديدة الصغر. وتعيق هذه الجسيمات حركة الانخلاعات. فإذا تجاوز تأثيرها التقويتي التليينَ الناتج عن تعافي المارتنسيت، ازدادت الصلادة المقاسة أثناء المراجعة. وهذا هو التصلب الثانوي.

توضح ASM International أن «التصلب الثانوي في فولاذ العدد عالي السبائكية ينتج عن ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة»، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. وتكتسب كلمة دقيقة أهمية خاصة. فمجموعة الكربيدات الخشنة لا تقوي المصفوفة بالفاعلية نفسها، لأن الجسيمات تكون متباعدة بدرجة أكبر وتوفر مقاومة أقل للانخلاعات المتحركة. أما الرواسب شديدة الصغر، الموزعة خلال المارتنسيت المُراجَع، فتُحدث تقوية بالترسيب في الوقت الذي تظل فيه المصفوفة خاضعة للتعافي.

وعليه، فإن الاستجابة تمثل منافسة بين التليين والتقوية. فقد تقلل المراجعة المبكرة الصلادة عندما يغادر الكربون المارتنسيت. وعند درجة حرارة أعلى، يمكن لترسيب كربيدات السبيكة أن يعكس هذا الاتجاه. ومع التعرض لدرجات أعلى، تكبر الرواسب، وتفقد المصفوفة مزيدًا من قوتها المارتنسيتية، فتنخفض الصلادة مجددًا. ولا تُظهر كل الدرجات زيادة كبيرة، كما قد يحتوي منحنى الصلادة على تفاعلات متداخلة بدلًا من قمة واحدة واضحة.

الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن

يُعد الموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن عناصر محورية في التصلب الثانوي، لأنها تتمتع بقابلية قوية لتكوين الكربيدات، ولأنها تنتشر من مصفوفة الفولاذ إلى الرواسب أثناء معالجات المراجعة المناسبة. وتعتمد الأطوار الدقيقة على التركيب والتاريخ الحراري. وقد توصف الكربيدات بتسميات بنية بلورية أو تركيبية مثل MC أو M₂C أو M₆C أو M₂₃C₆، حيث تمثل M عنصرًا معدنيًا واحدًا أو أكثر؛ ولا تعني هذه التسميات أن كل فولاذ يكوّن جميع الأطوار المذكورة.

يسهم الفاناديوم عادةً في تكوين كربيدات MC شديدة الثبات وغنية بالفاناديوم. وتسمح لها مقاومتها للانحلال بالبقاء فعالة عند درجات حرارة تؤدي إلى نمو الجسيمات الأقل ثباتًا أو انحلالها. ويمكن للموليبدينوم أن يشارك في ترسيب دقيق من نمط M₂C وفي مجموعات مختلطة من كربيدات السبيكة. وقد يدخل التنغستن في كربيدات من نمط M₆C أو في كربيدات مختلطة أخرى، تبعًا لنوع الفولاذ وجدول المراجعة الحرارية. وفي فولاذ السرعات العالية، حيث تجتمع مستويات كبيرة من التنغستن والموليبدينوم والفاناديوم والكروم والكربون، يمكن أن تتكوّن عدة عائلات من الكربيدات بالتتابع أو في الوقت نفسه.

وتُعد كيمياء المصفوفة قبل المراجعة عاملًا حاسمًا. إذ تؤدي الأستنة إلى إذابة بعض الكربيدات وإغناء الأوستنيت بالكربون وعناصر السبيكة، بينما تحتفظ الكربيدات غير الذائبة بالعناصر الأخرى خارج المصفوفة. ثم ينتج عن التخميد مارتنسيت، وغالبًا أوستنيت محتجز أيضًا. ويمكن لرفع درجة حرارة الأستنة أو إطالة زمن المكوث أن يذيب كمية أكبر من الكربيد، إلا أن الأستنة المفرطة قد تسبب نمو الحبيبات وأضرارًا أخرى. وبالتالي، يمكن لمحتوى السبيكة المذاب والمتاح للترسيب اللاحق أن يغير استجابة التصلب الثانوي.

وأفادت دراسة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا حول فولاذ السرعات العالية، نُشرت عام 1930، بأن «شدة قمة التصلب الثانوي تزداد مع درجة الأستنة». ولا ينبغي تحويل هذه الملاحظة إلى درجة حرارة عامة أو زيادة عامة في الصلادة. فقد تؤدي الأستنة الأكبر إلى زيادة إمداد عناصر السبيكة اللازمة للترسيب، لكنها تغير أيضًا حجم الحبيبات، والأوستنيت المحتجز، ونشاط الكربون، وكمية الكربيد غير الذائب. ويعكس المنحنى النهائي جميع هذه التغيرات.

مقاومة المراجعة وقمة التصلب الثانوي

تعني مقاومة المراجعة الاحتفاظ بالصلادة أو المقاومة أو الثبات الأبعادي أثناء تعرض حراري محدد. ويزيد ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة مقاومة المراجعة، لأن الرواسب تعارض حركة الانخلاعات وتؤخر فقدان المارتنسيت لقوته. وقد يُظهر فولاذ ذو تصلب ثانوي قوي تليينًا طفيفًا فقط ضمن مجال من درجات الحرارة كان فيه فولاذ كربوني عادي سيفقد صلادته بسرعة. وهذا لا يعني أنه محصّن ضد المراجعة؛ فالتعرض المستمر يسمح في نهاية المطاف بالتعافي، ونمو الكربيدات، وتحول الأوستنيت المحتجز، وحدوث تفاعلات تليين أخرى.

وتعتمد موضع القمة ومقدارها على نوع الدرجة والتاريخ الحراري. ولا يمكن تحديدهما بصورة مسؤولة كقيم ثابتة من دون ذكر نوع الفولاذ، والصلادة الابتدائية، ومعالجة الأستنة، والتخميد، وزمن المراجعة، ومعدل التسخين، وطريقة التبريد، واختبار الصلادة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُظهر AISI H13 استجابة مختلفة عن فولاذ السرعات العالية الغني بالتنغستن، لأن توازن عناصر السبيكة ومجموعة الكربيدات يختلفان. وحتى عينتان من H13 قد تنتجان منحنيات مختلفة بعد معالجات مختلفة للأستنة أو التخميد.

تربط طريقة ج. هـ. هولومون ول. د. جافي، المنشورة عام 1945، بين زمن المراجعة ودرجة الحرارة والتركيب من جهة، والبنية والخواص المتكوّنة في الفولاذ المُخمَد من جهة أخرى. وتتمثل صيغتها المألوفة في معامل المراجعة:

$$P=T(\log t+c)$$

حيث تمثل T درجة الحرارة المطلقة، ويمثل t الزمن، بينما يمثل c ثابتًا يعتمد على التركيب والاستجابة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية هذا التعبير بأنه يكمّي درجة مراجعة المارتنسيت. وهو مفيد لمقارنة حالات التعرض وملاءمة بيانات الصلادة، إلا أن تساوي المعامل لا يلغي الفروق في معدل التسخين، والبنية المجهرية السابقة، والأستنة، وحجم المقطع، واستجابة السبيكة.

وتكتسب هذه المحدودية أهمية خاصة في المعالجة غير متساوية الحرارة. فقد بحثت دراسة محكَّمة نُشرت عام 2013 حول فولاذ العدد H13 جداول مراجعة متساوية الحرارة وبطيئة التسخين وسريعة التسخين، وطورت طريقة تنبأت باستجابات مختلفة للصلادة، بما في ذلك سلوك التصلب الثانوي. وقد يمر مقطع مسخَّن بسرعة عبر مجالات الترسيب قبل أن يتوافق الانتشار ونمو الكربيدات مع افتراضات المعالجة متساوية الحرارة. كما تجعل تدرجات الحرارة السطحَ واللبَّ يمران بمسارات حرارية مختلفة.

يقارن ASM Handbook Volume 4C (2024) بين علاقات هولومون–جافي وغرانج–باومان للفولاذ المقسّى بالحث، ويتعامل معهما بوصفهما طريقتين لتمثيل حالات مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة لتقييم استجابة المراجعة. وتعني كلمة «مكافئة» أنها مكافئة ضمن نطاق علاقة الارتباط والمواد المختبَرة، وليست متطابقة من حيث التاريخ البنيوي المجهري.

كما استخدمت دراسة نُشرت عام 2013 في Journal of Materials Processing Technology حول فولاذ قوالب الطرق الساخن والدافئ معامل المراجعة — الذي يسمى أيضًا معامل هولومون–جافي أو معامل لارسون–ميلر — لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. وتُعد هذه العلاقات أدوات قيّمة للعمليات، لكنها تصف السلوك المقاس لأنواع فولاذ ومعالجات محددة. ولا تؤسس قمة عالمية للتصلب الثانوي. ففي فولاذ العدد عالي السبائكية، تظل المراجعة سلسلة من تفاعلات الانتشار والترسيب والتحول والتعافي المتنافسة.

الأوستنة بوصفها عاملًا في التقسية الثانوية

الأوستنة ليست مجرد خطوة تسخين تمهيدية تسبق التبريد السريع. فهي تحدد الحالة الكيميائية والبنيوية التي يتكوّن منها المارتنسيت، وهذه الحالة تتحكم في كيفية استجابة الفولاذ أثناء المراجعة. يعرّف دليل ASM، المجلد 4A، المراجعة بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطبع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة السفلى». وتعتمد البنية المجهرية الناتجة على درجة حرارة المراجعة وزمنها، ومحتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبيكة، والعناصر المتبقية. وتؤثر هذه المتغيرات في حالة سابقة أنشأتها الأوستنة، والإذابة، ونمو الحبيبات، والتبريد السريع.

إذابة عناصر السبيكة قبل التبريد السريع

أثناء الأوستنة، تذوب بعض الكربيدات في الأوستنيت، بينما تبقى كربيدات أخرى غير مذابة. وتحدد درجة الحرارة، وزمن التثبيت، ومعدل التسخين، والتوزيع الأصلي للكربيدات هذا التوازن. ولا يدخل الكربون وعناصر السبيكة الإحلالية، مثل الكروم والموليبدينوم والتنغستن والفاناديوم، في المحلول بالمعدلات نفسها؛ ولذلك قد يغادر الأوستنيت الفرن بمحتويات مختلفة جدًا من العناصر الذائبة، حتى عندما تستخدم معاملتان الصنف الاسمي نفسه من الفولاذ.

وتصبح هذه المادة الذائبة مهمة بعد التبريد السريع. فقد تؤدي زيادة كمية الكربون وعناصر السبيكة في الأوستنيت إلى تكوين مصفوفة مارتنسيتية فائقة الإشباع بدرجة أكبر. وأثناء المراجعة، يؤدي انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت المحتجز، والاسترجاع، إلى خفض الطاقة المختزنة وعدم الاستقرار الكيميائي لهذه البنية تدريجيًا. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية هذه العمليات بأنها أجزاء أساسية من المراجعة، إلا أنها لا تحدث بالمعدل نفسه في كل فولاذ أو انطلاقًا من كل حالة أوستنة.

وتضيف فولاذات العدد عالية السبيكة مسارًا آخر هو التقسية الثانوية. وتذكر ASM International في وصفها لعام 2024 أن «التقسية الثانوية في فولاذ العدد عالي السبيكة تنتج عن ترسيب الكربيدات السبائكية الدقيقة»، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. فإذا احتوت المصفوفة المقساة بالتبريد السريع على كمية كافية من عناصر السبيكة الذائبة، فقد تؤدي المراجعة إلى تكوين تشتت كثيف من الكربيدات الدقيقة المقاومة. وقد يعادل ترسيبها، أو يتجاوز مؤقتًا، التليين الناجم عن مراجعة المارتنسيت. ولهذا لا يلزم أن تنخفض الصلادة بصورة رتيبة مع ارتفاع درجة حرارة المراجعة.

وتتحكم الأوستنة أيضًا في ما يبقى خارج المصفوفة. فقد تحد الكربيدات الأولية غير المذابة من نمو حبيبات الأوستنيت، وتحتجز عناصر السبيكة التي كان من الممكن أن تسهم بخلاف ذلك في الترسيب الثانوي. وقد تزداد كمية الأوستنيت المحتجز عندما يحتوي الأوستنيت على قدر أكبر من الكربون وعناصر السبيكة الذائبة، لأن ذلك يخفض درجة بدء تحول المارتنسيت. وأثناء المراجعة اللاحقة، يمكن أن يتحلل هذا الأوستنيت المحتجز أو يتحول، مضيفًا تغيرًا مستقلًا في الصلادة إلى تفاعلات الترسيب والاسترجاع.

نتائج NIST في الفولاذ فائق السرعة

تقدم ورقة بحثية لمعهد الولايات المتحدة الوطني للمعايير والتقنية، نُشرت عام 1930، رابطًا مباشرًا بين الأوستنة والتقسية الثانوية في الفولاذ فائق السرعة. وتتمثل النتيجة التي تذكرها الورقة في أن «شدة قمة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». وفي هذا السياق، تشير درجة الأوستنة إلى مدى إذابة المعالجة الحرارية لمكونات الكربيد وإغنائها للأوستنيت قبل التبريد السريع، وليس ببساطة إلى درجة حرارة فرن مدرجة في ورقة مواصفات.

والمنطق الفلزي واضح. فقد تؤدي الإذابة الأكثر اكتمالًا إلى إدخال كمية أكبر من العناصر المكوِّنة للكربيدات في مارتنسيت فائق الإشباع. وأثناء المراجعة، تمتلك تلك المصفوفة قابلية أكبر لترسيب كربيدات دقيقة غنية بالموليبدينوم أو التنغستن أو الفاناديوم. ويؤدي الترسيب الناتج إلى تقوية المصفوفة وزيادة مقاومتها للتليين أثناء المراجعة. ومن ثم، تربط ملاحظة NIST ارتفاع استجابة التقسية الثانوية بحالة العناصر الذائبة الابتدائية في الفولاذ المقسى بالتبريد السريع.

لكنها لا تثبت وجود توجيه عام برفع درجة حرارة الأوستنة. فقد يؤدي التسخين المفرط إلى تكبير حبيبات الأوستنيت السابقة، وزيادة الأوستنيت المحتجز، وتعزيز نزع الكربون أو فرط التسخين، وتغيير قابلية حدوث تشققات التبريد السريع. كما قد يذيب كربيدات كانت نسبتها غير المذابة ضرورية للتحكم في حجم الحبيبات. وقد يغير كبر حجم الحبيبات قابلية التقسية وسلوك الكسر، حتى عندما تبدو الصلادة النهائية مقبولة. ولذلك قد تصبح الاستجابة أقل فائدة رغم زيادة الإذابة الاسمية لعناصر السبيكة.

أما الأوستنة غير الكافية فتخلق المشكلة المعاكسة. فقد تترك الكربيدات السبائكية غير المذابة كمية قليلة جدًا من الكربون وعددًا قليلًا جدًا من عناصر السبيكة في الأوستنيت لتحقيق صلادة المارتنسيت أو استجابة الترسيب الثانوي المستهدفة. كما قد يؤدي عدم اكتمال الإذابة إلى نشوء انفصال كيميائي بين مناطق المصفوفة والمناطق الغنية بالكربيدات. وينتج عن ذلك عند التبريد السريع هيكل أقل تجانسًا، ولا تستطيع المراجعة تصحيح حالة البداية هذه بصورة كاملة.

المفاضلة بين الأوستنة والاستجابة النهائية

الاستجابة النهائية هي حصيلة تاريخ المعالجة، وليست تأثيرًا ناتجًا عن درجة حرارة واحدة. وتربط طريقة J. H. Hollomon وL. D. Jaffe لعام 1945 بين زمن المراجعة ودرجة الحرارة والتركيب من خلال معامل مراجعة يُكتب عادةً بالصيغة T(log t + c)، ويُستخدم لتحديد درجة مراجعة المارتنسيت. ويفيد هذا المعامل في مقارنة فترات التعرض، إلا أن القيمة المكافئة لا تلغي الفروق في معدل التسخين، والبنية المجهرية السابقة، والأوستنة، وحجم المقطع، والأوستنيت المحتجز، والترسيب الخاص بكل سبيكة.

وقد أظهرت دراسة محكّمة نُشرت عام 2013 عن فولاذ العدد H13 هذا القيد، إذ عالجت جداول التسخين المتساوي الحرارة، والتسخين البطيء، والتسخين السريع بصورة منفصلة. واختلفت استجابات الصلادة المتنبأ بها، كما شملت الحسابات سلوك التقسية الثانوية. فالمقطع الذي يُسخن بسرعة لا يمضي المدة نفسها في عبور مجالات التحول والترسيب التي يعبرها مقطع مُراجع عند درجة حرارة ثابتة، ولذلك قد تخفي أوصاف درجة الحرارة القصوى الاسمية وزمن التثبيت المتساويين تفاعلات مختلفة.[1][1] Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM International. ASM Handbook Volume 4C, 2024.

ويقارن دليل ASM، المجلد 4C، كذلك بين علاقات Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman للفولاذ المقسّى بالحث. وتمثل كلتا العلاقتين شروطًا مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة لتقييم استجابة المراجعة، إلا أن فائدتهما تعتمد على الدورة الحرارية وحالة المادة اللتين استُخدمتا لإرساء العلاقة. وقد استخدمت دراسة فولاذ العدد المستخدم في القوالب للطرق على الساخن والدافئ، والمنشورة في Journal of Materials Processing Technology عام 2013، معامل المراجعة—الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller—لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. وتنظم هذه العلاقات البيانات، لكنها لا تقدم قيمًا ثابتة للصلادة أو تغيرات مضمونة في الخواص عبر مختلف أصناف الفولاذ.

لذلك ينبغي اختيار الأوستنة لتحقيق توازن بين الإذابة، والتحكم في حجم الحبيبات، وإدارة الأوستنيت المحتجز، والاستجابة للتبريد السريع، وتسلسل الترسيب المطلوب. وتدعم نتيجة NIST وجود قمة أقوى للتقسية الثانوية مع زيادة الأوستنة في الفولاذ فائق السرعة الذي دُرس. لكنها لا تجعل الإذابة القصوى هدفًا عامًا. فالهدف المفيد هو البنية الابتدائية التي تحقق الاستجابة النهائية المطلوبة بعد اكتمال تاريخ التبريد السريع والمراجعة.

التكافؤ بين الزمن ودرجة الحرارة ومعامل Hollomon-Jaffe

صياغة Hollomon وJaffe لعام 1945

لا يُعرَّف التقسية بالمعنى الضيق على أنها «التليين بعد التبريد السريع». ويعرّفها دليل ASM، المجلد 4A بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا» (ASM International, 2024). وخلال هذه المعالجة، ينتشر الكربون من المارتنسيت فوق المشبع، وقد تتكوّن كربيدات انتقالية وسمنتيت، وقد يتحلل الأوستنيت المحتجز، كما يخضع التركيب المارتنسيتي للاسترجاع. وتعتمد الصلادة والمتانة النهائيتان على درجة الحرارة والزمن، وكذلك على محتوى الكربون، والإضافات السبائكية، والعناصر المتبقية، والمعالجة الأوستنيتية السابقة، والبنية الناتجة عن التبريد السريع.[2][2] Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Metals Technology, 1945.

تناول J. H. Hollomon وL. D. Jaffe الحاجة إلى مقارنة معالجات التقسية في بحثهما المنشور عام 1945 بعنوان «تحول الأوستنيت: علاقات الزمن ودرجة الحرارة في تقسية الفولاذ»، والمنشور في Metals Technology. وربطت طريقتهما بين زمن التقسية ودرجة الحرارة والتركيب من جهة، والبنية والخواص المتطورة في الفولاذ المبرَّد سريعًا من جهة أخرى. وكانت المشكلة العملية واضحة: فقد يصل فولاذ قُسِّي لفترة قصيرة عند درجة حرارة مرتفعة إلى حالة مشابهة لحالة فولاذ حُفظ فترة أطول بكثير عند درجة حرارة أقل. لذلك لا يمكن لدرجة حرارة تقسية واحدة أن تصف المعالجتين معًا.

وتُكتب علاقتهما التجريبية عادةً على النحو الآتي:

$$P=T({\log }_{10}t+C)$$

حيث إن $P$ هو معامل تقسية Hollomon-Jaffe، و$T$ هي درجة الحرارة المطلقة بالكلفن، و$t$ هو زمن التقسية، و$C$ ثابت يعتمد على التركيب والتفاعل. وفي كثير من الحسابات الهندسية، تُسنَد إلى $C$ قيمة تقترب من 20، إلا أن هذه القيمة اصطلاح وليست ثابتًا ماديًا مشتركًا بين كل نوع وكل تفاعل. ويجب أيضًا تحديد وحدة الزمن، لأن التحويل من الساعات إلى الثواني يغيّر الحد اللوغاريتمي، ومن ثم يغيّر القيمة العددية للمعامل.

هذه العلاقة تجريبية. فلم يثبت Hollomon وJaffe قانونًا ترموديناميكيًا عالميًا يجعل جميع معالجات التقسية قابلة للتبادل. بل قدّما علاقة ارتباط مفيدة لمجموعات البيانات التي تجري فيها مقارنة الفولاذ نفسه، والحالة الابتدائية نفسها، وآلية التقسية السائدة نفسها. ويضغط المعامل متغيرين في مؤشر واحد، بحيث يمكن رسم الصلادة أو مقاومة الشد أو خاصية أخرى مقاسة مقابل مقياس مشترك للتعرّض.

معنى $T(\log t+c)$

يمنح حد درجة الحرارة المعامل حساسية قوية للتعرّض الحراري. ويجب التعبير عن درجة الحرارة على مقياس مطلق، عادةً بالكلفن، لأن العلاقة تهدف إلى عكس اعتماد التفاعلات المتحكم فيها بالانتشار على درجة الحرارة. ويمثل لوغاريتم الزمن تناقص العائد الناتج عن إطالة فترة الحفظ: فزيادة المعالجة من ساعة واحدة إلى 10 ساعات تغيّر ${\log }_{10}t$ بمقدار وحدة واحدة، في حين أن زيادتها من 100 إلى 110 ساعات لا تُحدث إلا تغيرًا صغيرًا.

ويعدّل الثابت $c$، الذي يُكتب غالبًا $C$، العلاقة وفقًا للفولاذ واستجابة التقسية التي يجري ملاءمتها. ويوصف أحيانًا بأنه ثابت مرتبط بالتركيب، لأن محتوى الكربون والعناصر السبائكية يغيران الانتشار، واستقرار الكربيدات، وحركية الترسيب، ومقاومة الاسترجاع. غير أن القيمة الملائمة عمليًا قد تستوعب أيضًا الاصطلاحات التجريبية، بما في ذلك نطاق الخاصية المختار، ووحدات الزمن، وآلية التفاعل التي تمثلها البيانات. وقد يؤدي التعامل مع $C=20$ بوصفها قانونًا عالميًا إلى إعطاء انطباع مضلل بالدقة.

وبالنسبة إلى أنواع الفولاذ الكربوني العادي والفولاذ منخفض السبائك، غالبًا ما يرتبط المعامل بصورة معقولة بالتليين التدريجي الناتج عن التقسية ضمن نطاق محدود من درجات الحرارة والأزمنة. وقد تتضمن السلسلة الفيزيائية إعادة توزيع الكربون، وتكوّن كربيدات الحديد، وتحلل الأوستنيت المحتجز، واسترجاع بنية الانخلاعات. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية $T(\log t+c)$ بأنه مقياس لدرجة تقسية المارتنسيت، إلا أن هذا التفسير لا يعني أن كل حدث بنيوي مجهري يتقدم بالمعدل نفسه.

ويمكن للمعامل نفسه أن يصف أيضًا زيادة في الصلادة. ففي فولاذ العدد عالي السبائك، قد تؤدي التقسية إلى تصلد ثانوي بدلًا من التليين المستمر. وتعزو ASM International التصلد الثانوي إلى ترسيب كربيدات سبائكية دقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. ويمكن للترسيب الأقوى أن يزيد مقاومة التقسية. وقد أفاد المعهد الوطني للمعايير والتقنية، في ما يخص الفولاذ عالي السرعة، بأن «شدة قمة التصلد الثانوي تزداد مع درجة الأوستنة». وتكتسب هذه الملاحظة أهمية لأن الأوستنة تغيّر كمية العناصر السبائكية والكربون المذابَين في الأوستنيت قبل التبريد السريع. ولذلك يمكن لعينتين من النوع الاسمي نفسه أن تبلغا قممًا مختلفة للتصلد الثانوي إذا اختلفت معالجات الأوستنة بينهما.

ولا تُعد قيمة الصلادة المتزايدة عند معامل Hollomon-Jaffe معين خطأً بحكم التعريف. فقد تشير إلى التصلد بالترسيب، في حين قد تشير القيمة المتناقصة إلى تقسية المارتنسيت والاسترجاع. ويسجل المعامل مقدارًا محسوبًا من التعرّض؛ لكنه لا يحدد التفاعل المسؤول عن الخاصية المقاسة.

ما الذي يمكن لمعامل التقسية المكافئ أن يتنبأ به وما لا يمكنه التنبؤ به

يكون المعامل المكافئ أكثر فائدة عندما يقارن بين معالجات ضمن مجموعة مضبوطة: النوع نفسه، وحجم المقطع نفسه، والبنية الناتجة عن التبريد السريع نفسها، وجدول الأوستنة نفسه، والغلاف الجوي نفسه، وطريقة قياس الخاصية نفسها. وضمن هذه الحدود، يمكنه المساعدة في تقدير ما إذا كان الجمع المعدّل بين درجة الحرارة وزمن الحفظ سيؤدي إلى اتجاه مشابه في الصلادة. ويعرض دليل ASM، المجلد 4C علاقات Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman بوصفها طرائق مكافئة للزمن ودرجة الحرارة لتقييم استجابة الفولاذ المقسّى بالحث للتقسية. وهذه العلاقات أدوات هندسية لتنظيم النتائج، وليست دليلًا على أن المسارات الحرارية متماثلة فيزيائيًا.

ويمثل معدل التسخين قيدًا رئيسيًا. فعندما تُرفع العينة بسرعة إلى درجة حرارة التقسية، فإنها تمضي وقتًا قليلًا في نطاق درجات الحرارة الأدنى، بينما قد تبدأ العينة المسخّنة ببطء إعادة توزيع الكربون أو تكوّن الكربيدات أو تحلل الأوستنيت المحتجز قبل بلوغ درجة حرارة الحفظ الاسمية. وقد طوّرت دراسة محكّمة نُشرت عام 2013 عن فولاذ العدد H13 تنبؤات لبرامج التسخين متساوي الحرارة، والبطيء، والسريع، كما أدرجت سلوك التصلد الثانوي. وتكمن أهميتها في أن البرامج ذات القيم الاسمية المتقاربة للمعامل قد تظل تنتج استجابات مختلفة متوقعة للصلادة عندما يتغير مسار التسخين.

وتنشئ التقسية المتقطعة مشكلة أخرى. فقد يؤدي التبريد بين مرحلتي تقسية إلى تغيير الترسيب، وتحلل الأوستنيت المحتجز، وتوزيع الكربيدات الانتقالية. ولا يستأنف التسخين بالضرورة التفاعل نفسه بالمعدل نفسه. كما أن حجم المقطع مهم؛ إذ قد يمر سطح قالب كبير ومركزه بتاريخين مختلفين للتسخين والتبريد، حتى عندما تُسجَّل درجة حرارة الفرن كقيمة واحدة.

وتكتسي البنية المجهرية السابقة أهمية مماثلة. فحجم حبيبات الأوستنيت، ومحتوى الكربون في المارتنسيت، والأوستنيت المحتجز، والانفصال، والكربيدات غير المنحلة، كلها تؤثر في التفاعلات اللاحقة. وتؤثر الأوستنة بوجه خاص في فولاذ العدد عالي السرعة وفولاذ العدد المستخدم في التشغيل على الساخن، لأنها تتحكم في توافر العناصر الذائبة اللازمة لترسيب الكربيدات الثانوية. ولا يستطيع معامل مكافئ اسميًا إعادة بناء تلك الحالة الابتدائية.

وتصبح هذه المحدودية أوضح قرب قمم التحول أو الترسيب. فلا يمكن لمنحنى تليين رتيب واحد أن يمثل فولاذًا يلين أولًا، ثم يتصلد مع ترسيب كربيدات دقيقة غنية بالموليبدينوم أو الفاناديوم أو التنغستن، ثم يلين مجددًا بعد فرط التعتيق. وقد استخدمت دراسة فولاذ العدد المستخدم في قوالب الحدادة على الساخن والدافئ، المنشورة في Journal of Materials Processing Technology عام 2013، معامل التقسية — الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller — لربط التعرّض للزمن ودرجة الحرارة بالتغيرات في الصلادة. ويفيد هذا النهج في رسم خريطة لسلوك فولاذ القوالب، إلا أن علاقته الملائمة تظل مرتبطة بالفولاذ ونطاق المعالجة اللذين جرت دراستهما.

وعليه، فإن $T(\log t+c)$ هو مؤشر للمقارنة، وليس بديلًا عن التاريخ الحراري أو الأدلة البنيوية المجهرية. ويمكنه تنظيم بيانات التقسية ودعم الاستيفاء بين ظروف جرى اختبارها. لكنه لا يستطيع ضمان تساوي الصلادة أو المتانة أو مجموعات الكربيدات أو محتوى الأوستنيت المحتجز عندما يختلف معدل التسخين أو التقطعات أو الأوستنة أو البنية السابقة أو استجابة السبيكة.

المراجعة الحرارية غير متساوية الحرارة وبرامج التسخين الفعلية

لا تُعرَّف المراجعة الحرارية من خلال نقطة ضبط الفرن وحدها. يذكر ASM International في ASM Handbook Volume 4A (2024): «المراجعة الحرارية هي تسخين الفولاذ المقسّى أو المطبع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة السفلى». وتعتمد الحالة الناتجة على درجة حرارة المراجعة الحرارية وزمنها، وكذلك على محتوى الكربون، والعناصر السبائكية، والعناصر المتبقية، وعملية الأوستنة السابقة، والمسار الحراري المستخدم للوصول إلى درجة حرارة التثبيت.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن الأجزاء الصناعية نادراً ما تسخن في جميع مناطقها بالمعدل نفسه. فقد يكون سطح قالب أو حشوة أو عمود كبير ساخناً، بينما يظل قلبه دون نطاق المراجعة الحرارية المقصود. وخلال تلك الفترة، تكون المناطق المختلفة خاضعة لتفاعلات مختلفة.

التثبيت متساوي الحرارة مقابل التسخين المستمر

في اختبار المراجعة الحرارية متساوية الحرارة، تُسخَّن العينة إلى درجة حرارة محددة ثم تُثبَّت عندها. ويفيد ذلك في فصل تأثير زمن التثبيت، لكنه لا يعيد إنتاج التاريخ الكامل لمكوّن فعلي. أما التسخين المستمر فيعرّض الفولاذ لتتابع من درجات الحرارة، وتتيح كل درجة حرارة مزيجاً مختلفاً من انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت، والاسترجاع.

وتصف وزارة الطاقة الأمريكية المراجعة الحرارية من حيث انتشار الكربون وما يرتبط به من تكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت المحتجز، واسترجاع البنية المارتنسيتية. ولا تبدأ هذه التفاعلات أو تستمر أو تنتهي بالمعدل نفسه. فقد تقضي عينة تُسخَّن ببطء وقتاً كبيراً ضمن نطاقات درجات الحرارة المنخفضة، حيث يُعاد توزيع الكربون وتتكوّن الكربيدات الانتقالية قبل بلوغ درجة حرارة المراجعة الحرارية الاسمية. أما العينة التي تُسخَّن بسرعة، فتمضي وقتاً أقل في تلك النطاقات، ولذلك يبدأ الترسيب والاسترجاع في ظل تسلسل مختلف من الظروف.

ولا يتعلق الفرق بمجرد جمع الزمن المقضي فوق درجة حرارة مختارة. فالانتشار حساس لدرجة الحرارة، في حين يعتمد الترسيب على كلٍّ من توافر المذاب وتاريخ تنوي الجسيمات ونموها. وقد يؤدي تفاعل يبدأ أثناء التسخين البطيء إلى تغيير المصفوفة، ومن ثم تغيير ما يحدث أثناء التثبيت النهائي. وعلى النقيض، قد ينقل التسخين السريع الفولاذ إلى نظام أعلى من درجات الحرارة قبل أن تكون التفاعلات الوسيطة نفسها قد تقدمت بالدرجة ذاتها.

تعبر طريقة Hollomon-Jaffe، التي صاغها J. H. Hollomon وL. D. Jaffe عام 1945، عن علاقة الزمن ودرجة الحرارة والتركيب للفولاذ المقسّى. وتُكتب صيغتها الشائعة كما يلي:

$$P=T(\log t+c)$$

حيث تمثل $T$ درجة الحرارة المطلقة، ويمثل $t$ زمن المراجعة الحرارية، ويمثل $c$ ثابتاً يعتمد على التركيب والاستجابة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية هذا التعبير بأنه وسيلة لقياس درجة مراجعة المارتنسيت حرارياً. وهو معامل مفيد للمقارنة، لكنه لا يمحو المسار الفيزيائي. فقد يختلف برنامجان لهما القيمة المحسوبة نفسها بسبب معدل التسخين، والبنية المجهرية السابقة، وعملية الأوستنة، وحجم المقطع، وتفاعلات الترسيب الخاصة بالسبيكة.

ويطرح ASM Handbook Volume 4C (2024) نقطة عملية مماثلة بالنسبة إلى الفولاذ المقسّى بالحث: إذ يمكن لعلاقات Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman أن تمثل ظروفاً مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة لتقييم استجابة المراجعة الحرارية، غير أن توافقها ينطبق ضمن نطاق المادة والعملية اللذين اختُبرا. فالتطابق الارتباطي لا يثبت أن كل مسار حراري ينتج البنية المجهرية نفسها.

فولاذ العدد H13 بوصفه دراسة حالة[3][3] Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. University of Arizona publication record. Peer-reviewed publication record, 2013.

تُعد دراسة محكَّمة مسجلة في قاعدة منشورات جامعة أريزونا، بعنوان صلادة فولاذ العدد H13 بعد المراجعة الحرارية غير متساوية الحرارة (2013)، مفيدة بوجه خاص لأنها تقارن الاستجابات المتوقعة للفولاذ AISI H13 في برامج متساوية الحرارة، وبطيئة التسخين، وسريعة التسخين. وتشمل الدراسة سلوك التقسية الثانوية، بدلاً من التعامل مع الصلادة على أنها كمية يجب أن تنخفض رتيباً.

وAISI H13 هو فولاذ عدد للعمل على الساخن يحتوي على الكروم والموليبدينوم والفاناديوم. وفي أنواع فولاذ العدد عالية السبيكة، يعرّف ASM International التقسية الثانوية بأنها ترسيب كربيدات سبائكية دقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. وقد يعوّض الترسيب أو يتجاوز التليين الناجم عن استرجاع المارتنسيت خلال جزء من نطاق المراجعة الحرارية. وتعتمد الاستجابة الدقيقة على كيمياء الفولاذ وحالته الابتدائية؛ لذلك لا ينبغي قراءة دراسة H13 على أنها تحدد قيمة صلادة عالمية واحدة أو درجة حرارة ثابتة واحدة للتقسية الثانوية لجميع منتجات H13.

وتبرهن مقارنة برامج التسخين فيها على النقطة الأساسية: إذ يمكن للمعالجات متساوية الحرارة، وبطيئة التسخين، وسريعة التسخين أن تولد مسارات مختلفة متوقعة للصلادة، بما في ذلك مظاهر مختلفة لقمة التقسية الثانوية. ففي حالة التسخين البطيء، تبدأ المادة بالمراجعة الحرارية قبل بلوغ درجة الحرارة الاسمية المستهدفة. أما في حالة التسخين السريع، فينخفض الزمن المتاح للانتشار عند درجات الحرارة المنخفضة وللترسيب المبكر. ولذلك تعكس الصلادة النهائية المسار المؤدي إلى التثبيت، لا التثبيت نفسه فقط.

وتعتمد التقسية الثانوية أيضاً بدرجة كبيرة على الأوستنة. وقد أفادت دراسة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (1930) بأن «شدة قمة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». ويمكن لزيادة الأوستنة أن تغيّر كمية السبيكة الذائبة في الأوستنيت وحالة المصفوفة بعد التبريد، وهو ما يغيّر بدوره استجابة الترسيب أثناء المراجعة الحرارية. وتُعد هذه النتيجة سبباً إضافياً لتجنب نقل مخطط مراجعة حرارية من تاريخ معالجة حرارية إلى آخر من دون تحقق.

والنتيجة العملية مباشرة: قد ينتج برنامج مراجعة حرارية اسمي متطابق للفولاذ H13 نتائج مختلفة إذا تغير منحدر التسخين، أو معالجة الأوستنة السابقة، أو حجم العينة، أو تاريخ التبريد. والتنبؤ ذو قيمة، لكن ينبغي معايرة التنبؤ وفق الدرجة والعملية.

لماذا لا تصف مخططات الفرن الجزء وصفاً كاملاً

يسجل مخطط الفرن عادة درجة حرارة الهواء، أو درجة الحرارة التي تقيسها مزدوجة حرارية في موضع محدد واحد. ولا تمثل هذه القيمة تلقائياً درجة حرارة سطح الفولاذ، فضلاً عن أنها تقدم معلومات أقل عن مركز قالب سميك. ويؤثر كل من تحميل الفرن، والتلامس مع التجهيزات، والإشعاع، والحمل الحراري، وهندسة الجزء في التدرج الحراري.

ولنتأمل قالب طرق كبيراً. فقد تبلغ زواياه المكشوفة نطاق المراجعة الحرارية، بينما يظل جزء غائر منه أبرد. وعندئذ يراكم السطح زمناً أطول من التفاعل عند درجة حرارة مرتفعة، في حين قد يظل الجزء الداخلي يسخن عبر القسم الأدنى من فترة المراجعة الحرارية. وإذا أُخرج القالب عندما يبلغ مخطط الفرن زمن التثبيت المجدول، فلن يكون السطح والقلب قد تعرضا لتأثير حراري متكافئ.

وقد يخفي موضع القياس أيضاً التجاوز والتأخر. فقد تستجيب مزدوجة حرارية للتحكم بسرعة لهواء الفرن، بينما تسجل مزدوجة حرارية مغروسة قرب مركز الجزء ارتفاعاً أبطأ. ولأغراض تأهيل العملية، قد يكون كلا الموضعين مهماً: إذ يحدد قياس الفرن سلوك المعدات، بينما تكشف المزدوجات الحرارية المثبتة في الجزء التعرض الفعلي الذي يحكم التحول والترسيب.

وتستخدم دراسة فولاذ العدد للقوالب المخصصة للطرق على الساخن والدافئ، المنشورة في Journal of Materials Processing Technology (2013)، معامل المراجعة الحرارية — الذي يُسمى أيضاً معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller — لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. ويساعد هذا المعامل في تنظيم البيانات المستمدة من عدة برامج، لكنه يظل علاقة ملائمة تجريبياً. ويلزم استخدام عينات ممثلة للدرجة، وأحجام مقاطع ممثلة، ودرجات حرارة مقاسة للجزء، وفحوص للصلادة أو البنية المجهرية للتحقق من صلاحيته. فمخطط الفرن سجل لبيئة التسخين، وليس في حد ذاته وصفاً كاملاً لتاريخ المراجعة الحرارية للفولاذ.

مراجعة الفولاذ المقسّى بالحث

طبقة سطحية مقسّاة ونواة منخفضة الكربون

تعرّف ASM International المراجعة بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا» (ASM Handbook Volume 4A، 2024). هذا التعريف بسيط، أما المقطع المقسّى بالحث فليس كذلك. ينتج التسخين بالحث الأوستنيت أساسًا بالقرب من السطح، يليه إخماد سريع. والنتيجة المعتادة هي طبقة مارتنسيتية عالية الكربون فوق نواة أكثر ليونة وأقل كربونًا، قد تبقى فيرّيتية-بيرليتية أو بينيتية أو مُراجَعة أو متحولة جزئيًا، تبعًا للحالة الابتدائية والعمق الذي بلغه الطور الحراري.

لذلك لا تبدأ الطبقة السطحية والنواة المراجعة من البنية المجهرية نفسها. بالقرب من السطح، قد يعكس محتوى الكربون درجة الفولاذ الأساسي، أو الكربنة، أو الكربنة-النتردة، أو نزع الكربون، أو الذوبان غير الكامل للكربيدات أثناء الأوستنة. وقد تحتوي المادة الأعمق على كمية أقل من الكربون الذائب، وربما لم تتجاوز أبدًا نطاق الأوستنة. وحتى داخل الطبقة المقسّاة، يمكن أن يتغير حجم حبيبات الأوستنيت السابق، ومحتوى الكربون في المارتنسيت، والأوستنيت المحتجز، وذوبان كربيدات السبيكة، ومعدل الإخماد مع العمق.

تؤدي المراجعة بعد ذلك إلى عدة تفاعلات متداخلة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت المحتجز، والاسترداد، بأنها أجزاء مهمة من العملية. وتعتمد معدلات هذه التفاعلات على درجة الحرارة والزمن، وكذلك على البنية المحلية المتاحة للتفاعل. فالمنطقة السطحية التي تُسخّن بسرعة إلى درجة حرارة المراجعة لا تمر بتسلسل التفاعلات نفسه الذي تمر به النواة التي ترتفع حرارتها ببطء عن طريق التوصيل. وأثناء المراجعة بالحث، قد يصل السطح إلى درجة الحرارة المستهدفة بينما لا تزال المنطقة الواقعة تحته في طور التسخين؛ أما أثناء المراجعة المنفصلة في فرن، فقد يقترب المكوّن بأكمله من درجة حرارة أكثر تجانسًا، مع بقاء حجم المقطع عاملًا محددًا للزمن اللازم.

تؤدي المراجعة العادية غالبًا إلى خفض صلادة المارتنسيت بعد الإخماد، مع خروج الكربون من المارتنسيت فوق المشبع وتكوّنه في صورة كربيدات انتقالية أو سمنتيت. لكن هذا الاتجاه ليس شاملًا. وتذكر ASM International أن التقسية الثانوية في فولاذ العدد عالي السبيكة تنتج عن ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. ويؤدي الترسيب الأقوى إلى مقاومة أكبر للتليين بالمراجعة، وقد يرفع الصلادة بعد انخفاض أولي. وقد أفاد المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في عام 1930 بأن «شدة قمة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». ويمكن للأوستنة الأكبر أن تذيب كمية أكبر من عناصر السبيكة، لكنها قد تزيد أيضًا من الأوستنيت المحتجز وتغير حجم الحبيبات؛ لذلك لا يمكن إسناد القمة إلى درجة حرارة ثابتة واحدة لكل درجة فولاذ أو كل معالجة.

تطبيق ارتباطَي Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman

طوّر J. H. Hollomon وL. D. Jaffe طريقتهما في عام 1945 باعتبارها علاقة بين الزمن ودرجة الحرارة والتركيب للفولاذ المُخمَد. وصيغتها المعروفة هي معامل المراجعة:

$$P=T({\log }_{10}t+c),$$

حيث تمثل $T$ درجة الحرارة المطلقة، ويمثل $t$ الزمن، ويمثل $c$ ثابتًا يعتمد على التركيب والتفاعل. ويمثل التعبير $T(\log t+c)$ درجة مراجعة المارتنسيت من خلال وضع حالات التعرض المختلفة للزمن ودرجة الحرارة على مقياس مكافئ. ولذلك يمكن مقارنة تعرّض طويل عند درجة حرارة منخفضة بتعرّض أقصر عند درجة حرارة أعلى، شريطة أن يكون الارتباط مناسبًا للمادة ولنطاق التفاعل.

يطبّق ASM Handbook Volume 4C هذا النوع من التحليل على الفولاذ المقسّى بالحث، ويقارن بين Hollomon-Jaffe وارتباط Grange-Baughman في تمثيل ظروف الزمن ودرجة الحرارة المكافئة. وتفيد هذه العلاقات في تحويل الدورة الحرارية المقاسة أو المحسوبة إلى معامل يمكن ربطه بالتغير في الصلادة. لكنها لا تحل محل الفحص المعدني أو قياسات الصلادة على المقاطع. فالمعامل المكافئ لا يلغي الفروق في معدل التسخين، والأوستنة، والبنية المجهرية السابقة، وحجم المقطع، والأوستنيت المحتجز، واستجابة السبيكة.

وتكتسب هذه الحدود أهمية خاصة عند حدوث التقسية الثانوية. فقد يسيء ارتباط جرى ملاءمته للتليين الرتيب أثناء المراجعة تمثيل ارتفاع في الصلادة ناتج عن ترسيب كربيدات السبيكة. وقد عرضت دراسة محكّمة نُشرت عام 2013 حول فولاذ العدد H13 تنبؤات لبرامج مراجعة متساوية الحرارة وبطيئة التسخين وسريعة التسخين، شملت سلوك التقسية الثانوية. وكان من الممكن أن تنتج البرامج استجابات متنبأ بها مختلفة للصلادة، حتى عندما بدت حالات تعرضها الحراري الاسمية متقاربة. ولا يمثل H13، بما يحتويه من كميات معتبرة من الكروم والموليبدينوم والفاناديوم، نموذجًا لكل درجة من درجات الفولاذ المقسّى بالحث.

الاستجابة المعتمدة على العمق وتفسير العملية

يبدأ التفسير المفيد بسجل للحرارة والزمن عند كل عمق، لا بدرجة ضبط واحدة للفرن. فقد يخضع السطح لدورة أوستنة سريعة، ثم يُخمَد ليتحول إلى مارتنسيت، وبعد ذلك يتلقى مراجعة قصيرة. وعند عمق قريب من حد التقسية، قد تكون درجة الحرارة القصوى أدنى من درجة الأوستنة الكاملة، لكنها مرتفعة بما يكفي لمراجعة البنية الموجودة. أما النواة فقد لا تتعرض إلا للتسخين بالتوصيل، وتحتفظ بخصائص تحددها إلى حد كبير عملية التطبيع أو التلدين أو المراجعة السابقة.

وبناءً على ذلك، ينبغي إجراء قياسات تدرج الصلادة على مقطع عرضي مُعَدّ إعدادًا صحيحًا، مع تسجيل موضع بدء القياس، والمسافات الفاصلة، والحمل، وحالة السطح. ويجب الإبلاغ بصورة منفصلة عن صلادة الطبقة السطحية، والعمق الفعال للطبقة، وسلوك المنطقة الانتقالية، وصلادة النواة. ويساعد الفحص المعدني، وقياس الأوستنيت المحتجز، وعند الضرورة تحليل الكربيدات أو التركيب، في تفسير حالات الانحراف عن المقطع المحسوب.

وتوضح دراسة فولاذ قوالب الطرق الساخن والدافئ المنشورة عام 2013 النقطة نفسها في سياق آخر: إذ يمكن لمعامل المراجعة، الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller، أن يربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة، لكن الارتباط يظل مرتبطًا بالفولاذ المختبَر وبنطاق المعالجة المدروس. وبالنسبة إلى الأجزاء المقسّاة بالحث، فمن الأفضل استخدام قيم Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman كأدوات لمقارنة العمليات. ولا تزال المصادقة تتطلب سجلات حرارية موزعة على العمق وقياسات على المقاطع لكل من الطبقة السطحية المقسّاة والنواة الأقل كربونًا.

استخدام معاملات المراجعة الحرارية لفولاذ القوالب وضبط العمليات

فولاذ قوالب الحدادة الساخنة والدافئة

لا تُعدّ المراجعة الحرارية مجرد خفض مُجدول للصلادة. وتعرّفها ASM International بأنها «تسخين الفولاذ المُقسّى أو المُطبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا» (ASM Handbook Volume 4A، 2024). أثناء هذه المعالجة، ينتشر الكربون من المارتنسيت فائق الإشباع، وتتشكّل الكربيدات أو تنمو، وقد يتحلل الأوستنيت المحتجز، كما تخضع المصفوفة للاسترداد. وتصف U.S. Department of Energy هذه العمليات بأنها تغيرات مترابطة، وليست تفاعل تليين واحداً.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية خاصة بالنسبة إلى فولاذ قوالب الحدادة الساخنة والدافئة. فعادةً ما تُخمَّد درجات مثل ASTM A681 H13 انطلاقاً من معالجة أستنة، ثم تُجرى لها مراجعة حرارية لإرساء توازن مضبوط بين الصلادة والمتانة ومقاومة الدورات الحرارية. وتستجيب درجات أخرى مخصصة للأعمال الساخنة، ومنها H11 وH10، وفق محتوياتها الخاصة من الكربون والكروم والموليبدينوم والفاناديوم، وحالة حبيباتها السابقة، وتاريخ التخميد الخاص بها. ولا يمكن نقل جدول مراجعة حرارية يحقق صلادة معينة في H13 مباشرةً إلى درجة أخرى لمجرد أن درجات حرارة المراجعة الحرارية الاسمية متشابهة.

يمكن لفولاذ العدد عالي السبيكة أن يتصلد أثناء المراجعة الحرارية. وتنسب ASM International التصلد الثانوي إلى ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. وكلما كان تفاعل الترسيب أقوى، ازدادت مقاومة التليين بالمراجعة الحرارية. وقد أفاد National Institute of Standards and Technology في عام 1930 بأن «شدة قمة التصلد الثانوي تزداد مع درجة الأستنة». ويمكن لدرجة حرارة أستنة أعلى أن تذيب كمية أكبر من كربيد السبيكة وتزيد محتوى السبيكة في الأوستنيت، لكنها قد تؤدي أيضاً إلى تكبير حبيبات الأوستنيت السابقة وتغيير محتوى الأوستنيت المحتجز. ولذلك فإن قمة الصلادة الناتجة هي حصيلة التاريخ الكامل للمعالجة، وليست نتيجة درجة حرارة المراجعة الحرارية وحدها.

وبالنسبة إلى قوالب الحدادة، ينبغي أن يسجل ضبط العملية تعيين الفولاذ، ورقم الصهرة أو الدفعة، والصلادة الابتدائية، ودرجة حرارة الأستنة وزمن التثبيت، وزمن النقل، ووسط التخميد، ومعدل التبريد، ودرجة حرارة المراجعة الحرارية، ومعدل التسخين، وزمن التثبيت، وطريقة التبريد. كما أن تجانس الفرن مهم أيضاً. فقد يتعرض سطح القالب وقلبه لدورات حرارية مختلفة، ولا سيما في المقاطع الكبيرة.

ترابط الصلادة من خلال معاملات المراجعة الحرارية

اقترح J. H. Hollomon وL. D. Jaffe في عام 1945 علاقة بين الزمن ودرجة الحرارة والتركيب للفولاذ المخمَّد. وتعبر طريقتهما عن درجة مراجعة المارتنسيت حرارياً بالمعادلة:

$$P=T(\log t+c)$$

حيث تمثل $T$ درجة الحرارة المطلقة، ويمثل $t$ الزمن، ويمثل $c$ ثابتاً مرتبطاً بالمادة. وبحسب المصدر والتطبيق، تُسمى هذه الكمية معامل Hollomon-Jaffe أو معامل Larson-Miller. ويجب تحديد الزمن بالوحدات المستخدمة في إنشاء علاقة الترابط، كما يجب أن تكون درجة الحرارة مطلقة لا بالسلسيوس.

ويُعد هذا المعامل مفيداً لأنه يدمج زمن التعرض ودرجة الحرارة في قيمة واحدة للمقارنة. ويمكن لمهندس العملية رسم الصلادة المقاسة مقابل $P$، ثم تحديد ما إذا كانت دورة الإنتاج تقع ضمن النطاق الذي جرى اختباره. وقد استخدمت دراسة فولاذ قوالب الحدادة المنشورة عام 2013 في Journal of Materials Processing Technology معامل المراجعة الحرارية هذا — الذي يُسمى أيضاً معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller — لربط التعرض للزمن ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة لدى فولاذ قوالب الحدادة الساخنة والدافئة.

الترابط لا يعني السببية. فقد لا تنتج دورتان لهما القيمة نفسها لـ $P$ بنيات مجهرية متطابقة إذا استخدمت إحداهما تسخيناً سريعاً، بينما استخدمت الأخرى معدل ارتفاع طويلاً داخل الفرن. ويمكن أن تغير مورفولوجيا المارتنسيت السابقة، والأوستنيت المحتجز، وحجم المقطع، ومعالجة الأستنة، وشدة التخميد، ومحتوى كربيدات السبيكة، الاستجابةَ جميعاً. كما لا يوفر المعامل تنبؤاً مباشراً بالصلادة عبر درجات غير مترابطة. إذ يتطلب الثابت $c$، والمنحنى الملائم، والنطاق المفيد، أدلة مستمدة من الفولاذ والحالة الجاري تقييمهما.

وقد سجلت دراسة محكَّمة لفولاذ H13 استجابات مختلفة للصلادة المتوقعة في جداول مراجعة حرارية متساوية الحرارة، وبطيئة التسخين، وسريعة التسخين، بما في ذلك سلوك التصلد الثانوي (سجل منشورات University of Arizona، 2013). وتحد هذه النتيجة مباشرةً من استخدام معامل مكافئ واحد لدورات الإنتاج غير المتساوية الحرارة. كما يقارن ASM Handbook Volume 4C بين ترابطي Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman للفولاذ المقسّى بالحث، ويصفهما بأنهما حالتان مكافئتان من الزمن ودرجة الحرارة لتقييم استجابة المراجعة الحرارية، لا بأنهما معادلتان عامتان للخواص.

التحقق من خلال الصلادة والبنية المجهرية

يبدأ التحقق بالتعرف بدقة على المادة: تعيين الدرجة، والمواصفة المنطبقة، ورقم الصهرة، وحالة التسليم، ومعالجة الأستنة، وحالة التخميد. ثم ينبغي للمفتش حفظ السجل الحراري الكامل، بما في ذلك معايرة الفرن، ودرجة حرارة الحمولة إن توفرت، ومعدل الارتفاع، وزمن المكوث، وتأخيرات النقل، والتبريد بين عمليات المراجعة الحرارية المتعددة. وتبقى عبارة «مراجعتان حراريتان عند 550 °C» غير مكتملة ما لم يُعرف أيضاً الزمن والتاريخ الحراري للتسخين.

ويجب أن يحدد اختبار الصلادة الطريقة المستخدمة. وبالنسبة إلى مقطع قالب سميك بما يكفي، قد يكون اختبار Rockwell C وفقاً للمواصفة ASTM E18 مناسباً؛ وينبغي أن يتضمن التقرير إعداد السطح، ومواضع الاختبار، وعدد البصمات، والتحقق من الجهاز. أما اختبار Vickers وفقاً للمواصفة ASTM E384 فهو أنسب للمقاطع الرقيقة، والتدرجات، والطبقات منزوعة الكربون، أو الفحوص الموضعية. وينبغي أن تغطي القياسات سطح التشغيل، والمنطقة تحت السطح، والقلب، حيثما يسمح حجم المقطع بذلك. فقيمة الصلادة من دون تحديد الموضع والطريقة تُعد دليلاً ضعيفاً على العملية.

ويستدعي التليين غير المتوقع، أو الصلادة المرتفعة على نحو غير معتاد، أو ارتفاع الصلادة ضمن النطاق المتوقع لتليين المراجعة الحرارية، إجراء فحص ميتالوغرافي. ويمكن لمقطع مصقول ومُخَرَّش على نحو مناسب أن يكشف عن مارتنسيت مُراجع حرارياً، وتوزيع الكربيدات، ونواتج الأوستنيت المحتجز، ونمو الحبيبات، ونزع الكربون. وقد يحدد الفحص بالمجهر الضوئي الحالة العامة؛ بينما يستطيع المجهر الإلكتروني الماسح تمييز الكربيدات الثانوية الدقيقة، كما يمكن لمسوح الصلادة أن تكشف التدرجات الحرارية. وقد تكون هناك حاجة إلى حيود الأشعة السينية أو إلى قياسات أخرى للأوستنيت المحتجز عند الاشتباه في حدوث تغير أبعادي أو تحول متأخر.

وينبغي أن يقارن قرار القبول كلاً من الصلادة والبنية بالحالة المرجعية المؤهلة. وتمثل مطابقة قيمة Hollomon-Jaffe دليلاً مفيداً، لكنها لا تثبت أن القالب تلقى المعالجة الميتالورجية نفسها. وفي حالة التصلد الثانوي، يجب أن تتوافق قمة الصلادة المقاسة وحالة الكربيدات مع نافذة العملية المعتمدة الخاصة بدرجة الفولاذ.

كيفية قراءة منحنى المراجعة الحرارية دون إساءة تفسيره

يمثل منحنى المراجعة الحرارية عادةً الصلادة مقابل درجة حرارة المراجعة، أو زمن المراجعة، أو معامل زمني–حراري مركب. وهو ليس خريطة عامة لـ«فقدان الصلادة بفعل الحرارة». يعرّف ASM Handbook Volume 4A المراجعة الحرارية بأنها «تسخين الفولاذ المقسّى أو المطَبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا». وتعتمد البنية الناتجة على درجة الحرارة والزمن، وكذلك على محتوى الكربون، ومحتوى عناصر السبيكة، والعناصر المتبقية، ومعالجة الأوستنة، والتقسية بالتبريد، وحالة الفولاذ قبل المراجعة الحرارية.

اقرأ المنحنى بوصفه سجلًا لتفاعلات متنافسة. ينتشر الكربون من المارتنسيت فائق الإشباع؛ وقد تتكوّن كربيدات انتقالية أو سمنتيت؛ وقد يتحلل الأوستنيت المحتجز؛ وقد تترسب كربيدات السبيكة؛ وقد تستعيد المصفوفة بنيتها. وتحدد U.S. Department of Energy انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت، والاستعادة بوصفها عمليات محورية في المراجعة الحرارية. ويختلف تتابع هذه العمليات ومعدلها بين أنواع الفولاذ المختلفة وبرامج التسخين.

مناطق التليين وقمم التقسية الثانوية

يعكس الجزء الهابط الأول من المنحنى عادةً التليين الاعتيادي الناتج عن المراجعة الحرارية. فعندما يفقد المارتنسيت المتكوّن بعد التقسية بالتبريد الكربون فائق الإشباع والإجهاد الداخلي، تنخفض صلادته عمومًا. ولذلك قد يشير الانخفاض إلى تكوّن الكربيدات واستعادة المصفوفة، لكنه قد يتضمن أيضًا تحول الأوستنيت المحتجز أو تغير الكسر الحجمي للأطوار الصلدة. ولا تثبت المنطقة شبه المستوية أن «لا شيء يحدث». فقد تحدث عدة تفاعلات في الوقت نفسه، بينما تتعادل تأثيراتها جزئيًا في الصلادة المقاسة.

ويمثل الارتفاع اللاحق تحذيرًا مميزًا من التعامل مع المراجعة الحرارية باعتبارها تليينًا مستمرًا. ففي فولاذ العدد عالي السبيكة، تذكر ASM International أن التقسية الثانوية تنتج عن ترسيب كربيدات السبيكة الدقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. وتعمل هذه الجسيمات على تقوية المصفوفة المراجَعة، بينما يؤدي ازدياد الترسيب عمومًا إلى زيادة مقاومة المراجعة الحرارية اللاحقة. وقد يكون هذا الارتفاع مهمًا بصفة خاصة في الفولاذ عالي السرعة وفولاذ قوالب التشغيل الساخن، إلا أن مجال درجة الحرارة ومقداره يختلفان باختلاف النوع، ولا يمثلان خواص ثابتة لفئة الفولاذ.

أفادت دراسة أجراها National Institute of Standards and Technology عام 1930 على الفولاذ عالي السرعة بأن «شدة قمة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». ولهذه النتيجة تبعات مباشرة على التفسير: فقد يظهر منحنيان لفولاذ متماثل اسميًا قممًا مختلفة إذا أُجريت الأوستنة لأحد النموذجين بدرجة أشد، أو أُذيب مقدار أكبر من كربيد السبيكة، أو احتُجزت فيه كمية مختلفة من الأوستنيت. لا تنقل قمة من فولاذ السرعة العالية AISI M2 إلى فولاذ سرعة عالية آخر، أو من AISI H13 إلى نوع آخر من فولاذ التشغيل الساخن، من دون مطابقة تاريخ المعالجة.

ويكتسب الزمن أهمية تضاهي أهمية درجة الحرارة. تربط طريقة J. H. Hollomon وL. D. Jaffe لعام 1945 بين زمن المراجعة الحرارية ودرجة الحرارة والتركيب من جهة، والبنية والخواص المتطورة في الفولاذ المقسّى من جهة أخرى. ويكمّي معاملها الشائع الكتابة، T(log t + c)، درجة مراجعة المارتنسيت حراريًا؛ وتكون درجة الحرارة عادةً درجة حرارة مطلقة، والزمن هو زمن التعرض، بينما يمثل c ثابتًا يعتمد على التركيب والاستجابة. ويمكن لهذا المعامل أن يضع برامج مختلفة في حالة مراجعة حرارية اسمية متكافئة، لكنه لا يلغي الفروق في معدل التسخين، والبنية المجهرية السابقة، والأوستنة، وحجم المقطع، واستجابة السبيكة.

وتؤكد دراسة محكّمة أُجريت عام 2013 على فولاذ العدد H13 هذا القيد. فقد تنبأت طريقتها باستجابات صلادة مختلفة لبرامج التسخين المتساوي الحرارة، والتسخين البطيء، والتسخين السريع، بما في ذلك سلوك التقسية الثانوية. فبرنامج فرن يستغرق دقائق في المرور عبر مجال ترسيب ليس بالضرورة مكافئًا لقفزة فورية إلى درجة الحرارة النهائية.

الصلادة القصوى مقابل خواص الخدمة المفيدة

إن أعلى نقطة على الرسم البياني ليست سوى أعلى صلادة مقاسة وفق إجراء الاختبار المعني. ولا تمثل تلقائيًا أفضل حالة للمراجعة الحرارية. فقد تترافق الصلادة الثانوية القصوى مع انخفاض المتانة، وزيادة القابلية للتشقق، والإجهاد المتبقي، أو التغير الأبعادي الناتج عن تحول الأوستنيت المحتجز. وقد تتحسن مقاومة التآكل في حالة تلامس معينة، بينما تنخفض مقاومة الكلال الحراري أو أداء الصدم.

وقد يتطلب فولاذ القوالب صلادة أدنى من حد التقسية الثانوية الأقصى من أجل تحقيق متانة واستقرار أبعادي مقبولين. وعلى العكس، قد تستفيد أداة تعمل عند درجات حرارة مرتفعة من مقاومة التليين، حتى عندما لا تكون صلادتها في درجة حرارة الغرفة هي الأعلى المتاحة. كما لا تقول الصلادة وحدها الكثير عن متانة الكسر، أو المطيلية الشدية، أو الكلال الحراري، أو التشوه، أو التليين الناجم عن الخدمة. ولذلك يجب قراءة المنحنى إلى جانب بيانات الصدم، والشد، والمتانة، والأبعاد، والبيانات الخاصة بالتطبيق.

وبالنسبة إلى الفولاذ المقسّى بالحث، يقارن ASM Handbook Volume 4C بين ترابطات Hollomon–Jaffe وGrange–Baughman بوصفها تمثيلات لحالات زمنية–حرارية مكافئة. وتعني كلمة «مكافئة» أنها مكافئة ضمن نطاق المادة المختبرة والنموذج المستخدم، وليست قابلة للتبادل لكل أنواع الفولاذ أو مسارات التسخين. وبالمثل، استخدمت دراسة نُشرت عام 2013 في Journal of Materials Processing Technology معامل المراجعة الحرارية — ويسمى أيضًا معامل Hollomon–Jaffe أو Larson–Miller — لربط التعرض بتغير الصلادة في فولاذ قوالب التشكيل بالطرق الساخن والدافئ. وتنظم هذه الترابطات البيانات؛ لكنها لا تقدم قيم صلادة مضمونة أو درجات حرارة قصوى ثابتة.

توثيق النوع والحالة وطريقة الاختبار

يجب أن يذكر المنحنى المفيد التعيين الدقيق للفولاذ والمعيار المستخدم، مثل AISI H13 أو AISI M2، مع المواصفة المنطبقة مثل ASTM A681 حيثما كان ذلك مناسبًا. وينبغي الإبلاغ عن التركيب الكيميائي عند معرفته، بما في ذلك الكربون والعناصر الرئيسية المكوِّنة للكربيدات. كما يجب بيان ما إذا كانت المادة قد خضعت للتلدين، أو التطبيع، أو التقسية بالتبريد والمراجعة الحرارية، أو لأي معالجة أخرى قبل التجربة.

وينبغي أن يتضمن سجل المعالجة الحرارية درجة حرارة الأوستنة، وزمن المكوث، والجو المحيط، وحجم العينة، ومعدل التسخين، ووسط التقسية بالتبريد، والتأخر قبل التبريد. ويجب ذكر درجة حرارة المراجعة الحرارية، والزمن عند درجة الحرارة، ومعدل التسخين، وطريقة التبريد، وعدد دورات المراجعة الحرارية. كما ينبغي تحديد موضع العينة — السطح، أو المركز، أو المقطع العرضي، أو المقطع الطولي، أو موضع آخر محدد — لأن حجم المقطع والتدرجات الحرارية قد يغيران النتيجة.

وأخيرًا، يجب تحديد طريقة الصلادة ومقياسها: مثل HRC أو HV أو HBW؛ ونوع المخترق والحمل حيثما ينطبق؛ وتجهيز السطح؛ ودرجة حرارة الاختبار؛ وعدد القراءات وتشتتها. ومن دون هذه التفاصيل، قد يصف المنحنى تجربة حقيقية، لكنه يظل غير آمن للمقارنة. فقمة الصلادة دليل على فولاذ واحد، وحالة واحدة، وطريقة قياس واحدة — وليست قاعدة عامة لجميع معالجات المراجعة الحرارية.

الإطار المرجعي: مواصفة مراجعة قابلة للدفاع عنها

تحديد المادة وحالتها الابتدائية

لا يمكن الدفاع عن مواصفة المراجعة ما لم تحدد نوع الفولاذ بدقة. يجب بيان الدرجة، ومواصفة المنتج، ومواصفة المعالجة الحرارية، والتعيين كما ينطبق تمامًا؛ فعلى سبيل المثال: ASTM A681 H13 أو UNS T20813، أو أي تعيين آخر تقتضيه المواصفة الحاكمة. لا تكتب فقط «فولاذ العدد» أو «فولاذ مقسى». إذ يتحكم التركيب الكيميائي في كمية الكربون المتاحة، والعناصر المكوِّنة لكربيدات السبائك، والعناصر المتبقية، في حين يؤثر حجم المقطع والمعالجة السابقة في البنية التي ستستجيب للمراجعة.

ويجب أيضًا تسجيل الحالة المعدنية الابتدائية. بيّن ما إذا كانت المادة ملدنة، أو مطبَّعة، أو مروَّاة وغير مُراجَعة، أو سبق إخضاعها للمراجعة، وأدرج الصلادة السابقة عندما تكون معلومة. وفي الحالة المقساة، وثّق درجة حرارة الأوستنة، وزمن المكوث، وجو الفرن، وزمن النقل، ووسط التبريد. ويمكن لتحريك وسط التبريد، وقطعه، وشدة التبريد أن تغيّر كمية الأوستنيت المتبقي، وتشكل المارتنسيت، والإجهاد المتبقي، وقابلية الترسيب. ولا تعادل المراجعة الثانية لفولاذ سبق إخضاعه للمراجعة المراجعة الأولى، حتى عندما تتطابق درجة حرارة الفرن وزمن المكوث.

يعرّف ASM Handbook Volume 4A المراجعة بأنها «تسخين الفولاذ المقسى أو المطبَّع إلى درجة حرارة أدنى من درجة الحرارة الحرجة الدنيا». ويحدد هذا التعريف حدود العملية، لا وصفة عامة صالحة لكل الحالات. ويحدد المرجع نفسه درجة حرارة المراجعة، والزمن، ومحتوى الكربون، ومحتوى السبائك، والعناصر المتبقية بوصفها عوامل تتحكم في البنية المجهرية والخواص الناتجة.

تحديد الدورة الحرارية

اكتب الدورة على هيئة تسلسل، لا على هيئة درجة حرارة اسمية واحدة. وينبغي أن تحدد المواصفة درجة الحرارة المستهدفة ومجال السماح، ومعدل التسخين أو منحدر رفع درجة حرارة الفرن، والطريقة المستخدمة لقياس درجة حرارة الحمولة، والزمن عند درجة الحرارة، وعدد دورات المراجعة، وطريقة التبريد. فعبارة «المراجعة عند 550 °C لمدة ساعتين» تترك أسئلة مهمة بلا إجابة إذا وصلت قطعة العمل إلى 550 °C ببطء، أو إذا كان المزدوج الحراري يقيس هواء الفرن بدلًا من الحمولة، أو إذا حدث التبريد في هواء ساكن أو هواء قسري أو وسط آخر مضبوط.

المراجعة عملية مترابطة العوامل. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية انتشار الكربون، وتكوّن الكربيدات، وتحلل الأوستنيت، والاسترداد بأنها أجزاء متزامنة أو متتابعة من الاستجابة. وتؤدي مراجعة فولاذ الكربون العادي غالبًا إلى انخفاض الصلادة مع تحلل المارتنسيت فوق المشبع وتقدم الاسترداد. أما فولاذ العدد عالي السبائك فقد يتصرف بصورة مختلفة؛ إذ تذكر ASM International أن التقسية الثانوية تنتج عن ترسيب كربيدات سبائكية دقيقة، بما في ذلك الكربيدات المرتبطة بالموليبدينوم والفاناديوم والتنغستن. ويمكن للترسيب الأقوى أن يزيد مقاومة التليين بالمراجعة وأن ينتج ذروة في الصلادة.

ويجب التعامل مع تلك الذروة باعتبارها استجابة معدنية طبيعية، لا نتيجة اختبار شاذة. فقد أفادت دراسة للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا نُشرت عام 1930 بأن «شدة ذروة التقسية الثانوية تزداد مع درجة الأوستنة». ولا تثبت هذه النتيجة وجود درجة حرارة ذروة واحدة لكل درجة فولاذ. فقد تؤدي الأوستنة الأكثر شمولًا إلى تغيير ذوبان عناصر السبائك، وكمية الأوستنيت المتبقي، وكمية المذاب المتاحة للترسيب اللاحق.

تساعد معاملات الزمن ودرجة الحرارة في مقارنة الدورات، لكنها لا تحل محل تحديد دورة كاملة. وقد ربطت طريقة J. H. Hollomon وL. D. Jaffe لعام 1945 بين زمن المراجعة ودرجة الحرارة والتركيب من جهة، والبنية والخواص المتطورة في الفولاذ المروَّى من جهة أخرى. وفي الصيغة الشائعة الاستخدام، يُعبَّر عن المعامل بالصيغة T(log t + c)، حيث تُستخدم درجة الحرارة المطلقة والزمن وثابت مرتبط بالتركيب لتقدير درجة مراجعة المارتنسيت. ولا يؤدي تكافؤ المعامل إلى إلغاء الفروق في معدل التسخين، أو البنية المجهرية السابقة، أو ممارسة الأوستنة، أو حجم المقطع، أو استجابة السبيكة.

وتكتسب هذه الحدود أهمية خاصة في التسخين غير متساوي الحرارة. فقد قارنت دراسة محكَّمة نُشرت عام 2013 لفولاذ العدد H13 بين جداول التسخين متساوي الحرارة، والبطيء، والسريع، وتنبأت باستجابات مختلفة للصلادة، بما في ذلك سلوك التقسية الثانوية. كما يقارن ASM Handbook Volume 4C بين ارتباطي Hollomon-Jaffe وGrange-Baughman للفولاذ المقسى بالحث؛ ويمكن لكليهما تمثيل حالات مكافئة من الزمن ودرجة الحرارة، غير أن الارتباط لا يثبت أن دورتين فعليتين تنتجان بنيتين مجهريتين متماثلتين. واستخدمت دراسة نُشرت عام 2013 لفولاذ قوالب الحدادة على الساخن والدافئ معامل المراجعة — الذي يُسمى أيضًا معامل Hollomon-Jaffe أو Larson-Miller — لربط زمن التعرض ودرجة الحرارة بالتغير في الصلادة. فهذا المعامل أداة للمقارنة، وليس إذنًا بإغفال تاريخ التسخين.

التحقق من النتيجة في ضوء مجموعة الخواص المستهدفة

يجب أن تحدد المواصفة معنى القبول. بيّن مقياس الصلادة المطلوب، وطريقة الاختبار، والحمل، ومواضع القياس، والمجال المسموح. وبالنسبة إلى مكوّن كبير أو مقسّى بتدرج، حدد مواضع السطح والقلب والمناطق الوسيطة بدلًا من الإبلاغ عن قراءة واحدة ميسورة. وسجّل المخطط الفعلي للمراجعة ودرجة حرارة الحمولة، لأن نقطة ضبط الفرن وحدها لا تثبت الامتثال.

وينبغي إقران التحقق من الصلادة بالفحص البنيوي المجهري عندما تقتضي ذلك درجة الفولاذ، أو مخاطر الخدمة، أو استجابة التقسية الثانوية. وقد يقيّم الفحص المارتنسيت المراجَع، وترسيب كربيدات السبائك، والأوستنيت المتبقي، والبينيت، ونزع الكربون، وتشقق التروية. ولا تستطيع الأدلة الميتالوغرافية تحديد التركيب الكيميائي لكل كربيد باستخدام المجهر الضوئي، ولذلك قد يتطلب تحديد تركيب الكربيدات أو توزيعها أساليب أعلى دقة عندما يكون ذلك مؤثرًا في الأداء. وقد ينتمي أيضًا تغير الأبعاد، أو المتانة، أو اختبار الإجهاد المتبقي إلى مجموعة الخواص؛ إذ لا يمكن للصلادة وحدها أن تثبت ملاءمة المراجعة.

وعليه، يتمثل إطار المراجعة الموجز في ما يلي: تحديد الدرجة الدقيقة والتعيين المنطبق؛ وبيان الحالة المعدنية الابتدائية؛ وتوثيق الأوستنة والتروية؛ وتحديد درجة حرارة المراجعة والزمن ومعدل التسخين وعدد الدورات وطريقة التبريد؛ ثم التحقق من الصلادة، وعند اللزوم، من البنية المجهرية وفق معايير القبول المحددة. وينبغي أن تقر المواصفة بأن الانتشار والترسيب والتحلل والاسترداد عمليات متداخلة. فالتليين المستمر إحدى النتائج الممكنة، وليس قاعدة حاكمة لكل أنواع الفولاذ.

المراجع

1. [1]ASM International. Tempering of Induction-Hardened Steels. ASM Handbook Volume 4C, 2024. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/11/chapter-abstract/127400/Tempering-of-Induction-Hardened-Steels
2. [2]J. H. Hollomon, L. D. Jaffe. Transformation of Austenite: Time-Temperature Relations in Tempering Steel. Metals Technology, 1945. https://onetunnel.org/documents/transformation-of-austenite-time-temperature-relations-in-tempering-steel-metals-technology-september-1945-with-discussion-
3. [3]University of Arizona publication record. Hardness of H13 Tool Steel After Non-Isothermal Tempering. Peer-reviewed publication record, 2013. https://experts.arizona.edu/en/publications/hardness-of-h13-tool-steel-after-non-isothermal-tempering/