المعالجة الأوستيمبرية والمارتيمبرية للفولاذ

التقسية الأوستيمبرية والمارتيمبرية: المصطلحات التي يجب إبقاؤها منفصلة

تُوقِف المعالجتان التبريد المباشر، لكنهما لا تُنشئان البنية المجهرية نفسها. التقسية الأوستيمبرية هي معالجة تحول بنائي إلى البينيت: يُسخَّن الفولاذ إلى طور الأوستنيت، ثم يُبرَّد بسرعة إلى درجة حرارة يمكن عندها أن يتكوّن البينيت، ويُحافَظ عليه عندها حتى يتحول الجزء المطلوب من الأوستنيت. أما التقسية المارتيمبرية فهي خطوة لمعادلة درجة الحرارة قبل تكوّن المارتينسيت: يُبرَّد الفولاذ إلى درجة أعلى قليلًا من درجة بدء تكوّن المارتينسيت، ويُحافَظ عليه هناك مدة تكفي فقط لاقتراب درجة حرارة المقطع من التجانس، ثم يُبرَّد عبر نطاق التحول المارتينسيتي. ويحتاج الفولاذ المُقسى مارتيمبريًا عادةً إلى مراجعة حرارية قبل الاستخدام.

وهذا التمييز أهم من اسم حمام التبريد. فالحمام الملحي أو الحمام الزيتي أو أي وسط آخر مضبوط لا يحدد العملية بمفرده. إذ يحدد تركيب السبيكة مواضع منحنيات التحول وأشكالها؛ بينما تحدد درجة بدء تكوّن المارتينسيت، وحجم المقطع، وقابلية التقسية، ودرجة حرارة الحمام، وزمن المكوث، والتحريك، ومعدل التبريد المسار الفعلي. فقد يدعم حمام بدرجة حرارة 300 °C التقسية الأوستيمبرية في فولاذ معين إذا تكوّن البينيت أثناء المكوث، لكنه قد يعمل كمحطة للتقسية المارتيمبرية في فولاذ آخر إذا أُزيلت قطعة الشغل قبل بدء التحول البينيميتي ثم بُرّدت لتكوين المارتينسيت.

لماذا تختلط التسميتان غالبًا؟

ينشأ الالتباس من تشابه حقيقي في المعدات وطريقة المناولة. ففي كلتا المعالجتين، تُسخَّن قطعة الشغل إلى طور الأوستنيت، وتُنقل بسرعة إلى وسط ذي درجة حرارة مضبوطة، ويُمنع حدوث تبريد مباشر غير مضبوط من درجة حرارة تكوين الأوستنيت إلى درجة حرارة الغرفة. ويمكن لكلا الجدولين أن يقللا التدرجات الحرارية مقارنةً بالتبريد التقليدي، كما قد يُشار إلى كليهما بصورة غير رسمية باسم «التبريد المتقطع». غير أن هذه السمات المشتركة لا تثبت اشتراك الناتج التحويلي.

وتزيد أسماء الحمامات من المشكلة. فمصطلحات مثل التبريد في الحمام الملحي، والتبريد الساخن، والتبريد متساوي الحرارة، والتبريد في حوض الأوستيمبر، والتبريد المتقطع تُستخدم غالبًا بطرق متداخلة، رغم أنها تصف المعدات أو التحكم في درجة الحرارة أو جدول المعالجة، لا طورًا نهائيًا واحدًا. وتغطي المواصفة SAE AMS-H-6875C: المعالجة الحرارية للمواد الخام الفولاذية أربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالتقسية الأوستيمبرية، والتبريد في حوض الأوستيمبر، والتقسية المارتيمبرية عند تحديدها. ولذلك تعزز لغة المواصفة نقطة أساسية: يجب ربط تسمية المعالجة بالإجراء والنتيجة المطلوبين، لا استنتاجها من مجرد استخدام الملح.

كما تغير الهندسة تفسير العملية. فقد تتعادل درجات الحرارة عبر سمك الجزء الرقيق أثناء مكوث قصير فوق درجة بدء تكوّن المارتينسيت. أما الجزء السميك فقد يحتاج إلى مكوث أطول، وقد يتيح هذا الزمن الإضافي بدء البينيت أو تقدمه إذا كانت درجة الحرارة تقع ضمن نطاق التحول البينيميتي. وعلى العكس، قد يظل الفولاذ ذو التكوّن المتأخر للبينيت أوستنيتيًا بدرجة كبيرة أثناء مكوث يؤدي إلى تحول درجة فولاذية أخرى. ولذلك يمكن لدرجة حرارة الحمام الاسمية نفسها أن تنتج بنيات مختلفة في AISI 52100 وAISI 8620 وسبيكة ذات قابلية تقسية عالية.

[1][1] ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels. ASM International. ASM Handbook, 2013.

يحدد دليل ASM، المجلد 4A الصادر عام 2013 درجة حرارة تكوين الأوستنيت، ودرجة حرارة الحمام، وزمن المكوث، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات ضابطة للتقسية المارتيمبرية. وهذه المتغيرات بيانات للعملية وليست تفاصيل عرضية. فالرسم أو الإجراء الذي ينص فقط على «التبريد في حمام ملحي عند 300 °C» يظل ناقصًا ما لم يحدد أيضًا نوع الفولاذ، وزمن النقل، ومعيار التعادل الحراري، والحد الأقصى للمكوث، وعمليات التبريد والمراجعة الحرارية اللاحقة.

الناتج التحويلي هو الذي يحدد العملية

تُعرَّف التقسية الأوستيمبرية بالتحول البينيتِي المتعمد أثناء المكوث متساوي الحرارة. Strong evidence

تُعرَّف التقسية الأوستيمبرية بالتكوين المتعمد للبينيت. فبعد تكوين الأوستنيت، يُبرَّد الفولاذ في وسط مُحافَظ عليه ضمن نطاق من درجات الحرارة يمكن فيه للأوستنيت أن يتحول متساوي الحرارة إلى بينيت. وقد وصفت دراسة أجريت عام 2013 على AISI 52100 التقسية الأوستيمبرية بأنها تبريد في وسط مُحافَظ عليه عند نحو 200 إلى 400 °C، مع المكوث حتى تكوّن البينيت. ويتوقف النطاق المفيد الدقيق على الدرجة الفولاذية؛ إذ تغير عناصر السبيكة حركية التحول، كما أن ناتجي البينيت العلوي والسفلي لا يلزم أن تكون لهما خواص متطابقة.

ومن ثم فإن زمن المكوث متطلب ميتالورجي، وليس مجرد وسيلة لتقليل فروق درجات الحرارة. فإذا أُزيلت قطعة الشغل قبل حدوث التفاعل البينيميتي المقصود، فلا تكون العملية قد أنتجت بنية مقساة أوستيمبريًا بالكامل. وبحسب جدول المعالجة، قد تحتوي المادة النهائية على بينيت مع مارتينسيت، أو أوستنيت محتجز، أو مناطق غير متحولة. وقد أبلغت دراسة أجريت عام 2020 عن التقسية الأوستيمبرية قصيرة المدة ومنخفضة الحرارة في فولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون عن وجود بينيت نانوي ومارتينسيت وأوستنيت محتجز؛ وكانت معاملات تآكله أقل بنسبة تصل إلى 50% من معاملات الفولاذ المارتينسيتي المقسى. وتخص هذه النتيجة الفولاذ وجدول المعالجة المدروسين، ولا تنطبق على كل درجة فولاذية مقساة أوستيمبريًا.

درجة بدء تكوّن المارتنسيت (Ms)درجة بدء تكوّن المارتنسيت (Ms) درجة الحرارة التي يبدأ عندها التحول المارتنسيتي أثناء التبريد، في ظل تركيب وتاريخ حراري محددين.

أما التقسية المارتيمبرية فلها هدف مختلف. إذ يُختار الحمام عند درجة أعلى قليلًا من درجة بدء تكوّن المارتينسيت في الفولاذ، ويُرمز إليها عادةً بـ $M_s$. وتبقى قطعة الشغل هناك إلى أن تصبح درجتا حرارة سطحها ولبّها متقاربتين بدرجة كافية فقط. ثم تُبرَّد عبر نطاق تكوّن المارتينسيت، عادةً في الهواء أو في ظل شرط تبريد مضبوط آخر. ويتكوّن المارتينسيت أثناء مرحلة التبريد اللاحقة هذه، لا أثناء المكوث في الحمام. ويصف دليل ASM لموضوعات المعالجة الحرارية الصادر عام 2020 هذا التسلسل، وينص على ضرورة إجراء مراجعة حرارية للفولاذ بعد ذلك وقبل الاستخدام.

والغرض هو تقليل الفرق في درجة الحرارة بين السطح والداخل قبل حدوث انفعال التحول المرتبط بتكوّن المارتينسيت. وعندئذٍ يحدث التقلص الحراري والتمدد التحويلي بتفاوت زمني أقل حدة، مما قد يقلل التشوه والتشقق مقارنةً بالتبريد المباشر. ولا تلغي التقسية المارتيمبرية إجهادات التبريد، ولا تحل محل المراجعة الحرارية. فقد يمتلك المارتينسيت غير المُراجع صلادة عالية، لكنه قد يتصف بمتانة ضعيفة وإجهاد متبقٍ مفرط.

ويمكن التحقق من هذا التمييز بدلًا من التخمين. إذ يستطيع الفحص الميتالوغرافي تحديد البينيت والمارتينسيت والأوستنيت المحتجز، في حين تختبر قياسات الصلادة والفحص الأبعادي، وعند اللزوم قياس الأوستنيت المحتجز، ما إذا كانت النتيجة المحددة قد تحققت. كما ينبغي مقارنة الجدول الحراري ببيانات التبريد المستمر والتحول متساوي الحرارة الخاصة بالدرجة الفولاذية. ولا تكفي درجة حرارة الحمام وحدها دليلًا.

مقارنة موجزة بين أهداف العمليتين

تُبقي التقسية الأوستيمبرية الفولاذ عند درجة حرارة تحول بينيميتي مدة تكفي لتحول الأوستنيت إلى بينيت. ويحدث الحدث المحدد لها أثناء المكوث متساوي الحرارة. وبحسب الدرجة الفولاذية والهندسة، يمكن للبنية الناتجة أن توفر توازنًا مفيدًا بين الصلادة والمتانة وسلوك الكلال والاستقرار الأبعادي. ففي AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربنة، استخدم بحث أجرته SAE ونُشر عام 2013 درجات تقسية أوستيمبرية مقدارها 260 و288 و304 °C، وأبلغ عن تشوه أقل بكثير من العينات المكربنة والمقساة والمراجعة حراريًا. وتدعم هذه النتيجة اختيار العملية في الظروف المختبرة، لكنها لا تمثل ترتيبًا عامًا للمعالجات.

يمكن لموازنة الفولاذ عند درجة أعلى بقليل من النطاق المارتنسيتي قبل التبريد الأبطأ أن تقلل التشقق مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة. Strong evidence

وتُبقي التقسية المارتيمبرية الفولاذ فوق $M_s$ مدة تكفي لمعادلة درجة الحرارة، ثم تتيح تحولًا مارتينسيتيًا مضبوطًا أثناء التبريد. ويتمثل الحدث المحدد لها في معادلة درجة الحرارة قبل تكوّن المارتينسيت، يليها إجراء المراجعة الحرارية. وقد وصفت دراسة أجريت عام 1946 حول نطاق درجات حرارة تكوّن المارتينسيت هذا الأساس مباشرةً: إذ يمكن للتبريد إلى درجة أعلى قليلًا من نطاق تكوّن المارتينسيت، ثم التبريد الأبطأ، أن يقلل التشقق مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة.

تطرح التقسية الأوستيمبرية السؤال الآتي: «هل يستطيع هذا الفولاذ التحول إلى البنية البينيميتية المطلوبة ضمن الزمن ونطاق درجات الحرارة المتاحين؟» أما التقسية المارتيمبرية فتطرح السؤال الآتي: «هل يستطيع هذا المقطع معادلة درجة حرارته فوق $M_s$ قبل تحوله إلى مارتينسيت؟» وتجيب عن هذين السؤالين قابلية تقسية الفولاذ، وحجم المقطع، وتأخر النقل، وضبط الحمام، وزمن المكوث. وإن تسمية كلتا المعالجتين «تبريدًا ساخنًا» تحجب الإجابة، وقد تؤدي إلى مواصفة خاطئة، أو بنية مجهرية خاطئة، أو إغفال عملية المراجعة الحرارية.

نقطة البداية الميتالورجية: الأوستنيت، ومخططات TTT، ودرجة Ms

تبدأ المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية والمعالجة بالتقسية المرحلية من الحالة الميتالورجية نفسها: الأوستنيت. ويظهر الفرق بين العمليتين في مرحلة لاحقة، عندما يتبع الفولاذ المؤستَن مسارًا مختلفًا من درجة الحرارة–الزمن. يمتلك الأوستنيت بنية بلورية مكعبة متمركزة الوجوه، ويمكنه إذابة كمية من الكربون أكبر بكثير مما يستطيع الفريت إذابته. ولذلك فإن التسخين إلى المجال الأوستنيتي يهيئ الكربون وعناصر السبك للتحول المنضبط أثناء التبريد. وإذا لم تتم أوستنة الفولاذ بالكامل أو على النحو المناسب، فلن تتبع أي من المعالجتين جدول التحول المقصود.

الأوستنة وإذابة الأطوار السابقة

الأوستنة ليست مجرد بلوغ قيمة ضبط معينة للفرن. إذ يجب تسخين قطعة الشغل إلى درجة أعلى بما يكفي من درجة الحرارة الحرجة ذات الصلة، وإبقاؤها مدة كافية حتى تتساوى درجات الحرارة عبر المقطع، ومعالجتها عند درجة حرارة تذيب الأطوار السابقة المطلوبة من دون التسبب في نمو مفرط لحبيبات الأوستنيت. وتعتمد درجة الحرارة المناسبة على التركيب، وحجم المقطع، والبنية المجهرية الابتدائية، والخواص النهائية المطلوبة.

في الفولاذ ناقص اليوتكتويد، يؤدي التسخين فوق درجة الحرارة الحرجة العليا إلى تحويل الفريت والبرليت إلى أوستنيت. أما في الفولاذ فوق اليوتكتويد، فعادةً ما تُختار المعالجة لإذابة البرليت ونسبة مناسبة من السمنتيت قبل اليوتكتويد، مع أن الإذابة الكاملة للكربيدات قد لا تكون مرغوبة. وتضيف كربيدات السبك تعقيدًا آخر. فقد تذوب عناصر تكوين الكربيدات، مثل الكروم والموليبدينوم والفاناديوم وغيرها، ببطء أو تبقى مذابة جزئيًا عند درجات حرارة الأوستنة المعتادة. وتؤدي إذابتها إلى تغيير محتوى الكربون والسبك في الأوستنيت، مما يغير بدوره قابلية التصلب، وحركية التحول، ودرجة بدء تكوّن المارتنسيت.

يوضح AISI 52100 سبب أهمية التفسير الخاص بكل نوع من الفولاذ. فتركيبة الكربيدات الغنية بالكروم ومحتواه المرتفع من الكربون يجعلان جدول الأوستنة مختلفًا عن جدول فولاذ الكربون العادي. ولا يمكن نقل المعالجة التي تنتج أوستنيت مناسبًا في AISI 52100 تلقائيًا إلى AISI 8620 أو AISI 4320. كما أن السطح المكربن في AISI 8620 أو 8822 أو 4320 يمتلك تدرجًا في الكربون، ولذلك لا تكون لسطح القطعة ولبّها بالضرورة درجات التحول نفسها أو النسب المارتنسيتية نفسها.

ل​زمن الإبقاء تأثيران متعاكسان. فقد يؤدي الزمن القصير جدًا إلى بقاء البرليت أو الفريت أو الكربيدات دون إذابة، وإلى تكوين أوستنيت غير متجانس التركيب. أما الزمن المفرط فيعزز خشونة الحبيبات، والأكسدة، ونزع الكربون، وزيادة التغيرات البُعدية. ويؤثر حجم حبيبات الأوستنيت السابقة في عدد مواقع التنوي المتاحة للتحولات الانتشارية، ويمكن أن يغير قابلية التصلب. وقد يؤخر الأوستنيت ذو الحبيبات الخشنة تكوّن البرليت أو البينايت أثناء التبريد، في حين تتحول البنية دقيقة الحبيبات غالبًا بسهولة أكبر بالانتشار. ويمكن لحجم الحبيبات أيضًا أن يزيح درجات التحول المقاسة، بما في ذلك Ms، رغم أن تأثيره يكون عادةً أصغر من تأثير محتوى الكربون وكيمياء السبك.

كما تحدد الأوستنة الحالة الابتدائية لمخطط الزمن–درجة الحرارة. فالمنحنى TTT الناتج بعد درجة حرارة أوستنة وزمن إبقاء وحجم حبيبات معين لا يصف بالضرورة فولاذًا أوستن وفق جدول آخر. ويؤثر التاريخ الحراري قبل بدء التبريد المفاجئ نفسه.

مجالات تحول البرليت والبينايت والمارتنسيت

يمثل مخطط التحول بالزمن–درجة الحرارة المنتجات المتكونة عندما يُنقل الأوستنيت سريعًا إلى درجة حرارة محددة ويُبقى عندها. وتوضح منحنيات «C» المألوفة بدء التحولات الانتشارية ونهايتها، لكن هذه المنحنيات تخص فولاذًا معينًا وحالة أوستنة معينة. وقد يشرح مخطط عام للحديد–الكربون المفاهيم، لكنه لا يستطيع تحديد جدول المعالجة لكل نوع هندسي من الفولاذ.

عند درجات حرارة التحول الأعلى، يمكن للأوستنيت أن يتكون منه البرليت. إذ ينتشر الكربون عبر مسافات طويلة نسبيًا، منتجًا طبقات متناوبة من الفريت والسمنتيت. وعند درجات الحرارة الأقل، يكون الانتشار أبطأ ويكون البرليت الناتج أدق. إلا أن التحول لا يزال يتطلب زمنًا. فإذا مر التبريد ببطء شديد عبر مجال البرليت، فقد يتحول بعض الأوستنيت أو كله قبل أن يصل الفولاذ إلى مجال البينايت أو المارتنسيت.

يتكون البينايت عند درجات حرارة أدنى من مجال البرليت وأعلى من درجة بدء التحول المارتنسيتي، مع أن المجالات الدقيقة تتداخل بصورة مختلفة بين السبائك. وينطوي تكوّنه على إعادة توزيع للكربون ومكوّن إزاحي، منتجًا بينايتًا فريتيًا مع أنماط لترسب الكربيدات أو بقائها تعتمد على درجة الحرارة وكيمياء الفولاذ. ولا تُعد البينايت العلوية والبينايت السفلية بنيتين قابلتين للاستبدال. إذ تؤثر درجة حرارة الإبقاء، ونشاط الكربون، وعناصر السبك، وزمن اكتمال التحول في الشكل والخواص.

تُدخل المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية الفولاذ المؤستَن عمدًا إلى مجال تحول البينايت وتُبقيه فيه حتى تتحول النسبة المطلوبة من الأوستنيت. وقد وصفت دراسة أجريت عام 2013 على AISI 52100 المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية بأنها تبريد مفاجئ في وسط يُحافَظ على درجة حرارته عند نحو 200 إلى 400 °C، مع الإبقاء حتى تكوّن البينايت. ويمثل هذا المجال وصفًا للتجربة المبلغ عنها، وليس مجالًا شاملًا لجميع أنواع الفولاذ. وتوضح دراسة ACS Omega المنشورة عام 2024 الفرق بين العمليتين مباشرةً: إذ تُبقي المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية الفولاذ المؤستَن عند درجة حرارة تحول بينايتي، في حين تُبقي المعالجة بالتقسية المرحلية الفولاذ فترة قصيرة عند درجة أعلى قليلًا من Ms قبل تبريده في الهواء.

أما المارتنسيت فهو مختلف. إذ يتكون عندما يُبرَّد الأوستنيت إلى ما دون Ms عبر تحول قصّي يكاد يكون خاليًا من الانتشار. ويبقى الكربون محبوسًا في شبكة المارتنسيت فوق المشبعة رباعية التمركز، كما ينتج عن التحول تغير حجمي سريع. وتزداد كمية المارتنسيت مع استمرار التبريد عبر مجال تكوّن المارتنسيت، الذي يوصف غالبًا باستخدام Mf، أي درجة نهاية تكوّن المارتنسيت. وقد يبقى بعض الأوستنيت دون تحول إذا كانت Mf أدنى من درجة حرارة الغرفة أو إذا أدت عناصر السبك إلى خفض مجال التحول.

ولذلك يجب مقارنة منحنى التبريد بحركية التحول، لا بأسماء أحواض التبريد وحدها. إذ يوضح مخطط التحول بالتبريد المستمر ما إذا كان معدل تبريد فعلي يتجنب قمتي البرليت والبينايت. أما مخطط TTT فيوضح السلوك الأيزوثرمي ويفيد في فهم معالجات الإبقاء، لكنه لا يعيد مباشرةً إنتاج مسار درجة الحرارة لقطعة كبيرة تتحرك خلال الزيت أو الملح أو البوليمر أو الهواء. وقد يتبع مركز المقطع وسطحه منحنيين مختلفين أيضًا. ومن ثم تعتمد الصلادة وتوزيع الأطوار على معدلات التبريد الموضعية، فضلًا عن درجة حرارة حوض التبريد الاسمية.

درجة بدء تكوّن المارتنسيت ومجال التحول

تمثل Ms درجة الحرارة التي يبدأ عندها التحول المارتنسيتي أثناء التبريد في ظل مجموعة محددة من الظروف. وهي ليست ثابتًا كونيًا لـ«الفولاذ». فالكربون يخفض Ms عمومًا لأنه يثبت الأوستنيت؛ كما يمكن لعناصر السبك، مثل المنغنيز والنيكل والكروم والموليبدينوم، أن تغير استقرار الأوستنيت وأن تزيح مجال التحول. وقد يختلف تركيز الكربون بين الطبقة المكربنة واللب منخفض الكربون، مما يمنح المنطقتين قيم Ms مختلفة.

ويمكن أيضًا أن يؤثر حجم حبيبات الأوستنيت السابقة، ودرجة حرارة الأوستنة، والكربيدات المذابة، والإجهادات المتبقية، وتاريخ التسخين والتبريد السابق في درجات حرارة البدء والنهاية المقاسة. كما يزيد الأوستنيت المحتجز، والانفصال الكيميائي، والتباين الكيميائي الموضعي من تعقيد القياسات العملية. وبناءً على ذلك، فإن قيمة Ms المحددة على مخطط ترتبط بتركيب وتاريخ حراري محددين، لا بمجرد اسم نوع الفولاذ.

تستفيد المعالجة بالتقسية المرحلية من هذا الاعتماد على درجة الحرارة بطريقة منضبطة. ويعرّف دليل ASM، المجلد 4A (2013) هذه المعالجة بأنها تبريد مفاجئ متقطع باستخدام الزيت أو الملح، ويحدد درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحوض، وزمن الإبقاء، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم. ويُختار الحوض عند درجة أعلى قليلًا من Ms حتى تتساوى درجات الحرارة داخليًا في القطعة قبل بدء تكوّن المارتنسيت. ثم تُبرَّد القطعة عبر المجال المارتنسيتي، عادةً في الهواء، ويجب إجراء مراجعة لها قبل الخدمة. ويهدف إبقاء القطعة فترة قصيرة لتحقيق التساوي إلى تقليل فرق درجة الحرارة بين السطح واللب؛ وليس هذا إبقاءً بينايتيًا.

أما المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية فتتبع هدفًا معاكسًا من حيث التحول. إذ تُبقي القطعة مدة كافية في مجال البينايت لتحويل الأوستنيت إلى بينايت، بدلًا من مجرد تحقيق تساوي درجة الحرارة فوق Ms. وقد أبلغت دراسة أجريت عام 2020 عن المعالجة بالتقسية الأيزوثرمية منخفضة الحرارة عن تكوّن بينايت نانوي ومارتنسيت وأوستنيت محتجز، مع معاملات تآكل أقل بما يصل إلى 50% من معاملات الفولاذ المارتنسيتي المقسى بالتبريد المفاجئ، وذلك في ظل شروط الاختبار المحددة فيها. ولا يمكن تعميم هذه النتيجة على كل فولاذ أو هندسة أو جدول معالجة. لكنها توضح سبب ضرورة التحقق من مجال التحول وزمن الإبقاء الخاصين بنوع الفولاذ الفعلي.

تغطي SAE AMS-H-6875C (2020) متطلبات المعالجة الحرارية لأربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالمعالجة بالتقسية الأيزوثرمية، والتبريد الأيزوثرمي المرحلي، والمعالجة بالتقسية المرحلية عند تحديد ذلك. ولا يجعل هذا السماح العمليات قابلة للتبادل. إذ تحدد المواصفة المنطبقة، والمخطط الخاص بنوع الفولاذ، وحجم المقطع، والتاريخ الحراري المقاس، ما إذا كان المنتج المقصود هو البينايت، أو المارتنسيت الناتج بعد المعالجة بالتقسية المرحلية، أو خليطًا غير مرغوب فيه.

كيفية عمل التقسية الأوستيمبرية: التبريد السريع، والتثبيت، والتحول إلى البينايت

التقسية الأوستيمبرية هي برنامج معالجة حرارية متساوية الحرارة، صُمم لتحويل الأوستنيت إلى بينايت. وهي ليست مجرد تسمية أخرى للتقسية المارتيمبرية. ويتوقف الفرق على ما يحدث أثناء التثبيت: إذ يُبقى الفولاذ في التقسية الأوستيمبرية مدة تكفي لحدوث تحول بينايتي مخطط له، بينما يُبقى في التقسية المارتيمبرية مدة تكفي فقط لاقتراب درجة الحرارة من التجانس، قبل تبريده عبر درجة بدء تكوّن المارتنسيت، أو $M_s$، لتكوين المارتنسيت.

تبدأ الدورة بتسخين قطعة الشغل إلى ما فوق مجال التحول الحرج، بحيث يتحول الجزء المطلوب من البنية إلى أوستنيت. وتعتمد درجة حرارة الأوستنة وزمنها على النوع، وحجم المقطع، والبنية المجهرية السابقة، وتوزيع الكربون المطلوب. ويمكن أن يؤدي التسخين المفرط إلى زيادة حجم حبيبات الأوستنيت أو إذابة الكربيدات التي يُراد إبقاؤها، في حين قد يترك التسخين غير الكافي الفيريت أو المكونات غير المذابة، مما يغير استجابة التحول النهائية.

التبريد السريع إلى نطاق البينايت

بعد الأوستنة، يُنقل الفولاذ بسرعة إلى حمام يُحافَظ عليه ضمن نطاق التحول إلى البينايت. وبالنسبة إلى كثير من أنواع الفولاذ، يقع هذا النطاق تقريبًا بين 200 و400 °C، مع أن مجال درجات الحرارة القابل للاستخدام يختلف باختلاف النوع ولا يمثل قيمة ثابتة. وتعرّف دراسة عن AISI 52100 التقسية الأوستيمبرية بهذه الشروط: التبريد السريع من درجة حرارة الأوستنة إلى وسط مُحافَظ على درجة حرارة تتراوح تقريبًا بين 200 و400 °C، ثم التثبيت حتى يتكون البينايت.

ويجب أن يكون النقل سريعًا بما يكفي لعبور نطاق البرليت من دون السماح بتحول كمية كبيرة من الأوستنيت أثناء الهبوط في درجة الحرارة. وهذه مسألة مرتبطة بالزمن ودرجة الحرارة. إذ يجب أن يعبر الفولاذ «أنف» البرليت في مخطط التحول الزمني-الحراري قبل بلوغ زمن حضانة البرليت. وتؤثر قابلية التصليد، وسُمك المقطع، وترتيب الحمولة، وتحريك الحمام، والفارق في درجة الحرارة بين قطعة الشغل والحمام، كلها في تحقق هذا الشرط. وقد تدخل مسمار صغير نطاق البينايت بسرعة، بينما قد تبرد سِنّ ترس ثقيلة أو صفيحة سميكة بصورة غير متجانسة، مما يسمح بتكوّن البرليت أو الفيريت في داخلها حتى عندما يتبع السطح البرنامج المقصود.

قد يحتوي الحمام على ملح منصهر أو زيت أو وسط آخر مضبوط لنقل الحرارة، ومناسب لدرجة الحرارة المحددة. ولا تحدد تسمية الحمام العملية. إذ يمكن استخدام حمام ملحي في برنامج تقسية أوستيمبرية أو مارتيمبرية، بحسب درجة حرارته ومدة التثبيت. وقد أوضحت دراسة ACS Omega المنشورة في عام 2024 هذا الفرق مباشرة بالنسبة إلى مخاليط الأملاح المنصهرة من Ca(NO₃)₂–KNO₃: ففي التقسية الأوستيمبرية يُثبّت الفولاذ المؤوستن عند درجة حرارة التحول إلى البينايت حتى يتحول الأوستنيت إلى بينايت، بينما تُثبّت قطعة الشغل في التقسية المارتيمبرية فترة قصيرة فوق $M_s$ مباشرة، ثم تُبرّد في الهواء.

ويجب أن يأخذ التحكم في درجة الحرارة في الحسبان الحرارة المنطلقة والممتصة أثناء التحول، وكذلك الحمولة الداخلة إلى الحمام. ويقلل التحريك من التدرجات الحرارية الموضعية، ويساعد على منع طبقة حدية أبرد أو أسخن من تغيير الدورة الفعلية. وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مزدوجات حرارية، ومعايرة للحمام، وتجارب على حمولات ممثلة، للتحقق من أن القلب والسطح والمواقع المختلفة داخل الحمولة تتبع فعلًا المسار المقصود. وتتأثر العملية بحساسية واضحة بحجم المقطع، لأن الحمام قد يعادل درجة حرارة السطح قبل أن يبلغ المركز درجة الحرارة نفسها.

ويُختار حمام التقسية الأوستيمبرية عادةً عند درجة حرارة أعلى من درجة $M_s$ الفعالة للفولاذ عندما يكون الناتج المقصود هو البينايت التقليدي. وعند هذا المستوى، يمكن أن يتحول الأوستنيت بآلية تجمع بين المساعدة بالانتشار وغلبة القص، من دون إنتاج المارتنسيت فورًا. أما التبريد إلى ما دون $M_s$ قبل اكتمال التحول البينايتي المخطط له، فيغير النتيجة؛ إذ قد يتحول الأوستنيت غير المتحول عندئذ إلى مارتنسيت، فتتكون بنية مختلطة.

التثبيت حتى اكتمال تحول الأوستنيت المطلوب

عندما تصل قطعة الشغل إلى درجة حرارة الحمام، تُثبّت عندها في ظروف متساوية الحرارة. وخلال هذه المرحلة، تنشأ نوى البينايت عند حدود حبيبات الأوستنيت أو في مواقع أخرى ملائمة، ثم تنمو داخل الأوستنيت المحيط. ويُطرَد الكربون من الفيريت البينايتي إلى الأوستنيت المتبقي، مما يغير استقرار وتركيب كلتا المنطقتين. ويعتمد معدل التحول على درجة الحرارة، والتركيب السبائكي، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وكمية البينايت المتكونة بالفعل.

ولا يُحدد زمن التثبيت بقاعدة عامة مثل «ساعة واحدة لكل بوصة». بل يجب أن يستند إلى بيانات التحول، أو تجارب عملية مُتحقق من صحتها، أو مخطط مناسب للتحول الزمني-الحراري. وقد يترك التثبيت القصير عمدًا جزءًا من الأوستنيت من دون تحول. فإذا بُرّد الفولاذ بعد ذلك إلى ما دون $M_s$، أمكن لهذا الأوستنيت المتبقي أن يتحول إلى مارتنسيت. أما التثبيت الأطول فقد يحول معظم الأوستنيت القابل للتحول، أو كله تقريبًا، إلى بينايت، مما يقلل الكسر المارتنسيتي اللاحق. ويمكن أن يكون كلا البرنامجين صحيحًا، لكنهما ينتجان مستويات مختلفة من الصلادة والمتانة والاستجابة البُعدية والأوستنيت المحتجز.

التحول غير المكتملالتحول غير المكتمل حالة ينتهي فيها التفاعل البينيتِي قبل تحول كل الأوستنيت القابل للتحول، مما يترك أوستنيتًا محتجزًا محتملًا أو مارتنسيت يتكوّن لاحقًا.

وقد يتوقف التحول قبل تحول كل جزء أخير من الأوستنيت إلى بينايت، لأن إغناء الأوستنيت بالكربون يثبت الأوستنيت المتبقي. وتُسمى هذه الحالة غالبًا التحول غير المكتمل أو التفاعل غير المكتمل. وفي بعض أنواع الفولاذ السبائكي، يكون الأوستنيت المتبقي المُغنى مرغوبًا لأنه يستطيع استيعاب الانفعال وتحسين المتانة؛ بينما قد يسبب الأوستنيت المحتجز المفرط في تطبيقات أخرى تغيرًا بُعديًا أثناء الخدمة أو أثناء التبريد اللاحق. ولذلك يجب أن تحدد المواصفة ليس درجة حرارة الحمام فحسب، بل أيضًا تركيب الأطوار المسموح به وطريقة التحقق منه.

درجة حرارة التقسية الأوستيمبرية (°C)

يمكن أن تقلل التقسية الأوستيمبرية التشوه، لأن الفولاذ يتجنب التغير الحجمي المفاجئ وغير المتجانس المرتبط بالتبريد المباشر لتكوين المارتنسيت. وقد أفادت دراسة SAE أجريت في عام 2013 على AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربنة بوجود تشوه أقل بكثير في العينات المكربنة والمقساة أوستيمبريًا مقارنةً بالعينات المكربنة والمبرّدة والمراجعة. وكانت درجات حرارة التقسية الأوستيمبرية المبلغ عنها 260 و288 و304 °C. وتنطبق هذه النتائج على التراكيب الكيميائية والهندسيات وظروف الدورة التي اختُبرت، ولا تثبت حدوث الانخفاض نفسه في كل مكوّن مكربن.

وقد يُحدد انتهاء التثبيت استنادًا إلى كسر أدنى مطلوب من البينايت، أو نطاق للصلادة، أو حد بُعدي، أو متطلب ميتالوجرافي. ولا يتطلب الفولاذ البينايتي المقسى أوستيمبريًا تلقائيًا خطوة المراجعة نفسها المطلوبة للمارتنسيت. وعلى العكس، يُبرّد الفولاذ المقسى مارتيمبريًا عبر $M_s$ لتكوين المارتنسيت، ويجب مراجعته لاحقًا قبل دخوله الخدمة. وقد تُحدد مع ذلك معالجة لتخفيف الإجهاد عند درجة حرارة منخفضة لقطعة مقساة أوستيمبريًا، إلا أن ذلك متطلب منفصل وليس خطوة التحول المحددة للعملية.

البينايت العلوي، والبينايت السفلي، والنواتج المختلطة

تؤثر درجة حرارة الحمام بقوة في شكل البينايت. ويتكون البينايت العلوي عمومًا عند الجزء الأعلى من نطاق البينايت. ويتألف من حزم أو صفائح من الفيريت البينايتي، تتخللها مناطق غنية بالكربون قد تترسب فيها الكربيدات. وتختلف مورفولوجيته وتوزيع الكربيدات فيه عن نظيريهما في البينايت السفلي، الذي يتكون عند درجات حرارة أقل.

يتطور البينايت السفلي عند درجات حرارة أقرب إلى $M_s$. ويكون أمام الكربون وقت وحركة أقل للانقسام إلى الأوستنيت المحيط، كما يمكن أن تترسب الكربيدات داخل صفائح الفيريت البينايتي أو صفائحه الرفيعة. وقد توفر هذه البنية الأدق توازنًا مختلفًا بين الصلادة والمقاومة والمتانة مقارنةً بالبينايت العلوي. ولا يمثل الانتقال بين البينايت العلوي والسفلي درجة حرارة عالمية واحدة، لأن عناصر السبك تغيّر نطاقات التحول وتؤثر في ترسب الكربيدات.

أنتجت التقسية الأوستيمبرية قصيرة الأمد ومنخفضة الحرارة معاملات تآكل أقل بنسبة تصل إلى 50% من الفولاذ المارتنسيتي المُقسى في الدراسة المُبلَّغ عنها. Limited evidence

يمكن أن تنتج التقسية الأوستيمبرية عند درجات حرارة منخفضة جدًا بُنى لا يكفي لوصفها أنها ناتج بينايتي واحد متحول بالكامل. وقد أفادت دراسة أجريت في عام 2020 عن التقسية الأوستيمبرية قصيرة المدة عند درجات حرارة منخفضة في فولاذ متوسط الكربون منخفض السبك بتكوّن نانوبينايت إلى جانب المارتنسيت والأوستنيت المحتجز. وكانت معاملات التآكل المبلغ عنها أقل بما يصل إلى 50% من معاملات فولاذ مارتنسيتي مقسى، في ظل ظروف الاختبار المستخدمة في الدراسة. وتمثل هذه القيمة دليلًا على الفولاذ وطريقة التآكل المختبرين، وليست ضمانًا عامًا للأداء.

تنشأ النواتج المختلطة عندما يُوقَف التثبيت عمدًا قبل اكتمال التفاعل البينايتي، أو عندما تكون درجة الحرارة المختارة قريبة من الحد الأدنى للتحول، أو عندما يتعذر تبريد المقطع بصورة متجانسة. وأثناء التبريد اللاحق، قد يتحول الأوستنيت غير المتحول إلى مارتنسيت؛ وقد يبقى بعضه أوستنيتًا محتجزًا إذا أدى الإغناء بالكربون إلى خفض قيمة $M_s$ الفعالة له. ولذلك يمكن أن تحتوي البنية النهائية على البينايت العلوي، والبينايت السفلي، والمارتنسيت، والأوستنيت المحتجز، وكذلك البرليت إذا كان النقل بطيئًا جدًا.

ينبغي أن يفحص تأهيل العملية الصلادة، والتغير البُعدي، وكسور الأطوار الميتالوجرافية، والأوستنيت المحتجز عند الاقتضاء. ويمكن أن يؤكد حيود الأشعة السينية، والفحص المجهري، والتمددية الحرارية، وفحص الحمولات بعد تشريحها، ما إذا كان الناتج الفعلي يطابق البرنامج المقصود. وتغطي المواصفة SAE AMS-H-6875C، المنشورة في عام 2020، متطلبات المعالجة الحرارية لأربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالتقسية الأوستيمبرية، والتبريد الأوزبي، والتقسية المارتيمبرية عند تحديد ذلك. ولا يحل هذا السماح محل تطوير دورة خاصة بكل نوع. إذ يظل تعيين الفولاذ، وقابلية التصليد، وحجم المقطع، وسعة الحمام، ومعايير القبول، عوامل تحدد ما إذا كان برنامج التقسية الأوستيمبرية المختار ناجحًا من الناحية الميتالورجية.

كيف تعمل المعالجة المارتيمبرية: موازنة الحرارة فوق Ms، ثم تشكيل المارتنسيت

المعالجة المارتيمبرية هي إخماد متقطع صُمم للتحكم في توقيت ومكان تشكل المارتنسيت. وهي ليست الأوستمبرينغ تحت اسم آخر. ففي الأوستمبرينغ، تُحفظ الأوستنيت ضمن نطاق التحول إلى البينيت حتى يتحول جزء مهم أو محدد منها إلى بينيت. أما في المعالجة المارتيمبرية، فتحدث فترة التثبيت أعلى بقليل من درجة بدء تشكل المارتنسيت، أو Ms، وتكون قصيرة بما يكفي لمنع التحول الانتشاري غير المرغوب فيه. وبعد أن تتعادل درجة الحرارة في جميع أجزاء الفولاذ، تُبرَّد قطعة الشغل عبر نطاق المارتنسيت. ولذلك يكون التركيب النهائي مارتنسيتيًا، وليس بينيتيًا، ويظل غير مُراجَع إلى أن تُجرى عملية مراجعة منفصلة.

الإخماد المتقطع فوق درجة بدء تشكل المارتنسيت

يصف ASM Handbook, Volume 4A المعالجة المارتيمبرية بأنها إخماد متقطع باستخدام الزيت أو الملح. يُسخَّن الفولاذ أولًا إلى درجة حرارة الأوستنة المحددة له، حيث يتكون التركيب الأوستنيتي المقصود ويتحدد توزيع الكربون. ثم يُنقل بسرعة إلى حمام محفوظ عند درجة حرارة أعلى بقليل من Ms. ويجب أن يزيل الحمام الحرارة بسرعة كافية لتجنب البرليت أو غيره من نواتج التحول عند درجات الحرارة المرتفعة، لكن فترة الإيقاف تمنع السطح من أن يصبح أبرد بكثير من القلب قبل بدء تشكل المارتنسيت.

ليست Ms درجة حرارة عامة تنطبق على جميع أنواع الفولاذ. فهي تعتمد على محتوى الكربون، والعناصر السبائكية، وحالة حبيبات الأوستنيت، والتاريخ الحراري السابق، وفي بعض الحالات، على كمية الأوستنيت المحتفظ به المتوقعة بعد التبريد. ولذلك قد يتطلب فولاذ كربوني بسيط وفولاذ منخفض السبائك مكربن درجات حرارة مختلفة لحمام المعالجة المارتيمبرية. ويُختار الحمام بهامش كافٍ أعلى من قيمة Ms المنطبقة، وليس بتطبيق درجة حرارة ثابتة واحدة على كل نوع.

تمثل فترة التثبيت الإيقاف المحدد للعملية. ويجب أن تستمر مدة كافية لانخفاض فرق درجة الحرارة بين السطح والمركز، مع بقائها قصيرة بما يكفي لتجنب تشكل البينيت أو البرليت أو أي ناتج انتشاري آخر. ويفصل هذا الشرط بين المعالجة المارتيمبرية والأوستمبرينغ بصورة أكثر موثوقية من اسم الحمام نفسه. إذ يمكن استخدام حمام ملح منصهر لأي من العمليتين؛ فمسار التحول وجدول التثبيت هما اللذان يحددان العملية المنفذة.

يحدد ASM International’s 2013 ASM Handbook Volume 4A درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن التثبيت، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم. وتتفاعل هذه المتغيرات معًا. فقد يؤدي التحريك المفرط إلى زيادة استخلاص الحرارة من السطح، في حين قد يؤدي التحريك غير الكافي إلى نشوء فروق موضعية في درجة حرارة الحمام. وقد ينتج حمام تكون درجة حرارته أعلى اسميًا من Ms، لكنه ضعيف التحكم، جدول تحول غير متجانس عبر حمولة كبيرة.

يجب أن تظل درجة الحرارة مرتفعة بما يكفي لقمع تشكل المارتنسيت أثناء فترة التثبيت. فإذا بلغت قطعة الشغل درجة Ms داخل الحمام، فقد يبدأ المارتنسيت في التشكل قبل أن تتعادل درجة الحرارة في المقطع. وإذا كانت فترة التثبيت طويلة جدًا أو كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، فقد يتشكل البينيت. ويُعد ذلك فشلًا في العملية عندما تكون المواصفة تشترط الحصول على المارتنسيت.

موازنة درجة الحرارة عبر المقطع

ينشئ الإخماد التقليدي تدرجًا حراريًا حادًا. إذ يبرد السطح أولًا، بينما يظل الجزء الداخلي أكثر سخونة ويستمر في التمدد حراريًا. وعندما يعبر السطح درجة Ms، يبدأ في التحول إلى مارتنسيت ويتمدد مع تغير البنية البلورية للأوستنيت. وقد يظل القلب أوستنيتيًا وعند درجة حرارة مختلفة. ولاحقًا، عندما يتحول القلب، يقيّد تمددهَ الجزء الخارجي الذي تحول بالفعل. وتولد هذه الانفعالات المتنافسة إجهادًا داخليًا وتشوهًا، وقد تؤدي أحيانًا إلى تشققات الإخماد.

تغير المعالجة المارتيمبرية توقيت هذه الأحداث. إذ تُخمَد قطعة الشغل الساخنة في الحمام، لكنها تُحفظ فوق Ms إلى أن تصبح درجة الحرارة أكثر تجانسًا من الخارج باتجاه المركز. ثم يبدأ تشكل المارتنسيت أثناء خطوة تبريد لاحقة، بدلًا من أن يبدأ بينما تكون درجات حرارة السطح والقلب مختلفة بدرجة كبيرة. ويؤدي تقليل التدرج الحراري في لحظة التحول إلى خفض عدم التوافق في الانكماش الحراري وانفعال التحول.

وتتمثل الفائدة في تقليل خطر التشوه والتشقق، لا في القضاء على أي منهما. فاللوح الرقيق، وسن الترس، والعمود الثقيل لا تتعادل درجات حرارتها بالمعدل نفسه. ويؤثر سمك المقطع، والهندسة، والثقوب، والتغيرات الحادة في المقطع العرضي، والتلامس بين الأجزاء، في انتقال الحرارة. كما تهم قابلية تصليب الفولاذ؛ إذ يجب أن يبرد المركز عبر نطاق التحول بسرعة كافية لتجنب البرليت أو البينيت إذا كان المطلوب تركيبًا مارتنسيتيًا غالبًا.

قد يسمح نوع ذو قابلية تصليب عالية بمعدل تبريد أبطأ بعد التعادل، بينما قد يتطلب نوع ذو قابلية تصليب منخفضة فترة إيقاف أقصر وتبريدًا أسرع. كما يغير محتوى الكربون والسبائك كلًا من Ms وحركية التحول. ولهذا ينبغي تحديد درجة حرارة الحمام وزمن التثبيت استنادًا إلى نوع الفولاذ، وحجم المقطع، وترتيب الحمولة، والاستجابة الحرارية المقاسة، بدلًا من نسخها من جدول عام.[2][2] The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided

وصفت الدراسة المنشورة عام 1946 حول نطاق درجات حرارة تشكل المارتنسيت الأساس المنطقي للعملية بأنه الإخماد إلى درجة أعلى بقليل من نطاق تشكل المارتنسيت، ثم التبريد ببطء أكبر. ويمكن لهذه الطريقة تقليل التشقق مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة، بشرط أن يظل الفولاذ خاليًا من التحول الانتشاري غير المرغوب فيه. ولا يعني تعبير «ببطء أكبر» التبريد ببطء اعتباطي؛ بل يعني التبريد بالبطء الكافي لتقليل الصدمة الحرارية، مع الاستمرار في اجتياز نطاق التحول بمعدل مناسب للفولاذ.

التبريد بالهواء وخطوة المراجعة الإلزامية

بعد التعادل، تُرفع قطعة الشغل من الزيت أو الملح وتُبرَّد عبر نطاق المارتنسيت، عادةً في الهواء. ويصف ASM’s 2020 Heat Treating Subject Guide هذا التسلسل بأنه تثبيت الفولاذ عند درجة أعلى بقليل من Ms حتى تتعادل درجة حرارته، ثم تبريده بالهواء لتشكيل المارتنسيت. وخلال هذه المرحلة، يتحول الأوستنيت من دون فرق درجة الحرارة الشديد بين السطح والقلب المرتبط بالإخماد المباشر.

يكون المارتنسيت الناتج غير مُراجَع. وهذه نقطة أساسية. فالمعالجة المارتيمبرية لا تشمل المراجعة لمجرد أن الجزء بُرِّد على مراحل. ويكون المارتنسيت المتشكل أثناء التبريد بالهواء صلبًا ويحتوي على إجهاد داخلي مرتفع؛ وقد يحتوي أيضًا على أوستنيت محتفظ به، تبعًا لنوع الفولاذ ومسار التبريد. ويجب أن تخضع القطعة لمعالجة مراجعة منفصلة قبل الخدمة. وتقلل المراجعة الإجهاد والهشاشة، كما تضبط الصلادة والمتانة والقوة والاستقرار الأبعادي وفقًا للمواصفة.

يعتمد كل من درجة حرارة المراجعة وزمنها على نوع الفولاذ والخواص المطلوبة. فلا يمكن إعطاء فولاذ محامل عالي الكربون مثل AISI 52100 جدول المراجعة نفسه المعطى لفولاذ مخصص للكربنة مثل AISI 8620. كما تستجيب الطبقة المكربنة والقلب منخفض الكربون بصورة مختلفة، ولذلك يجب التحقق من الخواص المطلوبة في المنطقتين كلما كان ذلك منطبقًا.

تغطي SAE AMS-H-6875C: المعالجة الحرارية للمواد الخام الفولاذية أربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالأوستمبرينغ، والإخماد بطريقة أوزباي، والمعالجة المارتيمبرية عند تحديدها. ولا يحدد تعيين العملية وحده القبول. فقد تتطلب مراقبة الإنتاج تسجيل درجات حرارة الأوستنة والحمام، وزمن النقل، وزمن الإيقاف، وظروف التحريك، وسجلات المراجعة، واختبارات الصلادة، والفحص المعدني، والقياسات الأبعادية.

وينبغي أن يبحث التحقق أيضًا عن أنماط الفشل التي صُمم جدول العملية لمنعها. فقد تكشف قياسات الصلادة عبر المقطع عن قلب لين ناتج عن قابلية تصليب غير كافية أو فترة إيقاف مفرطة. ويمكن للفحص المعدني أن يميز المارتنسيت من البينيت، وأن يحدد وجود البرليت أو كمية مفرطة من الأوستنيت المحتفظ به. كما يوضح الفحص الأبعادي قبل المعالجة الحرارية وبعدها ما إذا كان خفض إجهاد التحول قد حقق التحسن المتوقع للهندسة الفعلية.

وبذلك يكون للعملية تسلسل دقيق: إجراء الأوستنة، ثم الإخماد السريع في زيت أو ملح محفوظ عند درجة أعلى بقليل من Ms، والتثبيت فقط إلى أن تتعادل درجة الحرارة في المقطع من دون تحول انتشاري، ثم التبريد عبر نطاق المارتنسيت، وأخيرًا إجراء المراجعة. ويؤدي تحويل فترة التثبيت إلى معالجة تحول بينيتي إلى تغيير العملية لتصبح أوستمبرينغ. أما تغيير خطوة المراجعة اللاحقة للإخماد فليس اختياريًا؛ فبدونها يكون الفولاذ المعالج مارتيمبريًا مجرد فولاذ مارتنسيتي غير مُراجَع، مع اتباع مسار مضبوط لتشكله.

البُنى المجهرية والخواص: الباينيت مقابل المارتنسيت المُراجَع

يمكن للمعالجة الأوستيمبرية والمعالجة المارتمبيرية تقليل إجهادات التبريد السريع، لكنهما لا تنتجان البنية النهائية نفسها. في المعالجة الأوستيمبرية، يُبرَّد الفولاذ المُؤوستن بسرعة إلى درجة حرارة يمكن عندها أن يتكوّن الباينيت، ويُحافَظ عليه عندها مدةً كافية لإتمام التحول المقصود. وقد يكون الناتج باينيتًا علويًا، أو باينيتًا سفليًا، أو مزيجًا لا يزال يحتوي على أوستينيت غير متحوّل، ثم مارتنسيت بعد التبريد النهائي. وتصف دراسة أجريت عام 2013 على AISI 52100 نطاق المعالجة الأوستيمبرية بأنه يقارب 200–400 °C، مع استمرار التثبيت حتى يتكوّن الباينيت.

تتبع المعالجة المارتمبيرية مسارًا مختلفًا. تُثبَّت قطعة الشغل لفترة وجيزة في الزيت أو الملح عند درجة حرارة أعلى بقليل من درجة بدء تكوّن المارتنسيت، مما يتيح للمقطع الاقتراب من درجة حرارة أكثر تجانسًا قبل تبريده عبر نطاق التحول المارتنسيتي. ولا يكون المارتنسيت الناتج في حالة صالحة للاستخدام مباشرة؛ إذ يجب إخضاعه لاحقًا للمراجعة. ويذكر دليل Heat Treating Subject Guide الصادر عن ASM International عام 2020 هذا التسلسل بصورة مباشرة. كما يحدد ASM Handbook Volume 4A (2013) درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن التثبيت، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات ضابطة.

وتكمن أهمية هذا التمييز في أن الباينيت والمارتنسيت المُراجَع يكتسبان المتانة من ترتيبات مختلفة من الفيريت والكربون والكربيدات. وقد تتداخل صلابتهما، لكن تداخل الصلابة لا يجعل سلوكهما الميكانيكي قابلًا للتبادل.

المتانة، والصلابة، والمتانة الكسرية، واللدونة

يتكوّن الباينيت من مناطق فيريتية تشكّلت بتحول إزاحي، مع طرح الكربون في الأوستينيت أو ترسبه على هيئة كربيدات، تبعًا لدرجة حرارة التحول وكيمياء السبيكة. ويحتوي الباينيت العلوي عمومًا على صفائح أو شرائح من الفيريت تتوزع الكربيدات بينها. أما الباينيت السفلي فيتكوّن عند درجات حرارة أقل، وتكون كربيداته أدق وتقع داخل الصفائح الفريتية أو ترتبط بها ارتباطًا وثيقًا. وتتغير البنية الشكلية الدقيقة تبعًا لمحتوى الكربون، والإضافات السبائكية، ومعدل التبريد، وزمن التثبيت.

يبدأ المارتنسيت المُراجَع بوصفه طورًا رباعي الزوايا متمركز الجسم، مفرط الإشباع وشديد التشوه. وأثناء المراجعة، يغادر الكربون المارتنسيت، وتتكوّن كربيدات انتقالية ثم كربيدات أكثر استقرارًا، وتفقد المصفوفة قدرًا كبيرًا من رباعيتها وإجهادها الداخلي. وتحدد درجة حرارة المراجعة ومدتها مدى تقدم هذا التسلسل. ويمكن لدرجة حرارة المراجعة المنخفضة أن تحافظ على صلابة عالية مع الإبقاء على إجهاد متبقٍّ كبير؛ في حين تؤدي درجة الحرارة الأعلى عادةً إلى خفض الصلابة، لكنها تحسن المتانة والاستقرار البُعدي. وقد يؤدي التعرض المطول إلى مزيد من التليين أو إلى التصلد الثانوي في أنواع الفولاذ التي تحتوي على عناصر مثل الكروم أو الموليبدينوم أو الفاناديوم.

ولا يتمتع الباينيت أو المارتنسيت المُراجَع بميزة عالمية من حيث الصلابة. فقد يكون الباينيت السفلي الدقيق شديد الصلابة، بينما قد يكون الباينيت العلوي أكثر ليونة ولدونة. ويمكن لبنية مارتنسيتية مُراجَعة عند درجة حرارة منخفضة أن تتجاوز صلابة بنية باينيتية معينة، إلا أن المراجعة عند درجة حرارة أعلى قد تمنح الفولاذ المارتنسيتي صلابة أقل ومقاومة أكبر للكسر. ويجب تحديد محتوى الكربون، وحجم حبيبات الأوستينيت السابق، وقابلية السبيكة للتقسية، ودرجة حرارة التحول، وكمية كل مكوّن، قبل أن تكون للمقارنة دلالة.

وتتبع المتانة الكسرية القاعدة نفسها. إذ يمكن لفيريـت الباينيت أن يوفر توليفة ملائمة من المقاومة ومقاومة بدء الشقوق عندما تكون صفائحه دقيقة وتكون أغشية الكربيدات تحت السيطرة. أما الباينيت الخشن، أو الأوستينيت غير المتحوّل، أو المارتنسيت الطازج عالي الكربون المتكوّن أثناء التبريد النهائي، فقد يقلل هذه الميزة. ويمكن للمارتنسيت المُراجَع أن يوفر متانة كسرية عالية عندما تخفف المراجعة الإجهادات وتحسن توزيع الكربيدات، لكن المراجعة غير الكافية تُبقي على بنية هشة. وقد تؤدي المراجعة المفرطة إلى التضحية بالمقاومة.

ولا تُعد اللدونة نتيجةً بسيطة لاختيار إحدى العمليتين. فهي تعتمد على الكسر الحجمي والشكل المورفولوجي للباينيت، والمارتنسيت، والأوستينيت المحتجز، والكربيدات، والشوائب، وأي مناطق غنية بالكربون. وقد تُظهر البنية المختلطة استطالة مفيدة مع استمرار احتوائها على مكوّنات موضعية هشة. ولذلك ينبغي قياس مقاومة الشد، ومقاومة الخضوع، وطاقة الصدم، والمتانة الكسرية، وأداء الكلال، ومقاومة البلى كلٌّ على حدة، بدل استنتاجها من الصلابة وحدها.

وقد يختلف التشوه أيضًا. فقد استخدمت أبحاث على AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المُكَرْبَنة درجات حرارة للمعالجة الأوستيمبرية بلغت 260 و288 و304 °C، وأبلغت عن تشوه أقل بكثير مقارنةً بالعينات المُكَرْبَنة والمبرَّدة تبريدًا سريعًا والمراجَعة. وتعكس هذه النتيجة الأشكال الهندسية المُكَرْبَنة وبرامج المعالجة التي اختُبرت، ولا تمثل ضمانًا عامًا. وتقلل المعالجة المارتمبيرية التدرجات الحرارية قبل تكوّن المارتنسيت، ولذلك يمكنها أيضًا تقليل التشقق والتشوه مقارنةً بالتبريد السريع المباشر، رغم أن التحول المارتنسيتي لا يزال يسبب تغيرًا حجميًا.

الأوستينيت المحتجز وخلائط التحول

غالبًا ما توصف المعالجة الأوستيمبرية بأنها تنتج الباينيت، لكن وصف البنية بأنها «باينيتية» لا يعني بالضرورة أنها تتكون من باينيت بنسبة 100%. فإذا انتهى التثبيت قبل تحول الأوستينيت بالكامل، فقد يستمر الأوستينيت المتبقي بوصفه أوستينيتًا محتجزًا، أو يتحول إلى مارتنسيت أثناء التبريد اللاحق. وقد يؤدي إغناء الأوستينيت المتبقي بالكربون إلى تثبيت جزء منه عند درجة حرارة الغرفة. وقد تكون النتيجة باينيتًا مع أوستينيت محتجز، أو باينيتًا مع مارتنسيت، أو باينيتًا مع كليهما.

ويؤثر هذا المزيج بقوة في الخواص. فقد يحسن الأوستينيت المحتجز اللدونة الظاهرية ويمتص انفعال التحول، لكنه قد يتحول أيضًا تحت الحمل، أو أثناء التجليخ، أو خلال الخدمة. وقد يسبب هذا التحول تغيرًا بُعديًا، أو تصلدًا موضعيًا، أو إجهادًا متبقيًا. وقد يكون المارتنسيت المتكوّن من الأوستينيت غير المتحوّل بعد فترة التثبيت الأوستيمبرية أصلب وأكثر هشاشة من الباينيت المتكوّن في الحمام. ويمكن أن تساعد حيود الأشعة السينية، والفحص المعدني، والتمددية الحرارية، ورسم خرائط الصلابة في تحديد هذه المكوّنات؛ أما قيمة صلابة حجمية واحدة فلا تكفي لذلك.[3][3] Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel. Metal and Materials International, 2020.

وتوضح دراسة أجريت عام 2020 حول المعالجة الأوستيمبرية قصيرة المدة ومنخفضة الحرارة في فولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون هذا القيد. فقد احتوت البنية المبلغ عنها على باينيت نانوي، ومارتنسيت، وأوستينيت محتجز، بدلًا من طور واحد. وفي ظروف الاختبار، كانت معاملات البلى أقل بنسبة وصلت إلى 50% من مثيلاتها في الفولاذ المارتنسيتي المُبرَّد تبريدًا سريعًا. وهذه مقارنة محددة النطاق؛ فهي تنطبق على الفولاذ المدروس، وتحضير العينات، وبرنامج المعالجة الأوستيمبرية، والسطح المقابل، والحمل، واختبار البلى. ولا تثبت أن كل فولاذ خضع للمعالجة الأوستيمبرية ستكون له نصف معدّل البلى لكل فولاذ مُبرَّد تبريدًا سريعًا ومراجَع.

وقد تنتج المعالجة المارتمبيرية أيضًا خلائط تحول، لكن تسلسلها المقصود مختلف. وينبغي أن يكون تثبيت موازنة درجة الحرارة فوق درجة بدء تكوّن المارتنسيت قصيرًا بما يكفي لتجنب تكوّن الباينيت بدرجة ملحوظة. وبعد التبريد بالهواء عبر نطاق المارتنسيت، يحتوي الفولاذ على مارتنسيت، غالبًا مع بعض الأوستينيت المحتجز، وربما كربيدات غير ذائبة. ثم تغير المراجعة حالة المصفوفة المارتنسيتية وحالة الكربيدات. وإذا أدت معاملة الأوستنة إلى إذابة كمية مفرطة من الكربون، أو إذا كان الفولاذ يتمتع بقابلية تقسية عالية وكان مسار التبريد النهائي غير ملائم، فقد تبقى كمية كبيرة من الأوستينيت المحتجز.

وتميّز الورقة البحثية الصادرة عن SAE المعالجة المارتمبيرية المعدلة بوضع حمام التبريد أسفل درجة بدء تكوّن المارتنسيت لتجنب تكوّن الباينيت. ويوضح هذا التفصيل سبب عدم كفاية درجة حرارة الحمام وحدها لتسمية العملية؛ إذ تتحكم العلاقة بين درجة حرارة الحمام، ودرجة بدء تكوّن المارتنسيت، وزمن التثبيت، ومسار التبريد، في الأطوار التي تتكوّن فعليًا.

لماذا يجب أن تكون ادعاءات الخواص محددة بنوع الفولاذ

يحدد نوع الفولاذ حركية التحول. ففولاذ المحامل AISI 52100، وفولاذ الكربنة AISI 8620، وAISI 8822، وAISI 4320، والفولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون، لا تشترك في مستوى الكربون نفسه، أو محتوى العناصر السبائكية نفسه، أو قابلية التقسية نفسها، أو درجة بدء تكوّن المارتنسيت نفسها، أو استقرار الكربيدات نفسه، أو الاستجابة نفسها للمراجعة. وحتى ضمن التعيين الواحد، يمكن لحجم المقطع وممارسات الأوستنة أن يغيرا معدل التبريد في المركز بما يكفي لإنتاج بُنى مختلفة.

كما تحدد المواصفة العملية المسموح بها ومعايير القبول. وتغطي SAE AMS-H-6875C: Heat Treatment of Steel Raw Materials أربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالمعالجة الأوستيمبرية، والتبريد الأوسباي، والمعالجة المارتمبيرية عند تحديدها. ولا تحدد هذه الموافقة صلابة أو متانة كسرية أو حدًا للأوستينيت المحتجز واحدًا لكل نوع من الفولاذ. ويجب أن تحدد مواصفة المادة المعنية، والرسم، وإجراء المعالجة الحرارية، وطريقة الفحص، تلك الحدود.

ولذلك تذكر المقارنة الصحيحة نوع الفولاذ أو كيمياءه، ودرجة حرارة الأوستنة، وزمن النقل، ودرجة حرارة الحمام، ومدة التثبيت، وطريقة التبريد، ودرجة حرارة المراجعة وزمنها، وحجم المقطع، وطريقة الاختبار. وينبغي إقران الصلابة بالفحص البنيوي المجهري، وعند الاقتضاء، بقياس الأوستينيت المحتجز والفحص البُعدي. ومن دون هذه التفاصيل، تكون ادعاءات مثل «المعالجة الأوستيمبرية أكثر متانة» أو «المعالجة المارتمبيرية أكثر صلابة» واسعة أكثر من اللازم بحيث لا يمكن اعتبارها موثوقة تقنيًا.

التحكم في التشوه والتشقق والإجهاد المتبقي

لماذا يؤدي التخمير المباشر إلى نشوء الإجهادات الحرارية والتحولية

يعرّض التخمير المباشر الفولاذَ المُؤَسْتَن إلى تدرج حراري حاد. يلامس السطحُ سائلَ التبريد أولًا، فينكمش بينما يظل القلب ساخنًا ومتمددًا، ولذلك يصبح السطح مقيدًا بالجزء الداخلي الأكثر سخونة. وقد يدخل السطح في حالة ضغط خلال المرحلة المبكرة من التبريد، بينما يتحمل القلب إجهادًا شدّيًا. ومع استمرار التبريد، ينكمش القلب وقد ينعكس نمط الإجهاد. وتزيد المقاطع الرقيقة، والزوايا الحادة، والثقوب، والتغيرات في سُمك المقطع من حدة هذه الفروق لأنها تبرد بمعدلات مختلفة.

يتبع الانكماش الحراري حدثٌ ثانٍ هو تحوّل الأوستنيت. ففي الفولاذ الكربوني العادي والفولاذ منخفض السبيكة، يمتلك المارتنسيت حجمًا نوعيًا أكبر من الأوستنيت الأصلي. ودرجة الحرارة التي يبدأ عندها هذا التحول هي درجة بدء تكوّن المارتنسيت، أو $M_s$. فإذا وصلت طبقة السطح إلى $M_s$ بينما ظل القلب أوستنيتيًا، يتمدد السطح نتيجة التحول المارتنسيتي، في حين يواصل القلب انكماشه حراريًا. ولا يكون تمدد التحول منتظمًا عبر المقطع، ولذلك فإنه يضاف إلى الإجهاد الحراري القائم بدلًا من أن يحل محله.

تعتمد حالة الإجهاد الناتجة على التوقيت. فعلى سبيل المثال، قد يتحول ترس مُقَسّى بالتكربن أولًا في طبقته السطحية المُغْناة بالكربون، بينما يتحول القلب الأقل احتواءً على الكربون لاحقًا أو يظل أوستنيتيًا جزئيًا. وقد تحتوي الطبقة السطحية المارتنسيتية الصلبة والهشة نسبيًا عندئذٍ على إجهاد متبقي شدّي، ولا سيما بالقرب من الانقطاعات الهندسية. ويعزز هذا الجمع احتمال حدوث تشققات التخمير. وحتى عند عدم حدوث التشقق، يمكن أن يؤدي الانكماش غير المتساوي حول تجويف أو عبر سِنّ إلى إنتاج عدم الاستدارة، أو الانحراف الدوراني، أو الانحناء، أو تغير المسافة بين الأسنان.

ولا تمثل شدة التبريد سوى جزء واحد من المشكلة. إذ تتحكم درجة حرارة الأوستنة في حجم الحبيبات وكمية الكربون وعناصر السبيكة الذائبة في الأوستنيت؛ ويغير التحريك معامل انتقال الحرارة؛ بينما تحدد قابلية التقسية ما إذا كان القلب سيتحول إلى مارتنسيت أو إلى نواتج أكثر ليونة مثل البينايت أو البرليت. ويحدد دليل ASM، المجلد 4A (2013) درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن الإبقاء، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات مهمة في المعالجة بالمارتيمبرنغ. وتؤثر هذه المتغيرات نفسها في التشوه الناتج عن التخمير المباشر، إلى جانب الهندسة، ونمط التحميل، والتجهيزات، وحالة الطبقة المُكَرْبَنة.

كيف يغير التخمير المتقطع تاريخ الإجهاد

يغير المارتيمبرنغ تسلسل الأحداث بدلًا من أن يقتصر على اختيار حمام مختلف. إذ تُخمَّد المشغولة الفولاذية الساخنة المُؤَسْتَنة سريعًا في الزيت أو الملح المنصهر المحافَظ عليه عند درجة حرارة أعلى قليلًا من درجة $M_s$ الخاصة بها. ويُبقى عليها هناك مدة كافية لاقتراب السطح والقلب من درجة حرارة أكثر تجانسًا، ولكن ليس مدة تكفي لتكوّن البينايت أو البرليت. ثم تُبرَّد المشغولة عبر نطاق تكوّن المارتنسيت، عادةً في الهواء أو تحت حالة أخرى منخفضة الشدة ومضبوطة، وتُراجَع قبل دخولها الخدمة.

يقلل هذا التعادل الحراري الفارقَ الحراري الموجود عند بدء تكوّن المارتنسيت. ولا يزال السطح والقلب لا يتحولان في اللحظة نفسها تمامًا، كما يظل التحول المارتنسيتي مسببًا للتمدد، لكن التدرج الحراري والقيد المرتبط به يصبحان أصغر. ولذلك يقلل المارتيمبرنغ التشوه واحتمال حدوث تشققات التخمير؛ لكنه لا يلغي أيًا منهما. فقد يظل المكوّن المعقد عرضةً للالتواء إذا كانت مقاطعه تستغرق أزمنة تبريد مختلفة، أو إذا كان الحمام سيئ الضبط، أو إذا أدت قابلية التقسية فيه إلى نمط تحول غير متجانس.

ويصف دليل ASM لموضوعات المعالجة الحرارية لعام 2020 الدورة مباشرةً: يُبقى الفولاذ أعلى قليلًا من $M_s$ حتى تتعادل درجة الحرارة، ثم يُبرَّد في الهواء بحيث يتكون المارتنسيت، ويتبع ذلك المراجعة. ولا تُعد المراجعة اختيارية في ظروف الخدمة العادية، لأن المارتنسيت الناتج بعد التخميد يمتلك إجهادًا داخليًا مرتفعًا ومقاومة محدودة للكسر. ويجب أن تتوافق درجة الحرارة النهائية والزمن مع نوع الفولاذ، والأبعاد، ومتطلب الصلادة، وحالة الأوستنيت المحتجز.

أما الأوستمبرنغ فله غرض مختلف. إذ يُخمَّد الفولاذ المُؤَسْتَن في حمام محفوظ ضمن نطاق التحول البينايتـي—أي نحو 200 إلى 400 °C وفق التعريف الوارد للفولاذ AISI 52100—ويُبقى فيه حتى يتحول الجزء المطلوب من الأوستنيت إلى بينايت. ثم يؤدي التبريد إلى تكوين بنية بينايتية، وقد يبقى أوستنيت محتجز أو يتكون مارتنسيت إذا كان الإبقاء غير مكتمل. وتميز دراسة ACS Omega المنشورة في عام 2024 بين هذه الدورة والمارتيمبرنغ: فالأوستمبرنغ يستمر حتى يتحول الأوستنيت إلى بينايت، بينما يحقق المارتيمبرنغ تعادلًا حراريًا قصيرًا فوق $M_s$، ثم يسمح بتكوّن المارتنسيت أثناء التبريد.

وبما أن البينايت يتكون متساوي الحرارة بعد وصول المشغولة إلى درجة حرارة حمام متجانسة نسبيًا، فإن الأوستمبرنغ يتجنب التسلسل الحراري الشديد من السطح إلى القلب الملازم للتخميد المباشر. كما يوزع التحول البينايتـي انفعاله على مدى زمن الإبقاء بدلًا من تركيز تمدد المارتنسيت عبر تدرج حراري متحرك. ونتيجةً لذلك قد يكون التشوه والإجهاد المتبقي أقل، ولكن فقط عندما تسمح قابلية تقسية الفولاذ، وحجم المقطع، وحركية التحول بوصول المقطع بأكمله إلى الحمام وإتمام التفاعل المقصود قبل تكوّن البرليت أو المارتنسيت غير المرغوب فيه.

وعليه، فإن المارتيمبرنغ والأوستمبرنغ ليسا اسمين متبادلين لتخميد منخفض التشوه. فالمارتيمبرنغ لا يزال ينتج المارتنسيت ويتطلب مراجعة لاحقة. أما الأوستمبرنغ فيستهدف تكوين البينايت ويستخدم إبقاءً متساوي الحرارة لمدة كافية للحصول عليه. وقد تسمح المواصفات بكلتا الطريقتين؛ فالمواصفة SAE AMS-H-6875C (2020)، التي تغطي المعالجة الحرارية لأربع فئات من الفولاذ، تدرج الأوستمبرنغ، والتخميد بطريقة الأوسباي، والمارتيمبرنغ عندما يشترط المتطلب المنطبق ذلك. وينبغي أن يحدد سجل العملية مسار درجة الحرارة والزمن الفعلي، لا أن يكتفي بذكر أن الجزء «خُمِّد في حمام ملحي».

الأدلة المستمدة من الفولاذ منخفض السبيكة المُكَرْبَن

أنتجت التقسية الأوستيمبرية تشوهًا أقل من الكربنة التي أعقبتها تقسية ومراجعة حرارية تقليديتان في عينات AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المختبرة. Limited evidence

بحثت ورقة SAE المعنونة “Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels”، ورقمها SAE 2013-01-0949، في فولاذ AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المُكَرْبَنة. وكانت المقارنة بين عينات مُكَرْبَنة ومُعالَجة بالأوستمبرنغ، وعينات مُكَرْبَنة ومُخَمَّدة تقليديًا ومُراجَعة. واستخدمت معالجات الأوستمبرنغ درجات حرارة للحمام بلغت 260 و288 و304 °C. وكانت النتيجة المبلغ عنها هي انخفاض التشوه بدرجة كبيرة في العينات المُكَرْبَنة والمُعالَجة بالأوستمبرنغ.

وتتوافق هذه النتيجة مع آلية الإجهاد. إذ يُنشئ التكربن تدرجًا في الكربون: فالطبقة السطحية تحتوي على كربون أعلى، وقابلية تقسية أكبر، ودرجة حرارة $M_s$ مختلفة عن القلب. ولذلك يبرد السطح والقلب ويتحولان وفق دورتين مختلفتين أثناء التخميد المباشر. ويستبدل الأوستمبرنغ هذا التسلسل المارتنسيتي السريع وغير المتجانس مكانيًا بإبقاء بينايتي مضبوط بعد اقتراب المكوّن من درجة حرارة الحمام. ويُعد انخفاض التشوه نتيجة موثوقة ومتسقة من الناحية الفلزية، لكنه ليس معامل تصحيح شاملًا لكل ترس أو عمود أو حلقة محمل.

ويعتمد نقل هذه النتيجة إلى مكوّن آخر أولًا على الهندسة. فقد تتعادل درجة حرارة حلقة رقيقة بسرعة، بينما قد يحتفظ محور ترس سميك بقلب ساخن بعد وصول الطبقة السطحية إلى الحمام. كما يختلف AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 في محتوى السبيكة وقابلية التقسية، ولذلك لا تضمن درجة حرارة الحمام نفسها النسب الطورية نفسها. ويؤثر عمق الطبقة السطحية، وكربون السطح، والأوستنيت المحتجز، وحالة الكربيدات، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وانتظام التكربن في كل من انفعال التحول وقابلية التشقق.

كما أن التجهيزات ونمط التحميل مهمان أيضًا. فقد يُظهر المكوّن المقيد أثناء التبريد حركة حرة أقل، لكنه يكتسب إجهادًا متبقيًا أعلى؛ بينما قد يتشوه المكوّن المسنود بشكل فضفاض بدرجة أكبر مع تحرره من جزء من ذلك الإجهاد. ويجب التحقق من تركيب الحمام، ودورانه، وتباعد الأحمال، وزمن النقل، وتجانس درجة الحرارة. وتوفر الفحوصات البُعدية قبل المعالجة الحرارية وبعدها، وقياسات الصلادة من الطبقة السطحية إلى القلب، والفحص الميتالوغرافي، وقياسات الإجهاد المتبقي عند الحاجة، معلومات أكثر دلالة من افتراض أن عمليةً تحمل اسمًا معينًا تضمن نتيجة محددة.

الأحواض، وانتقال الحرارة، والتحكم في العملية

لا يحدد اختيار الحوض العملية بحد ذاته. يمكن لكلٍّ من التقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت (Austempering) والتقسية المارتنسيتية المرحلية (Martempering) استخدام الملح أو الزيت، إلا أن مسارات درجات الحرارة وأهداف التحول تختلف بينهما. تنقل التقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت الفولاذَ المؤوستنَت إلى حوض مضبوط عند درجة حرارة تحول إلى البينايت—نحو 200 إلى 400 °C وفق وصف فولاذ AISI 52100 في دراسة G. A. H. D. وآخرين (2013)—وتبقيه فيه حتى يتشكل البينايت. أما التقسية المارتنسيتية المرحلية فتنقل الفولاذ إلى حوض يقع مباشرة فوق درجة بدء تشكل المارتنسيت، وتوحد درجة الحرارة عبر المقطع، ثم تبرده في الهواء لكي يتشكل المارتنسيت بصورة أكثر تجانسًا. وتلزم عملية المراجعة الحرارية بعد ذلك.

يوفر ASM Handbook Volume 4A (2013) إطارًا مفيدًا للتحكم في التقسية المارتنسيتية المرحلية، يشمل: درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحوض، وزمن المكوث، والتحريك، ومعدل التبريد. كما تكشف هذه المتغيرات سبب إمكانية أن تعطي عملية الحوض نتائج مختلفة عند استخدام دورات أفران تبدو متشابهة. وتحدد درجة الفولاذ، وسماكة المقطع، وقابلية التصلب، وكتلة الشحنة، وزمن النقل، وحالة الحوض ما إذا كان المسار الحراري المحدد قد تحقق فعلًا.

الزيت، وأملاح النترات-النتريت، ومخاليط الأملاح المنصهرة

الزيت مألوف وعملي، إلا أن سلوكه في نقل الحرارة يتغير أثناء التبريد. فعندما يدخل الفولاذ الساخن إلى الزيت، قد يتشكل غلاف بخاري على السطح. وتنقل هذه المرحلة الغشائية الحرارة ببطء وبصورة غير متجانسة نسبيًا؛ وعندما ينهار الغشاء، يمكن للغليان التكويني أن يزيل الحرارة بسرعة أكبر بكثير، يعقبه تبريد حملي أبطأ. ويؤدي التحريك إلى تفكيك الغلاف البخاري ودفع الزيت الأبرد نحو قطعة الشغل. كما تغير درجة حرارة الزيت، ولزوجته، وأكسدته، وتلوثه بالماء، والحمأة الموجودة فيه، ونسبة كتلة الشحنة إلى حجم الحوض، تسلسلَ التبريد هذا بأكمله.

لذلك يمكن لخزانين يحتويان على الزيت الاسمي نفسه أن ينتجا منحنيات تبريد مختلفة. فقد يكون للزيت المتقادم لزوجة أعلى أو سلوك مختلف في البلل. ويمكن أن يسبب تلوث الماء غليانًا موضعيًا، بل وقد يؤدي في الحالات الشديدة إلى خطر نشوب حريق أو اندفاع مرتبط بالبخار. وتحجب السلة المكتظة الأسطح عن دوران السائل، في حين ترفع الشحنة الساخنة الكبيرة درجة حرارة الزيت وتبطئ الجزء التالي من عملية التبريد. والمتغير ذو الصلة ليس مجرد «تبريد بالزيت»، بل استجابة التبريد المقاسة تحت ظروف الشحنة والتحريك الفعلية.

تنقل أحواض أملاح النترات-النتريت الحرارة بسرعة عامةً، لأن السائل يبلل الفولاذ مباشرة ولا يعتمد على غلاف بخاري مستمر بالطريقة نفسها التي يعتمد بها التبريد بالزيت. ويمكن للحمل الحراري داخل الملح المنصهر أن يحافظ على تجانس الحوض نسبيًا، كما يمكن لسطح الفولاذ أن يقترب من درجة حرارة الحوض بسرعة. ويكتسب هذا النقل السريع أهمية عندما يتعين على الجزء المعالج بالتقسية المارتنسيتية المرحلية اجتياز نطاق البرليت أو البينايت دون فروق مفرطة في درجات الحرارة بين سطحه وقلبه. كما يساعد ذلك أجزاء التقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت على بلوغ درجة الحرارة المختارة لتشكل البينايت قبل أن يتقدم التحول بصورة غير متجانسة.

ولا يخلو الملح من متطلبات الصيانة. إذ تؤثر تركيبة الملح، وأكسدته، ورطوبته، والملح المنسحب مع قطع الشغل، والحمأة، والتلوث، في سلوك الانصهار، واللزوجة، والناقلية الكهربائية، وانتقال الحرارة. كما تتطلب مخاليط النترات-النتريت التحكم في درجة حرارة التشغيل والحالة الكيميائية، لأن التحلل والتلوث قد يغيران الحوض ويتسببان في مخاطر تتعلق بالسلامة. ويجب أن تكون قطع الشغل جافة قبل غمرها؛ إذ يمكن للماء الذي يدخل إلى الملح المنصهر أن يتبخر بعنف.

تناولت دراسة Sun وآخرين (2024) المنشورة في ACS Omega مخاليط الأملاح المنصهرة Ca(NO3)2–KNO3، واعتبرت قياس انتقال الحرارة مسألة محورية. ولا تكمن قيمة الدراسة بالنسبة إلى هندسة العمليات في إعلان نسبة واحدة من نترات الكالسيوم/نترات البوتاسيوم بوصفها وصفة عالمية للتقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت. فتركيبات الأملاح المختلفة لها درجات حرارة سائلية، وخواص حرارية، ولزوجة، ونطاقات استخدام مختلفة. وتساعد قياسات الدراسة على ربط تركيبة الحوض ودرجة حرارته بسلوك انتقال الحرارة، إلا أن دورة الإنتاج تظل تتطلب منحنى تبريد مُثبت الصلاحية، وبيانات تحول خاصة بنوع الفولاذ، وضبط الحوض الفعلي.

تأثيرات درجة حرارة الحوض، والتحريك، والشحنة

تُعد درجة حرارة الحوض متغيرًا من متغيرات التحول، وليست مجرد إعداد للفرن. ففي التقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت، يجب أن يبقى الحوض ضمن النطاق الذي يستطيع فيه الفولاذ المختار التحول إلى البينايت بمعدل مقبول. ويستمر المكوث حتى يحدث تفاعل الأوستنيت إلى البينايت المطلوب، وفق ما تثبته بيانات التحول الزمني-الحراري أو عملية التحقق المعدني. أما في التقسية المارتنسيتية المرحلية، فعادةً ما يُحافَظ على الحوض عند درجة أعلى قليلًا من درجة بدء تشكل المارتنسيت، ويُرمز إليها غالبًا بـ $M_s$، لمدة تكفي لانخفاض الفرق في درجة الحرارة بين السطح والقلب إلى مستوى مقبول. وقد يؤدي المكوث لمدة طويلة جدًا أو عند درجة حرارة منخفضة جدًا إلى تشكل البينايت، مما يُفشل البرنامج المارتنسيتِي المقصود.

ويجب تحديد التحريك من حيث الطريقة والشدة، بدل وصفه بصورة مبهمة بأنه «دوران جيد». إذ يحدد تدفق المضخة، وموضع الدافعة، وحركة قطعة الشغل، وتصميم السلة ما إذا كانت جميع الأسطح تتعرض لحركة مائع متقاربة. وقد تؤدي الحركة المفرطة إلى إتلاف الأجزاء الحساسة أو إدخال الهواء؛ بينما تترك الحركة غير الكافية مناطق راكدة وتزيد فروق التبريد الموضعية. وتحتاج أحواض الملح عادةً إلى تدوير لإزالة الحرارة من الشحنة واستعادة تجانس درجة الحرارة، رغم أن تماسها المباشر يوفر نقلًا أسرع للحرارة من الزيت.

غالبًا ما يُستهان بتأثيرات الشحنة. فقد تتعرض عينة صغيرة مفردة لدرجة حرارة حوض شبه ثابتة، في حين يمكن لسلة إنتاجية أن تخفض درجة حرارة الحوض عند دخولها وأن تُحدث فترة استعادة. وقد تبرد الأجزاء الخارجية من الشحنة المكتظة بصورة مختلفة عن الأجزاء الداخلية، لأن ضيق المسافات يحد من وصول السائل. وينبغي فصل الأجزاء بما يكفي لضمان تماسها مع الحوض ودوران السائل، مع تصميم التجهيزات لمنع التعشيش، وعلامات التلامس، واحتجاز الملح. ويجب أن يطابق نمط الشحنة المستخدم أثناء التأهيل النمط المستخدم في الإنتاج.

كما يسبب قياس درجة الحرارة تفاوتًا. فالمزدوجة الحرارية في الفرن تقيس جو الفرن أو تجهيزًا قريبًا، ولا تقيس بالضرورة قلب الفولاذ. وقد يقرأ متحكم الحوض نقطة قريبة من السخان، بينما تقع أبرد منطقة في مكان آخر. وينبغي استخدام حساسات مستقلة لمسح منطقة التشغيل، كما يمكن للمزدوجات الحرارية المثبتة على أجزاء ممثلة أن تحدد التأخر الحراري الفعلي. وفي المقاطع السميكة، قد تشير مزدوجة حرارية سطحية إلى دخول الجزء إلى الحوض، بينما يظل المركز أكثر سخونة بدرجة كبيرة. وهذا الفرق هو بالضبط ما تهدف التقسية المارتنسيتية المرحلية إلى خفضه قبل تشكل المارتنسيت.

شدة التبريد وزمن النقل

تصف شدة التبريد مدى سرعة إزالة الحرارة من الفولاذ، إلا أن القياس المفيد هو منحنى التبريد الكامل عبر نطاق التحول الحرج. ويسهم كل من تحريك الزيت، وتدوير الملح، ودرجة حرارة الحوض، وهندسة الجزء، وقابلية تصلب الفولاذ في ذلك. فقد يشكل فولاذ عالي قابلية التصلب مارتنسيت عبر مقطع كبير في ظروف تترك درجة فولاذ أقل قابلية للتصلب متحولة جزئيًا إلى البينايت أو البرليت. وتبرد زوايا المقاطع بسرعة، بينما تبرد المراكز الثقيلة ببطء. ولا يستطيع الحوض نفسه ضمان البنية نفسها في مسمار رفيع وترس سميك.

يبدأ تأخر النقل عندما تغادر القطعة فرن الأوستنة وينتهي عند غمر أسطح التشغيل. وخلال هذه الفترة قد يبرد السطح في الهواء، بينما يظل القلب قريبًا من درجة حرارة الأوستنة. كما يتيح التأخر حدوث تحول غير مرغوب فيه في الدرجات الحساسة، ويجعل القطعة الأولى في الدفعة مختلفة حراريًا عن القطعة الأخيرة. وتحد مسارات النقل القصيرة والقابلة للتكرار، وتجهيزات النقل المغطاة، والمناولة المتزامنة من مصدر التفاوت هذا.

وتأتي استعادة الحوض بعد الغمر. فالشحنة الداخلة تزيل الحرارة من الحوض، وقد تتكون مناطق باردة موضعية حول السلة المكتظة. وقد يعرض المتحكم نقطة الضبط، بينما تظل منطقة التشغيل في طور الاستعادة. وينبغي أن يحكم دخول الشحنة التالية حد استعادة محدد، يستند إلى درجة حرارة الحوض المقاسة في موضع الشحنة. ومن دون هذا الحد، قد تتلقى الدفعات المتتالية معدلات تبريد مختلفة رغم تطابق الوصفات الاسمية.

يوضح العمل المنشور عام 1946 بشأن نطاق درجات حرارة تشكل المارتنسيت الغرض من التقسية المارتنسيتية المرحلية: التبريد إلى درجة أعلى قليلًا من نطاق تشكل المارتنسيت، والسماح بتعادل درجات الحرارة، ثم التبريد ببطء أكبر. ويقلل ذلك الإجهادات الحرارية وإجهادات التحول، مما يخفض خطر التشقق والتشوه، مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة عندما يكون الفولاذ والمقطع مناسبين. أما التقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت فتتطلب شرطًا مختلفًا: يجب أن يظل الحوض مستقرًا طوال فترة المكوث اللازمة لتشكل البينايت. وقد أبلغت دراسة أجريت عام 2020 عن التقسية بالتحول الأيزوثرمي قصيرة المدة ومنخفضة الحرارة عن وجود بينايت نانوي، ومارتنسيت، وأوستنيت محتجز، مع معاملات تآكل أقل بنسبة تصل إلى 50% من الفولاذ المارتنسيتِي المقسى، إلا أن هذه النتيجة لا تنتقل تلقائيًا إلى درجة فولاذ أو دورة أخرى.[4][4] Heat Treatment of Steel Raw Materials. SAE International. SAE AMS-H-6875C, 2020.

يغطي SAE AMS-H-6875C (2020) أربع فئات من الفولاذ، ويسمح بالتقسية بالتحول الأيزوثرمي إلى البينايت، والتقسية بطريقة Ausbay، والتقسية المارتنسيتية المرحلية عند تحديد ذلك. ولذلك يعتمد الامتثال على درجة الفولاذ، والبرنامج، والمعدات، والتحقق، لا على اسم الحوض وحده. وتلزم سجلات درجات الحرارة، وسجلات أزمنة النقل، وتكوين الشحنة، ومسوح الحوض، واختبارات الصلادة، وفحص الأبعاد، والفحص المعدني، لإثبات أن التحول المقصود قد حدث فعلًا.

التقسية المرحلية المعدلة وحدودها الفاصلة عن التقسية الأوستيمبرية

التقسية المرحلية القياسية مقابل التقسية المرحلية المعدلة

تعمل كلٌّ من التقسية المرحلية والتقسية الأوستيمبرية على إيقاف الهبوط المباشر من درجة حرارة الأوستنة إلى درجة حرارة الغرفة، لكنهما تفعلان ذلك لأسباب ميتالورجية مختلفة. فالتقسية الأوستيمبرية مصممة لإنتاج البينايت، بينما تهدف التقسية المرحلية إلى تقليل فروق درجات الحرارة قبل تكوّن المارتنسيت، مما يحد من التشوه والتشقق الناتج عن التبريد السريع.

في التقسية المرحلية القياسية، يُبرَّد الفولاذ المُؤوستن في الزيت أو في ملح منصهر محفوظ عند درجة أعلى بقليل من درجة بدء تكوّن المارتنسيت في الفولاذ، أو Ms. وتبقى القطعة في ذلك الحمام مدة تكفي فقط لاقتراب سطحها ولبّها من درجة حرارة متماثلة. ثم تُبرَّد عبر نطاق التحول المارتنسيتي، عادةً بالتبريد الهوائي. وبما أن المارتنسيت يتكوّن أثناء خطوة التبريد النهائية هذه، فيجب أن تتبع العمليةَ عمليةُ مراجعة قبل وضع القطعة في الخدمة. ويصف دليل موضوعات المعالجة الحرارية الصادر عن ASM International عام 2020 هذا التسلسل بأنه إبقاء القطعة عند درجة أعلى بقليل من Ms، ثم معادلة درجات الحرارة، ثم التبريد الهوائي لتكوين المارتنسيت، وأخيرًا إجراء المراجعة.

لا تُختار درجة الحرارة من جدول شامل يصلح لجميع الحالات. إذ تختلف Ms باختلاف محتوى الكربون، والعناصر السبيكية، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وحالة الأوستنيت. فعلى سبيل المثال، قد يمتلك السطح المكربن قيمة Ms أقل بكثير من اللب ذي المحتوى الكربوني المنخفض. كما أن سماكة المقطع مهمة، لأن الحرارة تغادر السطح أسرع من مغادرتها المركز. ولذلك يجب اختيار الحمام بالاستناد إلى بيانات التحول الخاصة بالفولاذ والمكوّن المحددين، لا بالاستناد فقط إلى تسمية اسمية لدرجة الفولاذ.

يحدد المجلد 4A من ASM Handbook (2013) درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن الإبقاء، والتحريك، ومعدل التبريد، بوصفها متغيرات حاكمة في التقسية المرحلية. وتحدد هذه المتغيرات ما إذا كانت القطعة ستتساوى حراريًا بأمان، أو ستبدأ في تكوين البينايت، أو ستتحول جزئيًا إلى المارتنسيت داخل الحمام، أو ستتعرض لإجهاد حراري وإجهاد تحول مفرطين. ويُعد الإبقاء القصير والمحكوم جيدًا عنصرًا أساسيًا في العملية القياسية.

تغيّر التقسية المرحلية المعدلة موضع الإيقاف. ففي وصف SAE للتقسية المرحلية المعدلة، يكون حمام التبريد أسفل Ms، في حين تستخدم التقسية المرحلية القياسية حمامًا أعلى من Ms. ولا يمثل هذا الفرق تعديلًا طفيفًا لعملية متماثلة في سائر جوانبها، بل يغيّر وقت بدء تكوّن المارتنسيت، كما يغيّر المسار الحراري ومسار التحول اللذين تتعرض لهما القطعة.

قد يؤدي الحمام الواقع أسفل Ms إلى بدء تكوّن المارتنسيت بينما لا يزال الفولاذ مغمورًا. فالقطعة لا تُبرَّد ببساطة إلى درجة حرارة معادلة أقل قبل حدوث تحول لاحق؛ إذ قد يتحول جزء من الأوستنيت أثناء الإبقاء في الحمام، بينما يتحول الجزء المتبقي أثناء التبريد اللاحق. وتعتمد النسب الناتجة على قابلية الفولاذ للتقسية، ودرجة حرارة الحمام الفعلية، والزمن داخل الحمام، وتوزيع درجات الحرارة عبر المقطع.

يغطي المعيار SAE AMS-H-6875C (2020)، المعالجة الحرارية للمواد الخام الفولاذية، أربع فئات من الفولاذ، ويسمح بالتقسية الأوستيمبرية، والتبريد السريع بطريقة الأوسباي، والتقسية المرحلية عند تحديد ذلك. ولا يجعل هذا السماح العمليات قابلة للتبادل. فلا يزال يتعين على مواصفة العملية أو الرسم أو متطلبات المشتري تحديد الجدول المقصود ومعايير الفحص. وقد لا تكون عبارة «مقسى مرحليًا» وحدها كافية إذا كانت التقسية المرحلية المعدلة هي المقصودة.

لماذا يغيّر الحمام الواقع أسفل Ms مسار التحول

تمثل Ms البداية التقريبية لتحول الأوستنيت إلى مارتنسيت دون انتشار ذري أثناء التبريد. ولا تعني أن كل الأوستنيت يتحول فورًا إلى مارتنسيت عند درجة حرارة ثابتة واحدة. فالتحول يتقدم عبر مجال من درجات الحرارة، وتعتمد الكمية المتكوّنة أساسًا على مدى تبريد الفولاذ إلى ما دون Ms. وقد يكون لزمن الإبقاء تأثير غير مباشر أيضًا، إذ يتيح للقطعة أن تتساوى حراريًا بينما يستمر التحول وفقًا لدرجة الحرارة المحلية.

ومن ثم فإن وضع الحمام أسفل Ms يسمح للقطعة بدخول النطاق المارتنسيتي قبل أن تتساوى درجة حرارتها بالكامل. وقد يقلل ذلك فرق درجات الحرارة بين السطح واللب في مرحلة لاحقة، لكنه يحدث في الوقت نفسه الذي يتطور فيه انفعال التحول. وتؤخر التقسية المرحلية القياسية معظم تكوّن المارتنسيت إلى ما بعد المعادلة الحرارية، بينما تقبل التقسية المرحلية المعدلة بدء التحول في وقت أبكر لتحقيق توازن مختلف بين التدرجات الحرارية، وإجهادات التحول، والأوستنيت المحتجز.

يتحدد الحد الفاصل مع التقسية الأوستيمبرية بنوع تحول الطور المقصود أثناء الإبقاء. إذ تُبرَّد القطعة الفولاذية المؤوستنة سريعًا إلى نطاق من درجات الحرارة يمكن أن يتكوّن فيه البينايت، ثم تُبقى فيه حتى يتحول الأوستنيت المطلوب. وتصف دراسة أجريت عام 2013 على الفولاذ AISI 52100 التقسية الأوستيمبرية بأنها تبريد سريع في وسط محفوظ عند نحو 200 إلى 400 °C، ثم إبقاء القطعة حتى يتكوّن البينايت. كما تميز دراسة نُشرت في ACS Omega عام 2024 بين التقسية الأوستيمبرية، التي يتم فيها الإبقاء عند درجة حرارة التحول البينايتي، والتقسية المرحلية، التي يتم فيها الإبقاء لفترة وجيزة عند درجة أعلى بقليل من Ms قبل التبريد الهوائي لتكوين المارتنسيت.

قد تتداخل نطاقات درجات الحرارة في بعض أنواع الفولاذ، ولذلك لا يمكن لدرجة حرارة الحمام وحدها أن تحدد اسم العملية. فقد ينتج حمام عند 300 °C البينايت في إحدى درجات الفولاذ، والمارتنسيت في درجة أخرى، أو بنية مختلطة إذا كان زمن الإبقاء قصيرًا جدًا أو تداخلت منحنيات التحول. وتأتي الأدلة ذات الصلة من سلوك الفولاذ وفق مخططات التحول الزمني-الحراري أو التحول بالتبريد المستمر، ومن التحقق الميتالوجرافي.

أفادت دراسة أجريت عام 2020 عن التقسية الأوستيمبرية قصيرة المدة ومنخفضة الحرارة لفولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون بتكوّن بينايت نانوي، ومارتنسيت، وأوستنيت محتجز. وكانت معاملات التآكل أقل بما يصل إلى 50% من مثيلاتها في الفولاذ المارتنسيتي المقسى، لكن هذه النتيجة تخص التركيب والهندسة وجدول المعالجة التي اختُبرت. ولا يمكن نقلها تلقائيًا إلى مكوّن مقسى مرحليًا.

يمكن أن تقلل التقسية الأوستيمبرية التشوه، لأن البينايت يتكوّن عند درجة حرارة ثابتة نسبيًا بدلًا من تكوّنه أثناء تدرج حراري غير محكوم. وفي عينات من AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربنة، وجدت دراسة لـ SAE نُشرت عام 2013 تشوهًا أقل بكثير في العينات المكربنة والمقساة أوستيمبريًا مقارنة بالعينات المكربنة والمقساة بالتبريد السريع ثم المراجعة؛ وكانت درجات حرارة التقسية الأوستيمبرية المبلغ عنها 260 و288 و304 °C. ويمثل ذلك دليلًا على مجموعة محددة من أنواع الفولاذ المكربن، وليس إثباتًا لأن كل جزء مقسى أوستيمبريًا سيتشوه بدرجة أقل.

تجنب التكوّن العرضي للبينايت

تُختار التقسية المرحلية المعدلة جزئيًا لإبقاء القطعة خارج المنطقة المكوِّنة للبينايت أثناء الإيقاف. ويجب أن يكون الحمام أسفل Ms، وأن يكون موضعه أيضًا بحيث لا يتيح زمن الإبقاء تكوّن البينايت بكمية كافية. فإذا وقع الحمام ضمن نطاق من درجات الحرارة يمتلك فيه الفولاذ حركية بينايتية ملحوظة، أو إذا كان النقل والإبقاء بطيئين، فقد تحتوي البنية على البينايت رغم تسمية العملية بالتقسية المرحلية.

ولهذا السبب، لا تعني كلمة «معدلة» ببساطة «استخدم حمامًا أبرد». إذ يجب أن يحدد جدول المعالجة ظروف الأوستنة، وزمن النقل، ودرجة حرارة الحمام، والتحريك، وزمن الإبقاء المسموح به، وطريقة التبريد، ومعالجة المراجعة. كما يجب قياس درجة حرارة الحمام عند موضع القطعة، لا افتراضها من إعدادات الفرن أو وعاء الملح. وقد يؤدي حجم الحمولة ودوران الملح إلى فروق موضعية كبيرة بما يكفي لتغيير مسار التحول.

ويحتاج المشغّل أيضًا إلى معرفة قابلية الفولاذ للتقسية وحدود حجم المقطع. فقد يكوّن الفولاذ ذو القابلية المنخفضة للتقسية البرليت أو البينايت في اللب قبل وصول القطعة إلى المسار المارتنسيتي المقصود. أما الفولاذ ذو القابلية العالية للتقسية فقد يحتفظ بكمية كبيرة من الأوستنيت بعد التبريد، ولا سيما عندما يؤدي الإثراء بالكربون أو الكربنة إلى خفض Ms. وتعمل المراجعة بعد ذلك على تقليل هشاشة المارتنسيت وتخفيف إجهاد التحول، لكنها لا تزيل البينايت الذي تكوّن أثناء إبقاء غير مناسب.

ينبغي أن يجمع التحقق بين رسم خرائط الصلادة، والفحص الميتالوجرافي، وفحص الأبعاد، وقياس الأوستنيت المحتجز عند الحاجة. فقيمة صلادة السطح وحدها لا تستطيع تمييز البنية المارتنسيتية بالكامل من بنية مارتنسيتية-بينايتية مختلطة في كل مكوّن. ولذلك يتحدد الحد الفاصل العملي من خلال الجدول الحراري المحدد والطور أو الأطوار المتكوّنة فعليًا، لا من خلال تسمية الحمام.

درجات الفولاذ، وقابلية التصلد، وحجم المقطع

تحدد درجة الفولاذ ما إذا كان جدول المعالجة المقترح بالتحويل الأيزوثرمي إلى البينيت أو بالتبريد المرحلي المارتيمبري يمكنه إنتاج البنية المطلوبة في جميع أنحاء الجزء. ويتحكم محتوى الكربون في كمية المارتنسيت التي يمكن أن تتكون، بينما تُزيح عناصر السبك، مثل الكروم والمنغنيز والنيكل والموليبدينوم وغيرها، منحنيات التحول وتزيد قابلية التصلد. ويحدد حجم المقطع بعد ذلك مدى قرب مركز قطعة الشغل من متابعة درجة حرارة الحمام. فقد يسمح جدولٌ ينجح مع عينة اختبار صغيرة بتكوّن البرليت أو الفريت أو البينيت العلوي في مركز مكوّن أكبر قبل اكتمال التحول المطلوب.

ويظل التمييز بين المعالجتين ضرورياً. ففي المعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت، يُحافَظ على الفولاذ المؤستنَت ضمن مجال تحول البينيت إلى أن تتحول النسبة المحددة من الأوستنيت إلى بينيت. أما في التبريد المرحلي المارتيمبري، فيُوقَف التبريد مباشرة فوق درجة بدء تكوّن المارتنسيت، ويُسمح للمقطع بأن يتعادل حرارياً، ثم يُبرَّد خلال مرحلة تكوّن المارتنسيت. ويجب بعد ذلك إجراء مراجعة للمُنتَج المارتنسيتي قبل دخوله الخدمة. ولا تحدد درجة حرارة الحمام وحدها نوع العملية؛ بل يحدده مسار التحول والأطوار الناتجة.

اعتبارات AISI 52100 وفولاذ المحامل

يُعد AISI 52100 فولاذ محامل عالي الكربون والكروم، ويُحدد عادةً بالرمز UNS G52986. ويبلغ تركيبه الاسمي تقريباً 1.00% وزناً من الكربون و1.5% وزناً من الكروم، مع أن مواصفة المادة المعمول بها هي التي تحدد المجال المسموح به ومتطلبات النظافة المعدنية. ويمنح هذا التركيب فولاذ 52100 صلادة عالية قابلة للتحقيق ومقاومة قوية للتآكل بعد التصلد، لكنه يجعل الأوستنيت المتبقي، وإذابة الكربيدات، وإجهادات التبريد، والتغيرات البُعدية أموراً مهمة يجب أخذها في الاعتبار.

تصف إحدى الدراسات الخاصة بـ AISI 52100 المعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت بأنها تبريد سريع من درجة حرارة الأوستنة إلى وسط محفوظ عند نحو 200 إلى 400 °C، مع التثبيت إلى أن يتكون البينيت. ويمثل هذا المجال تعريفاً لممارسة المعالجة الأيزوثرمية التي شملتها الدراسة، وليس نطاقاً حرارياً شاملاً ينطبق على كل مقطع من المحامل أو على كل مورفولوجيا مرغوبة للبينيت. فعند الجزء الأدنى من هذا المجال يكون التحول أبطأ وقد يكون الناتج أدق؛ أما عند درجات الحرارة الأعلى فقد يتقدم التحول بسرعة أكبر، لكنه قد ينتج بينيت أخشن. ويجب أن تراعي درجة الحرارة المختارة أيضاً سلوك الفولاذ في التحول المعتمد على الزمن ودرجة الحرارة، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وحالة الكربيدات، وسماكة المقطع.

وتفرض تطبيقات المحامل متطلبات تتجاوز الصلادة الاسمية. إذ يتأثر إجهاد الكلال الناتج عن التلامس التدحرجي بالشوائب غير المعدنية، وتوزيع الكربيدات، والأوستنيت المتبقي، والإجهادات المتبقية، وتشطيب السطح، والاختلافات الموضعية في التحول. فالسطح الذي يصل إلى البنية البينيتية المطلوبة بينما يحتوي القلب على البرليت لا يمثل مكوّن محمل معالَجاً أيزوثرمياً بنجاح. وبالمثل، قد يكون تشوه جزء من 52100 عولج بالتبريد المرحلي المارتيمبري أقل مقارنةً بالتبريد المباشر في الزيت، لكنه يظل محتوياً على مارتنسيت غير مُراجَع مباشرة بعد التبريد، ويتطلب إجراء المراجعة. كما تقلل المراجعة من الهشاشة وتثبت الأبعاد، مع أن درجة الحرارة المختارة يجب أن تحافظ على الصلادة المطلوبة وأداء الكلال الناتج عن التلامس.

يمكن لحلقة صغيرة من 52100 أن تتعادل حرارياً بسرعة في حمام ملحي، مما يسمح للمقطع العرضي بأكمله بدخول مجال البينيت قبل حدوث تحول كبير. أما الحلقة الأكبر أو الأسطوانة الدوارة أو مجرى المحمل فقد تكون استجابة مركزها أبطأ بكثير. وقد يبدأ السطح في التحول بينما يظل القلب يبرد عبر مجال حراري مختلف. ولذلك لا يمكن اختيار زمن التثبيت من القطر وحده؛ بل يجب ربطه بأبطأ موضع ذي صلة، والتحقق منه بالصلادة، والفحص المعدني، والقياس البُعدي، وتحليل الأوستنيت المتبقي عند الضرورة.

AISI 8620 و8822 و4320 المكربنة

تطرح الفولاذات منخفضة السبك المكربنة مشكلة ذات منطقتين. إذ ترفع عملية الكربنة محتوى الكربون عند السطح، بينما تترك القلب عند مستوى كربون أقل. ولذلك يتمتع الغلاف بقابلية تصلد أكبر وإمكان أعلى لتكوّن المارتنسيت مقارنةً بالقلب، لكن يجب أن تتبع المنطقتان دورة حرارية متوافقة. كما تغير تدرجات الكربون درجة بدء تكوّن المارتنسيت؛ إذ يبدأ الغلاف الأعلى كربوناً عموماً التحول المارتنسيتي عند درجة حرارة أقل من القلب الأقل كربوناً. ولا يحدث التحول في الوقت نفسه عبر المقطع.

استخدمت الأبحاث المنشورة حول AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربنة درجات حرارة للمعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت مقدارها 260 و288 و304 °C. وأظهرت العينات المكربنة والمعالَجة أيزوثرمياً إلى البينيت تشوهاً أقل بكثير من العينات المكربنة والمبرَّدة والمراجَعة في تلك التجارب. وتدعم هذه النتيجة آلية محددة، ولا تمثل ادعاءً شاملاً. فالمعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت تستبدل الصدمة الحرارية وصدمة التحول الشديدتين وغير المتجانستين الناتجتين عن التبريد المباشر بتحول أيزوثرمي مضبوط، مما يقلل الفارق في التمدد والانكماش بين الغلاف والقلب. لكنها لا تلغي التشوه، ولا يمكن نقل النتيجة المذكورة تلقائياً إلى هندسة ترس أخرى، أو عمق غلاف آخر، أو جهد كربنة مختلف، أو دفعة فولاذ أخرى.

يحتوي AISI 8620، المصنف بالرمز UNS G86200، على النيكل والكروم والموليبدينوم بكميات تدعم قابلية تصلد القلب بعد الكربنة. أما AISI 8822، المصنف بالرمز UNS G88220، فله تصميم سبائكي يحتوي على النيكل بنسبة أعلى من 8620، ويُختار لتحقيق توازن مختلف بين استجابة الغلاف والقلب. ويُعد AISI 4320، المصنف بالرمز UNS G43200، أيضاً فولاذ كربنة من النيكل والكروم والموليبدينوم. ويجب أخذ التركيب الكيميائي الدقيق من المواصفة الحاكمة، لأن الفروق الصغيرة في الكربون والمنغنيز والنيكل والكروم والموليبدينوم قد تُزيح أزمنة بدء التحول وانتهائه.

وتُعد العلاقة بين الغلاف والقلب حاسمة. فإذا افتقر القلب إلى قابلية التصلد الكافية، فقد يتكون البرليت أو الفريت أثناء النقل أو التثبيت، حتى في الوقت الذي يكوّن فيه الغلاف المكربن البينيت أو المارتنسيت لاحقاً. وإذا كان تثبيت المعالجة الأيزوثرمية طويلاً بما يكفي للقلب لكنه مفرطاً بالنسبة إلى حالة الغلاف المختارة، فقد يكوّن الغلاف مورفولوجيا غير مرغوبة أو كمية مفرطة من الأوستنيت المتبقي. وفي التبريد المرحلي المارتيمبري، يجب أن يظل الحمام أعلى من مجال بدء تكوّن المارتنسيت ذي الصلة أثناء التعادل الحراري؛ وبعد التبريد بالهواء، يتحول الغلاف والقلب عبر مجالين حراريين مختلفين، ويجب إجراء المراجعة لكليهما.

السماكة، وتدرجات الكربون، واستجابة السبائك

لا يمثل التبريد منحنى واحداً في المكوّن الحقيقي. فقد تقترب سِنٌّ رقيقة، أو دبوس صغير، أو حلقة محمل ضيقة من درجة حرارة الحمام بسرعة، بينما يظل مركز كتلة ترس سميكة أو عمود أكثر سخونة بدرجة ملحوظة. كما تغير شدة التحريك، وترتيب الحمولة، ودوران الحمام، وحالة السطح، والتلامس مع التجهيزات معدل انتقال الحرارة. ويحدد ASM Handbook Volume 4A درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن التثبيت، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم في التبريد المرحلي المارتيمبري. وتنطبق هذه المتغيرات على ضبط العملية، وليس على قابلية تكرارها في المختبر فحسب.

قابلية التصلُّبقابلية التصلُّب قدرة الفولاذ على تكوين بنية مارتنسيتية والاحتفاظ بها إلى عمق معين في ظل حالة تبريد محددة؛ وهي ليست مماثلة للصلادة.

تحدد قابلية التصلد ما إذا كان القلب يستطيع تجنب نواتج التحول غير المرغوبة أثناء التبريد. وهي تختلف عن الصلادة. فالصلادة تصف المقاومة المقاسة في موضع معين؛ أما قابلية التصلد فتصف العمق أو المقطع الذي يمكن للفولاذ أن يكوّن عبره بنية مارتنسيتية في ظل حالة تبريد معينة. وتؤخر عناصر السبك، مثل المنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم، عموماً تفاعلات البرليت والبينيت، مما يمنح المركز وقتاً أطول للوصول إلى مجال التحول المقصود. لكنها لا تضمن نتائج متجانسة، لأن حجم حبيبات الأوستنيت، والمعالجة السابقة، وتدرجات الكربون تؤثر أيضاً في الحركية.

في المعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت، يجب أن يصل أبطأ موضع إلى مجال البينيت من دون أن يعبر أولاً أنف البرليت في منحنى تبريده. ثم يجب أن يزيل الحمام الحرارة بسرعة كافية لكبح التحولات غير المرغوبة، مع بقائه مضبوطاً بما يكفي لمنع حدوث فروق كبيرة في درجات الحرارة داخل الجزء. وفي التبريد المرحلي المارتيمبري، يجب أن يقترب المقطع بأكمله من درجة حرارة أعلى بقليل من درجة بدء تكوّن المارتنسيت قبل تبريد قطعة الشغل عبر المجال المارتنسيتي. وقد يتحول مقطع سميك لم يتعادل حرارياً عند سطحه بينما لا يزال قلبه ينكمش حرارياً، مما يزيد الإجهاد الداخلي والتشوه.

ولا تحل المعايير محل هذا التحليل. فالمعيار SAE AMS-H-6875C، Heat Treatment of Steel Raw Materials، يغطي أربع فئات من الفولاذ، ويسمح بالمعالجة الأيزوثرمية إلى البينيت، والتبريد المرحلي في حمام، والتبريد المرحلي المارتيمبري عند تحديد ذلك. ولذلك يجب قراءة المواصفة والرسم ودرجة الفولاذ وحجم المقطع والإجراء المعتمد معاً. وينبغي أن يشمل التحقق قياس عمق الغلاف للأجزاء المكربنة، وقياس صلادة القلب والسطح، وفحص البنية المجهرية في مواضع متعددة، والفحص البُعدي، والتحقق من الأوستنيت المتبقي أو تشققات التبريد عندما تقتضي ذلك طبيعة التطبيق. ولا يمكن لملصق الحمام أن يثبت أن المركز اتبع جدول التحول المطلوب.

إطار المواصفات: AMS-H-6875C وتوثيق العمليات

تحدد المواصفة SAE AMS-H-6875C، المعالجة الحرارية للمواد الخام الفولاذية، متطلبات المعالجة الحرارية لأربع فئات من الفولاذ. وتكمن أهميتها في الجانب الإجرائي؛ إذ تتيح الوثيقة استخدام التقسية الأوستيمبرية، والتقسية بطريقة أوسباي، والمارتيمبرينغ عندما تنص مواصفة المادة أو الجزء المعنية على أحد هذه الجداول. غير أن هذا السماح لا يعني اعتماد كل درجة حرارة لحوض الملح، أو كل مدة انتقال، أو زمن مكوث، أو ممارسة تبريد. فلا يزال يتعين على المشتري أو الجهة المسؤولة عن التصميم أو مواصفة المادة الحاكمة تحديد الدورة المطلوبة ومعايير القبول.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية لأن هذه العمليات لا تنتج نواتج تحول متماثلة. ففي التقسية الأوستيمبرية، يُنقل الفولاذ المؤستن بسرعة إلى نطاق من درجات الحرارة يمكن أن يتشكل فيه البينيت، ثم يُحفظ عند تلك الدرجة حتى يكتمل تحول الأوستينيت إلى البينيت بالقدر المطلوب إلى حد كبير. وقد وصفت دراسة أجريت عام 2013 على AISI 52100 وسط التقسية الأوستيمبرية بأنه يُحافظ عليه عند نحو 200 إلى 400 °C إلى أن يتشكل البينيت. ويتوقف النطاق الدقيق على التركيب الكيميائي للفولاذ، وحجم المقطع، وقابلية التقسية، ومورفولوجيا البينيت المطلوبة.

أما المارتيمبرينغ فله هدف مختلف. إذ تُقسى قطعة العمل في الزيت أو الملح المنصهر المحفوظ عند درجة أعلى بقليل من درجة بدء تشكل المارتنسيت، التي يُرمز إليها عادةً بـ $M_s$، وتبقى هناك فقط للمدة الكافية لمعادلة درجة الحرارة عبر المقطع. ثم تُبرَّد خلال نطاق المارتنسيت، وغالباً في الهواء. ويتشكل المارتنسيت أثناء التبريد اللاحق، لا أثناء فترة المكوث اللازمة للمعادلة الحرارية. وتصبح المراجعة الحرارية ضرورية قبل الخدمة، لأن المارتنسيت الناتج بعد التقسية مباشرةً يحتوي على إجهاد متبقٍّ مرتفع وقد يكون هشاً بدرجة مفرطة. ويحدد ASM Handbook Volume 4A الصادر عن ASM International عام 2013 درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحوض، وزمن المكوث، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم في المارتيمبرينغ.

وتُعد التقسية بطريقة أوسباي أيضاً مساراً محدداً للتقسية المتقطعة، لكن لا يجوز اعتبار استخدامها مرادفاً للتقسية الأوستيمبرية. فالاسم يصف مسار التقسية وترتيب الحوض؛ أما الأطوار الناتجة فتعتمد على حركية التحول في الفولاذ وعلى التاريخ الفعلي للزمن ودرجة الحرارة. ولذلك يجب أن توضح وثيقة العملية ما إذا كانت البنية المقصودة هي البينيت، أو المارتنسيت الناتج بعد المعادلة الحرارية، أو نتيجة أخرى تسمح بها المواصفة الحاكمة.

ما الذي تغطيه AMS-H-6875C

توفر AMS-H-6875C إطاراً عاماً للمعالجة الحرارية للمواد الخام الفولاذية، بدلاً من وصفة شاملة لكل نوع فولاذ وكل شكل هندسي. وهي تتناول المتطلبات المرتبطة بعمليات مثل التسخين، والأوستنة، والتقسية، والتبريد، والمراجعة الحرارية، والفحص. وتغطي الوثيقة أربع فئات من الفولاذ، وتسمح بثلاثة جداول بديلة—التقسية الأوستيمبرية، والتقسية بطريقة أوسباي، والمارتيمبرينغ—عندما تحددها المتطلبات الهندسية أو متطلبات المادة الحاكمة.

وتلك الصياغة مهمة. فقد تعترف المواصفة بعملية ما دون أن تجعلها مقبولة لجزء بعينه. فعلى سبيل المثال، قد تتمتع درجة فولاذ منخفض السبيكة مخصصة للكربنة بقابلية تقسية كافية لتكوين لب بينيتي عند سمك مقطع معين، في حين قد لا يتحول مقطع أكبر من درجة أخرى تحولاً كاملاً أثناء فترة المكوث نفسها في الحوض. وقد أظهرت عينات مكربنة من AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 تشوهاً أقل بدرجة ملحوظة بعد التقسية الأوستيمبرية مقارنةً بالكربنة والتقسية والمراجعة الحرارية التقليدية، وذلك في دراسة SAE 2013-01-0949. واستخدمت التجارب درجات حرارة تقسية أوستيمبرية بلغت 260 و288 و304 °C. وتدعم هذه النتائج اختيار العملية في الظروف المختبرة، لكنها لا تحدد هذه الدرجات الحرارية لكل مكوّن.

ولذلك ينبغي أن تحدد المواصفة التي تستند إلى AMS-H-6875C تعيين المادة وحالتها، ومسار المعالجة الحرارية المسموح به، وأي متطلبات تكميلية. ويتحكم التركيب الكيميائي للدرجة في بدء وانتهاء التحول البينيتي، ودرجة حرارة $M_s$، وقابلية التقسية، وسلوك الأوستينيت المحتجز، والاستجابة للمراجعة الحرارية. كما يتحكم سمك المقطع وشكله في تدرج درجة الحرارة والزمن اللازم ليتبع القلبُ السطحَ إلى داخل الحوض.

متى يُسمح بالتقسية الأوستيمبرية أو التقسية بطريقة أوسباي أو المارتيمبرينغ

لا يُسمح بالتقسية الأوستيمبرية إلا عندما تختارها المواصفة المعنية صراحةً أو تقبلها بوصفها مساراً بديلاً. ويجب أن تكون فترة المكوث طويلة بما يكفي لتحقيق التحول البينيتي المطلوب، وفقاً لما يثبته التأهيل أو إجراء مُعتمد للزمن ودرجة الحرارة. وقد يؤدي الإيقاف المبكر إلى بقاء المارتنسيت والأوستينيت المحتجز مختلطين بالبينيت. وأفادت دراسة أجريت عام 2020 عن التقسية الأوستيمبرية قصيرة المدة ومنخفضة الحرارة لفولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون بتكوّن البينيت النانوي والمارتنسيت والأوستينيت المحتجز معاً؛ كما كانت معاملات التآكل أقل بما يصل إلى 50% من مثيلاتها في الفولاذ المارتنسيتي المقسى، في ظروف الاختبار الخاصة بالدراسة. وتوضح هذه البنية المختلطة سبب عدم كفاية عبارة «مقسى أوستيمبرياً» وحدها بوصفها بيان قبول.

ويُسمح بالمارتيمبرينغ عندما ينص المتطلب الحاكم على التقسية المتقطعة لتقليل الإجهاد الحراري وإجهاد التحول. ويجب أن يظل الحوض فوق $M_s$ أثناء مرحلة المعادلة، كما يجب ألا تمتد فترة المكوث إلى نطاق تحول بينيتي غير مقصود، ما لم تكن تلك البنية مسموحاً بها. وقد وصفت دراسة أجريت عام 1946 عن نطاق درجات حرارة تشكل المارتنسيت الغرض الأساسي من العملية: التبريد إلى درجة أعلى بقليل من نطاق تشكل المارتنسيت، ثم إجراء المعادلة، ثم التبريد ببطء أكبر خلال ذلك النطاق. ويمكن تقليل التشقق والتشوه، إلا أن الصلادة تظل معتمدة على اكتمال تحول المارتنسيت، وقابلية تقسية الفولاذ، والمراجعة الحرارية اللاحقة.

ويجب كذلك ربط التقسية بطريقة أوسباي بمواصفة محددة وبشروط حوض مضبوطة. فاسم العملية وحده لا يحدد التركيب الطوري. فعلى سبيل المثال، يمكن لحوض يقع تحت $M_s$ أن يبدأ تشكل المارتنسيت أثناء الغمر، في حين يدعم الحوض الواقع فوق $M_s$ مبدأ المعادلة المرتبط بالمارتيمبرينغ التقليدي. ويجب أن تحسم المواصفة هذا الاختلاف.

ما الذي يجب أن تحدده مواصفة العملية

تبدأ مواصفة العملية القابلة للاستخدام بتحديد درجة الفولاذ والمعيار بدقة، بما في ذلك شكل المنتج، والحالة السابقة، وحالة الكربنة أو نزع الكربون حيثما كان ذلك ذا صلة. ثم تحدد المسار المختار: التقسية الأوستيمبرية، أو التقسية بطريقة أوسباي، أو المارتيمبرينغ، أو التقسية والمراجعة الحرارية التقليدية.

وينبغي أن تتضمن تعليمات الأوستنة نوع الفرن أو الغلاف الجوي عند خضوعه للتحكم، ودرجة الحرارة المستهدفة، والنطاق المسموح به، وطريقة التسخين، وزمن النقع أو المعادلة. وتُعد عبارة «سخّن حتى الأوستنة» غير كافية للتحكم في الإنتاج. كما ينبغي أن توضح الوثيقة ما إذا كان الزمن يُقاس بعد استعادة الفرن لدرجة حرارته، أو بعد معادلة الحمولة، أو منذ إدخالها.

وتحتاج متطلبات الحوض إلى الدرجة نفسها من الدقة. وينبغي أن تحدد الوسط—زيتاً، أو ملحاً من النترات/النتريت، أو بوليمراً مائياً، أو وسطاً آخر معتمداً—إضافةً إلى درجة حرارة التشغيل، والتباين المسموح به، وحجم الحوض أو نسبة التحميل عند الاقتضاء، واتجاه التحريك وشدته، وتواتر المراقبة. وقد أكدت دراسة أجريت عام 2024 في ACS Omega، واستخدمت مخاليط أملاح منصهرة من Ca(NO₃)₂–KNO₃، اختلاف مسارات التحول الناتجة عن مكوث بينيتي ومكوث قصير فوق $M_s$. ولذلك فإن كيمياء الملح متغير من متغيرات العملية، وليست مجرد تفصيل متعلق بالوعاء.

ويجب تحديد زمن الانتقال من الفرن إلى الحوض بقيمة قصوى، مع تعريف نقاط القياس. كما ينبغي أن تحدد المواصفة وضعية الغمر، والتحريك أثناء الإدخال، وزمن المكوث في الحوض، ومعيار إنهاء فترة المكوث. وفي التقسية الأوستيمبرية قد يكون ذلك زمناً مؤهلاً يكفي لتحقيق الجزء المطلوب من البينيت. أما في المارتيمبرينغ، فعادةً ما يكون الزمن اللازم لمعادلة درجة الحرارة دون السماح بتشكل بينيت غير مقبول.

ويجب تحديد التبريد بعد فترة المكوث: تبريداً في الهواء، أو في هواء ساكن، أو بهواء قسري، أو بطريقة أخرى معتمدة، بما في ذلك درجة الحرارة التي تُخرج عندها القطعة من الحوض. وينبغي أن تحدد متطلبات المراجعة الحرارية الحد الأدنى للتأخير بعد التقسية، ودرجة حرارة المراجعة، والزمن عند تلك الدرجة، وعدد الدورات، وتجانس الفرن، وطريقة التبريد. ولا يجوز أن يدخل الفولاذ المقسى بطريقة المارتيمبرينغ إلى الخدمة من دون إجراء المراجعة الحرارية المحدد.

وأخيراً، يجب أن تكون معايير القبول قابلة للقياس. وينبغي أن تحدد الوثيقة مواضع قياس الصلادة وحدودها، والتباين المسموح به في الصلادة، والبنية المجهرية المطلوبة والمكونات المحظورة، وحدود الأوستينيت المحتجز عند الاقتضاء، وحالة السطح، والقبول الأبعادي. كما تحتاج قياسات التشوه إلى مراجع هندسية، وأجهزة قياس، وتواتر أخذ العينات، وأقصى تغير مسموح به. وينبغي أن تربط سجلات التأهيل مخططات الفرن، وسجلات درجة حرارة الحوض، وسجلات زمن الانتقال، ونتائج الصلادة، والفحوصات الميتالوجرافية، والتقارير الأبعادية بالدفعة وبدرجة الفولاذ المحددة بدقة. ومن دون هذا السجل، يظل الجدول المسموح به اسمياً عملية غير مضبوطة، لا دليلاً على المطابقة.

تصميم دورة المعالجة: من بيانات التحول إلى معلمات التشغيل في المصنع

تبدأ الدورة السليمة بالفولاذ والقطعة، لا بدرجة حرارة حمام مألوفة. سجّل النوع، والتركيب الكيميائي، والمعالجة الحرارية السابقة، وسماكة المقطع، والشكل، وحالة السطح، والخواص المطلوبة. ففولاذ المحامل AISI 52100، والفولاذ المكربن AISI 8620، والفولاذ منخفض السبيكة متوسط الكربون لا تتشارك في حركية التحول نفسها، حتى عندما تلائم أجزاؤها خزان الملح نفسه. كما أن الحالة السابقة مهمة؛ إذ يمكن لحجم حبيبات الأوستنيت السابق الخشن، والكربيدات غير المنحلة، وعمق الطبقة المكربنة، والانفصال الكيميائي أن تغيّر قابلية التصلب، وزمن التحول، والاستجابة البعدية.

يحدد ناتج الطور المطلوب اتجاه المعالجة. يجب أن تضع المعالجة بالتقسية المرحلية في حمام ساخن الفولاذ ضمن نطاق حراري يتكوّن فيه البينايت، ثم تُبقيه فيه إلى أن يتحول الحجم المحدد من الأوستنيت. أما التقسية المارتنسيتية المرحلية فتوقف التبريد فوق درجة بدء تكوّن المارتنسيت بقليل، وتُعادل درجة الحرارة عبر المقطع، ثم تتيح تكوّن المارتنسيت أثناء التبريد المنضبط. وتتطلب هذه الطريقة الأخيرة إجراء المراجعة الحرارية قبل وضع القطعة في الخدمة. فاسم الحمام وحده لا يحدد العملية.

ينبغي أن تحدد بيانات التحول درجة بدء تكوّن المارتنسيت، ونطاق انتهاء تكوّنه، ودرجة بدء تكوّن البينايت، والزمن اللازم لتجنب تكوّن البرليت أو الفريت. وتوفر مخططات التحول أثناء التبريد المستمر ومخططات التحول زمن–درجة الحرارة تقديراً أولياً، لكنها لا تغني عن إجراء تجارب على النوع والحالة الفعليين للفولاذ. فمحتوى الكربون، والعناصر السبائكية، وحجم حبيبات الأوستنيت، وكيمياء الطبقة المكربنة، كلها تؤدي إلى إزاحة المنحنيات. وعندئذ يطابق مصمم العملية نافذة التحول مع الحمام، وحمولة المعالجة، وزمن النقل، وهندسة القطعة.

يحدد ASM Handbook Volume 4A (2013) درجة حرارة تكوين الأوستنيت، ودرجة حرارة الحمام، وزمن الإبقاء، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم في التقسية المارتنسيتية المرحلية. وتتفاعل هذه المتغيرات فيما بينها. فقد تنجح درجة حرارة حمام مع عينة صغيرة، لكنها تفشل عند إدخال حمولة ثقيلة، لأن الحمولة تستخلص الحرارة بسرعة أكبر من قدرة سخانات الحمام على استعادتها. ولذلك يتألف البرنامج من درجات حرارة القطعة المقاسة وحدود الاستعادة، وليس من نقاط ضبط الفرن والحمام وحدها.

اختيار حالة تكوين الأوستنيت

اختر درجة حرارة تكوين الأوستنيت استناداً إلى مواصفة الفولاذ، ومعلومات اتزان الأطوار، والبنية المجهرية المستهدفة. يجب أن تذيب درجة الحرارة كمية كافية من الكربون والعناصر السبائكية لتوفير قابلية التصلب المطلوبة، إلا أن ارتفاع درجة الحرارة أو إطالة الزمن بدرجة مفرطة قد يكبّران حبيبات الأوستنيت السابق، ويزيدان الأوستنيت المحتجز، ويشجعان الأكسدة، ويفاقمان التشوه. وبالنسبة إلى القطع المكربنة، يجب النظر إلى القلب والطبقة المكربنة كلٌّ على حدة. فقد تحتوي الطبقة على كربون أكثر بكثير من القلب، ولذلك يمكن أن تختلف درجة بدء تكوّن المارتنسيت واستجابتها من حيث الأوستنيت المحتجز اختلافاً حاداً.

ينبغي تحديد زمن تكوين الأوستنيت على أساس حجم المقطع وسلوك ارتفاع درجة حرارة الفرن، على أن تبدأ فترة الإبقاء عندما يبلغ أبرد موضع ذي صلة—وليس شاشة الفرن—درجة الحرارة المحددة. فنقطة ضبط الفرن هي درجة حرارة الهواء أو مستشعر التحكم في موضع واحد. وتتأخر درجة حرارة الفولاذ عنها أثناء التحميل، وقد تتجاوزها أو تتخلف عنها أثناء الاستعادة. كما تؤدي الإشعاعات، والتلامس مع التجهيزات، وتباعد القطع، ودوران الهواء داخل الفرن إلى فروق إضافية. وعادةً ما يُظهر مزدوج حراري مثبت على قطعة ممثلة ارتفاعاً متأخراً في درجة الحرارة، يتبعه تجاوز أو انخفاض عابر بعد النقل.

وتحدد الحالة السابقة مقدار الزمن اللازم. فقد تتطلب AISI 52100 الكروية، والفولاذ منخفض السبيكة المطبع، وAISI 8620 المكربن أزمنة إذابة مختلفة حتى عند درجة الحرارة الاسمية نفسها. ويمكن للإبقاء المفرط أن يذيب كربيدات كان من المفترض أن تبقى، في حين يؤدي الإبقاء غير الكافي إلى ترك اختلافات كيميائية عبر المقطع. ويمكن للفحص المعدني لعينات جرى تكوين الأوستنيت فيها أن يؤكد ذوبان الكربيدات وحجم الحبيبات قبل تثبيت دورة الإنتاج.

في التقسية المارتنسيتية المرحلية، يجب أن تنتج حالة تكوين الأوستنيت كمية كافية منه لتحقيق الصلادة المحددة بعد التحول والمراجعة الحرارية. أما في التقسية المرحلية في حمام ساخن، فيجب أيضاً تجنب كيمياء الأوستنيت وحجم حبيباته اللذين قد يدفعان درجة بدء تكوّن البينايت أو زمن الحضانة خارج نطاق تشغيل الحمام. ويُعد الاختيار حلاً وسطاً، لكنه ينبغي أن يستند إلى أدلة التحول لا إلى قيمة عامة من نوع «سخّن إلى».

اختيار درجة حرارة الحمام وزمن الإبقاء

اختر درجة حرارة حمام التقسية المرحلية ضمن نطاق التحول البينايتِي المحدد للفولاذ. وقد عولج AISI 52100 بالتقسية المرحلية في دراسات استخدمت أوساطاً حُفظت تقريباً بين 200 و400 °C، مع استمرار الإبقاء حتى تكوّن البينايت؛ إلا أن هذا النطاق مرجع واسع وليس نافذة إنتاج عامة. كما تصف دراسة نُشرت عام 2024 في ACS Omega التقسية المرحلية بأنها إبقاء الفولاذ الذي كُوّن فيه الأوستنيت عند درجة حرارة تحول بينايتية حتى يتحول الأوستنيت إلى بينايت. ويمكن قراءة زمن الإبقاء المطلوب من مخطط التحول متساوي الحرارة، ثم التحقق منه بالصلادة والفحص المعدني، لأن حجم عينة المخطط وحالتها السابقة قد يختلفان عن القطعة.

تغير درجة حرارة التقسية المرحلية التوازن بين معدل التحول، وشكل البينايت، والصلادة، والأوستنيت المحتجز. فدرجات الحرارة المنخفضة تطيل عموماً أزمنة الحضانة والتحول، وقد تنتج بنيات بينايتية أدق؛ أما درجات الحرارة الأعلى فتقصر الدورة، لكنها قد تنتج بينايتاً أخشن واستجابة مختلفة من حيث الصلادة. وقد أفادت دراسة أجريت عام 2020 عن التقسية المرحلية قصيرة الأمد والمنخفضة الحرارة بتكوّن بينايت نانوي، ومارتنسيت، وأوستنيت محتجز، مع انخفاض معاملات التآكل بنسبة تصل إلى 50% مقارنة بالفولاذ المارتنسيتِي المقسى بالتبريد. وتخص هذه النتيجة الفولاذ والدورة المدروسين، ولا يمكن تعميمها على كل نوع من الفولاذ.

تُضبط درجة حرارة حمام التقسية المارتنسيتية المرحلية أعلى من درجة بدء تكوّن المارتنسيت بقليل، مع توفير هامش كافٍ لمنع تكوّن المارتنسيت المبكر أثناء المعادلة. وتبقى قطعة العمل في الحمام إلى أن تقترب درجات الحرارة عبر المقطع من بعضها بعضاً. ثم تُزال لتبريدها بالهواء عبر نطاق المارتنسيت، وتُجرى لها المراجعة الحرارية بعد ذلك. وقد يسمح الإبقاء مدة طويلة جداً عند هذه الدرجة بتكوّن البينايت أو تحولات أخرى، تبعاً لنوع الفولاذ. وتضع التقسية المارتنسيتية المرحلية المعدلة الحمام عمداً تحت درجة بدء تكوّن المارتنسيت، وهي برنامج مختلف؛ لذلك يجب أن يظهر هذا التمييز في مواصفة العملية المكتوبة.

وتشمل سعة الحمام أكثر من حجم الخزان. فقِس تجانس درجة الحرارة، والتحريك، والدوران، والاستعادة الحرارية، ونسبة كتلة الحمولة إلى الحمام المسموح بها. وينقل حمام ملحي قائم على Ca(NO₃)₂–KNO₃، أو الزيت، أو أي وسط آخر، الحرارة وفقاً للزوجته، وناقليته الحرارية، وحركته، ودرجة حرارة تشغيله. وعند دخول حمولة كبيرة أو مكتظة، قد تنخفض درجة حرارة الحمام وتكون الاستعادة بطيئة. وإذا عبر الفولاذ منطقة بدء تكوّن البرليت قبل أن يستعيد الحمام درجة حرارته، فسيضيع توازن الأطوار المستهدف. سجّل أدنى درجة حرارة للحمام بعد التحميل والزمن اللازم للعودة إلى نطاق التحكم.

وينبغي أن يبدأ احتساب زمن الإبقاء عندما تبلغ القطعة درجة الحرارة المستهدفة، وليس بالضرورة عند دخول الحامل إلى الحمام. وبالنسبة إلى المقاطع السميكة، يتطلب ذلك مزدوجاً حرارياً في القلب أو علاقة زمنية جرى التحقق منها. وقد تكون الحواف الرقيقة قد بدأت بالتحول بينما لا يزال القلب في طور التسخين، ولذلك يجب أن تتضمن الإجراءات حدود حجم المقطع وأزمنة النقل.

استخدام الأزواج الحرارية والعينات والتجارب المتوقفة

ضع الأزواج الحرارية في المواضع التي تتحكم في التحول: مركز أسمك مقطع، وحافة رقيقة، وسطح معرض للحمام، وبالنسبة إلى القطع المكربنة، في كل من الطبقة والقلب حيثما كان ذلك عملياً. استخدم أسلاكاً وطرائق تثبيت تتحمل الفرن والحمام، وتحقق من المعايرة عبر نطاق التشغيل. وينبغي أن يوضح الأثر المسجل تسخين الفرن، وتكوين الأوستنيت، والنقل، ودخول الحمام، ومعادلة درجة الحرارة، والإزالة، والتبريد بالهواء، والمراجعة الحرارية. فهذا هو أثر القطعة، لا نقطة ضبط الفرن، الذي يؤكد الدورة.

ينبغي أن تحاكي العينات مادة الإنتاج، وحالتها السابقة، وسماكة المقطع، وكيمياء السطح. فقد تستجيب عينة رقيقة بسيطة بسرعة مفرطة، وتعطي انطباعاً زائفاً بكفاية سعة الحمام. ويمكن لعينة متدرجة أو عينة شاهدة على شكل القطعة الإنتاجية أن تكشف التأخر الحراري بين السطح والقلب. ضع العينات في مواضع الحمولة الأبرد، والأكثر ازدحاماً، والأكثر تمثيلاً أثناء التأهيل.

وتوفر التجارب المتوقفة أدلة على التحول. أزل العينات بعد أزمنة إبقاء متعددة، ثم أخمدها أو برّدها بطريقة محددة، وافحص المقاطع المصقولة بحثاً عن البينايت، والمارتنسيت، والبرليت، والكربيدات، والأوستنيت المحتجز. وقِس الصلادة من السطح إلى المركز وعبر اتجاهات مختلفة. ويمكن لرسم خريطة الصلادة أن يكشف قلباً ليناً، أو حافة تعرضت لتحول مفرط، أو تغيرات في عمق الطبقة لا تكشفها قراءة روكويل واحدة.

ويجب أن ترافق القياسات البعدية هذه الاختبارات، لكنها لا تستطيع أن تحل محلها. سجّل القطر، والاستواء، والانحراف الدوراني، والطول، والتشوه قبل المعالجة الحرارية وبعدها، عند درجات حرارة مضبوطة. وقد أظهرت عينات AISI 8620 و8822 و4320 المكربنة في دراسة SAE عام 2013 تشوهاً أقل بكثير بعد التقسية المرحلية مقارنة بالكربنة التي أعقبها التبريد التقليدي والمراجعة الحرارية، باستخدام درجات تقسية مرحلية بلغت 260 و288 و304 °C. وتدعم هذه النتيجة منطق العملية، لكنها لا تمثل ضماناً شاملاً لكل هندسة.

وأخيراً، قارن الفحص المعدني، وخريطة الصلادة، وقياسات الأوستنيت المحتجز عند اللزوم، والبيانات البعدية، بالمواصفة الحاكمة. وتغطي SAE AMS-H-6875C (2020) أربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالتقسية المرحلية، والتبريد المرحلي في الأوساط المائية، والتقسية المارتنسيتية المرحلية عند تحديدها. وينبغي أن تحدد الدورة المعتمدة نوع الفولاذ وحالته، ونطاق تكوين الأوستنيت، وحد النقل، ودرجة حرارة الحمام ومتطلبات الاستعادة، ومعيار المعادلة أو التحول، وطريقة التبريد، ومعالجة المراجعة الحرارية، وأدلة الفحص. فهذا المستوى من التحديد يحوّل بيانات التحول إلى معلمة تشغيل قابلة للتكرار في المصنع.

أنماط الإخفاق والتحليل الميتالوجرافي التشخيصي

ينبغي تشخيص الجزء المعالَج حرارياً بصورة معيبة استناداً إلى مسار تحوّلاته، لا إلى اسم الحمام وحده. تهدف المعالجة بالتقسية البي bainitic (Austempering) إلى إبقاء الفولاذ المؤستَن عند درجة حرارة التحول البينيتية حتى يتكوّن البينيت. أما المارتيمبرينغ (Martempering) فيختلف عن ذلك؛ إذ يُخمَد الجزء إلى درجة أعلى بقليل من درجة بدء تكوّن المارتنسيت، ويُحتفَظ به هناك مدة تكفي فقط لاقتراب مقطعه من درجة حرارة موحّدة، ثم يُبرَّد بحيث يتكوّن المارتنسيت قبل إجراء المراجعة. وعادةً ما يدل وجود طور في موضع أو كمية غير صحيحين على مشكلة في البرنامج الحراري، أو انتقال الحرارة، أو قابلية التصلّد.

تكوّن البيرليت أو البينيت خلال مرحلة غير مقصودة

يشير وجود البيرليت في جزء عولج بالتقسية البينيتية عموماً إلى دخول بعض الأوستنيت في نطاق تحول البيرليت قبل مرحلة الإبقاء البينيتية المخططة. والسبب الشائع هو عدم كفاية سرعة النقل من فرن الأوستنة إلى حمام الملح أو الزيت. فقد يسمح النقل الطويل عبر الهواء، أو ترتيب التحميل المزدحم، أو التأخير أثناء إنزال الجزء في الحمام، بحدوث تحول عند السطح. وقد تكون درجة حرارة الفرن صحيحة، ومع ذلك يفشل الجزء لأن سطحه يكون قد تجاوز بالفعل منحنى بدء تكوّن البيرليت.

ويؤدي عدم كفاية ضبط الحمام إلى النتيجة نفسها. فقد يحتوي حمام الملح ذي الدوران الضعيف، أو التحميل المفرط بالقطع، أو المزدود بمزدوج حراري غير معاير بصورة صحيحة، على مناطق محلية تقل درجة حرارتها عن القيمة المحددة. وقد تتكوّن البيرليت في الأجزاء التي تدخل أولاً إلى منطقة باردة قبل بلوغ درجة حرارة التقسية البينيتية المقصودة. وتصف دراسة AISI 52100 لعام 2013 المعالجة بالتقسية البينيتية بين نحو 200 و400 °C، مع إبقاء الجزء حتى يتكوّن البينيت؛ غير أن هذا المجال لا يعني اختيار أي درجة حرارة داخله من دون التحقق من حركية التحول الخاصة بالفولاذ. إذ يغيّر محتوى الكربون، والإضافات السبائكية، وحجم حبيبات الأوستنيت، وسُمك المقطع، الزمن المتاح قبل بدء تكوّن البيرليت.

ويظهر البيرليت ميتالوجرافياً على هيئة مستعمرات من الفريت والسمنتيت، غالباً بمظهر صفائحي عند استخدام تكبير مناسب. ويشير البيرليت الخشن قرب السطح إلى بطء الدخول إلى الحمام أو إلى تبريد السطح، في حين يشير وجود حزام أو منطقة معزولة عبر المقطع إلى عدم تجانس درجة حرارة الحمام أو إلى التلامس مع المثبتات. ويمكن أن يكشف رسم خريطة الصلادة عن النتيجة المترتبة على ذلك؛ فمناطق البيرليت تكون ألين بدرجة كبيرة من المناطق البينيتية أو المارتنسيتية الكاملة. وينبغي فحص مقطع عرضي من السطح إلى المركز، ومقارنة عدة مواضع حول الجزء، بدلاً من الاعتماد على مجال مصقول واحد.

وقد يظهر البينيت أيضاً خلال برنامج مخصص لإنتاج المارتنسيت. ففي المارتيمبرينغ القياسي، تكون فترة الإبقاء فوق درجة بدء تكوّن المارتنسيت، أو Ms، مخصصة لمعادلة درجة الحرارة، وليست فترة إبقاء للتحول البينيتـي. ويؤدي الإبقاء المفرط، أو اختيار درجة حرارة حمام تقع ضمن نطاق البينيت، أو التبريد البطيء عبر ذلك النطاق، إلى تكوّن البينيت قبل تطور المارتنسيت. وقد تُظهر البنية الناتجة البينيت العلوي، والبينيت السفلي، والمارتنسيت في مناطق متجاورة. وتوضح دراسة منشورة عام 2024 في ACS Omega الفرق بين العمليتين صراحةً: إذ تُبقي المعالجة بالتقسية البينيتية الفولاذ عند درجة حرارة التحول البينيتية حتى يتحول الأوستنيت، بينما تُبقي المارتيمبرينغ الفولاذ مدة قصيرة فوق Ms قبل تبريده بالهواء.

وينبغي مراجعة سجلات الحمام قبل إلقاء اللوم على التركيب الكيميائي للفولاذ. إذ يحدد ASM Handbook Volume 4A درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن الإبقاء، والتحريك، ومعدل التبريد، بوصفها متغيرات ضابطة للمارتيمبرينغ. وتؤثر هذه المتغيرات نفسها في بلوغ معالجة التقسية البينيتية مجال الطور المقصود. وقد يفسر تعطل المزدوج الحراري، أو فرط تحميل الخزان، أو ضعف التحريك البنية المجهرية بصورة مباشرة أكثر من تغير صغير في التركيب الكيميائي.

التحول غير الكامل والأوستنيت المتبقي

ينتج الأوستنيت المتبقي عندما لا يُكمل الأوستنيت تحوله المقصود أثناء التبريد أو الإبقاء. ففي الجزء المارتيمبرَد، يُفترض أن يتحول الأوستنيت في معظمه إلى مارتنسيت أثناء التبريد المتحكم فيه اللاحق، إلا أن مقدار التحول يعتمد على محتوى الكربون، والعناصر السبائكية، ومعدل التبريد، ودرجة الحرارة النهائية. وتكون مناطق الطبقة السطحية عالية الكربون، ولا سيما في الفولاذ المكربن، ذات درجتي Ms وMf أقل عادةً من القلب منخفض الكربون. ولذلك قد تحتفظ بكمية أكبر من الأوستنيت بعد دورة التبريد نفسها.

وللتقسية البينيتية نمط إخفاق مختلف. فإذا انتهت فترة الإبقاء قبل اكتمال التفاعل البينيتـي، بقي الأوستنيت غير المتحول، وقد يتحول لاحقاً إلى مارتنسيت أثناء التبريد أو الخدمة أو التجليخ. وينتج عن ذلك تركيب مختلط من البينيت والمارتنسيت والأوستنيت المتبقي، بدلاً من التركيب المخطط ذي الغلبة البينيتية. وقد أبلغت دراسة عام 2020 عن التقسية البينيتية قصيرة الأمد عند درجات حرارة منخفضة في فولاذ متوسط الكربون منخفض السبائك عن وجود النانو-بينيت والمارتنسيت والأوستنيت المتبقي معاً؛ أما انخفاض معامل التآكل المبلغ عنه، والذي بلغ 50% كحد أقصى مقارنةً بفولاذ مارتنسيتـي مخمَد، فينطبق على المادة والبرنامج المدروسين، وليس على كل جزء متحول جزئياً.

ولا يمكن تحديد الأوستنيت المتبقي بصورة موثوقة باستخدام الصلادة وحدها. فقد يكون ليناً بما يكفي لخفض القراءة، إلا أن التحول المستحث بالإجهاد أثناء اختبار البصمة قد يرفع القيمة الظاهرية. ويُستخدم الفحص الميتالوجرافي الضوئي بعد الحفر بحمض النيتال كفحص أولي، ثم تُؤكَّد الكميات المهمة باستخدام حيود الأشعة السينية، أو الطرق المغناطيسية، أو تحليل الصور الكمي عند الحاجة. وينبغي البحث عن التغيرات البُعدية، أو التشقق المتأخر، أو النمو أثناء الخدمة، إذ يمكن أن يتحول الأوستنيت المتبقي إلى مارتنسيت حديث غير مُراجَع.

وبالنسبة إلى المكونات المكربنة، ينبغي فحص الطبقة السطحية والقلب كلٌّ على حدة. ويجب رسم منحنى الصلادة من الطبقة السطحية إلى القلب ومقارنته بالأطوار المرصودة. وتشير طبقة سطحية صلدة تحتوي على أوستنيت متبقٍّ، مع قلب ألين بينيتي أو بيرليتي، إلى استجابات تحول موضعية مختلفة، وليس بالضرورة إلى عيب في دفعة الفولاذ. وعلى العكس، فإن الصلادة المنخفضة بانتظام مع غياب المارتنسيت عن كلتا المنطقتين تشير إلى أوستنة غير كافية، أو تأخير مفرط في النقل، أو شدة إخماد غير كافية، أو خطأ في درجة حرارة الحمام.

الشقوق والمناطق اللينة والتشوه والبنى المجهرية المختلطة

تنشأ الشقوق عادةً من التأثيرات المشتركة لإجهاد التحول، والإجهاد الحراري، والهندسة الحادة، والإجهاد المتبقي، والصلادة المفرطة. ويقلل المارتيمبرينغ الفرق في درجة الحرارة بين السطح والقلب قبل تكوّن المارتنسيت، مما قد يقلل التشقق والتشوه مقارنةً بالإخماد المباشر، لكنه لا يلغي ضرورة المراجعة. ويذكر دليل ASM لعام 2020 لموضوعات المعالجة الحرارية أن الفولاذ المارتيمبرَد يجب أن يخضع للمراجعة قبل دخوله الخدمة. ويبقى المارتنسيت غير المراجَع، ولا سيما في الطبقة السطحية المكربنة، عرضةً للتشقق تحت تأثير التجليخ أو الحمل المطبق.

وينبغي فحص أسطح الشقوق والمقاطع العرضية المصقولة بصورة منفصلة. فكثيراً ما تتبع شقوق الإخماد حدود حبيبات الأوستنيت السابقة، أو تمتد إلى الداخل انطلاقاً من الزوايا ومجاري المفاتيح والتغيرات المفاجئة في المقطع. أما شقوق التجليخ فعادةً ما تكون سطحية ومصطفة مع اتجاه التجليخ. ويمكن لاختبار اختراق الصبغة تحديد الشقوق المفتوحة على السطح، في حين يوضح الفحص الميتالوجرافي ما إذا كان الشق يحتوي على أكسيد، أو نزع كربون، أو مارتنسيت حديث عند حوافه.

وقد تنتج المناطق اللينة من ضعف التحريك، أو حجب المثبتات، أو عدم كفاية دوران الحمام، أو نزع الكربون، أو عدم كفاية قابلية التصلّد بالنسبة إلى حجم المقطع. وقد يعكس التشوه تسخيناً غير متساوٍ، أو كربنة غير متماثلة، أو تبريداً غير متجانس، أو تحولاً متأخراً بين المناطق الرقيقة والسميكة. وقد استخدمت دراسة SAE لعام 2013 على AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربنة درجات تقسية بينيتية قدرها 260 و288 و304 °C، ووجدت تشوهاً أقل بدرجة كبيرة من العينات المكربنة والمخمَدة والمراجَعة؛ إلا أن هذه النتائج لا تلغي التشوه المرتبط بالهندسة أو بالحمل المحدد.

وتتطلب البنى المجهرية المختلطة تشخيصاً مكانياً. وينبغي مقارنة الحافة، ونصف القطر المتوسط، والمركز، وجذر السن، وقمة السن عند الاقتضاء. كما ينبغي ربط كل صورة مجهرية بمنحنى الصلادة وبسجل الزمن ودرجة الحرارة. ولا ينبغي أن يصبح التركيب الكيميائي أو قابلية التصلّد أو اختلاط المواد التفسير الأساسي إلا بعد التحقق من زمن النقل، ودرجة حرارة الحمام، والتحريك، والتحميل، والأوستنة، والمراجعة.

مقارنة بين المعالجة بالأوستمبرينغ، والمارتيمبرينغ، والتقسية التقليدية بالتبريد السريع والمراجعة

يمكن للعمليات الثلاث أن تنتج خواصًا مختلفة بدرجة كبيرة، حتى عندما تبدأ جميعها بالفولاذ نفسه بعد أوستنة الفولاذ. وتصف أسماؤها جداول التحول، وليس السائل المستخدم للتبريد السريع فحسب. فقد يُستخدم الزيت، أو ملح النترات–النتريت، أو أوساط أخرى في أكثر من جدول؛ أما المتغيرات الحاسمة فهي مسار درجة الحرارة، والزمن عند كل درجة حرارة، والتحول الذي يُسمح بحدوثه.

مسار التحول والبنية المجهرية النهائية

في التقسية التقليدية بالتبريد السريع والمراجعة، يُبرَّد الفولاذ المؤستن بسرعة تكفي لتجنب معظم تكوّن البرليت والبينيت. ويمر الأوستنيت عبر درجة بدء تكوّن المارتنسيت، $M_s$، ويتحول تدريجيًا إلى مارتنسيت مع استمرار التبريد. ويكون المارتنسيت الناتج صلدًا، لكنه يتعرض لإجهادات عالية، ولذلك تليه عملية مراجعة قبل إدخاله في الخدمة. وتؤدي المراجعة إلى ترسيب مركبات حاملة للكربون، وخفض الإجهاد الداخلي، وتغيير التوازن بين الصلادة، والمتانة، والمقاومة، والاستقرار الأبعادي.

يغيّر المارتيمبرينغ توقيت هذا التسلسل، وليس ناتجه الرئيسي. إذ تُبرَّد قطعة الشغل سريعًا من درجة حرارة الأوستنة إلى الزيت أو إلى حمام من الملح المنصهر المحفوظ عند درجة أعلى قليلًا من $M_s$. وتبقى القطعة فيه فقط للمدة الكافية لاقتراب السطح واللب من درجة حرارة متماثلة. ثم تُبرَّد القطعة، عادةً في الهواء، عبر نطاق تكوّن المارتنسيت. ولذلك يتكوّن المارتنسيت بعد أن يكون معظم المقطع قد حقق توازنًا حراريًا، وليس في أثناء وجود تدرج حاد في درجة الحرارة بين السطح واللب. ولا يلغي المارتيمبرينغ الحاجة إلى المراجعة. ويذكر دليل موضوع المعالجة الحرارية الصادر عن ASM International (2020) أن الفولاذ المعالج بالمارتيمبرينغ يجب أن يخضع لاحقًا للمراجعة قبل استخدامه.

يتبع الأوستمبرينغ مسار تحول مختلفًا. إذ يُبرَّد الفولاذ المؤستن سريعًا إلى حمام محفوظ ضمن نطاق تحول البينيت، ويُحتفظ به هناك حتى يتحول الجزء المطلوب من الأوستنيت إلى بينيت. وتصف دراسة أجريت عام 2013 على الفولاذ AISI 52100 نطاق أوستمبرينغ يقارب 200 إلى 400 °C، مع استمرار فترة الاحتفاظ حتى يتكوّن البينيت. وبحسب محتوى الكربون، والعناصر السبائكية، ودرجة الحرارة، وزمن الاحتفاظ، قد يكون الناتج بينيتًا علويًا، أو بينيتًا سفليًا، أو مزيجًا يحتوي على مارتنسيت وأوستنيت محتجز. وهذه العملية ليست ببساطة «مارتيمبرينغ مع فترة احتفاظ أطول». وقد ميّزت دراسة أجريت عام 2024 ونُشرت في ACS Omega صراحةً بين الأوستمبرينغ، الذي يستمر فيه الاحتفاظ حتى حدوث تحول البينيت، والمارتيمبرينغ، الذي تُعادَل فيه درجة الحرارة لفترة وجيزة فوق $M_s$ قبل التبريد في الهواء.

قد يحتاج الفولاذ المعالج بالأوستمبرينغ إلى معالجة لاحقة أو إلى خطوة تثبيت، لكنه لا يخضع تلقائيًا لعملية المراجعة نفسها المستخدمة مع الفولاذ المقسى بالتبريد السريع ذي البنية المارتنسيتية الكاملة. ويعتمد الجدول المطلوب على البنية المجهرية المحددة وظروف الخدمة. ويمكن للأوستمبرينغ القصير عند درجة حرارة منخفضة أن ينتج بينيتًا نانويًا إلى جانب المارتنسيت والأوستنيت المحتجز. وفي دراسة أجريت عام 2020 على فولاذ منخفض السبائك متوسط الكربون، أنتجت هذه البنية معاملات تآكل أقل بنسبة تصل إلى 50% من تلك المقاسة للفولاذ المارتنسيتِي المقسى بالتبريد السريع. وتدعم هذه النتيجة وجود أفضلية خاصة بالعملية في ذلك الاختبار، لكنها لا تثبت ترتيبًا عامًا لمقاومة التآكل.

أهداف الحد من التشوه والتشقق

يعرّض التبريد السريع التقليدي القطعة لمصدرين رئيسيين للتغير الأبعادي: الانكماش الحراري وانفعال التحول. إذ يبرد السطح ويتحول قبل اللب، ولذلك يتعرض المقطع لإجهادات متغيرة مع تغير درجة الحرارة ونسبة الطور عبر سمكه. وتكون الأشكال المعقدة، والزوايا الحادة، والثقوب، والانتقالات من المقاطع الرقيقة إلى السميكة، والطبقات السطحية المكربنة حساسة بصورة خاصة. وإذا تجاوزت الإجهادات مقاومة المادة المحلية في حالتها الساخنة أو أثناء تحولها، فقد يحدث التشقق.

يعالج المارتيمبرينغ مكوّن التدرج الحراري من خلال إبقاء الفولاذ قريبًا من $M_s$، ولكن فوقها، قبل بدء تكوّن المارتنسيت. وعندئذٍ يتحول السطح واللب ضمن مجال أكثر تماثلًا من درجات الحرارة. وقد وصفت ورقة بحثية صدرت عام 1946 حول نطاق درجات حرارة تكوّن المارتنسيت هذا المبدأ بأنه تبريد سريع إلى درجة أعلى قليلًا من النطاق المارتنسيتِي، يعقبه تبريد بطيء، مما يقلل التشقق مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة. وتقلل العملية التشوه، لكنها لا تضمن التحكم الأبعادي، لأن تحول المارتنسيت لا يزال يسبب تغيرًا حجميًا وإجهادًا متبقيًا.

يمكن للأوستمبرينغ أن يقلل التشوه لسبب مختلف. إذ يحدث جزء كبير من التحول بصورة متساوية الحرارة على هيئة بينيت، بدلًا من حدوثه عبر جبهة مارتنسيتية متحركة في أثناء انخفاض درجة الحرارة باستمرار. وللبينيت أيضًا انفعال تحول خاص به، كما قد يتحول الأوستنيت المحتجز لاحقًا في أثناء التشغيل أو الخدمة. وبناءً على ذلك، يمكن للأوستمبرينغ أن يقلل فئة من فئات التشوه، مع التسبب في مخاوف أخرى تتعلق بالاستقرار الأبعادي إذا كان التحول غير مكتمل أو سيئ التحكم.[5][5] Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels. SAE International. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013.

توضح الأدلة المستمدة من الفولاذ منخفض السبائك المكربن اعتماد النتائج على الهندسة والمادة. فقد بحثت ورقة SAE رقم 2013-01-0949 في فولاذ AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربن، باستخدام درجات أوستمبرينغ مقدارها 260 و288 و304 °C. وأظهرت العينات المكربنة والمعالجة بالأوستمبرينغ تشوهًا أقل بكثير من العينات المكربنة والمقساة بالتبريد السريع والمراجعة في تلك التجارب. ولا يمكن نقل هذه النتيجة تلقائيًا إلى كل عمق طبقة سطحية، أو حجم مقطع، أو ترتيب للفرن والحمام. فتحدد قابلية التقسية ما إذا كان المركز سيصل إلى نطاق التحول المقصود قبل تكوّن البرليت، في حين يؤثر التحريك، ودرجة حرارة الحمام، وطريقة التحميل، وزمن النقل، في الدورة الحرارية الفعلية.

متى تكون المقارنة غير عادلة من الناحية التقنية؟

إن الادعاء بأن الأوستمبرينغ ينتج صلادة أو متانة أو مقاومة تآكل أو استقرارًا أبعاديًا أكبر من المارتيمبرينغ أو التقسية التقليدية بالتبريد السريع والمراجعة يظل ناقصًا، ما لم تضبط المقارنة المتغيرات التي تحدد التحول. ويجب أن تستخدم العينات درجة الفولاذ نفسها، بما في ذلك نفس الصهيرة والحالة الكيميائية؛ والهندسة نفسها وسمك المقطع نفسه؛ ودرجة الأوستنة وزمن النقع والجو والبنية المجهرية السابقة نفسها؛ إضافةً إلى حالة سطحية وخشونة ونزع كربنة وطبقة سطحية مكربنة متماثلة أو قابلة للمقارنة.

ويجب أن تتوافق معايير القبول أيضًا مع الوظيفة المقصودة. فقد تؤدي مقارنة الصلادة روكويل وحدها إلى تفضيل بنية مارتنسيتية، مع إغفال الحساسية للتشقق، أو عدم استقرار الأوستنيت المحتجز، أو متانة الصدم، أو التشوه. كما أن اختبار تآكل باستخدام حمل واحد، وسطح مقابل واحد، وظروف تزليق واحدة، لا يمكنه ترتيب البنى لجميع تطبيقات التلامس. ويجب تحديد توقيت إجراء القياسات الأبعادية، لأن الأوستنيت المحتجز قد يتحول بعد التبريد السريع، أو الأوستمبرينغ، أو التشغيل، أو الخدمة.

كما أن المواصفة مهمة أيضًا. فالمواصفة SAE AMS-H-6875C (2020) تغطي متطلبات المعالجة الحرارية لأربع فئات من الفولاذ، وتسمح بالأوستمبرينغ، والتبريد بطريقة الأوزباي، والمارتيمبرينغ عندما تكون الطريقة محددة. ولذلك ينبغي أن يشمل التحقق ملف الصلادة المطلوب، والبنية المجهرية، وعمق الطبقة السطحية عند الاقتضاء، وحدود التشوه، والأدلة على غياب التشقق ونزع الكربنة غير المقبول. ويحدد دليل ASM، المجلد 4A (2013) درجة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن الاحتفاظ، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم في المارتيمبرينغ. ويمكن أن يؤدي تغيير أي منها إلى إبطال المقارنة المباشرة بين العمليات.

قائمة مرجعية عملية ومسرد المصطلحات

أسئلة يجب الإجابة عنها قبل تحديد دورة المعالجة

ابدأ بالبنية المجهرية المطلوبة، لا باسم حمام التبريد. يمكن أن تستخدم كلٌّ من التقسية التحويلية إلى البينيت والتقسية المرحلية إلى المارتنسيت ملحًا منصهرًا أو زيتًا، إلا أن مساري التحول والنواتج يختلفان. تُحدَّد التقسية التحويلية إلى البينيت عندما تكون البنية المقصودة هي البينيت. أما التقسية المرحلية إلى المارتنسيت فتُحدَّد عندما يُراد للجزء أن يُكوِّن المارتنسيت بعد توقف يتيح تساوي درجات الحرارة، يتبعه تصليد بالمراجعة.

حدِّد تصنيف الفولاذ بدقة كما هو مُورَّد؛ مثلًا: AISI 52100 أو AISI 8620 أو AISI 8822 أو AISI 4320، أو تصنيف SAE أو ASTM أو EN أو AMS المنطبق. إذ تتحكم التركيبة الكيميائية في قابلية التصلد، وإذابة الكربيدات، وحركية تكوّن البينيت، ودرجة بدء تكوّن المارتنسيت، والأوستنيت المحتجز. ولا يمكن نقل دورة أُثبتت لفولاذ AISI 52100 تلقائيًا إلى فولاذ AISI 8620 المكربن.

سجِّل مقاس المقطع وشكله، بما في ذلك تغيرات السمك، والثقوب، ومجاري المفاتيح، والزوايا الحادة، وكتلة الحمولة. فالحلقة الرقيقة وسن الترس السميك لا يبردان بالمعدل نفسه، حتى عند وضعهما في الحمام نفسه. وتحقق مما إذا كانت المادة مكربنة أو غير مكربنة. وبالنسبة إلى الأجزاء المكربنة، حدِّد عمق الطبقة، والهدف من نسبة الكربون السطحية، وتركيب القلب، وما إذا كانت بنية البينيت أو المارتنسيت المقصودة تخص الطبقة أو القلب أو كليهما.

يجب اختيار درجة حرارة الأوستنة بما يتوافق مع نوع الفولاذ وحالته. وينبغي أن تتيح تكوّن الأوستنيت المطلوب من دون نمو مفرط للحبيبات، أو ذوبان غير مرغوب فيه للكربيدات، أو تكوّن غير اعتيادي للأوستنيت المحتجز. كما ينبغي أن تحدد المواصفة جو الفرن، ومعدل التسخين عندما يكون التشوه مهمًا، وزمن المكوث، وترتيب الحمولة، وما إذا كانت درجة الحرارة تعني نقطة ضبط الفرن، أو درجة حرارة المكوّن، أو درجة حرارة فعالة مقاسة.

حدِّد زمن النقل من الفرن إلى حمام التبريد. فقد يتيح النقل الطويل أو المتغير تبريد السطح، أو تكوّن الفيريت أو البرليت في فولاذ ضعيف قابلية التصلد، أو نشوء ظروف حرارية غير متساوية داخل الحمولة. اذكر تركيب الحمام ودرجة تشغيله، بدلًا من كتابة «تبريد بالملح» فقط. فحمام من أملاح النترات والنتريت، أو الزيت، أو أي وسط آخر، له سلوك مختلف في انتقال الحرارة وحدود تشغيل آمنة مختلفة. كما ينبغي إدراج التحريك، والدوران، وتحميل الحمام، واستعادة درجة الحرارة ضمن الدورة.

في التقسية التحويلية إلى البينيت، حدِّد نطاق التحول البينيتـي والزمن اللازم لكي يصل المقطع المختار إلى درجة حرارة شبه موحدة ولكي يكتمل التحول المقصود. وفي التقسية المرحلية إلى المارتنسيت، حدِّد درجة بدء تكوّن المارتنسيت، أو Ms، واضبط التوقف فوقها. فالمكوث يحقق تساوي درجات الحرارة، وليس المقصود منه إنتاج البينيت. ويجب أن يسمح معدل التبريد اللاحق بتكوّن المارتنسيت من دون تدرجات حرارية مفرطة. وتحقق مما إذا كانت المراجعة المنفصلة إلزامية، وحدد درجة حرارتها وزمنها وجوها وعدد دوراتها.

وأخيرًا، حدِّد أدلة القبول قبل بدء المعالجة. فلا يمكن للصلادة وحدها أن تثبت أن التقسية التحويلية أنتجت البينيت، أو أن التقسية المرحلية أنتجت البنية المارتنسيتية المقصودة. ويجب طلب الفحص الميتالوغرافي، والفحص البُعدي، وقياس الأوستنيت المحتجز عندما تجعل درجة الفولاذ، أو مستوى الكربون، أو الطبقة المكربنة، أو متطلبات الخدمة، الأوستنيت المحتجز عاملًا مهمًا.

المصطلحات الأساسية: Ms، البينيت، المارتنسيت، التقسية التحويلية إلى البينيت، والتقسية المرحلية إلى المارتنسيت

Ms، أو درجة بدء تكوّن المارتنسيت، هي درجة الحرارة التي يبدأ عندها تكوّن المارتنسيت أثناء التبريد في ظل الحالة المعنية. وليست ثابتًا عامًا لـ«الفولاذ»؛ إذ يؤثر محتوى السبيكة، والكربون الموجود في الأوستنيت، والمعالجة الحرارية السابقة، وحالة الإجهاد، في هذه الدرجة. وتوقف التقسية المرحلية إلى المارتنسيت التبريدَ فوق Ms بقليل، بحيث يمكن للفروق في درجات الحرارة داخل الجزء أن تنخفض قبل بدء التحول المارتنسيتي.

المارتنسيت ناتج يتكوّن دون انتشار عندما يبرد الأوستنيت بسرعة كافية لكبح النواتج الانتشارية. وينشأ شكله الصفائحي أو الشريطي وصلادته العالية من تحول إزاحي ومن فرط تشبع بالكربون. وعادةً ما يتبع المارتنسيتَ تصليدٌ بالمراجعة، لأن الإجهاد بعد التبريد، والهشاشة، وعدم الاستقرار البُعدي قد تكون غير مقبولة أثناء الخدمة.

يتكوّن البينيت من الأوستنيت ضمن مجال حراري يقع أسفل نطاق البرليت وفوق نطاق المارتنسيت الأدنى، مع أن نطاق التحول الدقيق يعتمد على التركيب وحالة الأوستنيت السابقة. ويحتوي على مناطق فريتية مع ترسبات كربيدية أو إثراء بالكربون، كما يتغير شكله البنيوي مع درجة حرارة التحول. وقد يحتوي الجزء المعالج بالتقسية التحويلية إلى البينيت أيضًا على مارتنسيت أو أوستنيت محتجز إذا كان زمن المكوث قصيرًا جدًا، أو كانت درجة حرارة الحمام غير مناسبة، أو لم تكن حركية التحول قد تحددت بالكامل.

تعني التقسية التحويلية إلى البينيت تبريد الفولاذ المؤستن إلى درجة حرارة يتكوّن عندها البينيت، ثم إبقاءه حتى يتحقق التحول المحدد من الأوستنيت إلى البينيت، ثم تبريده إلى درجة الحرارة المحيطة. وصفت دراسة أُجريت عام 2013 على AISI 52100 وسط تقسية تحويلية إلى البينيت حُوفظ عليه عند نحو 200 إلى 400 °C، مع إبقاء الجزء حتى تكوّن البينيت. وفي فولاذ AISI 8620 وAISI 8822 وAISI 4320 المكربن، استخدمت التجارب درجات تقسية تحويلية إلى البينيت مقدارها 260 و288 و304 °C، وأبلغت عن تشوه أقل من الكربنة التقليدية والتبريد والتصليد بالمراجعة في ظروف الاختبار تلك. وهذه الأرقام هي بيانات عملية وليست إعدادات عامة.

التقسية المرحلية إلى المارتنسيت هي تبريد متقطع. ويحدد ASM Handbook Volume 4A (2013) درجة حرارة الأوستنة، ودرجة حرارة الحمام، وزمن المكوث، والتحريك، ومعدل التبريد بوصفها متغيرات تحكم. ويُبقى المشغول فترة وجيزة في الزيت أو الملح فوق Ms مباشرة حتى تتساوى درجة حرارته، ثم يُبرَّد عبر نطاق المارتنسيت. ويُراد للناتج أن يكون مارتنسيت، لا بينيت، ويجب تصليد الجزء بالمراجعة لاحقًا قبل الخدمة. وقد أرست معالجة تكوّن المارتنسيت عام 1946 منطق تقليل التشقق: خفض تدرجات الحرارة قبل التحول مع التضحية بقدر ضئيل من الصلادة الممكن تحقيقها.

لذلك، تصف التسميات الغرض من التحول. فحمام الملح لا يجعل الدورة تقسية تحويلية إلى البينيت، كما أن المكوث القصير لا يجعلها تقسية مرحلية إلى المارتنسيت. وتحدد البنية المجهرية المرصودة ما إذا كانت العملية المقصودة قد حدثت. وتغطي SAE AMS-H-6875C (2020) أربع فئات من الفولاذ، وتجيز التقسية التحويلية إلى البينيت، والتبريد بطريقة «أوسباي»، والتقسية المرحلية إلى المارتنسيت عند تحديدها؛ إلا أن متطلبات المادة والمنتج المنطبقة تظل هي الحاكمة.

الحد الأدنى من السجلات اللازمة للمعالجة الحرارية القابلة للتكرار

يربط السجل القابل للتكرار بين المادة، والمسار الحراري، وحالة الحمام، ونتائج الفحص. ويجب، كحد أدنى، تسجيل ما يلي:

• تصنيف الفولاذ، ورقم الصهرة أو الدفعة، ومقاس المقطع، وهندسة الجزء، وكتلة الحمولة، وحالة الجزء المكربنة أو غير المكربنة؛
• عمق الطبقة ومعلومات الكربون السطحي أو كربون القلب عند إجراء الكربنة؛
• درجة حرارة الأوستنة، وجو الفرن، وزمنا التسخين والمكوث، ودرجة حرارة الحمولة المقاسة؛
• زمن النقل من الفرن إلى الحمام، وتركيب الحمام، ودرجة حرارته، والتحريك أو الدوران، وتباعد الأجزاء، واستعادة الحمام لدرجة حرارته؛
• في التقسية التحويلية إلى البينيت: زمن تساوي الحرارة، ودرجة حرارة مكوث التحول ومدته، والدليل على أن التفاعل البينيتـي بلغ الحالة المحددة؛
• في التقسية المرحلية إلى المارتنسيت: قيمة Ms إن كانت محددة، ودرجة حرارة الحمام فوق Ms، ومكوث تساوي الحرارة، وطريقة التبريد النهائي ومعدله، والنقطة التي سُمح عندها بمتابعة التحول المارتنسيتي؛
• درجة حرارة المراجعة، وزمنها، وجوها، وطريقة التبريد، وعدد دورات المراجعة؛
• موضع قياس الصلادة، وطريقة الاختبار، ومقياسه، ونتائجه؛ وتحضير العينات الميتالوغرافي وإصـور التمثيلية؛ وطريقة قياس الأوستنيت المحتجز ونسبته عند الصلة؛ والقياسات البُعدية قبل المعالجة وبعدها.

ينبغي أن يحدد سجل الدورة معايرة الأجهزة وآثار درجات الحرارة الفعلية، لا نقاط الضبط الاسمية فقط. ويجب فحص البنية المجهرية عند السطح والقلب ومنطقة الانتقال عندما تكون هناك طبقة سطحية. وينبغي أن يشمل الفحص البُعدي السمات الأكثر عرضة للتغير: القطر الخارجي، والتجويف، وشكل السن، والاستواء، والانحراف الدوراني، والتشوه عبر تغيرات المقطع.

مرجع سريع: حدِّد تصنيف الفولاذ؛ ومقاس المقطع؛ وحالة الجزء المكربنة أو غير المكربنة؛ ودرجة حرارة الأوستنة؛ وزمن النقل؛ وتركيب الحمام ودرجة حرارته؛ والتحريك؛ ومكوث تساوي الحرارة أو مكوث التحول؛ والتبريد النهائي؛ والمراجعة؛ والصلادة؛ والفحص الميتالوغرافي؛ وتقييم الأوستنيت المحتجز عند الصلة؛ والفحص البُعدي. ثم تحقق من البنية. فوجود البينيت يؤكد الغرض من التقسية التحويلية إلى البينيت؛ أما المارتنسيت المتكوّن بعد تساوي الحرارة والمتبوع بالمراجعة فيؤكد الغرض من التقسية المرحلية إلى المارتنسيت.

المراجع

1. [1]ASM International. ASM Handbook Volume 4A: Martempering of Steels. ASM Handbook, 2013. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/18/chapter-abstract/278992/Martempering-of-Steels-1
2. [2]The Temperature Range of Martensite Formation. Study on martensite formation, 1946. Source details supplied in the article; no URL provided
3. [3]Short-term low-temperature austempering in medium-carbon low-alloy steel. Metal and Materials International, 2020. https://doi.org/10.1007/s12540-020-00957-6
4. [4]SAE International. Heat Treatment of Steel Raw Materials. SAE AMS-H-6875C, 2020. https://www.normsplash.com/Samples/SAE/165267379/SAE-AMSH-6875C-2020-en.pdf
5. [5]SAE International. Austempering Process for Carburized Low-Alloy Steels. SAE Technical Paper 2013-01-0949, 2013. https://saemobilus.sae.org/papers/austempering-process-carburized-low-alloy-steels-2013-01-0949