درجات حرارة تحوّل الفولاذ وأطواره

ما الذي تعنيه درجات حرارة التحوّل فعليًا

ليست درجة حرارة تحوّل الفولاذ رقمًا عالميًا مطبوعًا بجانب اسم الدرجة. فهي تمثّل حدًا أو حدثًا مُلاحظًا يعتمد على التركيب، والتاريخ الحراري، وحجم العيّنة، ومعدل التسخين أو التبريد، والآلية التي يتحوّل بها أحد البنى إلى بنية أخرى. وقد تصف درجة الحرارة المذكورة حالة اتزان، أو بداية تفاعل أثناء التسخين، أو بداية تفاعل أثناء التبريد، أو النقطة التي تكشف عندها وسيلة قياس معيّنة حدوث تغيّر. وهذه قيم مترابطة، لكنها ليست قابلة للاستبدال فيما بينها.

الطور هو بنية متميّزة فيزيائيًا ذات ترتيب بلوري محدد ونطاق تركيب معروف. ففي الفولاذ، يكون الأوستنيت (γ) مكعّبًا متمركزًا على الوجوه، والفريت (α) مكعّبًا متمركزًا في الجسم، بينما يكون السمنتيت ذا بنية معينية قائمة Fe₃C، كما وصفت جامعة كامبريدج في Interpretation of the Microstructure of Steels (2008). أما المكوّن البنيوي فهو تجمّع مجهري قد يحتوي على أكثر من طور واحد. فالبرليت، مثلًا، مكوّن بنيوي يتألف من الفريت والسمنتيت. وناتج التحوّل هو البنية المتشكّلة من الطور الأم؛ وتُعدّ البرليت والبينايت والمارتنسيت والفريت قبل اليوتكتويدي والسمنتيت قبل اليوتكتويدي النواتج الرئيسية التي حدّدتها معالجة ASM لتحوّلات الأوستنيت.

درجة الحرارة (°C)

تكمن أهمية هذا التمييز في أن درجة الحرارة قد تشير إلى اختفاء طور ما من دون أن تسمّي المكوّن البنيوي النهائي. فعند نحو 0.8% وزنيًا من الكربون ودرجة حرارة 723 °C، يخضع الأوستنيت للتفاعل اليوتكتويدي γ → α + Fe₃C، وفقًا لمادة Fe–C التي أعدّتها جامعة كامبريدج عام 2002. وتحدّد هذه المعادلة النواتج المتوازنة، أي الفريت والسمنتيت. لكنها لا تعني أن كل فولاذ يحتوي على نحو 0.8% وزنيًا من الكربون سيشكّل البنية نفسها عند 723 °C بالضبط أثناء دورة فرن فعلية.

حدود الاتزان مقابل درجات الحرارة الحرجة العملية

يصف ترميز الاتزان ما يكون مستقرًا ترموديناميكيًا عندما يتوافر للنظام وقت كافٍ للاقتراب من الاتزان. وتمثّل Ae1 درجة حرارة اليوتكتويد عند الاتزان: الحد الذي يمكن عنده للأوستنيت ومزيج الفريت والسمنتيت أن يتعايشا عند التركيب والضغط المحددين. وتمثّل Ae3 الحد العلوي عند الاتزان للأوستنيت في الفولاذ ناقص اليوتكتويد، إذ تفصل بين الأوستنيت ومجال الأوستنيت مع الفريت. أما Aecm فهي الحد العلوي المناظر للفولاذ زائد اليوتكتويد، إذ تفصل بين الأوستنيت ومجال الأوستنيت مع السمنتيت. وتشير اللاحقة «e» إلى الاتزان.

في حالة التبريد البطيء، قد تكون درجات الحرارة الحرجة عند التسخين أعلى بنحو 33 °C من قيمها عند التبريد. Strong evidence

تُكتب درجات الحرارة التشغيلية عادةً بترميز مختلف. وتشير Ac1 وAc3 إلى درجات التحوّل التي تُلاحظ أثناء التسخين، بينما تشير Ar1 وAr3 إلى تلك التي تُلاحظ أثناء التبريد. ويدل الحرفان «c» و«r» على حالتي التسخين والتبريد، لا على أطوار جديدة عند الاتزان. أثناء التسخين، قد لا يبدأ الأوستنيت في التشكّل إلا بعد أن تتجاوز المادة Ae1، لأن التكوّن النووي والانتشار يحتاجان إلى وقت. وأثناء التبريد، قد لا يظهر الفريت أو البرليت أو السمنتيت إلا بعد أن يهبط الفولاذ إلى ما دون حد الاتزان، لأن التفاعل يتطلب تبريدًا فائقًا. وتذكر ASM International أن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين، في حالة التبريد البطيء، قد تكون أعلى بنحو 33 °C من قيم التبريد (2024). وهذا الفرق هو هسترة، وليس خطأً في مخطط الأطوار.

ويغيّر التركيب هذه الحدود أيضًا. فالكربون يغيّر استقرار الأوستنيت ودرجات الحرارة التي يمكن عندها تشكّل الفريت والبرليت والسمنتيت والمارتنسيت. كما تزيح عناصر السبك هذه الحدود وتغيّر معدلات التفاعل؛ فعلى سبيل المثال، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحوّل، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد. وحتى مرجع الحديد النقي يعتمد على درجة الحرارة: إذ تضع جامعة كامبريدج الأوستنيت المكعّب المتمركز على الوجوه عند نحو 910–1400 °C، ودرجة الانصهار عند نحو 1539 °C (2005). لذلك لا يمكن لدرجة فولاذ معينة أن ترث «درجة حرارة أَوْسَتَنَة» ثابتة واحدة من الحديد النقي.

التسخين والتبريد والحفظ متساوي الحرارة والتبريد المستمر

ينتج عن التسخين والتبريد والحفظ أسئلة مختلفة. فعند التسخين، يتمثل السؤال في معرفة متى يذوب الفريت والسمنتيت بدرجة كافية لتشكّل الأوستنيت. ويعني التأخر الحراري أن درجة حرارة الفرن ودرجة حرارة السطح ودرجة حرارة القلب في مكوّن سميك قد تختلف اختلافًا كبيرًا. وقد تتجاوز قراءة مقياس الحرارة Ac1 في حين لم يصل المركز إلى ذلك بعد. ومن ثم يغيّر حجم المقطع المسار الحراري الفعلي حتى عندما يكون برنامج الفرن الاسمي متماثلًا.

وعند التبريد، يحدّد مسار التفاعل ناتج التحوّل. فالتبريد البطيء يعطي نواتج إعادة بنيوية محكومة بالانتشار، مثل الفريت قبل اليوتكتويدي والبرليت، بما يسمح لذرات الكربون والحديد بإعادة التوزّع. أما التبريد الأسرع فيثبط هذه التفاعلات وقد ينتج البينايت أو المارتنسيت. وتصف جامعة كامبريدج نمو البينايت بأنه عديم الانتشار بالنسبة إلى شبكة الحديد، وأنه ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀، حيث تكون الطاقة الحرة للبينايت أقل من الطاقة الحرة لأوستنيت مماثل في التركيب. والمارتنسيت تحوّل إزاحي، وعديم الانتشار في جوهره؛ فتشكّله لا يتطلب انتقال الكربون لمسافات طويلة، رغم أن محتوى الكربون يؤثر بدرجة كبيرة في درجة بدء تشكّله.

يتضمن التحوّل متساوي الحرارة حفظ الأوستنيت عند درجة حرارة مختارة واحدة بعد تبريده سريعًا إلى تلك الدرجة. ويعرض مخطط TTT—أي مخطط التحوّل بالزمن ودرجة الحرارة—متى تبدأ النواتج ومتى يكتمل تشكّلها في ظل ظروف الحفظ هذه. وتمثّل منحنيات C فيه تفاعلات تعتمد على الزمن، مثل البرليت والبينايت، بينما تمثّل درجة بدء المارتنسيت، Ms، تحوّلًا غير حراري تحكمه أساسًا درجة الحرارة التي يتم بلوغها، لا زمن الحضانة. أما Mf فهي درجة انتهاء تشكّل المارتنسيت، مع أن التبريد قد يتوقف فوق Mf ويترك أوستنيت محتجزًا. وتذكر جامعة كامبريدج أن الكربون يؤثر في Ms وMf ونسبة الأوستنيت المحتجز (2012).

أما مخطط CCT فيسجّل التحوّل أثناء التبريد المستمر. ويحدّد معدل التبريد أي منحنيات بدء يتم تجاوزها، ومدة بقاء الفولاذ في كل نطاق من نطاقات التفاعل. ويبيّن Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel الصادر عن NIST (1990) أن مخطط CCT يمكن أن يقدّر قابلية التصليد ويتنبأ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة والصلادة وقابلية التشغيل الآلي وخصائص الكلال. ولهذا السبب، لا تُعدّ قيمة CCT بديلًا عن قيمة Ae. فحدود الاتزان تصف استقرار الأطوار المسموح به، بينما تصف مخططات TTT وCCT متى تظهر نواتج التحوّل الفعلية على مسارات حرارية محددة.

إطار الحديد–الكربون: الأطوار والبُنى البلورية والمجالات

مخطط الحديد–الكربون هو خريطة اتزان، وليس جدولًا للرجوع إلى درجات الحرارة. تحدد مجالاته الأطوار المستقرة ترموديناميكيًا لتركيب ودرجة حرارة معينين، مع افتراض توافر وقت كافٍ للانتشار. لكن الفولاذ الفعلي غالبًا ما يتبع مسارًا مختلفًا: إذ تغيّر معدلات التسخين والتبريد درجات حرارة التحول، وتعدّل عناصر السبيكة استقرار الأطوار، كما يمكن للتبريد السريع أن يثبط النواتج التي يتحكم فيها الانتشار. ولذلك قد تحتوي الدرجة الاسمية نفسها على الفيريت أو البرليت أو البينيت أو المارتنسيت أو الأوستنيت المحتجز، أو على مخاليط من هذه الأطوار، تبعًا لتاريخها الحراري.

يميز المخطط أيضًا بين الطور والمكوّن المجهري البنيوي وناتج التحول. فالفيريت والأوستنيت والسمنتيت أطوار. أما البرليت فهو مكوّن مكوّن من طورين. والبينيت والمارتنسيت ناتجا تحول تعتمد بنيتهما وتركيبهما على كيفية تحلل الأوستنيت.

الفيريت والأوستنيت والسمنتيت

الفيريت، الذي يُكتب تقليديًا بالرمز α في هذا السياق، هو محلول صلب غني بالحديد ذو بنية بلورية مكعبة مركزية الجسم (BCC). وتكون قابلية ذوبان الكربون في الفيريت ذي البنية BCC منخفضة جدًا، لأن المواقع البينية المتاحة صغيرة وغير ملائمة للكربون. وفي درجات الحرارة العادية، تحتوي أنواع الفولاذ منخفض الكربون عادةً على الفيريت بوصفه الطور المستمر أو الطور المصفوفي. ويساعد محتواه الكربوني المنخفض نسبيًا وشبكته ذات البنية BCC في تفسير انخفاض صلابته مقارنةً بالمارتنسيت.

الأوستنيت، الذي يُكتب بالرمز γ، له بنية بلورية مكعبة مركزية الوجوه (FCC). وتوفر الشبكة ذات البنية FCC مواقع بينية أكبر وأكثر ملاءمة، ولذلك تذيب كمية من الكربون أكبر بكثير مما يذوبه الفيريت. وتُعد قدرة الأوستنيت على احتجاز الكربون محورًا أساسيًا في المعالجة الحرارية للفولاذ؛ إذ تهدف عملية الأوستنة إلى إدخال الكربون في γ قبل أن يحدد التبريد ما إذا كان سيتحول إلى برليت أو بينيت أو مارتنسيت أو خليط آخر.

في الحديد النقي، تضع مادة اتزانات الأطوار في أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ الصادرة عن جامعة كامبريدج عام 2005 الأوستنيت ذي البنية FCC عند نحو 910–1400 °م. وهذا المجال خاص بالحديد النقي، وليس مجالًا عامًا ينطبق على الفولاذ. وينصهر الحديد النقي عند نحو 1539 °م، في حين تغيّر إضافات الكربون وعناصر السبيكة حدود الأطوار ودرجات حرارة التحول.

السمنتيت، Fe₃C، هو كربيد حديد ذو بنية بلورية معينية قائمة. وهو طور مركب يحتوي على نحو 6.67% وزنيًا من الكربون، وهي نسبة أكبر بكثير من النسبة الكلية الموجودة في أنواع الفولاذ الإنشائي العادية. والسمنتيت صلب وهش، كما تؤثر كميته وشكله وتباعده واستمراريته تأثيرًا قويًا في السلوك الميكانيكي. ويحدد مصدر كامبريدج تفسير البنية المجهرية لأنواع الفولاذ (2008) البنى الثلاث مباشرةً: الأوستنيت ذو بنية FCC، والفيريت ذو بنية BCC، والسمنتيت Fe₃C ذو بنية معينية قائمة.

تصف هذه التسميات البنى البلورية، وليس مجرد المظهر تحت المجهر. فحبيبة الفيريت طور واحد حتى إن احتوت على عيوب أو تراكيز صغيرة من المذاب. وتظل جسيمات السمنتيت الموجودة داخل الفيريت طورًا منفصلًا، لأن تركيبها وبنيتها البلورية مختلفان.

تركيب اليوتيكتويد والتفاعل[1][1] Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2002.

تُعد نقطة اليوتيكتويد مثالًا مفيدًا لتنظيم المفاهيم. وتورد مادة علم المواد وميتالورجيا الفلزات الصادرة عن جامعة كامبريدج عام 2002 قيمة تقارب 0.8% وزنيًا من الكربون ودرجة حرارة قدرها 723 °م للتفاعل

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}.$$

كلتا القيمتين تقريبية وتعتمدان على المصدر. فقد تعرض المخططات المنشورة أرقامًا مختلفة قليلًا بسبب حالات المرجع أو البيانات التجريبية أو افتراضات السبيكة أو الاصطلاح المستخدم لتعريف درجة الحرارة الحرجة. وتكمن أهمية الترميز نفسه في عدم التعامل مع 0.8% وزنيًا و723 °م على أنهما ثابتان دقيقان.

عند تركيب اليوتيكتويد، يتحول الأوستنيت إلى فيريت وسمنتيت مع انخفاض درجة الحرارة عبر درجة حرارة اليوتيكتويد الاتزانية. وفي ظروف التبريد المناسبة، تنتظم هذه الأطوار في صفائح أو رقائق متناوبة تُسمى البرليت. والبرليت ليس بنية بلورية ثالثة، وليس طورًا واحدًا. فكل صفيحة من الفيريت ذات بنية BCC، وكل صفيحة من السمنتيت ذات بنية معينية قائمة لـ Fe₃C. أما النمط على مستوى المستعمرة فهو ناتج تحول أو مكوّن مجهري بنيوي يتكون من النمو التعاوني لطورين.

يغير معدل التبريد تباعد الصفائح، وأحيانًا يغير الناتج نفسه. فالتبريد البطيء يتيح للكربون الانتشار لمسافات أطول، ويميل إلى إنتاج برليت خشن نسبيًا. أما التبريد الأسرع فقد ينتج برليت أدق أو بينيتًا أو، إذا مُنع الانتشار إلى حد كبير، مارتنسيت. وتدرج الجمعية الأمريكية للمعادن (ASM International) البرليت والبينيت والمارتنسيت والفريت قبل اليوتيكتويد والسمنتيت قبل اليوتيكتويد ضمن النواتج الرئيسية المتشكلة من الأوستنيت.[2][2] Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. National Institute of Standards and Technology. NIST Interagency Report, 1990.

ولهذا فإن عبارة «درجة حرارة تحول الفولاذ» ناقصة. فمخطط الاتزان يوفر قيمًا مثل Ae₁، أي درجة حرارة اليوتيكتويد الاتزانية، في حين ينتج التسخين والتبريد درجات حرارة Ac وAr التي قد تختلف عنها. وتشير مادة ASM لعام 2024، مجالات درجات الحرارة الحرجة، إلى أن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين، في ظل التبريد البطيء، قد تكون أعلى بنحو 33 °م من قيمها أثناء التبريد. وتصف مخططات التحول متساوي الحرارة إبقاء المادة عند درجة حرارة مختارة، بينما تصف مخططات التحول بالتبريد المستمر (CCT) التبريد المتواصل. وتوضح دراسة NIST لعام 1990، خصائص التحول بالتبريد المستمر لفولاذ SAE 1141، كيف يمكن لمخطط CCT تقدير قابلية التقسية والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة والصلابة وقابلية التشغيل الآلي وخواص الكلال.

يوفر السيليكون تحذيرًا إضافيًا من القيم الثابتة. فتذكر ASM أن السيليكون يرفع مجال درجات حرارة التحول، ويخفض قابلية ذوبان الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكك كربيد الحديد. ويغير التركيب مجالات الأطوار قبل بدء الدورة الحرارية في الفرن أصلًا.

الفيريت قبل اليوتيكتويد والسمنتيت قبل اليوتيكتويد

تُسمى أنواع الفولاذ التي تحتوي على كربون أقل من تركيب اليوتيكتويد أنواع الفولاذ ناقصة اليوتيكتويد. وأثناء التبريد من حالة الأوستنيت، يتشكل الفيريت أولًا، قبل أن يصل الأوستنيت المتبقي إلى تركيب اليوتيكتويد. ويسمى هذا الفيريت المبكر الفيريت قبل اليوتيكتويد. وعند درجة حرارة اليوتيكتويد، يتحول الأوستنيت المتبقي إلى برليت. ولذلك تحتوي البنية النهائية للفولاذ ناقص اليوتيكتويد عادةً على فيريت قبل اليوتيكتويد وبرليت، رغم أن معدل التبريد وعناصر السبيكة قد يؤديان إلى تشكل البينيت أو المارتنسيت.

وتُسمى أنواع الفولاذ التي تحتوي على كربون أكثر من تركيب اليوتيكتويد أنواع الفولاذ فائقة اليوتيكتويد. ويتشكل السمنتيت أولًا من الأوستنيت، عادةً على طول حدود حبيبات الأوستنيت السابقة أو في مواقع أخرى ملائمة. وهذا هو السمنتيت قبل اليوتيكتويد. ويصبح الأوستنيت المتبقي يوتيكتويدي التركيب، ثم يتحول إلى برليت عند مواصلة التبريد. ولذلك تحتوي البنية الناتجة عادةً على سمنتيت قبل اليوتيكتويد وبرليت.

تعني كلمة «قبل اليوتيكتويد» «المتشكل قبل تفاعل اليوتيكتويد»، ولا تعني «المتشكل قبل وجود الأوستنيت». فكلا الناتجين يتشكل من الأوستنيت أثناء التبريد. وتعتمد كمياتهما على التركيب والمسار عبر مجالات الأطوار، في حين يعتمد شكلهما المجهري على التنوي والانتشار وحجم الحبيبات ومعدل التبريد. وإذا كان التبريد سريعًا بما يكفي، فقد يُتجاوز تحلل اليوتيكتويد. ويميز مصدر كامبريدج لعام 2008 عن البنية المجهرية للفولاذ بين هذه التفاعلات الإعادية التي يتحكم فيها الانتشار والتحولات الإزاحية؛ إذ يمكن للمارتنسيت أن يتشكل من دون الانتشار الكيميائي بعيد المدى اللازم لتكوين البرليت. كما يؤثر الكربون في درجات حرارة بدء المارتنسيت وانتهائه وفي نسبة الأوستنيت المحتجز، كما هو مسجل في مادة كامبريدج لعام 2012، مخطط التحول من الزمن إلى درجة الحرارة للفولاذ.

تكوّن الأوستنيت أثناء التسخين

لا يظهر الأوستنيت عند درجة حرارة عالمية واحدة. إذ يعتمد تكوّنه على محتوى الكربون، والإضافات السبائكية، ومعدل التسخين، وزمن المكوث، والبنية الفيريتية–البيرليتية أو البنية المراجَعة الموجودة قبل التسخين. والطور نفسه هو حديد γ مكعب متمركز الوجوه؛ أما الفيريت فهو حديد α مكعب متمركز الجسم، في حين أن السمنتيت هو Fe₃C معيني قائم الزوايا، وفقًا لما ورد في مرجع Interpretation of the Microstructure of Steels الصادر عن جامعة Cambridge عام 2008. ويغيّر التسخين كلاً من البنية البلورية وتوزيع الكربون بين هذه الأطوار.

تصف الرموز Ac1 وAc3 وAccm درجات الحرارة الحرجة العملية، المقاسة أو الملاحظة أثناء التسخين. يشير الحرف «c» إلى التسخين، بينما يشير الرقم «1» إلى بدء تكوّن الأوستنيت. ولذلك فإن Ac1 هي درجة الحرارة التي يتكوّن عندها الأوستنيت لأول مرة من الفيريت والبيرليت، أو من البيرليت والسمنتيت في الفولاذ مفرط اليوتكتويد. أما Ac3 فهي درجة الحرارة التي يختفي عندها آخر فيريت قبل يوتكتويدي في الفولاذ ناقص اليوتكتويد. وتمثل Accm الحد العلوي المناظر للفولاذ مفرط اليوتكتويد: فعند درجات حرارة أعلى منها يكون السمنتيت قد دخل في المحلول، وتصبح البنية أوستنيتية بالكامل، باستثناء كربيدات السبائك غير المنحلة.

ولا تتطابق هذه القيم مع Ae1 وAe3 وAecm. إذ تشير تدوينة Ae إلى شروط الاتزان، حيث يُسمح لنسب الأطوار بالت调整 عبر الانتشار عند تركيب ودرجة حرارة محددين. أما قيم Ac فتصف مسار تسخين فعليًا، ولذلك فإنها تتغير مع معدل التسخين، وحجم العينة، والحالة السابقة، وطريقة القياس. وتذكر ASM International أن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين قد تكون أعلى بنحو 33 °C من قيمها أثناء التبريد في ظروف التبريد البطيء (Critical Temperature Ranges، 2024). ولذلك يجب ربط أي قيمة منشورة لـ Ac1 أو Ac3 بتركيب الفولاذ وبشرط الاختبار.

تجاوز Ac1 وAc3 وAccm

في الفولاذ ناقص اليوتكتويد، مثل درجة فولاذ إنشائي منخفض الكربون نموذجية، تتكون البنية الابتدائية عادةً من الفيريت والبيرليت. وبالقرب من التركيب اليوتكتويدي، تبدأ مستعمرات البيرليت بالتحول عند Ac1. وعند نحو 0.8% وزنيًا من الكربون ودرجة حرارة 723 °C، يكون تفاعل اليوتكتويد المتزن هو γ → α + Fe₃C، وفقًا لمادة Materials Science & Metallurgy الصادرة عن جامعة Cambridge عام 2002. ويعكس التسخين هذا التفاعل: إذ يُستهلك الفيريت والسمنتيت الموجودان داخل البيرليت لتكوين الأوستنيت.

ولا يحدث التحول على هيئة جبهة حادة تمامًا. إذ تتنوى أطوار الأوستنيت عند السطوح البينية بين الفيريت والسمنتيت، وحدود مستعمرات البيرليت، والمواقع الأخرى مرتفعة الطاقة. ثم ينمو الأوستنيت داخل الفيريت المحيط. وبما أن الكربون ينتشر عبر الأوستنيت بسرعة أكبر بكثير من سرعة انتشار العناصر السبائكية الإحلالية، يصبح تركيز الكربون غير متجانس خلال المرحلة المبكرة. ولا يذوب الفيريت المتبقي إلا مع ارتفاع درجة الحرارة باتجاه Ac3. وتحت Ac3، يتكون المزيج من الأوستنيت والفيريت قبل اليوتكتويدي؛ أما فوق Ac3، فتصبح المصفوفة أوستنيتية.

يسلك الفولاذ مفرط اليوتكتويد مسارًا مختلفًا. إذ يتحول البيرليت بعد Ac1، لكن السمنتيت قبل اليوتكتويدي يبقى حول حدود حبيبات الأوستنيت السابقة أو داخل البنية. ولا يتكوّن الأوستنيت بالكامل حتى تتجاوز درجة الحرارة Accm ويذوب السمنتيت بدرجة كافية. ولذلك قد يؤدي التسخين إلى درجة أعلى قليلًا من Ac1 إلى بقاء أوستنيت يحوي نسبة كبيرة من السمنتيت. ومن الخطأ وصف هذه الحالة بأنها «أوستنة كاملة».

وبالنسبة إلى الحديد النقي، تضع بيانات اتزان الأطوار من Cambridge الأوستنيت المكعب متمركز الوجوه بين نحو 910 و1400 °C، مع انصهار قريب من 1539 °C. ولا يتبع الفولاذ حدود الحديد النقي هذه؛ إذ يغيّر الكربون والعناصر السبائكية مواضع الحدود، كما أن التسخين الصناعي يحدث غالبًا بعيدًا عن الاتزان. ولذلك لا يقتصر السؤال العملي على معرفة ما إذا كان الفرن قد بلغ درجة حرارة مطبوعة. بل يتمثل السؤال في معرفة ما إذا كانت الأطوار المطلوبة قد أتيح لها وقت كافٍ للتحول في جميع أنحاء المقطع.

ذوبان الكربون وإعادة توزيع الكربيدات

يجب أن يغادر الكربون السمنتيت وأن ينتشر عبر الأوستنيت النامي. وتتحول البنية البيرليتية الدقيقة عادةً بسرعة أكبر من البيرليت الخشن، لأنها توفر مساحة أكبر من السطوح البينية بين الفيريت والسمنتيت ومسافات انتشار أقصر. كما يغيّر التشغيل البارد السابق، وحجم الحبيبات، والانفصال الكيميائي، ومعالجة المراجعة السابقة، مواقع التنوي ومعدلات الانحلال.

بعد Ac1، قد يحتوي الأوستنيت المتكوّن حديثًا على كمية كربون أقل من قيمة الاتزان عند درجة الحرارة تلك، في حين تحتوي المناطق القريبة من السمنتيت المنحل على كمية أكبر. ويسمح المكوث بإعادة توزيع الكربون. وقد يؤدي عدم كفاية الزمن إلى بقاء سمنتيت غير منحَل، أو أوستنيت فقير بالكربون، أو تدرجات موضعية في التركيب. ويمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا أو المكوث الطويل إلى تكبير حبيبات الأوستنيت السابقة حتى عندما يكون الانحلال قد اكتمل بالفعل.

وتجعل كربيدات السبائك العملية أبطأ. فقد تبقى الكربيدات الحاوية على الكروم والموليبدينوم والفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم مستقرة عند درجات حرارة أعلى بكثير من درجة الحرارة اللازمة لإذابة Fe₃C العادي. وقد يكون استمرارها مقصودًا، لكنه يعني أن «درجة حرارة الأوستنة» الاسمية لا تضمن دخول كل جسيم يحوي الكربون في المحلول. كما تنفصل ذرات الكربون والعناصر الإحلالية أثناء الصب والمعالجة السابقة، ولذلك قد تختلف درجات حرارة التحول الموضعية داخل المكوّن الواحد.

تأثير السيليكون والإضافات السبائكية

يمثل السيليكون مثالًا واضحًا على سبب ضرورة إرفاق التركيب بأي درجة حرارة للتحول. وتذكر ASM International أن السيليكون يرفع مجال درجات حرارة التحول، ويقلل ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكك كربيد الحديد. ولذلك يختلف استقرار السمنتيت وتقسيم الكربون في الفولاذ السبائكي بالسيليكون عن حالهما في الفولاذ الكربوني العادي. وقد تكون النتيجة حدًا أعلى عمليًا للتسخين، وتغيرًا في انحلال الكربيدات، وميلًا أكبر إلى بقاء الكربون موزعًا بين الأوستنيت والمكوّنات الأخرى أثناء الدورة الحرارية.

ويخفض المنغنيز عمومًا درجات حرارة التحول الحرجة ويزيد قابلية التصلد، بينما يثبت النيكل الأوستنيت، ويمكن للكروم والموليبدينوم والفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم تكوين كربيدات أو نتريدات مستقرة. ولا يمكن استنتاج التأثير المشترك من عنصر واحد بمعزل عن غيره. كما أن معدل التسخين مهم أيضًا: فقد يؤدي التسخين السريع إلى ظهور قيم Ac أعلى، لأن الانتشار والتنوي يتأخران عن درجة حرارة الفرن.

ويتحكم الأوستنيت الناتج في التحول اللاحق. فعند التبريد، قد يتكوّن البيرليت أو البينيت أو الفيريت قبل اليوتكتويدي أو السمنتيت قبل اليوتكتويدي أو المارتنسيت، تبعًا للتركيب ومسار التبريد. ويوضح تقرير NIST المعنون Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) سبب استخدام مخطط التحول بالتبريد المستمر لتقدير قابلية التصلد والتنبؤ بالبنية المجهرية في درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة والصلادة وقابلية التشغيل الآلي وخواص الكلال. فتكوّن الأوستنيت هو حالة البداية، وليس ضمانًا لتكوّن بنية نهائية محددة.

نواتج التبريد: البيرليت، والبينيت، والمارتنسيت، والأطوار السابقة لليوتكتويد

لا يمتلك الأوستنيت ناتج تبريد حتميًا واحدًا. إذ تعتمد النتيجة على محتوى الكربون والعناصر السبائكية، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وحالة التسخين، ومعدل التبريد، والزمن المستغرق عند كل درجة حرارة. وتحدد ASM International البيرليت، والبينيت، والمارتنسيت، والفريت السابق لليوتكتويد، والسمنتيت السابق لليوتكتويد بوصفها النواتج الرئيسية لتحول الأوستنيت. ولا تصف هذه الأسماء جميعًا النوع نفسه من الأشياء: فالفريت والسمنتيت طوران، بينما البيرليت والبينيت ناتجا تحول يحتوي كل منهما على أكثر من طور، والمارتنسيت طور مفرط الإشباع يتكون بآلية مختلفة.

يوضح التفاعل اليوتكتويدي المألوف هذا التمييز. ويضع كتاب علم المواد وعلوم الفلزات الصادر عن جامعة كامبريدج عام 2002 التفاعل عند نحو 0.8% وزنيًا من الكربون و723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

هنا، تمثل γ أوستنيتًا مكعّبًا متمركزًا على الوجوه، وتمثل α فريتًا مكعّبًا متمركزًا على الجسم، بينما يمثل Fe₃C سمنتيت ذا بنية معينية قائمة، وفقًا لما يرد في كتاب تفسير البنية المجهرية للفولاذ الصادر عن كامبريدج عام 2008. ودرجة الحرارة هذه مرجع اتزان، وليست نقطة انتقال عامة وثابتة. فقد يبدأ التحول الفعلي عند درجة أدنى أو أعلى منها، تبعًا للمسار الحراري والتركيب.

البيرليت بوصفه ناتجًا بنيويًا تحكمه الانتشار

يتكون البيرليت عندما يتحلل الأوستنيت بصورة تعاونية إلى فريت وسمنتيت متناوبين. ولا بد من إعادة توزيع الكربون: إذ لا يستطيع الفريت إذابة سوى كمية صغيرة من الكربون، في حين يستوعب السمنتيت كمية أكبر بكثير. كما تعيد الشبكة الحديدية بناء نفسها من الترتيب المكعّب متمركز الوجوه في الأوستنيت إلى بنية الفريت المكعّبة متمركزة الجسم. ولذلك فهذا تحول بنيوي تحكمه آلية الانتشار، وليس مجرد تغير شكلي في الشبكة الموجودة.

وتكتسب الصفة التعاونية أهمية كبيرة. فتكوّن الفريت يطرد الكربون إلى الأوستنيت القريب، مما يرفع تركيز الكربون موضعيًا ويساعد على تكوّن السمنتيت إلى جواره. ومن ناحية أخرى، يهيئ تكوّن السمنتيت الظروف التي تسمح للفريت المجاور بالنمو. وتحتوي المستعمرات الناتجة على صفائح يتحدد تباعدها بدرجة كبيرة بدرجة حرارة التحول. وتؤدي درجات حرارة التحول الأعلى عمومًا إلى تكوين بيرليت خشن؛ أما درجات الحرارة الأقل فتنتج بيرليت أدق، لأن مسافة الانتشار المتاحة تكون أقصر. ولا يغير معدل التبريد درجة بدء التحول فحسب، بل يغير أيضًا تباعد الناتج وكسره الحجمي ومورفولوجيته.

في الفولاذ ناقص اليوتكتويد، يتكون الفريت السابق لليوتكتويد قبل أن يبلغ الأوستنيت المتبقي التركيب اليوتكتويدي. وينمو الفريت تفضيليًا على طول حدود حبيبات الأوستنيت السابق، وينزع الكربون من الأوستنيت غير المتحول، مما يجعل ذلك الأوستنيت أكثر غنى بالكربون تدريجيًا. أما في الفولاذ فائض اليوتكتويد، فيتكون السمنتيت السابق لليوتكتويد بدلًا من ذلك، وغالبًا على طول حدود حبيبات الأوستنيت، بينما يصبح الأوستنيت المتبقي أقل غنى بالكربون مقارنةً بالسبيكة الأصلية قبل تحوله إلى بيرليت. ولذلك قد تحتوي البنية النهائية على فريت وبيرليت، أو سمنتيت وبيرليت، بدلًا من البيرليت وحده.

تصف المصطلحات Ae1 وAe3 وAecm حدود الاتزان: إذ يمثل Ae1 الحد اليوتكتويدي، ويفصل Ae3 بين الأوستنيت والأوستنيت مع الفريت السابق لليوتكتويد في التراكيب المناسبة، بينما يحدد Aecm حد السمنتيت المناظر. ولا يلزم أن تتطابق درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين والتبريد. ويذكر تقرير ASM International المعنون نطاقات درجات الحرارة الحرجة (2024) أنه، عند التبريد البطيء، قد تكون درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين أعلى بنحو 33 °C من قيمها أثناء التبريد. فالحركية والتخلف الحراري ليسا خطأين في مخطط الأطوار؛ بل هما جزء من التحول.

البينيت وشرط T₀

يشغل البينيت منطقة وسطى كثيرًا ما تحجبها المخططات المبسطة. فنموه خالٍ من الانتشار فيما يتعلق بالشبكة الحديدية: إذ تتحرك ذرات الحديد بطريقة إزاحية منسقة، بدلًا من أن تنتشر كل ذرة على حدة لمسافات طويلة. غير أن الكربون لا يصبح بلا أهمية. فالفريت مفرط الإشباع المتكون أثناء التغير الشبكي الأولي يجب أن يعيد توزيع الكربون، غالبًا إلى الأوستنيت أو إلى كربيد، تبعًا لتركيب الفولاذ وظروف التحول. ولذلك فالبينيت ليس بيرليت ذا تباعد أدق، ولا مارتنسيت متكونًا عند درجة حرارة أعلى.

درجة حرارة T₀درجة حرارة T₀ درجة الحرارة التي تتساوى عندها الطاقة الحرة للأوستنيت وفيريت الباينيت ذوي التركيب المتطابق؛ ويكون التحول الباينيتي المحدد مسموحًا ترموديناميكيًا تحتها.

تصف جامعة كامبريدج، في تفاعل البينيت (2024)، نمو البينيت بأنه خالٍ من الانتشار فيما يتعلق بالشبكة الحديدية، وأنه ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀. وتمثل T₀ درجة الحرارة التي تتساوى عندها الطاقة الحرة للأوستنيت والفريت البينيتي ذي التركيب الكيميائي نفسه. وتحت T₀، يمتلك الفريت البينيتي ذو ذلك التركيب غير المتغير طاقة حرة أقل من الأوستنيت، ولذلك تكون الخطوة الإزاحية مسموحة ترموديناميكيًا. أما فوق T₀، فلا يمتلك التحول ذي التركيب نفسه قوة الدفع اللازمة.

ولا يعني هذا الشرط أن كل سبيكة تتحول إلى بينيت بمجرد تجاوزها T₀. فحواجز التكوّن، وتقسيم الكربون، وترسب الكربيدات، والإضافات السبائكية، والعيوب، والزمن المتاح، كلها عوامل تؤثر في التفاعل. وقد تشتمل البنية البينيتية النهائية على الفريت والكربيدات، كما يعتمد مظهرها على ما إذا كان تكوّن الكربيد يحدث بين صفائح الفريت أو يجري تثبيطه بفعل التركيب والمعالجة. فعلى سبيل المثال، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد؛ وتغير هذه التأثيرات المسار والناتج بدلًا من مجرد إزاحة درجة حرارة ثابتة واحدة.

يعرض مخطط التحول الزمني-الحراري هذه الحدود الحركية من خلال منحنيات C. ويعطي مخطط التحول بالتبريد المستمر إجابة مختلفة، لأن العينة تمر عبر درجات الحرارة بينما يستمر التحول. ويشير تقرير NIST المعنون خصائص التحول بالتبريد المستمر لفولاذ SAE 1141 (1990) إلى أن مخطط CCT يمكنه تقدير قابلية التصلد والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة، والصلادة، وقابلية التشغيل الآلي، وخصائص الكلال. ولهذا السبب لا يمكن استبدال معدل التبريد بدرجة حرارة واحدة تُسمى «درجة حرارة البينيت».

المارتنسيت بوصفه تحولًا إزاحيًا لا حراريًا

يتكون المارتنسيت من خلال قصّ وإزاحة منسقين لشبكة الأوستنيت. وهو تحول إزاحي؛ إذ تتحرك ذرات الحديد لمسافات صغيرة من دون الانتشار الكيميائي بعيد المدى اللازم لتكوّن البيرليت. ويُحتجز الكربون في الشبكة المتحولة، مما يؤدي إلى فرط الإشباع والتشوه. وفي فولاذ الكربون، يوصف المارتنسيت الناتج عادةً بأنه ذو بنية مكعّبة متمركزة الجسم رباعية التماثل، مع أن مقدار رباعية التماثل يتغير تبعًا لمحتوى الكربون والمعالجة بالمراجعة.

يبدأ المارتنسيت عند درجة بدء المارتنسيت، Ms، عندما يوفر مسار التبريد قوة الدفع الكافية للتكوّن. ويسمى التحول لا حراريًا لأن الكمية المتكونة تعتمد أساسًا على درجة الحرارة التي جرى بلوغها، لا على زمن المكوث عند درجة حرارة ثابتة. ولذلك فإن Ms هي درجة حرارة تحول، وليست ضمانًا لتحول كل الأوستنيت. ويؤدي استمرار التبريد عمومًا إلى تكوين مزيد من المارتنسيت، غير أنه قد يبقى بعض الأوستنيت عند درجة حرارة الغرفة.[3][3] Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge. University of Cambridge phase-trans materials, 2012.

وينطبق القيد نفسه على Mf، أي درجة نهاية المارتنسيت. فهي تحدد نطاقًا مستقرأ أو مقاسًا لاكتمال التفاعل المارتنسيتي في ظروف محددة، وليست وعدًا مطلقًا بغياب الأوستنيت المحتجز. ويوضح كتاب كامبريدج مخطط التحول الزمني-الحراري للفولاذ (2012) تحديدًا أن الكربون يؤثر في Ms وMf وكسور الأوستنيت المحتجز. كما تغير العناصر السبائكية والتحولات السابقة النتيجة أيضًا.

يمكن للتبريد السريع أن يثبط النواتج البنيوية ويسمح بتكوّن المارتنسيت، لكن مفهوم «السريع» يعتمد على نوع الفولاذ. فقد يُظهر مخطط CCT لفولاذ ما تكوّن البيرليت أو البينيت قبل Ms عند معدل تبريد معين، وتكوّن المارتنسيت عند معدل آخر. ولذلك يتبع اختيار الطور التاريخ الحراري الكامل: تحدد درجات حرارة الاتزان الحالات الممكنة، وتصف مخططات TTT الحركية متساوية الحرارة، بينما تصف مخططات CCT التبريد المستمر الفعلي. ولا تخبر درجة الحرارة وحدها القصة الكاملة للبنية المجهرية قط.

مخططات TTT: ما يمكن لبيانات التحول متساوي الحرارة أن توضحه وما لا يمكنها توضيحه

يسجل مخطط التحول الزمني–الحراري (TTT) ما يحدث عندما تُسخَّن الأوستنيت إلى درجة حرارة مختارة وتُحفظ عندها. وهو ليس جدولًا شاملًا لدرجات حرارة تحول ثابتة. تنطبق المنحنيات على تركيب فولاذ محدد، ومعالجة أَوْسَتَنَة محددة، وحجم حبيبات سابق، وتعريف تجريبي محدد لبداية التحول ونهايته.

لإنشاء المخطط، تُسخَّن عينة أولًا إلى درجة كافية داخل مجال الأوستنيت لإنتاج البنية γ المطلوبة. ثم تُبرَّد بسرعة إلى درجة حرارة احتجاز مختارة. ويجب أن يتجنب التبريد حدوث التحول أثناء انخفاض درجة الحرارة. عند درجة حرارة الاحتجاز، تُحفظ العينة متساوية الحرارة، بينما تُرصد بنيتها المتغيرة باستخدام قياس التمدد، أو الفحص المعدني، أو الاستجابة المغناطيسية، أو قياس آخر. ويُرسم الزمن الذي يصبح عنده التحول قابلًا للكشف كنقطة بداية؛ أما الزمن الذي يُحكم عنده على اكتمال الجزء المحدد من التحول فيُرسم كنقطة نهاية. ويؤدي تكرار الإجراء عند درجات حرارة عديدة إلى إنتاج المنحنيات المألوفة.

تُميِّز النتيجة بين نواتج التحول، والأطوار، ودرجات الحرارة. الأوستنيت طور: حديد γ مكعّب متمركز الوجوه، يحتوي على الكربون وعناصر السبك. أما البرليت والباينيت فهما ناتجا تحول، ويتكونان عادةً من الفيريت بالإضافة إلى كربيد بترتيبات مختلفة. والمارتنسيت أيضًا ناتج تحول، يتشكل من الأوستنيت بفعل تغير إزاحي في الشبكة البلورية. في التفاعل اليوتكtoيدي، عند نحو 0.8% وزنيًا من الكربون و723 °C، يتغير الأوستنيت وفقًا للمعادلة γ → α + Fe₃C، كما تصف ذلك جامعة كامبريدج (2002). وتعرّف كامبريدج الفيريت بأنه مكعّب متمركز الجسم، والسمنتيت بأنه Fe₃C معينيّ متعامد.

قراءة منحنيات C

تكون درجة الحرارة على المحور الرأسي، والزمن، عادةً بمقياس لوغاريتمي، على المحور الأفقي. تُؤستنَتَن عينة فولاذ، ثم تُبرَّد بسرعة إلى نقطة على المخطط، وبعد ذلك تُحفظ أفقيًا. فإذا تقاطع ذلك الخط الأفقي للمرة الأولى مع منحنى بداية التحول عند 650 °C، فإن الزمن المنقضي حتى ذلك التقاطع هو فترة الحضانة السابقة للتحول القابل للكشف. ويؤدي استمرار الاحتجاز إلى دفع البنية نحو منحنى النهاية المناظر. وتمثل المنطقة الواقعة بين المنحنيين مزيجًا من الأوستنيت غير المتحول وناتج التحول، وليست طورًا واحدًا ذا درجة حرارة محددة بدقة.

تنحني المنحنيات عادةً نحو الأزمنة القصيرة عند درجة حرارة متوسطة، فتكوّن ما يُسمى «الأنف». ويكون التحول أسرع بالقرب من هذا الأنف، لأن القوة الدافعة كبيرة، في حين تظل حركة الذرات سريعة بما يكفي. وعند درجات الحرارة الأعلى، تؤدي صِغَر القوة الدافعة إلى إبطاء التكوّن النووي؛ أما عند درجات الحرارة الأقل، فيؤدي انخفاض الانتشار إلى إبطاء عملية النمو. ولذلك يشير الأنف إلى حالة زمنية–حرارية، وليس إلى درجة حرارة حرجة واحدة.

قد يؤدي الاحتجاز الأفقي فوق المجال ذي الصلة إلى تكوين برليت خشن؛ أما الاحتجاز عند درجة أقل فقد يؤدي إلى برليت أدق أو باينيت، تبعًا للتركيب والمخطط. وتتغير الحدود الدقيقة بتغير الكربون، والمنغنيز، والكروم، والموليبدينوم، والسيليكون، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، وممارسة الأَوْسَتَنَة. فعلى سبيل المثال، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد. وحتى درجات الحرارة الحرجة للتسخين والتبريد قد لا تتطابق؛ إذ تفيد ASM International (2024) بأن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين البطيء قد تكون أعلى بنحو 33 °C من قيم التبريد.

لا يمكن نقل منحنى TTT مباشرةً إلى مكوّن يبرد تبريدًا مستمرًا. فالموقد، أو حمام الزيت، أو اللحام، أو المقطع السميك يتبع مسارًا مائلًا لدرجة الحرارة–الزمن، لا احتجازًا أفقيًا. وخلال ذلك المسار، قد تمر المادة بدرجات حرارة يبدأ عندها التحول، لكن الزمن المتاح يتغير باستمرار. ويُعد مخطط التحول أثناء التبريد المستمر (CCT) الأداة المناسبة لهذه المسألة. وتستخدم دراسة NIST (1990) لفولاذ SAE 1141 بيانات CCT لتقدير قابلية التصليد والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة، والصلادة، وقابلية التشغيل، وخواص الكلال. ويمكن لمخطط TTT أن يوفر إرشادًا، لكن تطبيقه على التبريد المستمر يتطلب توثيقًا مناسبًا، غالبًا من خلال منحنيات تبريد محسوبة أو بيانات CCT محددة تجريبيًا.

مناطق التحولات إعادة البناء والتحولات الإزاحية

تعكس منحنيات C المنفصلة في كثير من مخططات الفولاذ آليات مختلفة، لا مجرد أسماء مختلفة للحدث نفسه. وتتطلب تحولات إعادة البناء عبور الذرات للواجهات وإعادة ترتيبها من خلال عمليات تنطوي على الانتشار. والبرليت هو المثال القياسي: إذ يتشكل الفيريت والسمنتيت بينما يتوزع الكربون، وتتغير شبكة الحديد من مناطق أوستنيتية إلى مناطق فيريتية. وينتمي الفيريت قبل اليوتكtoيد أو السمنتيت قبل اليوتكtoيد أيضًا إلى هذه العائلة المضبوطة بالانتشار عندما يتشكل قبل التفاعل اليوتكtoيدي.

يشغل الباينيت منطقة مختلفة. ويذكر كتاب كامبريدج The Bainite Reaction (2024) أن نمو الباينيت خالٍ من الانتشار فيما يتعلق بشبكة الحديد، وأنه ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀، حيث تكون الطاقة الحرة للباينيت ذي التركيب نفسه أقل من الطاقة الحرة للأوستنيت. ولذلك يجمع التحول بين تغير إزاحي في شبكة الحديد وعمليات إعادة توزيع الكربون أو ترسيبه التي تحدد البنية الباينيتية النهائية. ولا ينبغي التعامل معه ببساطة على أنه «برليت ناعم».

يتشكل المارتنسيت عندما يُبرَّد الأوستنيت بسرعة كافية لكبح تحولات إعادة البناء. وتتغير شبكته بإزاحة منسقة، مع غياب الانتشار بعيد المدى تقريبًا أثناء التكوّن. ولذلك تُمثَّل منطقة المارتنسيت بدرجات الحرارة، لا بمنحنيات C عادية تعتمد على الزمن.

Ms وMf والأوستنيت المحتجز

يُبلَغ Ms، أي درجة حرارة بدء المارتنسيت، عندما يسمح تبريد الأوستنيت ببدء تشكل المارتنسيت. ويكون التحول لا حراريًا ضمن المجال ذي الصلة: إذ تعتمد الكمية المتشكلة أساسًا على درجة الحرارة التي تم بلوغها، لا على زمن الاحتجاز عند درجة حرارة ثابتة. أما Mf، أي درجة حرارة نهاية المارتنسيت، فهي درجة الحرارة الاسمية التي يكتمل عندها التحول المارتنسيتي المحدد.

قد تقع Mf تحت درجة حرارة الغرفة. وفي هذه الحالة، يترك التبريد إلى درجة حرارة الغرفة جزءًا من الأوستنيت غير متحول. وهذا هو الأوستنيت المحتجز، وليس طور اتزان منفصلًا يُحدَّد بالرجوع البسيط إلى درجة الحرارة. وينتج ذلك عن التركيب ومسار التبريد، كما يمكن أن تتغير كميته أثناء المراجعة اللاحقة، أو الخدمة، أو التشوه.

للكربون تأثير قوي في الكميات الثلاث جميعًا. وتوضح مادة جامعة كامبريدج عن مخططات TTT (2012) أن الكربون يؤثر في Ms وMf ونسبة الأوستنيت المحتجز: فزيادة الكربون تخفض عمومًا Ms وMf، وتزيد نسبة الأوستنيت المتبقي بعد معالجة تبريد معينة. كما تغير عناصر السبك والمعالجة السابقة النتيجة. ومن ثم فإن الخط الموسوم Ms في مخطط ما يخص ذلك الفولاذ وظروف اختباره؛ ولا يمكن نسخه دون تمحيص إلى سبيكة أو مكوّن آخر.

مخططات CCT وواقع مسارات التبريد الصناعية

التبريد المستمر عبر نطاقات التحول

يصف مخطط التحول من درجة الحرارة إلى الزمن (TTT) ما يحدث عندما تُحافَظ الأوستنيت على درجة حرارة مختارة. وتفيد هذه الحالة في دراسة التفاعلات متساوية الحرارة، لكنها لا تمثل التاريخ الحراري المعتاد لمكوّن فولاذي. فالمطروقات تغادر القالب وتفقد الحرارة باستمرار. وتبرد المنتجات المدرفلة عبر مجال حراري متغير. كما تمر أنواع الفولاذ المُطبَّعة والمُلدَّنة عبر نطاقات التحول أثناء التبريد في الفرن أو في الهواء، في حين تعبر الأجزاء المُقساة بالتبريد غالبًا تلك النطاقات بسرعة قبل بلوغ درجة بدء تكوّن المارتنسيت، Ms.

لذلك يكون مخطط التحول بالتبريد المستمر (CCT) غالبًا الخريطة الأكثر عملية. إذ تُرسم حدود بدء التحول وانتهائه مقابل درجة حرارة تنخفض باستمرار. ويُظهر منحنى تبريد مرسوم فوق المخطط متى، وكم من الوقت، تشغل الأوستنيت نطاق درجة الحرارة الذي يمكن أن يتكوّن فيه ناتج معين. وقد يدخل المنحنى منطقة بدء تكوّن الفريت، ثم يستمر إلى تكوّن البرليت، ويمر عبر البينيت، وأخيرًا يعبر Ms، بحيث تتحول الأوستنيت المتبقية إلى مارتنسيت. وبناءً على ذلك، قد تكون البنية النهائية مزيجًا، لا طورًا واحدًا أو ناتج تحول واحدًا مسمّى.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية لأن الفريت والبرليت والبينيت والمارتنسيت لا تتكوّن بالآلية نفسها. فقد يتكوّن الفريت أو السمنتيت قبل اليوتكتويد قبل حدوث التفاعل اليوتكتويدي في أنواع الفولاذ ناقصة اليوتكتويد أو فائضة اليوتكتويد. وبالقرب من التركيب اليوتكتويدي، أي نحو 0.8% وزنيًا من الكربون و723 °C، تخضع الأوستنيت للتحول γ → α + Fe₃C، وفقًا لمادة علم المواد وميتالورجيا الفلزات (Materials Science & Metallurgy) الصادرة عن جامعة كامبريدج (2002). ويمثل α الفريت، في حين يمثل Fe₃C السمنتيت. ويحدد مرجع كامبريدج تفسير البنية المجهرية لأنواع الفولاذ (Interpretation of the Microstructure of Steels) (2008) أن الأوستنيت ذو بنية مكعبة متمركزة الوجوه، وأن الفريت ذو بنية مكعبة متمركزة الجسم، وأن السمنتيت هو Fe₃C ذو بنية معينية قائمة.

عند درجات الحرارة المنخفضة، قد يتكوّن البينيت بتحول يكون انتشاريًا غير معتمد على شبكة الحديد، مع بقاء إعادة توزيع الكربون مهمة للتفاعل ونواتجه. ويذكر مرجع كامبريدج تفاعل البينيت (The Bainite Reaction) (2024) أن نمو البينيت ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀، حيث تكون الطاقة الحرة للبينيت أقل من الطاقة الحرة لأوستنيت ذات التركيب نفسه. وإذا كان التبريد سريعًا بما يكفي، فقد يتم تجاوز النواتج المتحكم فيها بالانتشار. وعندئذ تتغير شبكة الأوستنيت إزاحيًا إلى مارتنسيت، بدءًا من Ms؛ ويكون تكوّن المارتنسيت لا حراري، ولذلك تعتمد الكمية المتكوّنة أساسًا على مدى انخفاض درجة الحرارة تحت Ms، لا على زمن المكوث عند درجة حرارة واحدة.

ولا يُعد منحنى CCT خاصية عامة لـ«الفولاذ» أيضًا. إذ تؤثر درجة حرارة الأوستنة، وزمن المكوث، والبنية السابقة من الفريت والبرليت أو البينيت، وحجم الحبيبات، ومحتوى السبيكة، ووسط التبريد، كلها في النتيجة. فعلى سبيل المثال، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكك كربيد الحديد. وحتى درجات الحرارة الحرجة المقاسة أثناء التسخين والتبريد قد لا تتطابق؛ إذ يذكر مرجع ASM International، نطاقات درجات الحرارة الحرجة (Critical Temperature Ranges) (2024)، أن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين، في ظل التبريد البطيء، قد تكون أعلى بنحو 33 °C تقريبًا من قيمها أثناء التبريد.

مثال SAE 1141

يقدم تقرير المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، خصائص التحول بالتبريد المستمر لفولاذ SAE 1141 (Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel) (1990)، مثالًا تطبيقيًا مفيدًا. فولاذ SAE 1141 هو فولاذ متوسط الكربون معاد الكبريت، ويُعيَّن عادةً بتصنيف SAE/AISI 1141. وتُحسّن إضافة الكبريت قابلية التشغيل الآلي، إلا أن هذا النوع يظل متأثرًا بالتفاعل الكامل بين محتوى الكربون، وحالة الأوستنيت، ومعدل التبريد، وهندسة المقطع.

في دراسة NIST، تُستخدم بيانات CCT لربط مسارات تبريد الأوستنيت بالبنية عند درجة حرارة الغرفة، بدلًا من إسناد درجة حرارة تحول واحدة إلى هذا النوع من الفولاذ. فقد يتقاطع مسار بطيء نسبيًا مع منطقتي الفريت والبرليت قبل بلوغ درجات الحرارة المنخفضة. أما المسار الأسرع فقد يثبط بعض هذه التفاعلات أو كلها، ويدخل منطقة البينيت، أو يتجنب التحول الانتشاري إلى أن يعبر Ms ويكوّن المارتنسيت. وإذا تقاطع منحنى التبريد مع أكثر من منطقة بدء، فقد يحتوي الفولاذ الناتج على فريت قبل اليوتكتويد مع برليت، أو برليت مع بينيت، أو بينيت مع مارتنسيت، أو عدة نواتج معًا. وقد تستمر الأوستنيت التي لم تتحول عند توقف التبريد في صورة أوستنيت محتجزة.

وهذا الجزء الأخير ليس تفصيلًا ثانويًا. إذ يحدد مرجع كامبريدج مخطط التحول من درجة الحرارة إلى الزمن للفولاذ (Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel) (2012) تحديدًا أن الكربون يؤثر في Ms، وفي نهاية تكوّن المارتنسيت Mf، وفي نسبة الأوستنيت المحتجزة. فإذا بُرِّد الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى من Mf فقط، فقد تبقى بعض الأوستنيت. ويمكن أن تتحول لاحقًا أثناء الخدمة أو التشغيل الآلي أو المعالجة الحرارية اللاحقة، مما يغير الأبعاد والإجهادات.

وتوضح دراسة NIST لفولاذ SAE 1141 النقطة العملية مباشرة: إذ يمكن استخدام مخطط CCT للفولاذ لتقدير قابلية التصليب والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة، والصلادة، وقابلية التشغيل الآلي، وخصائص الكلال. لكن هذه التنبؤات تقديرات، وليست بدائل عن التحقق من الدورة الحرارية الفعلية والمقطع. فقد يمر منحنى التبريد عند السطح إلى يسار حدود التحول بكثير، في حين يبرد المركز ببطء أكبر ويكوّن الفريت والبرليت. ولذلك قد يحتوي الجزء نفسه على طبقة سطحية مارتنسيتية صلبة ولب مختلط أكثر ليونة.

قابلية التصليب، وحجم المقطع، والتنبؤ بالخواص

كثيرًا ما يجري الخلط بين قابلية التصليب والصلادة. وهما قياسان مختلفان. فالصلادة تصف مقاومة الانغراز أو التشوه في حالة معينة. أما قابلية التصليب فتصف قدرة الفولاذ على تكوين المارتنسيت، والعمق الذي يمكنه أن يكوّنه حتى ذلك العمق، في ظل معالجة أوستنة وظروف تبريد محددة. ولا تُسند إلى الفولاذ ذي قابلية التصليب العالية قيمة صلادة عامة واحدة. إذ تظل صلادته معتمدة على محتوى الكربون، ونسبة المارتنسيت، والمراجعة، ومعدل التبريد الموضعي.

ويغير حجم المقطع معدل التبريد ذلك. فقد يبرد قضيب رفيع بسرعة كافية في كامل مقطعه العرضي لتجاوز تكوّن الفريت والبرليت. أما في المطروقة السميكة، فتبطئ الحرارة المختزنة في المركز منحنى التبريد، مما يسمح للمنحنى بدخول مناطق بدء التحول التي يتجنبها السطح. وقد يحتوي المركز عندئذ على البينيت أو البرليت، في حين يحتوي السطح على المارتنسيت. كما ينشئ هذا التدرج الحراري فروقًا في تغير الحجم وإجهاد التحول، ويمكن أن يسهم في التشوه، وتشقق التبريد، والإجهاد المتبقي.

ولذلك يجب أن يبدأ تفسير CCT بالعملية الفعلية: درجة حرارة الأوستنة وزمنها، والتلامس مع الفرن أو القالب، وتأخر النقل، ووسط التبريد، والتحريك، واتجاه الجزء، وسمك المقطع الموضعي. وتوفر النواتج المتوقعة بعد ذلك طريقًا لفهم الخواص. فالفريت والبرليت الخشن يخفضان عمومًا المقاومة والصلادة، مع تحسين قابلية التشغيل الآلي مقارنةً بالمارتنسيت غير المراجع؛ ويشغل البينيت موضعًا متوسطًا يعتمد بدرجة كبيرة على الظروف؛ ويرفع المارتنسيت الصلادة والمقاومة، لكنه قد يخفض المتانة ما لم يُراجع. كما تؤثر المخاليط والتدرجات في الكلال، لأن الصلادة الموضعية، والإجهاد المتبقي، والشوائب، والأوستنيت المحتجزة تغير بدء الشقوق ونموها. ولا يستطيع الرجوع إلى درجة حرارة واحدة أن يلتقط هذه التأثيرات، أما مسار التبريد فيستطيع ذلك.

لماذا تتغير درجات حرارة التحول بين أنواع الفولاذ والعمليات

درجة حرارة التحول ليست قيمة مرجعية عامة لـ«الفولاذ». فهي تحدد حالة يصبح فيها تحول طوري معين ممكنًا أو قابلًا للكشف لتركيب كيميائي ومسار حراري محددين. وتعتمد النتيجة أيضًا على ما إذا كان المخطط يصف حالة اتزان، أو تثبيتًا متساوي الحرارة، أو تبريدًا مستمرًا. فالبرليت والبينايت والمارتنسيت والفريت السابق للت eutectoid والسمنتيت السابق للت eutectoid هي نواتج تحول مختلفة، وليست أسماءً قابلة للتبادل لدرجة حرارة واحدة.

محتوى الكربون وكيمياء السبيكة

يغير الكربون حدود الاتزان والنواتج المتشكلة أثناء التبريد معًا. ففي نظام الحديد–الكربون، يحدث التفاعل اليوتكتويدي عند نحو 0.8% وزنيًا من الكربون و723 °C:

$$\gamma \to \alpha +{\mathrm{Fe}}_3\mathrm{C}$$

يورد كتاب علم المواد وعلم الفلزات (Materials Science & Metallurgy) الصادر عن جامعة كامبريدج عام 2002 هذا التفاعل لتحول الأوستنيت إلى فريت وسمنتيت. والأوستنيت ذو بنية مكعبة متمركزة الوجوه، والفريت ذو بنية مكعبة متمركزة الجسم، بينما السمنتيت هو Fe₃C معيني قائم، كما يوضح كتاب كامبريدج تفسير البنية المجهرية للفولاذ (Interpretation of the Microstructure of Steels) الصادر عام 2008. ويؤدي تغيير محتوى الكربون إلى تحريك تركيب ودرجة حرارة اليوتكتويد، كما يغير الطور الذي يظهر قبل التفاعل اليوتكتويدي. ويمكن للفولاذ ناقص اليوتكتويد أن يشكل فريتًا سابقًا لليوتكتويد، في حين يمكن للفولاذ زائد اليوتكتويد أن يشكل سمنتيتًا سابقًا لليوتكتويد.

كما يغير الكربون درجة الحرارة التي يبدأ عندها المارتنسيت بالتشكل، Ms، ودرجة الحرارة التي يكتمل عندها التحول المارتنسيتي إلى حد كبير، Mf. ويحدد كتاب كامبريدج مخطط التحول الزمني–الحراري للفولاذ (Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel) الصادر عام 2012، على وجه الخصوص، تأثير الكربون في Ms وMf ونسبة الأوستنيت المحتجز. ويؤدي ازدياد الكربون عمومًا إلى خفض Ms وMf. وإذا انخفضت Mf إلى ما دون درجة حرارة الغرفة، فقد يبقى جزء من الأوستنيت دون تحول. ولا يدل هذا الأوستنيت المحتجز على أن الفولاذ لم يبلغ «درجة حرارة التقسية» ثابتة واحدة؛ بل يعكس ذلك تركيب الفولاذ ونهاية التبريد.

وتكتسب الآلية أهمية هنا. فالبرليت والنواتج السابقة لليوتكتويد تتطلب إعادة توزيع الكربون، وتتحكم فيها آليات الانتشار. أما المارتنسيت فيتكون من خلال تغير إزاحي سريع، يتيح للشبكة البلورية للحديد أن تتحول من دون الانتشار بعيد المدى للكربون اللازم لتكوين السمنتيت. ويشغل البينايت وصفًا متوسطًا؛ إذ يذكر كتاب كامبريدج تفاعل البينايت (The Bainite Reaction) الصادر عام 2024 أن نموه لا يعتمد على الانتشار بالنسبة إلى شبكة الحديد، وأنه ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀، حيث تكون الطاقة الحرة للبينايت ذي التركيب نفسه أقل من الطاقة الحرة للأوستنيت.

يمكن لعناصر السبيكة أن تغير هذه العلاقات، لكن لا ينبغي التعامل مع تأثيراتها على أنها متطابقة. ويقدم السيليكون مثالًا موثقًا على ذلك. فتذكر الجمعية الأمريكية للمعادن (ASM International) أن السيليكون يرفع نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد. وبناءً على ذلك، لا يمكن تفسير أنواع الفولاذ المحتوية على السيليكون باستخدام مخطط الحديد–الكربون للفولاذ الكربوني البسيط من دون تعديل. ولا يبرر ذلك إسناد تصحيح واحد إلى كل عنصر من عناصر السبيكة؛ إذ يغير كل عنصر استقرار الأطوار، أو الانتشار، أو كيمياء الكربيدات، أو مزيجًا من هذه العوامل.

هسترة التسخين والتبريد

لا يلزم أن تساوي درجة الحرارة المسجلة أثناء التسخين درجة الحرارة المسجلة أثناء التبريد. فعند التسخين، يجب أن يذوب الفريت والسمنتيت، وأن ينوي الأوستنيت ويتنامى؛ وهذا يتطلب تنشيطًا حراريًا ووقتًا. أما عند التبريد، فيتحلل الأوستنيت من خلال عملية مختلفة للتنوي والنمو. ولذلك يُظهر التحول هسترة، حتى عندما يغير الفرن درجة حرارته ببطء.

ويذكر مرجع ASM International المعنون نطاقات درجات الحرارة الحرجة (Critical Temperature Ranges) والصادر عام 2024 أن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين، في ظروف التبريد البطيء، قد تكون أعلى بنحو 33 °C من قيمها أثناء التبريد. وهذه مطالبة كمية واردة في مصدر محدد، وليست قيمة سماح عامة تنطبق على كل دورة فرن أو كل سبيكة. ويمكن للتسخين الأسرع أن يزيد التجاوز الظاهري، لأن الانتشار والتنوي يتأخران عن درجة الحرارة المقاسة. كما يمكن للتبريد السريع أن يكبح تشكل البرليت والبينايت مدة كافية لتكوّن المارتنسيت، في حين يمكن للتثبيت متساوي الحرارة أن ينتج تحولًا عند درجة حرارة لا تقابل نقطة البدء في مخطط التبريد المستمر.

ويميز هذا الفرق بين درجات حرارة الاتزان، مثل Ae1 وAe3 وAecm، ودرجات حرارة Ac وAr العملية المقاسة أثناء التسخين والتبريد. ويصف مخطط TTT التحول أثناء تثبيت متساوي الحرارة بعد إجراء الأوستنة. أما مخطط CCT فيتتبع درجة حرارة متغيرة باستمرار. ويستخدم مرجع NIST المعنون خصائص التحول بالتبريد المستمر لفولاذ SAE 1141 (Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel) والصادر عام 1990 بيانات CCT لتقدير قابلية التقسية والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة والصلادة وقابلية التشغيل الآلي وخواص الكلال. ولذلك فإن منحنى CCT هو خريطة للعملية، وليس بديلًا عن بيانات اتزان الأطوار.

حجم حبيبات الأوستنيت السابق، والزمن، والتدرجات الحرارية

يغير زمن إجراء الأوستنة أكثر مما يوحي به قياس الترمومتر. فالإمساك بدرجة الحرارة مدة كافية يمكن أن يذيب الكربيدات، ويجانس الكربون، ويسمح لحبيبات الأوستنيت بالنمو. وقد يترك الزمن غير الكافي كربيدًا غير ذائب أو مناطق غنية بالكربون وأخرى فقيرة به، بحيث تبدأ أجزاء مختلفة من المكوّن نفسه التبريد بميول مختلفة للتحول. وغالبًا ما يؤدي الزمن المفرط إلى تكوين حبيبات أخشن من الأوستنيت السابق، مما يقلل المساحة الكلية لحدود الحبيبات المتاحة للتنوي، ويؤخر عادةً التحولات الانتشارية.

وبالتالي يغير حجم حبيبات الأوستنيت السابق الحركية، بدلًا من أن ينشئ تركيبًا جديدًا في حالة الاتزان. وتوفر الحبيبات الدقيقة مواقع تنوي أكثر، ويمكن أن تعزز تشكل الفريت أو البرليت في وقت أبكر أثناء التبريد. أما الحبيبات الخشنة فيمكن أن تزيد قابلية التقسية بتأخير النواتج المتنوية عند حدود الحبيبات، مما يتيح لنسبة أكبر من الأوستنيت الوصول إلى ظروف تكوّن البينايت أو المارتنسيت. ويعتمد مقدار التغير الدقيق على الكربون، وكيمياء السبيكة، وحالة حدود الحبيبات، ومعدل التبريد.

ونادرًا ما تتبع المكونات الفعلية برنامج الفرن بصورة موحدة. إذ يفقد المقطع السميك الحرارة من سطحه، بينما تظل نواته ساخنة، مما ينتج معدلات تبريد مختلفة عبر المقطع. كما يؤثر تجانس درجة حرارة الفرن، وترتيب الحمولة، والتلامس مع التجهيزات، وأكسدة السطح في التاريخ الحراري الفعلي. وقد يعبر السطح منطقة البرليت أو البينايت بينما تظل النواة فوقها؛ ثم قد تتحول النواة لاحقًا عند معدل تبريد أبطأ من معدل تبريد السطح. ولذلك يمكن لمعالجة حرارية اسمية واحدة أن تنتج فريتًا وبرليتًا وبينايت ومارتنسيت وأوستنيت محتجزًا في مواقع مختلفة. فدرجة الحرارة مهمة، لكن المسار المتَّبع عبر درجات الحرارة هو الذي يحدد ناتج التحول الذي يظهر.

معايير القراءة، وتسميات الدرجات، ومصطلحات التحول

SAE 1141 وحدود المخططات الخاصة بدرجة معينة

مخطط التحول هو سجل لتركيب معين ومسار حراري محدد، وليس جدولاً عاماً لدرجات الحرارة. ينطبق مخطط CCT المعرَّف بأنه SAE 1141 على الكيمياء، ومعالجة الأوستنة، وحجم العينة، وطريقة الاختبار المستخدمة لإنتاج ذلك المخطط. ولا ينبغي إعادة تسميته «مخطط الفولاذ الكربوني»، فضلاً عن تطبيقه دون تقييد على الفولاذ منخفض السبائكية، أو الفولاذ غير القابل للصدأ، أو فولاذ العدد.

وتكتسب هذه التفرقة أهميتها لأن عناصر السبك تغيّر استقرار الأطوار، ومعدلات الانتشار، وتكوّن الكربيدات، وحركية التحول. يغيّر الكربون نطاق التحول من الأوستنيت إلى المارتنسيت، ونسبة الأوستنيت المتبقي؛ وتحدّد مادة جامعة كامبريدج لعام 2012، مخطط التحول: الزمن–درجة الحرارة للفولاذ، تحديداً التأثيرات في Ms وMf ونسب الأوستنيت المتبقي. ووفقاً لمرجع ASM International لعام 2024، نطاقات درجات الحرارة الحرجة، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد. ويمكن للنيكل والكروم والموليبدينوم والمنغنيز أن تغيّر منحنيات التحول وتؤخر النواتج الانتشارية. وقد تحتوي درجة من الفولاذ غير القابل للصدأ أيضاً على مجالات أطوار من الفريت أو الأوستنيت أو الأطوار بين الفلزية، وهي غائبة عن مخطط الفولاذ الكربوني البسيط، في حين قد تكوّن أنواع فولاذ العدد كربيدات سبائكية تغيّر كلاً من نواتج التحول عند الاتزان والنواتج المرصودة.

حتى المرجع المألوف القائم على الحديد وحده يرتبط بتركيب محدد. تضع مادة جامعة كامبريدج لعام 2005، الفولاذ غير القابل للصدأ: اتزانات الأطوار، الأوستنيت المكعب المتمركز الوجوه في الحديد النقي عند نحو 910–1400 °C، وتعطي درجة انصهار تبلغ نحو 1539 °C. ولا تحدد هذه القيم درجات الحرارة الحرجة للفولاذ SAE 1141. ويبيّن مرجع NIST لعام 1990، خصائص التحول بالتبريد المستمر لفولاذ SAE 1141، الاستخدام الصحيح لمخطط CCT الخاص بدرجة معينة: تقدير قابلية التصلد والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة، والصلادة، وقابلية التشغيل الآلي، وخواص الكلال في ظل ظروف التبريد المحددة.

ولذلك ينبغي إرفاق الدليل بدرجة الحرارة المستشهد بها. ويجب الإبلاغ عن تسمية الدرجة والمعيار، وأساس التركيب—اسمي، أو تحليل الصهيرة، أو تركيب مقاس—إضافة إلى البنية المجهرية السابقة، ودرجة حرارة الأوستنة وزمن التثبيت، ومعدل التسخين أو التبريد، وهندسة العينة، ونوع المخطط، وطريقة القياس. فقد تنتج القياسات بالتمدد الحراري، والتحليل الحراري التفاضلي، وقياس المقاومة الكهربائية، والإيقاف المتتابع للفحص المعدني درجات حرارة ظاهرية مختلفة للبداية والنهاية.

ترميز Ae وAc وAr وMs وMf وAecm

تدل السابقة Ae على درجة حرارة تحول عند الاتزان. ومن ثم فإن Ae1 هي الحد اليوتكtoيدي في ظروف الاتزان، بينما Ae3 هو الحد الأعلى المرتبط بتكوّن الفريت من الأوستنيت في الفولاذ تحت اليوتكtoيدي. ويحدّد Aecm حد الأوستنيت–السمنتيت عند الاتزان في الجانب الغني بالكربون. وتشير اللاحقة «cm» إلى السمنتيت، Fe₃C.

يبلغ التركيب اليوتكtoيدي التقريبي 0.8% وزناً من الكربون. وعند نحو 723 °C، تعرض مادة جامعة كامبريدج لعام 2002، علم المواد وميتالورجيا الفلزات، التفاعل γ → α + Fe₃C. ويمثل γ الأوستنيت، بينما يمثل α الفريت. وتصف هذه المعادلة الأطوار عند الاتزان؛ ولا تفيد بأن كل فولاذ يُبرَّد عبر 723 °C سيكوّن البرليت.

تشير السابقة Ac إلى درجة حرارة حرجة مقاسة أثناء التسخين، بينما تشير Ar إلى درجة مقاسة أثناء التبريد. وقد تختلف Ac1 وAr1 لأن التكوّن النووي، والانحلال، والانتشار، والتأخر الحراري تعتمد على المعدل والبنية السابقة. وتفيد ASM International بأن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين، في ظل التبريد البطيء، قد تكون أعلى بنحو 33 °C من قيمها أثناء التبريد. وتمثل Ms درجة بدء تكوّن المارتنسيت أثناء التبريد، بينما تمثل Mf درجة انتهاء تكوّن المارتنسيت. والمارتنسيت ناتج إزاحي، يكاد يكون خالياً من الانتشار؛ وقد يؤدي عدم التبريد بدرجة كافية إلى ما دون Mf إلى بقاء أوستنيت متبقٍ. وتبيّن مخططات TTT عادةً Ms، في حين توضح مخططات CCT كيفية تقاطع التبريد المستمر مع مناطق البرليت والبينيت والمارتنسيت.

الأطوار، والمكوّنات، والإبلاغ عن البنية المجهرية

الطور جزء متميز فيزيائياً وكيميائياً من مادة، له بنية محددة ونطاق تركيب محدد. وتعرّف مادة جامعة كامبريدج لعام 2008، تفسير البنية المجهرية للفولاذ، الأوستنيت بأنه مكعب متمركز الوجوه، والفريت بأنه مكعب متمركز الجسم، والسمنتيت بأنه Fe₃C معيني قائم. ويتنبأ مجال الطور في مخطط الاتزان بالأطوار المستقرة عند تركيب ودرجة حرارة معينين. لكنه ليس صورة فوتوغرافية، ولا يحدد حجم الجسيمات أو تباعدها أو شكلها المورفولوجي أو معدل تحولها.

والمكوّن هو ناتج أو تجمّع بنيوي مجهري مرصود. فالبرليت يُعد عادةً تجمّعاً من الفريت والسمنتيت؛ ويحتوي البينيت على مناطق فريت وترتيبات من الكربيدات ناتجة عن آلية تحول متميزة؛ أما المارتنسيت فهو فريت متحوّل فائق الإشباع، ذو شكل مورفولوجي وحالة كربون مميزين. وتتعامل ASM International مع البرليت، والبينيت، والمارتنسيت، والفريت قبل اليوتكtoيد، والسمنتيت قبل اليوتكtoيد بوصفها نواتج رئيسية لتحول الأوستنيت، في كل من ظروف التحول متساوي الحرارة والتبريد المستمر. وتذكر مادة جامعة كامبريدج لعام 2024، تفاعل البينيت، أن نمو البينيت خالٍ من الانتشار بالنسبة إلى شبكة الحديد، وأنه ممكن ترموديناميكياً تحت T₀، حيث يمتلك البينيت طاقة حرة أقل من أوستنيت مماثل له في التركيب.

ولذلك ينبغي أن تفصل التقارير بين مجالات الأطوار المحسوبة والمكوّنات المقاسة. وينبغي بيان ما إذا كان المصدر مخطط اتزان Fe–C أو Fe–Fe₃C، أو مخطط TTT، أو مخطط CCT، ثم تحديد كيفية الكشف عن التحول وكيفية فحص البنية النهائية. فالصورة المصقولة والمحفورة، ونتيجة حيود الأشعة السينية، ومنحنى القياس بالتمدد الحراري، وتوزيع الصلادة، تجيب عن أسئلة مختلفة. وتظل درجة الحرارة، من دون هذا السياق، تسمية غير مكتملة.

من المخطط إلى البنية المجهرية: منهج منضبط للتفسير

مخطط التحولات ليس جدولًا للبحث عن درجات الحرارة. بل هو خريطة لتركيب محدد، وحالة عينة معينة، وجدول تسخين أو تبريد محدد، وطريقة تجريبية معينة. لذلك لا يكون السؤال المنضبط هو: «ما الطور الذي يتشكل عند 700 °C؟» بل: «ما المادة الموجودة، وما المسار الذي اتبعته، وما آليات التحول التي أتيح لها وقت للعمل؟»

ابدأ بالتركيب والمسار الحراري المقصود

ابدأ بتسجيل تصنيف الفولاذ وتركيبه الكيميائي. فمصطلح «فولاذ كربوني» واسع جدًا ولا يسمح بتنبؤ موثوق. إذ يختلف سلوك فولاذ كربوني سهل عادي يوتكتويدي عن SAE 1141، كما يختلف كلاهما عن درجات السبائك المحتوية على الكروم أو الموليبدينوم أو النيكل أو المنغنيز أو السيليكون. سجّل محتويات الكربون والعناصر السبائكية، والحالة السابقة، وحجم الحبيبات إن كان معلومًا، وسماكة المقطع، ودرجة حرارة الأوستنة، وزمن التثبيت، ومعدلات التسخين والتبريد.

ينبغي التحقق من التصنيف بمقارنته بالتحليل الفعلي للدفعة عندما تعتمد القرارات على النتيجة. فقد تؤدي التغيرات الصغيرة في التركيب الكيميائي إلى إزاحة درجات حرارة التحول وتغيير نسب نواتج التحول. فعلى سبيل المثال، يرفع السيليكون نطاق درجات حرارة التحول، ويخفض ذوبانية الكربون في الأوستنيت، ويميل إلى تفكيك كربيد الحديد. وحتى اتجاه التغير الحراري مهم؛ إذ تفيد ASM International بأن درجات الحرارة الحرجة أثناء التسخين البطيء قد تكون أعلى بنحو 33 °C تقريبًا من قيمها أثناء التبريد.

بعد ذلك، صنّف العملية الحرارية. يفترض حساب الاتزان تغيرات بطيئة للغاية ووقتًا كافيًا لاقتراب الأطوار من تراكيبها الاتزانية. أما المعالجة متساوية الحرارة فتنقل الفولاذ بسرعة إلى درجة حرارة مختارة وتبقيه عندها؛ وهذه هي الحالة التي يمثلها مخطط TTT. وتتبّع المعالجة بالتبريد المستمر درجة حرارة متغيرة، ويمثلها مخطط CCT. ويُعد التبريد في الفرن، والتبريد بالهواء، والتقسية بالزيت، والتقسية بالماء مسارات مستمرة، وليست عمليات تثبيت متساوية الحرارة، حتى لو كانت درجات حرارتها النهائية متشابهة.

يوفر مخطط Fe–C المألوف حدودًا مفيدة، لكنه لا يتنبأ بكل بنية مجهرية صناعية. ففي الحديد النقي، يكون الأوستنيت المكعّب متمركز الوجوه مستقرًا تقريبًا من 910 إلى 1400 °C، وينصهر الحديد النقي عند نحو 1539 °C، وفقًا لمرجع جامعة كامبريدج Stainless Steels: Phase Equilibria (2005). ولا تنطبق هذه الأرقام دون تغيير على الفولاذ السبائكي. وعند نحو 0.8 wt% من الكربون و723 °C، يكون التفاعل اليوتكتويدي γ → α + Fe₃C، لكن الفولاذ الحقيقي قد يحتوي على حديد ألفا أو سمنتيت قبل يوتكتويديَّين قبل تشكل المكوّن اليوتكتويدي.

تتبّع المسار عبر بيانات TTT أو CCT

اختر المخطط المطابق للعملية. ففي مخطط TTT، حدّد حالة الأوستنة، وانتقل سريعًا إلى درجة حرارة التثبيت، ثم اقرأ بداية التحول ونهايته أثناء فترة التثبيت. وفي مخطط CCT، ارسم منحنى التبريد الفعلي أو اختره، وحدّد كل منطقة يعبرها. لا تنقل زمن بدء التحول في مخطط TTT مباشرة إلى معالجة بالتبريد المستمر؛ فالفولاذ ينتقل عبر نطاق من درجات الحرارة أثناء استمرار التحول.

اكتب التسلسل صراحةً. فقد يتشكل في الفولاذ ناقص اليوتكتويد أولًا الحديد ألفا قبل اليوتكتويدي من الأوستنيت، يليه البرليت. وقد يتشكل في الفولاذ مفرط اليوتكتويد السمنتيت قبل اليوتكتويدي قبل البرليت. وقد يدخل منحنى تبريد يتجنب منطقة البرليت نطاق البينيت، ثم يعبر Ms، أي درجة حرارة بدء تشكل المارتنسيت. وبناءً على ذلك، قد تحتوي البنية النهائية على الحديد ألفا والبرليت والبينيت والمارتنسيت والأوستنيت المحتجز بنسب مختلفة.

وتصف هذه التسميات أيضًا أنواعًا مختلفة من الكيانات. فالحديد ألفا والأوستنيت والسمنتيت أطوار؛ إذ يحددها مرجع جامعة كامبريدج Interpretation of the Microstructure of Steels (2008) على التوالي بأنها الحديد ألفا المكعب متمركز الجسم، والأوستنيت المكعب متمركز الوجوه، وFe₃C المعيني القائم. أما البرليت والبينيت فهما ناتجا تحول لهما ترتيبات مميزة من الأطوار، في حين أن المارتنسيت ناتج تحول إزاحي. وتمثل درجة حرارة التحول حدًا أو حدثًا، لا مكوّنًا نهائيًا مضمونًا.

الآلية مهمة. فالتحولات إعادة البناء تتطلب انتشارًا ذريًا، ويمكن أن تنتج الحديد ألفا أو البرليت أو السمنتيت عندما يتيح المسار وقتًا لإعادة توزيع الكربون. ويتشكل المارتنسيت من دون الانتشار الكيميائي بعيد المدى اللازم لتلك التفاعلات. أما البينيت فله مزيج مختلف من تغير الشبكة وإعادة توزيع الكربون؛ ويذكر مرجع جامعة كامبريدج The Bainite Reaction (2024) أن نمو البينيت يكون خاليًا من الانتشار بالنسبة إلى شبكة الحديد، وأنه ممكن ترموديناميكيًا تحت درجة حرارة T₀.

ولا يكون المارتنسيت تلقائيًا آخر ناتج للتحول. فإذا كانت Ms أدنى من درجة حرارة الغرفة، أو إذا توقف التبريد قبل استنفاد الأوستنيت، فقد يبقى أوستنيت محتجز. وتحدد مواد كامبريدج الخاصة بمخطط TTT (2012) تحديدًا أن الكربون يؤثر في Ms، ودرجة حرارة نهاية تشكل المارتنسيت Mf، ونسب الأوستنيت المحتجز. ومن ثم، قد يعني تعبير «فولاذ مقسّى» بنية مختلطة، لا مارتنسيت بنسبة 100%.

تحقّق من التنبؤات بالفحص المجهري واختبارات الخواص

اعتبر نتيجة المخطط تنبؤًا. وأكّدها بإعداد عينة ممثلة، وصقلها وحفرها كيميائيًا باستخدام طريقة ملائمة للفولاذ، وفحص البنية بالمجهر الضوئي أو المجهر الإلكتروني الماسح أو أي تقنية مناسبة أخرى. ويمكن للتصوير المعدني أن يكشف شكل الحديد ألفا، وتباعد صفائح البرليت، وحزم البينيت، ومناطق المارتنسيت، وشبكات الكربيدات، ونزع الكربون، والانفصال؛ إلا أن بعض المكوّنات تتطلب تفسيرًا دقيقًا، لأن تباين الحفر الكيميائي ليس وسمًا مباشرًا لطور معين.

قِس الصلادة في مواضع محددة، واذكر مقياس الصلادة والحمل وخطة أخذ العينات. وأضف قياسات الشد أو الصدم أو الكلال أو الأبعاد أو الأوستنيت المحتجز عندما يتطلب التطبيق ذلك. فالصلادة وحدها لا تستطيع تمييز كل خليط أو إثبات المتانة.

يمكن استخدام مخطط التحول بالتبريد المستمر للفولاذ لتقدير قابلية التصلد والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة، والصلادة، وقابلية التشغيل الآلي، وخصائص الكلال. Limited evidence

يوضح تقرير NIST المعنون Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel (1990) الغرض العملي من بيانات CCT: إذ يمكن لمثل هذا المخطط تقدير قابلية التقسية والتنبؤ بالبنية المجهرية عند درجة حرارة الغرفة، وبالمتانة والصلادة وقابلية التشغيل الآلي وخواص الكلال. وتظل كلمة «التنبؤ» هي الكلمة الأساسية. فمجموعة بيانات المخطط تخص تركيبًا معينًا، وحالة حبيبات معينة، وحجم عينة معينًا، وإجراء اختبار محددًا. وعندما تكون عواقب الخطأ كبيرة، تتبّع المسار الحراري، وسجّل التسلسل المتنبأ به، وقارنه بالفحص المجهري والخواص المقاسة قبل اعتماد نموذج التحول.

المراجع

1. [1]University of Cambridge. Materials Science & Metallurgy. University of Cambridge phase-trans materials, 2002. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2002/MP10-6.pdf
2. [2]National Institute of Standards and Technology. Continuous-Cooling Transformation Characteristics of SAE 1141 Steel. NIST Interagency Report, 1990. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir3964.pdf
3. [3]University of Cambridge. Time-Temperature-Transformation Diagram for Steel. University of Cambridge phase-trans materials, 2012. https://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2012/Manna/Part2.pdf