كيفية قراءة جداول التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية للفولاذ

كيفية قراءة جدول تركيب الفولاذ وخواصه الميكانيكية

جدول الفولاذ مرجع، وليس مواصفة. فهو يختصر في صفوفه معلومات تنتمي عادةً إلى مواصفة منتج، ونطاق أبعاده، ومسار تصنيعه، وحالة معالجته حرارياً، وطريقة اختباره. ويحدد تعيين مثل AISI 4140 أو 304 أو S355 عائلةً أو درجةً معينة، لكنه لا يثبت، بحد ذاته، كل حد كيميائي أو متطلب ميكانيكي ينطبق على منتج مورَّد.

تأتي الوثيقة الحاكمة في المقام الأول. تغطي ASTM A240 صفائح وشرائح الفولاذ المقاوم للصدأ الكرومي والكرومي-النيكلي المخصصة لأوعية الضغط والتطبيقات العامة؛ بينما تغطي ASTM A276 قضبان وأشكال الفولاذ المقاوم للصدأ. وقد تتضمن كلتاهما درجات معينة باسم 304، إلا أن شكل المنتج، وحالة التصنيع المسموح بها، وقواعد الأبعاد، وأحكام الاختبار ليست متطابقة. وبالمثل، فإن S355 بموجب مواصفة أوروبية لمنتجات الإنشاءات ليس هويةً ماديةً قائمة بذاتها. إذ تحدد مواصفة منتج EN المنطبقة المتطلبات الخاصة بالصفائح أو المقاطع أو المقاطع المجوفة أو غيرها من الأشكال.

لذلك يحتاج الجدول المفيد إلى نطاق معلن. وينبغي أن يحدد المواصفة، وتعيين الدرجة، وشكل المنتج، وحالة التسليم، والسماكة أو حجم المقطع، والوحدات، واتجاه الاختبار، ومعايير القبول. ومن دون هذه الحقول، يمكن للصف أن يدعم مقارنة أولية، لكنه لا يستطيع إثبات المطابقة.

ما الذي يمثله صف الدرجة فعلياً؟

يمثل صف الدرجة شريحة محددة من نظام المواصفات. وهو يربط، في حده الأدنى، بين تعيين الدرجة والتركيب الكيميائي ومتطلب واحد أو أكثر من متطلبات الخواص. وقد يحدد الجدول الجيد أيضاً ما إذا كانت القيم تنطبق على قضيب مدرفل على الساخن، أو صفيحة مُطبَّعة، أو فولاذ سبائكي مُقسى ومُراجَع، أو فولاذ مقاوم للصدأ مُلدَّن بالمحلول، أو حالة أخرى.

يربط ASTM A400 اختيار قضبان الفولاذ بالدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، ومقاومة الخضوع الدنيا المطلوبة. Strong evidence

[1][1] Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM International. ASTM standard.

توضح ASTM A400، المعنونة الممارسة القياسية لاختيار قضبان الفولاذ ودليلها وتركيبها وخواصها الميكانيكية، هذه النقطة بوضوح استثنائي. إذ تربط إرشاداتها الجدولية اختيار قضبان الفولاذ بالدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. وبالتالي، فالصف ليس مجرد «خواص 4140»، بل هو إرشاد لسياق محدد يتعلق بمنتج قضبان، حيث تتأثر المقاومة بطريقة معالجة الفولاذ وبحجم المقطع.

وقد يحمل التعيين نفسه متطلبات مختلفة في مواصفة أخرى للمنتج. فقد تُورَّد الصفيحة في حالة مُطبَّعة، أو مُطبَّعة ومُراجَعة، أو مُقساة ومُراجَعة. وقد يكون القضيب مَلدَّناً أو مسحوباً على البارد. وتغيّر هذه الحالات الصلادة، ومقاومة الخضوع، ومقاومة الشد، والمطيلية، حتى عندما يظل التركيب الكيميائي للصُّهارة ضمن حدود الدرجة نفسها.

وتنتمي الأبعاد أيضاً إلى هوية المتطلب. فعادةً ما تكون الحدود الدنيا لمقاومة الخضوع في أنواع الفولاذ الإنشائي أقل عند السماكات الأكبر، لأن معدلات التبريد وظروف التحول تختلف عبر المقطع. ويسرد Eurocode 3، EN 1993-1-1 Section 3.2.6 خواص مواد التصميم للدرجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460، إلا أن هذه القيم هي مدخلات تصميم مرتبطة بإطار Eurocode وأحكامه المتعلقة بالسماكة. ولا ينبغي نسخها في جدول عام وتقديمها على أنها نتائج عالمية لاختبارات الشد.

ويمثل اتجاه الاختبار حداً آخر. فقد تُظهر الصفيحة المدرفلة مقاومة مختلفة، واستطالة مختلفة، ونقصاً مختلفاً في المساحة، ومتانة مختلفة في الاتجاهين العرضي والطولي بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة. وقد يخفي صف الخواص الميكانيكية الذي يغفل الاتجاه متطلباً ينطبق طولياً فقط أو عرضياً فقط. وقد تكون درجة الحرارة مهمة أيضاً، ولا سيما بالنسبة إلى طاقة الصدم.

وتغطي معايير ASTM الخواص الكيميائية والميكانيكية والمعدنية وغيرها من خواص فولاذ الكربون، والفولاذ الإنشائي، والفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الفريتي، والفولاذ الأوستنيتي، والفولاذ السبائكي. ويشكل هذا الاتساع تحذيراً من التعامل مع تسمية قصيرة للدرجة على أنها تعريف كامل للمادة.

حدود التركيب مقابل التحاليل المُبلَّغ عنها

تحليل الصهيرةتحليل الصهيرة تحليل كيميائي يهدف إلى تمثيل تركيب صهيرة معينة أو مغرفة معينة من الفولاذ.

تعرض جداول التركيب الكيميائي عادةً الحدود، وليس تحليلاً مضموناً. فقد تنص المواصفة، على سبيل المثال، على أن الكربون 0.08% كحد أقصى، والمنغنيز 2.00% كحد أقصى، أو أن يكون الكروم بين حد أدنى وحد أقصى محددين. وهذه حدود قبول، ويُعبَّر عنها عادةً بنسبة مئوية من الكتلة. وهي لا تعني أن كل صُهارة تحتوي على القيمة الوسطى للنطاق.

وقد تسجل شهادة اختبار المصنع تحليلاً لصُهارة معينة، مثل كربون بنسبة 0.045%، ومنغنيز بنسبة 1.52%، وكروم بنسبة 18.20%. وتصف هذه الأرقام الصُهارة التي خضعت للاختبار، مع مراعاة قواعد أخذ العينات والتحليل الواردة في المعيار. وليست هذه الأرقام بديلاً عن حدود المواصفة. وعلى العكس، قد يطبع جدول توضيحي نسبة كربون قدرها 0.20% لدرجة يتراوح نطاقها المسموح بين 0.17–0.23%. ويفيد هذا الرقم المفرد في التوجيه، لكنه لا يستطيع تحديد المطابقة.

وتصبح التفرقة مهمة بوجه خاص بالنسبة إلى عناصر السبك والعناصر المتبقية. فقد تكون للفوسفور والكبريت حدود قصوى؛ وقد يكون للسيليكون والمنغنيز نطاقات محددة؛ كما قد يخضع النيتروجين أو النحاس أو النيوبيوم أو التيتانيوم أو غيرها من العناصر للضبط بحسب الدرجة ومواصفة المنتج. ويمكن لجدول مقارنة يقرّب القيم، أو يجمع بين إصدارات مختلفة، أو يحذف العناصر الاختيارية، أن ينشئ تكافؤاً زائفاً.

فعلى سبيل المثال، تنشر SSINA جداول للتركيب بالنسبة المئوية الوزنية وللخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي التي تغطيها مواصفات منتجات ASTM. ولا يكون هذا الجدول مفيداً إلا عند الإبقاء على مواصفة ASTM المشار إليها وشكل المنتج. وبالمثل، يفصل Nickel Institute بين التركيب الكيميائي، والخواص الميكانيكية، والخواص الفيزيائية، والمواصفات في صورة جدولية. ويساعد إبقاء فئات الخواص هذه منفصلة على منع الخلط بين قيمة كيميائية وضمان للأداء.

وتتطلب جداول المقارنة مزيداً من الحذر. إذ يوفر Handbook of Comparative World Steel Standards جداول منفصلة للتركيبات الكيميائية والخواص الميكانيكية عبر أنظمة التعيين الدولية. وهذا الفصل مبرر؛ فالأسماء المتشابهة أو التراكيب التقريبية لا تثبت أن درجتين لهما قواعد المعالجة نفسها، أو متطلبات المتانة نفسها، أو أحكام النظافة نفسها، أو الحدود الدنيا الميكانيكية نفسها. وينبغي أن يعني «مكافئ» التكافؤَ بالنسبة إلى استخدام ومعيار محددين، لا مجرد التشابه في عمود كيميائي.

الخواص المحددة مقابل الخواص النموذجية

الخاصية المحددة هي متطلب تعاقدي أو قائم على معيار. فإذا اشترطت مواصفة المنتج حداً أدنى لمقاومة الخضوع قدره 355 MPa، فإن قيمة الاختبار التي تقل عن هذا الحد تُعد إخفاقاً في استيفاء المتطلب، ما لم ينص المعيار على استثناء صحيح أو إجراء لإعادة الاختبار. وإذا حدد المعيار صلادة قصوى، فإن القيمة المُبلَّغ عنها التي تتجاوز ذلك الحد تكون مهمة بالقدر نفسه.

القيمة النموذجية معلومات تمثيلية ولا تحل محل حد أدنى أو أقصى محدد. Strong evidence

أما الخاصية النموذجية فهي مختلفة. فهي قيمة مُلاحظة أو تمثيلية أو منشورة بصورة شائعة، وغالباً ما ترتبط بمعالجة حرارية معينة واتجاه محدد للعينة. فقد تبلغ مقاومة الشد النموذجية لحالة معينة 700 MPa، في حين لا تحدد المواصفة سوى حد أدنى قدره 655 MPa. وتساعد القيمة النموذجية المهندسين على تقدير السلوك؛ لكنها لا ترفع الحد الأدنى المطلوب إلى 700 MPa.[2][2] Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM International. ASM Metals Handbook.

وهذا الفرق حاسم، لأن المقاومة لا تتحدد بالتركيب الكيميائي وحده. وتذكر ASM International أن خواص فولاذ الكربون والفولاذ السبائكي تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي، والمعالجة، والبنية المجهرية. ويمكن لمعدل التبريد، ودرجة حرارة المراجعة، وحجم الحبيبات، والتشوه السابق، وسماكة المقطع أن تغيّر الصلادة، والمتانة، ومقاومة الخضوع، والاستطالة ضمن الدرجة الكيميائية نفسها.

[3][3] General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. American Institute of Steel Construction. AISC Engineering FAQ.

ينبغي أن يوسم كل رقم في الجدول بوضوح باعتباره حداً أقصى أو حداً أدنى أو نطاقاً أو قيمة نموذجية أو قيمة اسمية أو قيمة تصميم أو تحليلاً مُبلَّغاً عنه. كما ينبغي تحديد معيار الاختبار، وموضع العينة، واتجاهها، ودرجة حرارتها، وحالة التسليم عند انطباق ذلك. وبالنسبة إلى المقاطع والصفائح الإنشائية، يوضح American Institute of Steel Construction أن مواصفات منتجات ASTM تتضمن عموماً متطلبات للتركيب الكيميائي ومتطلبات للخواص الميكانيكية؛ ولا يجوز بأمان أن تحل أي من الفئتين محل الأخرى.

والقاعدة التحريرية بسيطة: لا تتعامل مطلقاً مع جدول منسوخ على أنه بديل عن المعيار المنطبق. استخدم الجدول لتحديد الدرجة وفهم المتغيرات. ثم تحقق من المواصفة الحاكمة، وشكل المنتج، والحالة، والأبعاد، والإصدار، ومتطلبات الاختبار قبل إسناد المطابقة أو الخواص الهندسية.

بنية رموز تعيين الفولاذ والمعايير

منطق رموز التعيين في ASTM وASME

لا يمثّل تعيين الفولاذ هويةً ماديةً مكتملة، بل هو عنوان ضمن نظام معياري محدد. فعلى سبيل المثال، يحدّد ASTM A36 مواصفةً لفولاذ إنشائي كربوني، إلا أن المواصفة تحكم أكثر من مجرد الاسم؛ فهي تحدد أشكال المنتجات المسموح بها، والحدود الكيميائية، ومتطلبات الشد والخضوع، وطرق الاختبار، وحالات التسليم، وأحيانًا المتطلبات الإضافية. ويشير ASTM A572/A572M Grade 50 إلى فولاذ إنشائي منخفض السبائك عالي المقاومة مع حد أدنى محدد لمقاومة الخضوع، إلا أن الحدود وأحكام الاختبار السارية تظل مرتبطة بالمنتج الذي تغطيه المواصفة.

يجمع نظام ASTM عمومًا بين حرف ورقم تسلسلي، وعند الحاجة، درجة أو نوع أو فئة أو تعيين إضافي. ويدل الحرف على الموضوع العام؛ إذ يغطي الحرف “A” المواد الحديدية، بينما يحدد الرقم مواصفةً معينة. ولذلك فإن “A36” و“A572” ليسا تركيبتين كيميائيتين عالميتين مختلفتين، بل هويتان لمواصفتين. أما “Grade 50” فيعبّر عن فئة مقاومة ضمن A572/A572M، وليس درجةً مستقلة يمكن نقلها دون تغيير إلى كل منتج فولاذي.

يتضح هذا التمييز في ASTM A400، الممارسة القياسية لقضبان الفولاذ: دليل الاختيار والتركيب والخواص الميكانيكية. إذ تربط جداولها بين درجات القضبان والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، وحد أدنى مستهدف لمقاومة الخضوع. ويُحذّر هذا الترتيب من قراءة صف واحد باعتباره متطلبًا كاملًا للشراء أو التصميم. فقد تُظهر سبيكة من نوع 4140، في حالة الدرفلة على الساخن أو التطبيع أو التقسية والمراجعة أو التشطيب على البارد، اختلافات جوهرية في المقاومة والصلادة والمطيلية. كما قد لا تحقق المقاطع الأكبر الخصائص نفسها عبر السمك التي تحققها المقاطع الأصغر بعد المعالجة الحرارية.

تغطي معايير ASTM الخاصة بالفولاذ أنواع الفولاذ الكربوني والإنشائي وغير القابل للصدأ والفيريتي والأوستنيتي والسبائكي، وقد تحدد خواص كيميائية وميكانيكية ومعدنية وغيرها من خواص المواد. وتوضح AISC أن مواصفات الفولاذ الإنشائي الخاصة بالمقاطع والألواح تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب ومتطلبات للخواص الميكانيكية معًا. ولا يحل أي من الجدولين محل الآخر؛ فالتركيب الكيميائي يحدد عناصر السبيكة والعناصر المتبقية المسموح بها، بينما تحدد المتطلبات الميكانيكية ما يجب أن يحققه المنتج المورّد عند الاختبار.

غالبًا ما تكشف تعيينات ASME عن طبقة ثانية من الضبط. ففي قانون ASME للغلايات وأوعية الضغط، قد تظهر مواصفة ASTM مسبوقة بالبادئة “SA”، مثل SA-516/SA-516M الخاصة بألواح أوعية الضغط، بدلًا من A516/A516M. وتشير هذه البادئة إلى القبول ضمن نظام قانون ASME، لكنها لا تلغي أهمية المواصفة المشار إليها، أو الإصدار، أو شكل المنتج، أو الدرجة، أو المعالجة الحرارية، أو المتطلبات الإضافية. كما يمكن أن تتضمن النسخ المترية والنسخ المعتمدة على الوحدات العرفية متطلبات أو اتفاقيات طلب مختلفة. ولذلك فإن “SA-516 Grade 70” ليست هويةً مستقلة يمكن استبدالها بأي لوح يسمى “A516 Grade 70” دون التحقق من القانون والإصدار الحاكمين.

كما يفشل الاختصار الذي يربط التركيب بالخواص من الناحية الميتالورجية. إذ تذكر ASM International أن خواص الفولاذ الكربوني والسبائكي تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب والمعالجة والبنية المجهرية. ويؤثر محتوى الكربون والمنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم والبورون في قابلية التصليد وتحولات الأطوار، إلا أن نسبة الاختزال بالدرفلة، ومعدل التبريد، والمراجعة، وحجم الحبيبات، وسماكة المقطع تغيّر البنية الناتجة. وقد يبيّن جدول التركيب ما إذا كانت الصهرة تقع ضمن حد معين، لكنه لا يستطيع بمفرده إثبات مقاومة الخضوع أو متانة الصدم أو الصلادة أو قابلية اللحام.

التعيينات الأوروبية مثل S235 وS355

تشفّر التعيينات الأوروبية للمواد الإنشائية مجموعة مختلفة من المعلومات. ففي نظام EN، يحدد الحرف “S” في S235 وS355 أن المادة فولاذ إنشائي، بينما يشير الرقم إلى الحد الأدنى الاسمي لمقاومة الخضوع، بوحدة الميغاباسكال، ضمن نطاق محدد للمنتج والسماكة. ولا يُعد الرقم رمزًا للتكافؤ الكيميائي؛ فـ S355 لا يعني أن كل منتج يحمل تعيين S355 له محتوى ثابت من الكربون أو المنغنيز أو السيليكون أو عناصر السبائك.

ولللاحقة أهمية كبيرة. ففي مواصفات المنتجات EN 10025، تتضمن تعيينات مثل S235JR وS355J2 وS355K2 فئات لمتانة الصدم. وترتبط “JR” و“J0” و“J2” و“K2” بمتطلبات مختلفة لاختبار الصدم بشق V من نوع شاربي وبدرجات حرارة اختبار مختلفة. ويمكن أن يحدد الحرفان “N” أو “NL” فئات التسليم المطبّعة أو المدرفلة تطبيعًا في مواصفات المنتجات ذات الصلة. وقد يؤدي حذف اللاحقة الكاملة من التعيين إلى إسقاط معلومات تتحكم في الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة وحالة المعالجة.

تغيّر السماكة أيضًا معنى المقاومة المذكورة. فعادةً ما تحدد متطلبات EN قيمًا دنيا مختلفة لمقاومة الخضوع بحسب فواصل السماكة؛ لذلك فإن قيمة 355 ميغاباسكال المرتبطة بـ S355 ليست بالضرورة مقاومة الخضوع المطلوبة لكل سماكة لوح أو مقطع. وتحكم مواصفات المنتجات مثل EN 10025-2 أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي المدرفل على الساخن، بينما تتناول معايير EN الأخرى المقاطع المجوفة أو المطروقات أو المثبتات أو المنتجات غير القابلة للصدأ. وتُعد مواصفة المنتج جزءًا من الهوية.

ويميز SteelConstruction.info بين نظام تعيين الفولاذ الإنشائي الأوروبي والمعايير التي تحكم التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية. ثم يقدّم Eurocode 3 خواص مواد التصميم من خلال EN 1993-1-1، القسم 3.2.6. ويشمل جدوله S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460، إلا أن هذه قيم تصميم مرتبطة بإطار Eurocode، وليست بديلًا عن شهادة المصنع أو مواصفة المنتج EN السارية. فجدول التصميم وجدول قبول المادة يجيبان عن سؤالين مختلفين.[4][4] Composition and Properties. Specialty Steel Industry of North America. SSINA technical resources.

وتوضح تعيينات الفولاذ غير القابل للصدأ المبدأ نفسه من منظور آخر. فقد يشير “304” إلى تعيين عائلي مستخدم عبر أنظمة مختلفة، بينما يتناول ASTM A240 Type 304 الألواح والصفائح والشرائط ذات المتطلبات الخاصة بالمنتج. وتعرض SSINA حدود التركيب بالنسبة المئوية بالكتلة، إلى جانب الخواص الميكانيكية المحددة، لدرجات الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ المشمولة بمواصفات منتجات ASTM. ويجب قراءة صف التركيب وصف الشد معًا، إلى جانب شكل المنتج وحالته.

ادعاءات التكافؤ الوطنية والدولية

تُعد الجداول المقارنة مفيدة لتحديد الدرجات ذات الصلة، لكنها ليست شهادات لقابلية الاستبدال. ويفصل دليل مقارنة معايير الفولاذ العالمية بين مقارنات التراكيب الكيميائية ومقارنات الخواص الميكانيكية عبر أنظمة التعيين الدولية. وهذا الفصل جوهري؛ فقد تكون لدرجتين نطاقات متشابهة من الكربون أو الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم، مع اختلافهما في مقاومة الخضوع أو اختبار الصدم أو المعالجة الحرارية أو الحدود الأبعادية أو قواعد الفحص.

وقد يبيّن جدول يضع ASTM A36 إلى جانب EN S235JR علاقةً عملية بين عائلتين استنادًا إلى المقاومة الاسمية والاستخدام الإنشائي الشائع. لكنه لا يثبت أن كل منتج من A36 يفي بكل متطلبات S235JR، أو أن أيًا من الدرجتين يستوفي متطلبات الأخرى المتعلقة بالمتانة أو السماكة أو التركيب الكيميائي أو التسليم. وينطبق التحذير نفسه على ASTM A572 Grade 50 وS355؛ فمستويات مقاومتهما الاسمية مترابطة، لكن أرقام الدرجات لا تثبت تطابق قابلية اللحام أو أداء الصدم أو حدود السماكة أو متطلبات إصدار الشهادات.

ولهذا السبب، تصنف جداول Nickel Institute التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية والخواص الفيزيائية والمواصفات في فئات منفصلة. ويمكن للمقارنات التمثيلية التي يقدمها Engineering ToolBox للكربون والكروم والمنغنيز والموليبدينوم والنيكل والفوسفور والكبريت والسيليكون أن تساعد في تحديد عائلات السبائك العامة، إلا أن القيم التمثيلية ليست حدود المواصفة الملزمة. وتؤدي أدلة الفولاذ غير القابل للصدأ الصادرة عن Outokumpu، وجداول SSINA، والبيانات العملية من Metallus وظيفةً مرجعية مماثلة.

يجب أن يذكر أي ادعاء يمكن الدفاع عنه بشأن التكافؤ كلا المعيارين، والتعيين الكامل، وشكل المنتج، والسماكة أو حجم المقطع، وحالة التسليم، واتجاه الاختبار، ومتطلبات درجة الحرارة، والإصدار الساري. وإذا غاب أي من هذه العناصر، فينبغي فهم كلمة “متكافئ” بمعنى “متشابه لأغراض المقارنة الأولية”، وليس باعتبارها إذنًا لاستبدال مادة بأخرى.

جداول التركيب الكيميائي: العناصر ووظائفها

تُورد جداول التركيب الكيميائي عادةً نسبة كل عنصر من الكتلة، وتُكتب غالبًا بالصيغة wt.% أو ببساطة %. فقيمة مثل C 0.20 تعني أن الكربون يمثل 0.20% من كتلة الفولاذ. وقد يحدد الجدول قيمة قصوى أو دنيا أو مجالًا مسموحًا به. وهذا التمييز مهم؛ فالمتطلب «P 0.040 max» ليس هو نفسه «Mn 0.80–1.20»، ولا تحدد أيٌّ من القيمتين هوية الفولاذ بصورة مستقلة عن مواصفة المنتج.

تجيب جداول التركيب وجداول الخواص الميكانيكية عن سؤالين مختلفين. فجداول الكيمياء تحدد العناصر التي قد تكون موجودة في الصهيرة، بينما تسجل الجداول الميكانيكية نتائج مثل مقاومة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، والصلادة، أو طاقة الصدم لمنتج محدد وتحت حالة اختبار معينة. وتربط ASTM A400، الممارسة القياسية للفولاذ المدرفل: دليل اختيار القضبان، والتركيب، والخواص الميكانيكية، بين الدرجة والتركيب وحالة المعالجة وحجم المقطع والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع، precisely لأن التركيب الكيميائي وحده لا يمكنه إثبات نتيجة ميكانيكية مضمونة. كما يعزو ASM Metals Handbook خواص فولاذ الكربون والفولاذ السبائكي إلى التأثيرات المشتركة للتركيب والمعالجة والبنية المجهرية.

يعرض Engineering ToolBox مقارنات تمثيلية بالنسبة المئوية الوزنية لدرجات الفولاذ، تشمل الكربون والكروم والمنغنيز والموليبدينوم والنيكل والفوسفور والكبريت والسيليكون. ويفيد هذا النوع من الجداول في إظهار الفروق الكيميائية العامة، لكنه لا ينبغي أن يحل محل مواصفة المنتج المنطبقة، سواء كانت ASTM أو EN أو ISO أو غيرها. وتقدم جداول SSINA الخاصة بالفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي، وكتاب Outokumpu Stainless Steel Handbook، وكتاب Metallus المعنون Practical Data for Metallurgists بيانات أكثر ارتباطًا بالمواصفات أو أكثر تركيزًا على الدرجات، إلا أن حدودها تظل سارية ضمن النطاق الذي يحدده كل مصدر.

الكربون والمنغنيز والسيليكون والفوسفور والكبريت

يُعد الكربون عنصر التقوية البيني الرئيسي في فولاذ الكربون العادي والفولاذ السبائكي. وتؤدي زيادة الكربون عمومًا إلى رفع الصلادة ومقاومة الشد ومقاومة الفولاذ القابلة للتحقيق بعد التقسية والمراجعة. كما تزيد قابلية التقسية إلى حد ما، مع أن عناصر السبائك وحجم المقطع يؤثران بقوة في عمق التقسية. ويتمثل الثمن في انخفاض المطيلية وقابلية اللحام وزيادة الحساسية لتكوّن بنيات هشة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. وفي الفولاذ غير القابل للصدأ، يمكن أن يتحد الكربون مع الكروم مكوِّنًا كربيد الكروم، ويُمثَّل ذلك عادةً بمركبات مثل Cr23C6. وقد يؤدي ترسبه عند حدود الحبيبات إلى خفض مقاومة التآكل الموضعية، نتيجة إنشاء مناطق مستنفدة من الكروم.

قد يوحي الرقم في تعيين الدرجة بمستوى الكربون، لكنه لا يمثل هوية عامة ثابتة. فقد يختلف كل من AISI 1045 وقضيب ASTM A576 1045 ومنتج آخر يُباع تحت تعيين مشابه 1045 في الكيمياء المسموح بها أو الأبعاد أو المعالجة الحرارية أو المتطلبات الميكانيكية. والوثيقة الحاكمة هي مواصفة المنتج، لا تسمية الدرجة المختصرة.

يقوي المنغنيز الفريت من خلال تأثيرات المحلول الصلب، ويتحد مع الكبريت لتكوين شوائب كبريتيد المنغنيز. ويكتسب ذلك أهمية في فولاذ الكربون لأن المنغنيز يقلل التأثير الضار لكبريتيد الحديد، الذي قد يسبب الهشاشة على الساخن. كما يزيد المنغنيز قابلية التقسية، وقد يسهم في رفع المقاومة بعد المعالجة الحرارية. ويمكن أن يؤثر المنغنيز المفرط أو غير المضبوط جيدًا في المتانة، والانفصال، وقابلية اللحام، واستقرار الأطوار. أما في الفولاذ الأوستنيتي عالي المنغنيز، فدوره أكثر جوهرية؛ إذ يساعد على تثبيت الأوستنيت، ويمكن أن يغير سلوك التحول والتشوه.

يُضاف السيليكون عادةً كمزيل للأكسدة أثناء صناعة الفولاذ. وهو يقوي الفريت، وقد يحسن مقاومة الأكسدة في تطبيقات محددة، لكن ارتفاع مستواه قد يقلل المتانة أو يعقد اللحام والتشكيل. كما أن للسيليكون أهمية في الفولاذ الكهربائي، حيث يرفع المقاومة النوعية الكهربائية ويقلل خسائر التيارات الدوامية. وقد يعرض جدول هندسي عام السيليكون بوصفه مكوّنًا ثانويًا، بينما قد تفرض مواصفة معينة مجالًا أكثر إحكامًا لأن المعالجة أو الأداء المغناطيسي أو قابلية اللحام تتطلب ذلك.

يُضبط الفوسفور عادةً بوصفه شوائب. ويمكنه زيادة المقاومة والصلادة من خلال التقوية بالمحلول الصلب، لكن ارتفاع مستواه يقلل عمومًا المطيلية والمتانة، وقد يعزز التقصف، ولا سيما في ظل ظروف حرارية أو ظروف انفصال غير مواتية. ويحسن الكبريت قابلية التشغيل الآلي بتكوين شوائب كبريتيدية، وخاصة كبريتيد المنغنيز، إلا أن هذه الشوائب قد تقلل المطيلية العرضية ومقاومة الكلال والمتانة عبر السمك. ولذلك تقبل درجات التشغيل الحر مستويات من الكبريت كانت ستُقيَّد في المنتجات المخصصة لأوعية الضغط أو المنشآت أو اللحام ذي المتطلبات العالية. ويسجل جدول التركيب الكمية المسموح بها، لكنه لا يصف بمفرده شكل الشوائب أو توزيعها أو السلوك الميكانيكي الناتج عنها.

الكروم والنيكل والموليبدينوم والنيتروجين

يزيد الكروم قابلية التقسية، ويدعم تكوّن الكربيدات، ويحسن مقاومة الأكسدة والتآكل المائي. وتتطلب تعيينات الفولاذ غير القابل للصدأ كمية كافية من الكروم لتكوين غشاء أكسيد واقٍ غني بالكروم، لكن الأداء المطلوب يعتمد على أكثر من إجمالي محتوى الكروم. فالكربون والنيتروجين والموليبدينوم وحالة السطح وتاريخ اللحام وبيئة الخدمة كلها عوامل مهمة. ويمكن للكروم أن يثبت الفريت، في حين قد تزيل كربيدات الكروم أو الأطوار البينية الكروم من المصفوفة المحيطة، فتقلل مقاومة التآكل الموضعي.

يثبت النيكل الأوستنيت ويحسن المتانة عمومًا، ولا سيما عند درجات الحرارة المنخفضة. وفي أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي، يساعد النيكل على الحفاظ على البنية الأوستنيتية المكعبة متمركزة الوجوه؛ أما في الفولاذ السبائكي، فيسهم في قابلية التقسية والمتانة دون الميل نفسه إلى تكوين الكربيدات الذي يميز الكروم أو الموليبدينوم. ولذلك يؤثر محتوى النيكل في توازن الأطوار والاستجابة المغناطيسية وسلوك التحول وأداء مقاومة التآكل. ويشير الوصف المألوف «18-8» لكثير من أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي إلى عائلة تقريبية من الكروم والنيكل، ولا يمثل بديلًا عن مواصفة مثل ASTM A240 أو حدود الدرجة الدقيقة الواردة في SSINA أو Outokumpu.

النيتروجين مثبت قوي للأوستنيت وعنصر تقوية بالمحلول الصلب. ويمكن للإضافات المضبوطة منه أن ترفع مقاومة الخضوع وتحسن مقاومة التآكل التنقري في بعض أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ. إلا أن زيادة النيتروجين عن المستوى المناسب للعملية أو الدرجة قد تسبب المسامية أو تكوّن النتريدات أو اختلالًا غير ملائم في توازن الأطوار. وفي الفولاذ غير القابل للصدأ المزدوج، يساعد النيتروجين على الحفاظ على النسبة المقصودة من الفريت إلى الأوستنيت بعد المعالجة؛ ولذلك فإن الحدين الأدنى والأقصى المدرجين يمثلان متطلبات وظيفية، لا مجرد قيم كيميائية شكلية.

العناصر المتبقية والسبك الدقيق ومتطلبات التوازن

توجد العناصر المتبقية نتيجة المواد الخام أو ممارسات الأفران أو المواد الحرارية أو إضافات السبائك، ولا تكون دائمًا مكونات رئيسية مقصودة. وقد يظهر النحاس والقصدير والكوبالت والأنتيمون والرصاص والفاناديوم في الجدول حتى عندما لا تكون محورية في وصف الدرجة. ويمكن للنحاس أن يحسن مقاومة التآكل الجوي في أنواع معينة من الفولاذ الإنشائي، في حين قد يسهم القصدير والأنتيمون في مشكلات الهشاشة على الساخن أو التقصف بالمراجعة. وقد يحسن الرصاص قابلية التشغيل الآلي، لكنه يغير سلوك الشوائب واعتبارات اللحام. ويعتمد التأثير على التركيز والتاريخ الحراري والتفاعلات مع العناصر الأخرى.

إضافات السبك الدقيق صغيرة الكمية لكنها مؤثرة. إذ تكوّن عناصر النيوبيوم والفاناديوم والتيتانيوم كربونيتريدات تحد من نمو حبيبات الأوستنيت، وتنتج تقوية بالترسيب، وتغير إعادة التبلور أثناء الدرفلة المضبوطة. ولا يكون فولاذ يحتوي على 0.03% من Nb قابلًا للاستبدال الكيميائي بفولاذ لا يحتوي إلا على الكربون والمنغنيز وبمقاومة اسمية مماثلة. ويحدد حجم الحبيبات النهائي، وحالة ذوبان الرواسب، ونظام الدرفلة، ومعدل التبريد، والمعالجة الحرارية اللاحقة مقدار الفائدة المتحققة.

وتتسم متطلبات التوازن بالأهمية نفسها. فقد تحد جداول الفولاذ غير القابل للصدأ من الكربون، مع اشتراط وجود الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم أو النيتروجين ضمن مجالات محددة للحفاظ على استقرار طور أوستنيتي أو فريتي أو مزدوج. وقد تشترط مواصفات الفولاذ السبائكي وجود البورون ضمن مجال ضيق فقط، لأن الإضافة النزرة قد تحسن قابلية التقسية، في حين يؤدي البورون المفرط إلى تكوين مركبات غير مرغوبة. كما يمكن للنحاس والنيكل والكروم والموليبدينوم المتبقية أن تؤثر في قابلية التقسية حتى عندما لا تكون إضافات مقصودة.

يفصل Nickel Institute بين البيانات الكيميائية والميكانيكية والفيزيائية وبيانات المواصفات في جداول سبائكه؛ وهذه ممارسة سليمة. كما يحافظ Handbook of Comparative World Steel Standards على فصل مقارنات التركيب الكيميائي عن مقارنات الخواص الميكانيكية بين التعيينات الدولية. ويسرد Eurocode 3 خواص التصميم للفولاذ S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 بموجب EN 1993-1-1، القسم 3.2.6، إلا أن تلك القيم هي قيم مستمدة من معيار التصميم، وليست نتائج عامة تترتب حتمًا على مجال كيميائي معين. فقد يغير شكل المنتج وسمكه وحالة التسليم واتجاه الاختبار والمعالجة الحرارية النتيجة المطلوبة. ويحدد جدول التركيب نافذة كيميائية، لكنه لا يشهد بمقاومة الفولاذ أو متانته أو قابلية لحامه أو أداء مقاومته للتآكل أو توازن أطواره دون بقية عناصر المواصفة.

لماذا لا يحدد التركيب الكيميائي الخواص الميكانيكية بمفرده

يوضح جدول التركيب الكيميائي العناصر الموجودة وحدود نسبها، لكنه لا يوضح التاريخ الفيزيائي الكامل للفولاذ. تؤثر عناصر الكربون والمنغنيز والسيليكون والكروم والنيكل والموليبدينوم والفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم والفوسفور والكبريت وغيرها في قابلية التصلب، واستقرار الأطوار، والتقوية بالمحلول الصلب، وتكوّن الكربيدات، وسلوك التحول، إلا أن تأثيراتها تعتمد على درجة الحرارة والتشوه والتبريد وحجم المقطع.

ويُعد هذا التمييز محورياً في معالجة دليل ASM للمعادن لفولاذ الكربون والفولاذ السبائكي. وتذكر ASM أن خواص هذه الأنواع تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي والمعالجة والبنية المجهرية. ولذلك فإن تسمية الفئة تحدد نطاقاً مضبوطاً ضمن مواصفة، ولا تحدد مجموعة عالمية واحدة من قيم مقاومة الشد ومقاومة الخضوع والاستطالة والصلادة والمتانة.

وتوضح ASTM A400، الممارسة القياسية للفولاذ، ودليل اختيار القضبان، والتركيب، والخواص الميكانيكية، هذه النقطة مباشرة. فإرشاداتها الجدولية تأخذ في الاعتبار الفئة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع عند اختيار القضبان الفولاذية. ولا يستطيع إدخال التركيب وحده أداء هذه الوظائف. كما تفصل مواصفات منتجات ASTM بين المتطلبات الكيميائية والميكانيكية والفلزّية وغيرها من متطلبات المواد ضمن فئات فولاذ الكربون والفولاذ الإنشائي والفولاذ غير القابل للصدأ والفولاذ الحديدي والفولاذ الأوستنيتي والفولاذ السبائكي. ويطبق AISC التمييز نفسه على المنتجات الإنشائية؛ إذ تتضمن مواصفات ASTM للأشكال والصفائح الفولاذية عموماً متطلبات للتركيب الكيميائي وللخواص الميكانيكية معاً.

تاريخ المعالجة والمعالجة الحرارية‑الميكانيكية

يمكن للتركيب الكلي نفسه أن ينتج خواص مختلفة بدرجة كبيرة بعد اتباع مسارات تصنيع مختلفة. فالدرفلة ليست مجرد وسيلة لتحويل كتلة أولية إلى صفيحة أو قضيب أو مقطع. إذ تشوه الدرفلة على الساخن الأوستنيت، وتفكك البنية المصبوبة، وتغير شكل الشوائب، ويمكنها تنقية الحبيبات عندما تكون درجة حرارة التشطيب وجدول الاختزال مضبوطين. وقد تؤدي الدرفلة المضبوطة عند درجات حرارة أدنى من درجات التشطيب التقليدية إلى تعزيز تكوّن الفريت الناعم بعد التبريد. وقد تتمتع المادة الناتجة بمقاومة خضوع أعلى ومتانة محسّنة مقارنةً بمادة لها الكيمياء نفسها وخضعت لجدول معالجة أقل ضبطاً.

كما يغير التطريق البنية الداخلية. إذ يمكن للتشوه أن يفكك الحبيبات المصبوبة الكبيرة وأشرطة الانفصال، بينما تحدد درجة حرارة التطريق ومقدار الاختزال إعادة التبلور وتنقية الحبيبات. وقد لا تمتلك قطعتا تطريق لهما تحاليل مغرفة متماثلة خواص متماثلة إذا تعرضت إحداهما لاختزال أكبر أو لدرجة حرارة تطريق نهائية مختلفة.

وتُحدث المعالجة الحرارية فروقاً أكبر من ذلك. فالتطبيع يسخن الفولاذ إلى ما فوق نطاق تحول الأوستنيت ثم يبرده في الهواء، منتجاً بنية فريت‑برليت منقّحة نسبياً في كثير من أنواع فولاذ الكربون والفولاذ منخفض السبائك. ويستخدم التخمير عموماً تبريداً أبطأ، مما يسمح بتكوين بنية أكثر ليونة ذات برليت أخشن وصلادة أقل. أما التبريد السريع فيثبط التحول الانتشاري ويمكن أن يؤدي إلى تكوّن المارتنسيت، وهو طور صلب فائق الإشباع. ويُجرى عادةً تقسية الفولاذ المبرَّد سريعاً بالمراجعة لتقليل الهشاشة وضبط المقاومة والصلادة والليونة والمتانة. وتؤثر درجة حرارة المراجعة ومدتها؛ فالمراجعة عند درجة حرارة منخفضة لا تنتج التوازن نفسه للخواص الذي تنتجه المراجعة عند درجة حرارة مرتفعة.

قابلية التصلدقابلية التصلد قدرة الفولاذ على تكوين نواتج تحوّل صلدة حتى عمق معين أثناء التبريد؛ وهي متميزة عن الصلادة المقاسة في موضع واحد.

ويتأثر معدل التبريد بأكثر من برنامج الفرن. إذ يتحكم سمك المقطع في استخلاص الحرارة، ولذلك قد يبرد سطح قضيب سميك أسرع بكثير من مركزه. وقد تتحول صفيحة رقيقة تقريباً بالكامل إلى فريت وبرليت، في حين قد يتكون في مركز مقطع ثقيل له التركيب نفسه بينيت أو مارتنسيت أو نواتج تحول مختلطة إذا كان معدل تبريده مرتفعاً بما يكفي. وتصف قابلية التصلب قدرة الفولاذ على تكوين نواتج تحول صلدة عبر مقطع ما؛ وهي لا تساوي صلادة عينة اختبار واحدة.

كما يمكن للمعالجة الحرارية‑الميكانيكية أن تنتج خواص لا يكشفها جدول الكيمياء النهائي. فقد يكون الفولاذ مضافاً إليه النيوبيوم أو الفاناديوم أو التيتانيوم كعناصر سبائكية دقيقة، إلا أن مساهمة هذه العناصر في التقوية تعتمد على ما إذا كانت تبقى في المحلول، أو تكوّن كربونيتريدات أثناء إعادة التسخين، أو تترسب أثناء التبريد المضبوط. ويُعد تاريخ المعالجة جزءاً من هوية المادة.

البنية المجهرية بوصفها الصلة بين الكيمياء والخواص

يقيس الاختبار الميكانيكي استجابة البنية المجهرية الناتجة، لا تركيب عناصر الجدول الدوري بمعزل عن غيره. وتعكس مقاومة الخضوع مقاومة الانخلاعات للحركة. وتعتمد مقاومة الشد على الآليات التي تستمر في مقاومة التشوه أثناء الجريان اللدن وعلى بدء تكون العنق. وتعتمد الاستطالة على مدى قدرة المادة على التشوه بانتظام قبل الكسر. وتعكس الصلادة مقاومة التشوه اللدن الموضعي. أما المتانة فتعتمد على بدء الشق وانتشاره، بما في ذلك درجة الحرارة ومعدل التحميل وحالة الشق واتجاه الاختبار.

وتصل البنية المجهرية هذه الاستجابات بالكيمياء. إذ يقوي الكربون الموجود في المحلول الصلب الفريت، لكن الكربون الزائد قد يكوّن أيضاً البرليت أو السمنتيت أو المارتنسيت تبعاً للمسار الحراري. ويغير المنغنيز والنيكل سلوك التحول، ويمكنهما تحسين قابلية التصلب أو تثبيت الأوستنيت. ويؤثر الكروم والموليبدينوم في قابلية التصلب وتكوّن الكربيدات. ويقوي السيليكون الفريت ويؤثر في نزع الأكسدة. وهذه التأثيرات مشروطة، وليست ثوابت إضافية يمكن قراءتها مباشرة من جدول التركيب.

فعلى سبيل المثال، قد يحتوي فولاذ منخفض الكربون بُرّد ببطء من الأوستنيت على فريت وبرليت، ويُظهر مقاومة متوسطة مع ليونة مفيدة. أما مستوى الكربون الاسمي نفسه، فإذا أُجري له تبريد سريع حيث تسمح قابلية التصلب، فقد يحتوي على مارتنسيت أو بينيت، ويُظهر صلادة ومقاومة أعلى بكثير، وعادةً متانة أقل في حالة عدم مراجعته. وتغير المراجعة المارتنسيت مرة أخرى، إذ تسمح بإعادة توزيع الكربون وترسب الكربيدات. وتعتمد الخواص النهائية على التسلسل الكامل، بما في ذلك درجة حرارة الأوستنة وزمن التثبيت ووسط التبريد السريع وحجم المقطع وجدول المراجعة.

وتختلف نواتج التحول أيضاً داخل المكوّن الواحد. فقد تصبح المناطق السطحية أصلد من القلب، كما يمكن أن تطور المناطق المتأثرة بحرارة اللحام بنى مجهرية تختلف عن بنية الصفيحة الأصلية أو معدن اللحام. ولا يمكن لقيمة شد مُبلّغ عنها من موضع واحد أن تمثل تلقائياً كل موضع أو كل اتجاه.

حجم الحبيبات وتوازن الأطوار والراسبات

يمثل حجم الحبيبات سبباً مباشراً لعدم قدرة الكيمياء وحدها على تحديد المقاومة أو المتانة. فحبيبات الفريت الدقيقة ترفع عموماً مقاومة الخضوع من خلال التقوية بحدود الحبيبات، ويمكنها تحسين مقاومة الكسر بالانفلاق. أما الحبيبات الخشنة فتقلل غالباً متانة الصدم عند درجات الحرارة المنخفضة، مع أن النتيجة المقاسة تعتمد أيضاً على توزيع الأطوار والشوائب واتجاه الاختبار. وقد ينتج تنقية الحبيبات عن الدرفلة المضبوطة أو التطبيع أو ترسب العناصر السبائكية الدقيقة الذي يحد من نمو حبيبات الأوستنيت.

ويكتسب توازن الأطوار أهمية مماثلة. فالفريت لين ومطيل نسبياً؛ والبرليت أقوى لكنه أقل ليونة؛ أما البينيت والمارتنسيت فيمكنهما توفير مقاومة عالية، في حين تتحدد متانتهما بالشكل المجهري والمراجعة. وقد يتحول الأوستنيت المحتجز أثناء الخدمة أو الاختبار، مما يغير الاستقرار الأبعادي وسلوك التشوه. وقد يحدد جدول الكيمياء حدود الكربون والعناصر السبائكية، لكنه لا يستطيع أن يبين ما إذا كان الفولاذ النهائي يحتوي على 20% من البرليت أو على مصفوفة بينيتية أو على مارتنسيت مُراجع من دون معلومات عن المعالجة والفحص الفلزّي المجهري.

وتضيف الراسبات متغيراً آخر. إذ يمكن للكربونيتريدات الدقيقة للنيوبيوم أو الفاناديوم أو التيتانيوم أن تثبت حدود حبيبات الأوستنيت وتقوي الفريت بعد التحول. ويعتمد حجمها وكثافتها العددية وتركيبها وتوزيعها على إعادة التسخين والتشوه والتبريد. وقد لا تسهم الراسبات الخشنة كثيراً في المقاومة، بينما تعمل بوصفها مواقع لبدء الشقوق. وفي أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ، يمكن لكربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أن تقلل مقاومة التآكل الموضعية حتى عندما يطابق تحليل الكروم الكلي حد الفئة.

ولهذا السبب، تقرن جداول SSINA تركيب الفولاذ اللاصدئ الأوستنيتي المحدد بالنسبة المئوية الوزنية بالخواص الميكانيكية المحددة للفئات المشمولة بمواصفات منتجات ASTM، بدلاً من اعتبار أحد الجدولين بديلاً عن الآخر. ويعرض معهد النيكل بالطريقة نفسها البيانات الكيميائية والميكانيكية والفيزيائية وبيانات المواصفات بوصفها فئات منفصلة من الخواص. ويسرد Eurocode 3 خواص التصميم للفئات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 بموجب EN 1993-1-1، القسم 3.2.6؛ وهي قيم مرتبطة بمعيار تصميم حاكم، وفئة المنتج، والسماكة، والاستخدام التصميمي.

ويمكن للجداول المقارنة، بما في ذلك تلك الواردة في دليل المعايير العالمية المقارنة للفولاذ، أن توضح العلاقات التقريبية بين التسميات الدولية، لكنها لا تثبت التكافؤ. كما أن مقارنات التركيب التمثيلية، مثل تلك التي تنشرها Engineering ToolBox، مفيدة للاستدلال العام، في حين يجب أن تأتي الحدود الملزمة والمتطلبات الميكانيكية من مواصفة المنتج المنطبقة. ويحدد المعيار الحاكم وشكل المنتج والسماكة والمعالجة الحرارية واتجاه الاختبار وطريقة الاختبار معنى القيمة المُبلّغ عنها. تبدأ الكيمياء تفسير الخواص، لكنها لا تستكمله.

جداول الخواص الميكانيكية: ماذا تعني الأعمدة؟

جدول الخواص الميكانيكية ليس نسخة ثانية من جدول التركيب الكيميائي. فهو يبيّن كيفية توقّع سلوك منتج محدد، أو كيفية اشتراط سلوكه، في اختبار مُعرّف. وتعتمد النتيجة على تصنيف الفولاذ، وشكل المنتج، والمعالجة الحرارية، وحجم المقطع، والسماكة، وموقع أخذ العينة، واتجاه الاختبار، ودرجة الحرارة، والمواصفة المرجعية الحاكمة.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن اسم الدرجة لا يمثل هوية مادية كاملة. فالمواصفة ASTM A400، Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties، تنظّم معلومات فولاذ القضبان بحسب الدرجة، والتركيب، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ولذلك قد تظهر الدرجة الاسمية نفسها بمتطلبات مختلفة للخواص عندما يتغير شكل المنتج أو أبعاده. وقد يكون الجدول الذي يورد قيمة مقاومة واحدة بجانب درجة معينة مفيدًا لأغراض الاسترشاد إذا لم يذكر مواصفة المنتج، لكنه لا يُعد مواصفة حاكمة.

تغطي مواصفات فولاذ ASTM المتطلبات الكيميائية والميكانيكية والمعدنية وغيرها من متطلبات مواد الفولاذ الكربوني والإنشائي وغير القابل للصدأ والفريتي والأوستنيتي والسبائكي. ويوضح AISC كذلك أن مواصفات القطاعات والألواح المصنوعة من الفولاذ الإنشائي تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي وللخواص الميكانيكية معًا. وتجيب مجموعتا الأعمدة عن سؤالين مختلفين: إذ تحدد الكيمياء حدود العناصر التي يجوز وجودها، في حين يتحقق الاختبار الميكانيكي من استجابة المنتج المورّد.

مقاومة الخضوع ومقاومة الشد

مقاومة الخضوع هي الإجهاد الذي تبدأ عنده عينة الاختبار في التعرض لتشوه لدن دائم محدد. وبالنسبة إلى بعض أنواع الفولاذ، يُظهر منحنى الإجهاد–الانفعال نقطة خضوع علوية وأخرى سفلية مميزتين. أما في أنواع أخرى، فتستخدم المواصفة إجهاد الإثبات، وهو عادةً الإجهاد الذي يُحدث انفعالًا دائمًا قدره 0.2%، ويُكتب $R_{p0.2}$ في العديد من المواصفات الأوروبية، أو يُبلّغ عنه بوصفه مقاومة الخضوع وفق طريقة ASTM السارية. ويجب أن يأتي التعريف الدقيق من مواصفة الاختبار ومواصفة المنتج.

إن الحد الأدنى لمقاومة الخضوع الوارد في الجدول هو متطلب، وليس تنبؤًا بخاصية كل قطعة فولاذ. فإذا حددت ASTM A572/A572M حدًا أدنى لمقاومة الخضوع لدرجة معينة، ولنطاق سماكة محدد، وشكل منتج معين، فيجب أن تحقق نتيجة الاختبار المطابقة تلك القيمة أو تتجاوزها وفق الإجراء المحدد. وقد تكون مقاومة الخضوع المقاسة فعليًا أعلى من ذلك. كما يمكن أن تختلف باختلاف الصهرة، والسماكة، ومقدار الاختزال بالدرفلة، ومعدل التبريد، وموضع أخذ العينة، واتجاه الاختبار. أما عرض الحد الأدنى كما لو كان هو الخاصية المقاسة فيطمس هذا التمييز.

مقاومة الشد، وتُسمى أيضًا مقاومة الشد القصوى، هي أقصى إجهاد هندسي يتم بلوغه أثناء اختبار الشد. وتحسب بقسمة أكبر حمل مطبق على مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة. وبعد بلوغ الحمل الأقصى، قد يحدث تضيق موضعي، ويمكن أن ينخفض الإجهاد الهندسي حتى مع استمرار المادة في التشوه إلى أن يحدث الكسر.

ولا تساوي مقاومة الشد القصوى مقاومة التصميم. فقيمة التصميم الإنشائية تُستخلص من خلال كود التصميم الحاكم، الذي قد يطبق معاملات المقاومة، والمعاملات الجزئية، وقواعد الانبعاج، وأحكام الوصلات، والحدود المعتمدة على السماكة. ويسرد Eurocode 3، في القسم EN 1993-1-1 Section 3.2.6، خواص مواد التصميم للدرجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460. وتنتمي تلك القيم إلى إطار تصميمي؛ ولذلك لا ينبغي نسخها إلى عمود عام بعنوان «مقاومة الشد» أو التعامل معها على أنها نتائج اختبار مباشرة.

يفرض الاختبار نفسه شروطًا محددة. إذ تحدد ASTM E8/E8M وISO 6892-1 تفاصيل مثل هندسة العينة، وطول القياس، ومعدل التحميل، وقياس الانفعال، والحساب. وقد تختلف مواضع العينات واتجاهاتها المسموح بها في اللوح والقضيب والأنبوب والمطروقة. كما أن النتائج الطولية والعرضية ليست قابلة للتبادل، ولا سيما في المنتجات المدرفلة حيث تؤدي الشوائب، والنسج البلوري، والبنى المجهرية النطاقية إلى فروق اتجاهية.

ولا يمكن للكيمياء وحدها أن تحدد النتيجة. يصف Metals Handbook الصادر عن ASM International خواص الفولاذ الكربوني والسبائكي بأنها آثار مشتركة للتركيب الكيميائي والمعالجة والبنية المجهرية. فالكربون والمنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم وغيرها من العناصر تؤثر في قابلية التصليب وتكوّن الأطوار، إلا أن الدرفلة، والتقسية، والمراجعة، والتطبيع، والتصلب بالترسيب، وتاريخ التبريد تحدد كيفية تجسيد تلك الإمكانية.

الاستطالة، ونقصان المساحة، واللدونة

تقيس الاستطالة الامتداد اللدن قبل الكسر. وتُبلّغ عادةً كنسبة مئوية:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100$$

طول القياسطول القياس الطول الابتدائي المحدد على عينة اختبار الشد والذي تُقاس فوقه الاستطالة.

حيث إن $L_0$ هو طول القياس الأصلي، و$L_f$ هو طول القياس بعد الكسر، بعد جمع الجزأين المكسورين بعناية. ولا يكون الرقم ذا معنى إلا مع معرفة طول القياس ونوع العينة. فالإبلاغ عن «استطالة قدرها 20%» لا يحدد ما إذا كانت النتيجة قد استخدمت طول قياس نسبيًا، أو طول قياس قدره 50 mm، أو عينة مصغرة، أو تكوينًا آخر.

ولهذا قد تبدو قيم الاستطالة المأخوذة من مواصفات مختلفة غير متسقة حتى عندما تكون أنواع الفولاذ متشابهة. وتميل أطوال القياس الأقصر إلى التقاط مساهمة أكبر من التضيق الموضعي، وقد تنتج نسبة مئوية أعلى من الأطوال الأطول. كما تؤثر سماكة المنتج في هندسة العينة المتاحة، وأحيانًا في الحد الأدنى المحدد للاستطالة. ولذلك ينبغي أن تحتفظ الجداول بتعيين الاختبار وطول القياس، بدلًا من عرض الاستطالة على أنها ثابت عام للدرجة.

يقيس نقصان المساحة فقدان مساحة المقطع العرضي عند موضع الكسر:

$$Z=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100$$

حيث إن $A_0$ هي المساحة الأصلية، و$A_f$ هي أصغر مساحة نهائية. وهذه الخاصية حساسة بصورة خاصة للتشوه اللدن الموضعي، وتقدم معلومات تختلف عن الاستطالة. فقد يُظهر فولاذ ما نقصانًا كبيرًا في المساحة، في حين تختلف استطالته، لأن القياسين يستجيبان بصورة مختلفة للانفعال المنتظم، والتضيق، وهندسة العينة، وموضع الكسر.

ويمثل كلا القياسين مؤشرًا على اللدونة، إلا أن اللدونة ليست ثابتًا ماديًا واحدًا. فهي تشمل القدرة على تحمل الانفعال اللدن دون تشقق تحت حالة إجهاد ودرجة حرارة ومعدل انفعال وهندسة معينة. ولا يمكن لنتيجة استطالة الشد أن تثبت مقاومة التشقق الهيدروجيني، أو تشقق الانحناء، أو تشقق المنطقة المتأثرة بالحرارة في اللحام، أو الكسر تحت تأثير شق. كما أن الاستطالة العالية لا تعني تلقائيًا متانة عالية.

توضح جداول SSINA الخاصة بدرجات الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ الصيغة الصحيحة للعرض: إذ يُقدم التركيب بالنسبة المئوية الوزنية منفصلًا عن الخواص الميكانيكية المحددة بموجب مواصفات منتجات ASTM ذات الصلة. ويفصل Nickel Institute بالمثل بين التركيب الكيميائي، والخواص الميكانيكية، والخواص الفيزيائية، وبيانات المواصفات. وقد يضع جدول مقارن هذه الفئات في صفحات متجاورة، لكن التجاور لا يجعلها قابلة للتبادل.

الصلادة، والمتانة تحت الصدم، والبيانات المتعلقة بالتعب

الصلادة هي مقاومة التشوه اللدن الموضعي، وتُقاس عادةً بطرائق برينل أو روكويل أو فيكرز أو كنوب. وتكون قيمة مثل HBW 190 أو 90 HRB أو 210 HV غير مكتملة من دون ذكر المقياس، والغاز، والقوة المطبقة، ومواصفة الاختبار. وتغطي ASTM E10 صلادة برينل، وتغطي ASTM E18 صلادة روكويل، بينما تغطي ASTM E384 صلادة الانطباع المجهري. ويمكن لحالة السطح، والتقوس، ونزع الكربنة، والطلاء، والبنية المجهرية الموضعية أن تغيّر القراءة.

إن تحويلات الصلادة إلى مقاومة الشد هي علاقات ارتباط، وليست قوانين فيزيائية. وعادةً ما تُطوّر لعائلات معينة من الفولاذ ولنطاقات محددة من الصلادة. وقد لا يكون التحويل مناسبًا للفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، أو فولاذ العدد عالي السبك، أو المادة المقساة بالتصلب السطحي، أو معدن اللحام، أو المنتج ذي التدرج الكبير في الصلادة. ولا ينبغي لجداول التحويل في ASTM أن تحل محل اختبار الشد المحدد عندما تكون مقاومة الشد هي العامل الحاكم للقبول أو التصميم.

تقيس طاقة الصدم الطاقة التي تمتصها عينة ذات شق أثناء كسر مفاجئ، ويكون ذلك عادةً باختبار شاربي ذي الشق على شكل V وفق ASTM E23 أو مواصفة مكافئة. وتعتمد القيمة المبلغ عنها على اتجاه العينة، وهندسة الشق، ودرجة الحرارة، والأبعاد، وإجراء الاختبار. فنتيجة شاربي مثل 27 J عند −20 °C تصف حالة الاختبار تلك، وليست ثابت متانة عامًا.

ويجب أيضًا التمييز بين طاقة الصدم ومتانة الكسر. فمتانة الكسر، التي يُبلّغ عنها غالبًا بالرموز $K_{\mathrm{IC}}$ أو $J_{\mathrm{IC}}$ أو بمعامل ذي صلة، تميز مقاومة طرف الشق في ظل هندسة عينة، وسماكة، ونمط تحميل، وحالة تقييد محددة. ويمكن لطاقة شاربي أن تدعم فحص المواد ومراقبة الجودة، لكنها لا يمكن أن تحل مباشرة محل قيمة متانة الكسر في حالة الانفعال المستوي.

تصف بيانات التعب السلوك تحت الإجهاد المتكرر أو المتذبذب. ويربط منحنى S–N سعة الإجهاد بعدد الدورات حتى الكسر، في حين يربط منحنى نمو الشق عادةً بين $\mathrm{da}/\mathrm{dN}$ ومجال معامل شدة الإجهاد $\Delta K$، كما في ASTM E647. وتعتمد النتائج على نسبة الإجهاد، والتردد، وتشطيب السطح، والإجهاد المتبقي، والبيئة، وحجم العينة، وحالة الشق، وتعريف الفشل. ولذلك تكون قيمة واحدة لمقاومة التعب في جدول ما عديمة المعنى ما لم تُذكر معها تلك الشروط.

ولهذا السبب يفصل Handbook of Comparative World Steel Standards بين مقارنات التركيب الكيميائي ومقارنات الخواص الميكانيكية. فقد تشير مطابقة الدرجات بين المواصفات المختلفة إلى تشابه في الكيمياء المقصودة، لكنها لا تثبت تطابق مقاومة الخضوع، أو أداء الصدم، أو سلوك التعب، أو متطلبات القبول. ويسمي الجدول المسؤول المواصفة الحاكمة، وشكل المنتج، ونطاق السماكة أو المقطع، وطريقة الاختبار، والاتجاه، ودرجة الحرارة، وما إذا كانت كل قيمة تمثل حدًا أدنى من المتطلبات، أو نتيجة مقاسة، أو قيمة نموذجية، أو معامل تصميم.

مقاس المقطع، والسماكة، وشكل المنتج، واتجاه الاختبار

لا يحدد اسم درجة الفولاذ مجموعة واحدة ثابتة من الخواص الميكانيكية. فقد تعتمد مقاومة الخضوع المطلوبة، ومقاومة الشد، والاستطالة، وطاقة الصدم، والصلادة، والتفاوت المسموح به على السماكة، وحجم المقطع العرضي، وشكل المنتج، والمعالجة الحرارية، واتجاه الاختبار. ولذلك فإن الجدول الذي يورد «AISI 4140» أو «S355» من دون هذه المحددات يكون غير مكتمل، حتى عندما يكون تحليله الكيميائي صحيحًا تقريبًا.

متطلبات المقاومة المعتمدة على السماكة

تغيّر السماكة التاريخ الحراري لمنتج الفولاذ. إذ تبرد الصفيحة الرقيقة بسرعة بعد الدرفلة أو التطبيع، بينما يبرد المطروق الثقيل أو الصفيحة السميكة ببطء أكبر، مما يسمح بحدوث تحولات طورية مختلفة، ونمو للحبيبات، وتأثيرات مختلفة للانفصال الكيميائي. ويمكن للبنية المجهرية الناتجة أن تغيّر المقاومة والمتانة حتى عندما يظل تحليل المغرفة ضمن حدود التركيب نفسها. وتوضح ASM International أن خواص فولاذ الكربون والفولاذ السبائكي تنتج مجتمعةً عن التركيب الكيميائي، والمعالجة، والبنية المجهرية. فالكيمياء ليست سوى جزء واحد من المواصفة.

وبناءً على ذلك، تخفّض كثير من مواصفات المنتجات الحد الأدنى المحدد لمقاومة الخضوع مع زيادة السماكة. والسبب ليس هندسيًا بحتًا. فالمقطع السميك يصعب تبريده بانتظام، وقد لا يتلقى مركزه الدرجة نفسها من التنقية أو التحول التي يتلقاها سطحه. ولذلك فإن الجدول الذي يخصص قيمة واحدة لمقاومة الخضوع لجميع السماكات قد يبالغ في المتطلب الخاص بالمادة الثقيلة، أو يقلل من شأن الفروق بين فئات المقاسات.

مقاومة الخضوع الاسمية حتى 16 mm (MPa)مقاومة الخضوع فوق 16 mm وحتى 40 mm (MPa)

يوضح الكود الأوروبي 3 هذه النقطة من خلال جدول خواص التصميم لدرجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 في EN 1993-1-1، القسم 3.2.6. إذ ترتبط قيمة مقاومة الخضوع الاسمية الواردة في الجدول بالسماكة الاسمية، مع تطبيق قيم أقل كلما ازدادت السماكة. ومن ثم، فإن «S355» لا تعني أن لكل منتج ولكل سماكة مقاومة خضوع تصميمية تبلغ 355 MPa. فالتسمية تحدد فئة ضمن مواصفة أوروبية حاكمة، بينما تحدد السماكة القيمة المنطبقة.

وينطبق التحفظ نفسه على منتجات ASTM. إذ يقدم ASTM A400، الممارسة القياسية للفولاذ القضب، ودليل الاختيار، والتركيب، والخواص الميكانيكية، إرشادات لاختيار القضبان وفقًا للدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المرغوب لمقاومة الخضوع. وهذه البنية مهمة؛ فهي توضح أن إدراج درجة ما لا يمثل مواصفة كاملة للمادة ما لم يعرف القارئ أيضًا ما إذا كان القضيب قد لُدّن، أو طُبّع، أو أُخضع للتقسية والمراجعة، أو وُرّد في حالة أخرى مدرجة، إلى جانب معرفة القطر ذي الصلة أو حجم المقطع المكافئ.

ولذلك يجب أن يحافظ جدول الخواص الميكانيكية على نطاق السماكة أو المقاس المطبوع في المواصفة المصدر. فاستبدال عدة نطاقات بقيمة واحدة «نموذجية» يجعل الجدول أسهل قراءة، لكنه أقل وفاءً للمواصفة.

القضبان، والصفائح، والمقاطع، والمطروقات، والصفائح الرقيقة

شكل المنتج ليس تسمية شكلية. فهو يحدد مسار تصنيع مختلفًا، ويتحكم هذا المسار في اتجاه تدفق الحبيبات، وحالة السطح، والإجهاد المتبقي، وتوزيع الشوائب، والخواص الميكانيكية الممكن تحقيقها.

تُنتج القضبان عادةً بالدرفلة على الساخن، أو بالتشطيب على البارد، أو بالتشغيل الآلي من مقاطع مدرفلة أكبر. وقد تُنظّم متطلباتها وفقًا للقطر، أو العرض، أو مساحة المقطع العرضي. ويُعد ASTM A400 مفيدًا بصفة خاصة هنا لأنه لا يعرض درجات القضبان على أنها أسماء منفصلة للتركيب الكيميائي؛ بل يربط إرشادات التركيب والحد الأدنى لمقاومة الخضوع بحالة المعالجة وحجم المقطع. ولا يجوز إسناد قيم المقاومة نفسها إلى قضيب 4140 في الحالة الملدنة وإلى قضيب 4140 مقسّى ومراجع، لمجرد أن كليهما يحتوي اسميًا على كميات متشابهة من الكروم والموليبدينوم والكربون والمنغنيز.

وتتبع الصفائح والمقاطع الإنشائية ممارسات درفلة مختلفة. وتوضح AISC أن مواصفات ASTM الخاصة بالمقاطع والصفائح الفولاذية الإنشائية تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية معًا. فعلى سبيل المثال، يحكم ASTM A572/A572M الفولاذ الإنشائي عالي المقاومة منخفض السبائك في منتجات مثل الصفائح والمقاطع والقضبان، لكن المتطلبات المنطبقة تظل معتمدة على المنتج وتسمية الدرجة الواردة في مواصفة الشراء. ولا ينبغي نقل قيمة مدرجة لمقطع إنشائي مدرفل تلقائيًا إلى صفيحة سميكة من الدرجة الاسمية نفسها.

وللصفائح الرقيقة متطلبات خاصة بالتشكيل والسطح. فقد تكون الخواص الميكانيكية للصفائح المخفضة على البارد محكومة بدرجة التخمير، أو بجودة التشكيل، أو بحالة التقسية بالخبز، في حين قد تستخدم الصفائح المدرفلة على الساخن مواصفة منفصلة ونطاق سماكة مختلفًا. وبالمثل، فإن عبارة «الفولاذ المقاوم للصدأ 304» غير كافية بمفردها؛ فمتطلبات الصفائح والصفائح الرقيقة والشرائط الواردة في ASTM A240/A240M ليست قابلة للتبادل مع متطلبات القضبان الواردة في ASTM A276/A276M أو متطلبات المكونات المطروقة الواردة في ASTM A182/A182M. وتقرن جداول SSINA التركيب المئوي بالوزن بالخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المشمولة بمواصفات منتجات ASTM، غير أن هذه الخواص تظل مرتبطة بمواصفة المنتج المنطبقة.

وتضيف المطروقات تمييزًا آخر. فقد تؤدي تشوهات الطرق إلى تنقية الحبيبات وإنتاج تدفق اتجاهي، في حين قد تحدد المعالجة الحرارية النهائية بصورة منفصلة عن المعالجة المستخدمة للصفائح أو القضبان. وتضيف المثبتات شروطًا أخرى، منها التشكيل على البارد للرؤوس، وهندسة اللولب، وحمل الإثبات، والمعالجة الحرارية. وقد يُظهر جدول كيمياء فولاذ كربوني أو سبائكي تطابقًا معقولًا، إلا أن مواصفة المثبت قد تفرض متطلبات ميكانيكية غير موجودة في مواصفة عامة للقضبان.

ولهذا يجب قراءة المراجع المقارنة بعناية. إذ يفصل دليل مقارنة مواصفات الفولاذ العالمية بين مقارنات التركيب الكيميائي ومقارنات الخواص الميكانيكية عبر أنظمة التسمية الدولية. فالتطابق الكيميائي بين تسميتين لا يثبت أن مواصفات المنتج، أو نطاقات السماكة، أو المعالجات الحرارية، أو متطلبات الاختبار الخاصة بهما متكافئة.

السلوك في الاتجاه الطولي والعرضي وعبر السماكة

تؤدي الدرفلة إلى استطالة الحبيبات، ومحاذاة الشوائب، وإعادة توزيع الانفصال الكيميائي. ونتيجة لذلك، قد يُظهر اللوح أو القضيب خواص مختلفة على امتداد طوله، وعبر عرضه، ومن خلال سماكته. ويكون الاتجاه الطولي عمومًا موازيًا لاتجاه الدرفلة أو البثق الرئيسي، بينما يكون الاتجاه العرضي عموديًا عليه في مستوى المنتج؛ أما الاختبار عبر السماكة فيأخذ عينات من الاتجاه القصير العرضي.

قد تختلف مقاومة الشد بدرجة محدودة بين الاتجاهات، لكن الاستطالة، ونقصان المساحة، ومتانة الصدم، ومظهر الكسر قد تختلف بدرجة أكبر بكثير. فعلى سبيل المثال، يمكن لشوائب كبريتيد المنغنيز المستطيلة أن تعمل كمسارات ضعف في الاتجاه القصير العرضي. وقد تعاني الصفيحة السميكة أيضًا من انفصال كيميائي على خط المركز أو من انخفاض مقاومتها للتمزق الصفائحي، وهو نمط من الفشل يرتبط بإجهاد الشد عبر سماكة الصفيحة.

ولا ينبغي الإبلاغ عن نتيجة شد طولية كما لو كانت تضمن الليونة العرضية. كما لا ينبغي نقل قيمة صدم شاربي المقاسة في اتجاه معين إلى اتجاه آخر من دون التحقق من قواعد أخذ العينات واتجاه الشق في المواصفة. فكثيرًا ما تحدد مواصفات المنتجات ما إذا كانت العينات طولية أو عرضية، ومكان استخراجها، وكيف تؤثر السماكة في الاتجاه المسموح به. ويمكن لهذه التفاصيل أن تغير قيم الاستطالة والمتانة والتباين الاتجاهي المبلغ عنها.

والقاعدة العملية واضحة: يجب تسجيل الدرجة، والمواصفة الحاكمة، وشكل المنتج، والسماكة أو حجم المقطع، وحالة المعالجة، واتجاه الاختبار معًا. ومن دون هذه السلسلة من عناصر التعريف، قد يكون جدول التركيب مفيدًا كيميائيًا، بينما تكون قيمة الخاصية الميكانيكية المصاحبة عائدة إلى منتج فولاذي مختلف.

الفولاذ الكربوني والفولاذ السبائكي في الجداول المقارنة

يمكن لجدول الفولاذ أن يجيب عن عدة أسئلة مختلفة، ولكن ليس باستخدام العمود نفسه. يبيّن جدول التركيب الكيميائي الحدود أو النطاقات الخاصة بعناصر مثل الكربون والمنغنيز والسيليكون والكروم والنيكل والموليبدينوم والفوسفور والكبريت. ويصف جدول قابلية التصلد مدى قدرة الفولاذ على تطوير الصلادة تحت سطح مُخمَّد. أما جدول الخواص الميكانيكية فيعرض مقاومة الخضوع المحددة أو المقاسة، ومقاومة الشد، والاستطالة، والصلادة، وطاقة الصدم، أو بيانات الكلال. ويُعد الخلط بين هذه الوظائف سببًا شائعًا لعرض صفحات مقارنة الدرجات حدودًا غير دقيقة.

لا يحسم تعيين الدرجة وحده هذه المسألة. ينظّم ASTM A400، Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties، أنواع فولاذ القضبان حسب الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ويحذّر هذا التنظيم من التعامل مع اسم الدرجة باعتباره هوية كاملة للمادة. فقد يقارن جدول ما التركيب الكيميائي بصورة صحيحة، مع إسناده في الوقت نفسه مقاومة خاطئة، لأن القيمة المدرجة تنطبق على شكل منتج أو معالجة حرارية أو قطر أو سماكة مختلفة.

نطاقات تركيب الفولاذ الكربوني

يُنظَّم الفولاذ الكربوني عمومًا حول محتوى الكربون والكميات الصغيرة نسبيًا من عناصر السبائك الأخرى. وفي جدول المقارنة، قد تظهر درجة منخفضة الكربون بالقرب من 0.05–0.25% وزناً من C، ودرجة متوسطة الكربون بالقرب من 0.25–0.60% وزناً من C، ودرجة عالية الكربون فوق نحو 0.60% وزناً من C. وهذه نطاقات تصنيفية وليست حدودًا عامة للمواصفات. إذ تختلف القيم الحدية بين المراجع التقنية، والأنظمة الوطنية، ومعايير المنتجات، والاستخدامات التاريخية.

يضع جدول المقارنة في Engineering ToolBox درجات فولاذ تمثيلية جنبًا إلى جنب باستخدام النسب الوزنية للكربون والكروم والمنغنيز والموليبدينوم والنيكل والفوسفور والكبريت والسيليكون. ويفيد ذلك في رؤية العلاقات الكيميائية العامة: إذ يحتوي الفولاذ الكربوني العادي عمومًا على قدر ضئيل من الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم المضاف عمدًا، في حين يحتوي الفولاذ منخفض السبائك على إضافات مضبوطة من واحد أو أكثر من هذه العناصر. ولا ينبغي نسخ الجدول باعتباره التركيب الكيميائي المعتمد لمواصفة شراء أو لشهادة صهيرة. فالقيم التمثيلية تُظهر عائلة درجة نموذجية، بينما تحدد المواصفة نطاقًا مسموحًا به، أو حدًا أقصى، أو حدًا أدنى، أو حدًا للعناصر المتبقية.

حتى مصطلح «الفولاذ الكربوني» لا يعني أن الكربون هو العنصر الوحيد الخاضع للضبط. فالمنغنيز يؤثر في المقاومة وقابلية التصلد، وقد يُستخدم السيليكون لإزالة الأكسدة ولزيادة المقاومة، بينما يُقيَّد الفوسفور والكبريت عادةً لأن الكميات المفرطة منهما قد تضعف المتانة أو المطيلية أو قابلية اللحام أو سلوك التشغيل على الساخن. وتحدد مواصفة المنتج المعنية في ASTM أو EN أو JIS أو غيرها الحدود المنطبقة. وتغطي معايير الفولاذ لدى ASTM المتطلبات الكيميائية والميكانيكية والفلزية ومتطلبات المواد عبر أنواع الفولاذ الكربوني والإنشائي وغير القابل للصدأ والفيريتي والأوستنيتي والسبائكي؛ ولذلك لا يكون للتعيين معنى إلا ضمن المعيار الحاكم وفئة المنتج المعنية.

كما لا يمكن تحويل محتوى الكربون مباشرةً إلى مقاومة شد مضمونة. فقد ينتج التركيب الكيميائي الاسمي نفسه خواص مختلفة بعد الدرفلة على الساخن، أو التطبيع، أو التخمير والتلطيف، أو التلدين، أو الإنهاء على البارد. وتصف ASM International خواص الفولاذ الكربوني والسبائكي بأنها نتيجة مشتركة للتركيب الكيميائي والمعالجة والبنية المجهرية. ويمكن لحجم الحبيبات، والمسافة بين صفائح البرليت، وكسر المارتنسيت، وتوزيع الكربيدات، والإجهاد المتبقي، وحالة التلطيف أن تغيّر النتيجة المقاسة من دون تغيير اسم الدرجة.

التقوية وقابلية التصلد في الفولاذ منخفض السبائك

يستخدم الفولاذ منخفض السبائك إضافات مضبوطة تتجاوز قاعدة الكربون–المنغنيز لتعديل المقاومة، وقابلية التصلد، والمتانة، ومقاومة فقدان الصلادة أثناء التلطيف، والاستجابة للتآكل، أو السلوك عند درجات الحرارة المرتفعة. و«منخفض السبائك» وصف تصنيفي، وليس وعدًا بمستوى محدد من المقاومة. فقد يظهر فولاذ من الكروم والموليبدينوم يحتوي على 0.30% من C وفولاذ إنشائي مطبَّع كلاهما في جدول للسبائك، مع أنهما محددان ومختبران لأغراض مختلفة.

يمكن أن تزداد المقاومة عبر عدة آليات. فقد تعمل عناصر السبائك على تنقية حجم الحبيبات، وزيادة التقوية بالمحلول الصلب، وتكوين الكربيدات أو النتريدات، أو إتاحة كسر حجمي أكبر من المارتنسيت بعد التبريد. وتحدد المعالجة ما إذا كانت هذه الآليات ستتطور فعليًا. ويمكن لفولاذ من نوع 4140 مُخمَّد ومُلطَّف أن يمتلك مقاومة وصلادة أعلى بكثير من التركيب الكيميائي نفسه في حالة ملدَّنة، في حين قد توفر الحالة المُطبَّعة توازنًا مختلفًا بين المطيلية والمتانة.

قابلية التصلد ليست هي الصلادة. فالصلادة هي المقاومة المقاسة عند موضع معين أو على سطح اختبار. أما قابلية التصلد فهي قدرة الفولاذ على تكوين نواتج تحول صلبة إلى عمق معين أثناء التبريد. ويضع كتاب Practical Data for Metallurgists الصادر عن Metallus أنواع الفولاذ القياسية إلى جانب التراكيب الكيميائية ومعلومات قابلية التصلد والسماحات البُعدية، موضحًا سبب وجوب إدراج هذه البيانات في حقول منفصلة من الجدول. فعلى سبيل المثال، يبيّن منحنى اختبار التبريد النهائي بطريقة جوميني الصلادةَ باعتبارها دالة في المسافة من الطرف المُخمَّد؛ لكنه لا يشهد بحد ذاته على مقاومة الخضوع لقضيب نهائي.

يهم حجم المقطع لأن مركز القضيب السميك يبرد ببطء أكثر من السطح. فقد لا يحقق فولاذ يتمتع بقابلية تصلد كافية لمقطع بسمك 25 mm البنية المتحولة نفسها عبر مقطع بسمك 100 mm. كما يؤثر وسط التخمير، والتحريك، وممارسات الفرن، وحجم حبيبات الأوستنيت السابق، والتلطيف في النتيجة. وبالتالي، فإن الجدول الذي يورد «الصلادة النموذجية» من دون تحديد الحالة، وحجم المقطع، وموضع الاختبار، يقدم بيانات للمقارنة لا خاصية مضمونة.

تتحكم مواصفة المنتج في متطلبات الخواص الميكانيكية. وتوضح AISC أن مواصفات ASTM للأشكال الإنشائية والصفائح تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي وللخواص الميكانيكية على حد سواء. وقد تشمل هذه المتطلبات الحد الأدنى لمقاومة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، وأحيانًا متانة الصدم. وقد تتغير القيمة المطلوبة بحسب السماكة. ويسرد Eurocode 3، القسم 3.2.6 من EN 1993-1-1، خواص مواد التصميم للدرجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460؛ وهذه قيم واردة في معيار التصميم ومرتبطة بالتعيين الإنشائي ذي الصلة، وليست خواص عامة لكل فولاذ يحمل رقمًا مشابهًا في مكان آخر.

دور الكروم والنيكل والموليبدينوم والمنغنيز

يزيد الكروم قابلية التصلد، ويمكن أن يسهم في تكوين الكربيدات، ومقاومة التآكل، ومقاومة الأكسدة، ومقاومة التآكل الكيميائي. وتهم الكمية والحالة الفلزية. فإضافة متواضعة من الكروم في فولاذ منخفض السبائك مُخمَّد ومُلطَّف لا تجعله مكافئًا لدرجة من الفولاذ غير القابل للصدأ. وتتطلب تصنيفات الفولاذ غير القابل للصدأ كمية كافية من الكروم، إلى جانب حدود الكربون والعناصر الأخرى المنطبقة، لدعم البنية المحددة المقاومة للتآكل.[5][5] Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute. Nickel Institute technical guide.

يزيد النيكل قابلية التصلد والمتانة، ولا سيما عند درجات الحرارة المنخفضة، ويدعم البنى الأوستنيتية في التراكيب المناسبة. وهو مهم في أنواع الفولاذ منخفضة الحرارة المسبوكة بالنيكل وفي أنواع الفولاذ الأوستنيتي غير القابل للصدأ، لكن وجوده وحده لا يثبت انتماء الفولاذ إلى أي من الفئتين. ويفصل Nickel Institute في مرجعه الجدولي بين التركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية والخواص الفيزيائية والمواصفات، وهو نموذج مفيد للحفاظ على تمييز هذه الأنواع من الأدلة.

يحسن الموليبدينوم قابلية التصلد ويساعد على الاحتفاظ بالمقاومة أثناء التلطيف. كما يمكنه تقليل بعض مخاطر التقصف أثناء التلطيف ودعم الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة. وفي أنواع الفولاذ من الكروم والموليبدينوم، يعتمد تأثيره على مستوى الكربون ومحتوى الكروم والمعالجة الحرارية وحجم المقطع، وليس على نسبة مئوية واحدة مطبوعة في جدول مقارنة.

المنغنيز شائع في الفولاذ الكربوني ومنخفض السبائك. فهو يسهم في التقوية بالمحلول الصلب، ويتحد مع الكبريت لتقليل الآثار الضارة لكبريتيد الحديد، ويزيد قابلية التصلد. غير أن زيادته المفرطة قد تؤثر في قابلية اللحام وسلوك التحول. ولذلك يجب قراءة نطاقه المحدد مع الكربون والكبريت والسيليكون وحالة المعالجة.

يحافظ كتاب Handbook of Comparative World Steel Standards على فصل الجداول المقارنة الخاصة بالتراكيب الكيميائية عن الجداول الخاصة بالخواص الميكانيكية عبر أنظمة التعيين الدولية. وهذا الفصل ضروري. فقد يشير تعيين مشابه إلى مقارنة تركيبية مفيدة، لكنه لا يثبت تكافؤ مقاومة الخضوع أو المتانة أو قابلية التصلد أو الاستجابة للمعالجة الحرارية. ويحدد المعيار الحاكم، وشكل المنتج، والسماكة، وحالة التسليم، واتجاه الاختبار، وطريقة الاختبار المعلنة معنى الرقم المُبلَّغ عنه.

جداول تركيب الفولاذ المقاوم للصدأ وخواصه

لا يكون جدول الفولاذ المقاوم للصدأ مفيدًا إلا عندما يكون نطاقه واضحًا. فعلى سبيل المثال، يحدد مصطلح «الفولاذ المقاوم للصدأ 304» عائلة سبائكية شائعة ومعروفة، لكنه لا يوضح بحد ذاته ما إذا كانت المادة صفائح رقيقة أو ألواحًا أو قضبانًا أو أنابيب أو مطروقات، ولا ما إذا كان توريدها يتم وفق ASTM A240 أو ASTM A276 أو ASTM A479 أو ASTM A213 أو مواصفة أخرى. ويمكن لهذه المعايير أن تفرض متطلبات مختلفة للمنتج، وقواعد مختلفة للمعالجة الحرارية، ومتطلبات للأبعاد والاختبارات، وحدودًا مختلفة للخواص الميكانيكية.

يفصل هذا التمييز بين جدول التركيب وجدول الخواص. يبين جدول التركيب النطاقات المسموح بها، محسوبة كنسب مئوية وزنية، لعناصر مثل الكروم والنيكل والكربون والمنغنيز والسيليكون والموليبدينوم والفوسفور والكبريت والنيتروجين. أما جدول الخواص الميكانيكية فيبين قيمًا مثل الحد الأدنى لمقاومة الشد، ومقاومة الخضوع، والاستطالة، أو الصلادة لمنتج وحالة محددين. وتوضح ASTM A400 هذه النقطة على نحو أوسع بالنسبة إلى القضبان الفولاذية: إذ يعتمد الاختيار على الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ولذلك فإن اسم الدرجة يمثل دليلًا للتعريف، وليس مواصفة كاملة للمادة.

تنشر SSINA جداول التركيب والخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المشمولة بمواصفات منتجات ASTM. كما يفصل دليل الفولاذ المقاوم للصدأ الصادر عن Outokumpu بين كيمياء الدرجة والبيانات الميكانيكية والفيزيائية. وتكتسب هذه المراجع قيمتها لأنها توضح حدود المقارنة القائمة على الجداول: فقد يحدد التركيب الكيميائي عائلة سبائكية، في حين يكون متطلب الخاصية تابعًا لمعيار منتج معين وحالة توريد محددة.

العائلات الأوستنيتية والفريتية والمارتنسيتية وغيرها من عائلات الفولاذ المقاوم للصدأ

تُعرَّف أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ومنها 304 و304L و316 و316L و321 و347 و310S، عمومًا بتركيبات من الكروم والنيكل أو من الكروم والنيكل والموليبدينوم، وببنية مجهرية أوستنيتية عند درجة حرارة الغرفة. ولا تُصلَّب عادةً بالتقسية كما هو الحال في الدرجات المارتنسيتية. ومع ذلك، يمكن أن تختلف مقاومتها اختلافًا كبيرًا بسبب التشغيل على البارد، ولا سيما في الصفائح الرقيقة والشرائط.

أما الدرجات الفريتية، مثل 430 و409، فهي فولاذ كرومي أساسًا، وتحتوي على قدر قليل من النيكل المضاف عمدًا أو لا تحتوي عليه. وتؤثر بنيتها الفريتية المكعبة متمركزة الجسم في الاستجابة المغناطيسية وقابلية اللحام والمتانة وسلوك التشكيل. وتحتوي الدرجات المارتنسيتية، ومنها 410 و420 و440C، على قدر كافٍ من الكربون والإضافات السبائكية لكي تستجيب للمعالجة الأوستنيتية والتقسية. وتعتمد صلادتها ومقاومتها بشدة على المعالجة الحرارية، ولذلك فإن الجدول الذي يعرض التركيب الاسمي فقط لا يمكنه تمثيل المادة بعد توريدها.

وتشمل العائلات الأخرى درجات التقسية بالترسيب، مثل 17-4 PH، والدرجات المزدوجة، مثل 2205، والدرجات فائقة الازدواج، مثل 2507. تجمع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوجة بين طورين فريتي وأوستنيتي؛ ويعتمد توازن الطورين على التركيب الكيميائي والتخمير بالمحلول والتبريد وسماكة المنتج. ولذلك فإن جدولًا للدرجة «2205» يغفل مواصفة المنتج الحاكمة والمعالجة الحرارية قد يخفي متطلبًا معدنيًا مهمًا.

كما تختلف أنظمة التسمية نفسها. فغالبًا ما تحدد مراجع ASTM وUNS الدرجة 304 بالرمز UNS S30400 والدرجة 316 بالرمز UNS S31600، في حين أن الأنواع منخفضة الكربون هي 304L، بالرمز UNS S30403، و316L، بالرمز UNS S31603. وترتبط التسميات الأوروبية، مثل X5CrNi18-10 وX2CrNiMo17-12-2، بهذه التسميات، لكنها لا تكون قابلة للتبادل تلقائيًا مع كل تسمية لمنتج وفق ASTM. ولهذا السبب يفصل دليل معايير الفولاذ العالمية المقارنة بين جداول التركيب الكيميائي المقارن وجداول الخواص الميكانيكية. فالتسميات المتشابهة لا تثبت تطابق الحدود.

الكروم والنيكل والموليبدينوم والكربون والنيتروجين

يُعد الكروم عنصر الإضافة المميز للفولاذ المقاوم للصدأ، لأنه يدعم تكوّن غشاء تخميل رقيق غني بالكروم. وقد يبين جدول التركيب حدًا أدنى لمحتوى الكروم، إلا أن أداء مقاومة التآكل يعتمد أيضًا على حالة السطح والبيئة والمعالجة الحرارية والشوائب ومناطق اللحام والتعرض للكلوريدات أو الأحماض. ومقاومة التآكل ليست خاصية ميكانيكية منفردة، مثل مقاومة الخضوع أو الاستطالة، ولا ينبغي عرضها في العمود نفسه مع مقاومة الشد من دون تحديد طريقة الاختبار وظروف التعرض.

يثبت النيكل الطور الأوستنيتي ويؤثر في توازن الأطوار والمتانة والمطيلية وسلوك التصلب بالتشغيل. وقد تكون لدرجتين أوستنيتيتين متشابهتين اسميًا حدود مختلفة للنيكل، مما يؤدي إلى اختلاف في الاستقرار أثناء التشكيل أو اللحام. ويحسن الموليبدينوم مقاومة التآكل الموضعي في كثير من البيئات المحتوية على الكلوريدات. ولذلك فإن 316 و304 ليسا قابلين للتبادل لمجرد أن كليهما من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتية المحتوية على الكروم والنيكل؛ إذ تحتوي 316 على إضافة مضبوطة من الموليبدينوم، بينما لا تفرض 304 متطلبًا مماثلًا للموليبدينوم.

ويكتسب الكربون أهمية كيميائية ومعدنية على السواء. إذ تقيد الدرجات «L»، مثل 304L و316L، الحد الأقصى للكربون مقارنةً بنظيراتها ذات المحتوى الكربوني القياسي. ويقلل انخفاض الكربون خطر ترسب كربيدات الكروم أثناء اللحام وما يليه من تآكل بين حبيبي، مع أن النتيجة النهائية تظل معتمدة على أسلوب اللحام وسماكة المقطع والتاريخ الحراري والمعالجة اللاحقة للحام. وتضيف الدرجات المثبتة تمييزًا آخر: إذ تستخدم 321 التيتانيوم، بينما تستخدم 347 الكولومبيوم (النيوبيوم)، لربط الكربون وتقليل خطر التحسس في ظروف محددة.

وقد يُضبط النيتروجين عمدًا بدلًا من اعتباره شوائب عرضية. فهو يزيد مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ويسهم في مقاومة التآكل وتوازن الأطوار في الدرجات المزدوجة. وقد يفوّت الجدول الذي يقارن الكروم والنيكل فقط فرقًا مهمًا بين درجتين. فالكربون والنيتروجين والموليبدينوم والإضافات المثبتة قد تكون السبب في اختلاف متطلبات المقاومة أو قابلية اللحام أو اختبارات التآكل بين تسميات تبدو متشابهة.

ويمكن لجداول المقارنة التمثيلية، بما فيها الجداول التي تنشرها Engineering ToolBox، أن تساعد في إظهار الاتجاهات العامة لمحتويات الكربون والكروم والمنغنيز والموليبدينوم والنيكل والفوسفور والكبريت والسيليكون. لكنها لا تحل محل المواصفة الحاكمة. فقد يختلف النطاق المسموح به في ASTM A240 عن النطاق الوارد في ASTM A276 أو في مواصفة منتج مكافئة وفق EN.

متطلبات المواصفات لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

ينبغي أن يحدد الجدول الكامل للدرجة الأوستنيتية، على الأقل، المعيار، وشكل المنتج، والدرجة، وحالة المعالجة الحرارية، ونطاق السماكة أو المقطع، واتجاه الاختبار، وطريقة الاختبار المنطبقة. تغطي ASTM A240 ألواح وصفائح وشرائط الفولاذ المقاوم للصدأ الكرومي والكرومي-النيكلي المستخدمة في أوعية الضغط والتطبيقات العامة؛ وتغطي ASTM A276 قضبان وأشكال الفولاذ المقاوم للصدأ؛ وتغطي ASTM A479 القضبان والأشكال المستخدمة في أوعية الضغط والتطبيقات العامة؛ بينما تغطي ASTM A213 الأنابيب غير الملحومة من فولاذ السبائك الفريتي والأوستنيتي المستخدمة في الغلايات وفوق المسخنات والمبادلات الحرارية والمكثفات. ولا يعني ظهور تسمية الدرجة نفسها في هذه الوثائق أن كل متطلب ميكانيكي متطابق.

وتحدد مواصفات الدرجات الأوستنيتية عادةً الحد الأدنى لمقاومة الشد، والحد الأدنى لمقاومة الخضوع، والحد الأدنى للاستطالة، إلا أن هذه القيم تخص المنتج والسماكة المحددين. وقد تكون مقاومة الشرائط المدرفلة على البارد أعلى من مقاومة الألواح الملدنة بسبب التشوه. ويمكن أن تختلف خواص القضبان باختلاف القطر والمعالجة الحرارية. كما قد يكون لاتجاه الاختبار أهمية عندما ينشأ تباين الخواص نتيجة الدرفلة أو السحب. وقد تكمل حدود الصلادة اختبار الشد بدلًا من أن تحل محله.

وتفرض معايير منتجات ASTM أيضًا متطلبات تتجاوز التركيب الكيميائي واختبار الشد، وتشمل التخمير بالمحلول، والتبريد السريع، وحجم الحبيبات، واختبار التآكل بين الحبيبي، والفحص الهيدروستاتيكي أو غير الإتلافي، والتفاوتات البعدية حيثما ينطبق ذلك. وتشير AISC إلى أن مواصفات الفولاذ الإنشائي وفق ASTM تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية معًا؛ وينطبق المبدأ نفسه على منتجات الفولاذ المقاوم للصدأ، رغم أن المتطلبات الفردية تعتمد على معيار المنتج.

وينظم Nickel Institute مراجع السبائك في جداول منفصلة للكيمياء والخواص الميكانيكية والخواص الفيزيائية والمواصفات. ويُعد هذا الترتيب أكثر موثوقية من إسناد قيمة عالمية واحدة لمقاومة الشد أو تصنيف واحد لمقاومة التآكل إلى درجة ما. وينبغي قراءة بيانات ASTM وSSINA وOutokumpu باعتبارها معلومات مرتبطة بالمواصفات: فالتركيب الكيميائي يحدد السبيكة المسموح بها، بينما تحدد المعالجة والبنية المجهرية جزءًا كبيرًا من السلوك الفعلي للمادة بعد توريدها. وقد يكون الجدول الذي يغفل هذه الروابط منظمًا، لكنه لا يمثل سجلًا كافيًا للمادة.

جداول الفولاذ الإنشائي وقيم التصميم

غالبًا ما تضع جداول الفولاذ الإنشائي S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 في تسلسل واحد واضح لمقاومة الفولاذ. وهذا العرض مفيد، لكنه غير مكتمل. فالتعيين يحدد فئة من الفولاذ الإنشائي ضمن نظام للمعايير؛ لكنه لا يحدد، بمفرده، تحليلًا كيميائيًا موحدًا، أو شكل المنتج، أو المعالجة الحرارية، أو نطاق السماكات، أو نتيجة اختبار معتمدة.

يُعد جدول مواد Eurocode 3 مرجعًا لمواد التصميم، وليس جدولًا للشراء أو للتركيب الكيميائي. وترتبط قيمه بـ EN 1993-1-1، القسم 3.2.6، ويجب قراءتها بالاقتران مع معيار المنتج ذي الصلة. فقد تحمل الصفيحة، والمقطع المدرفل على الساخن، والمقطع المجوف، والمكوّن المطروق، ووسيلة التثبيت تعيينات متقاربة، مع خضوع كل منها لمتطلبات مختلفة.

S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460

يشير الحرف “S” في هذه التعيينات الأوروبية إلى الفولاذ الإنشائي، بينما يحدد الرقم التالي، وفق الاصطلاح المتبع، الحد الأدنى الاسمي لمقاومة الخضوع بوحدة الميغاباسكال لسماكة مرجعية محددة، وهي عادةً مادة لا تتجاوز سماكتها 16 mm. وعليه، يشير S235 إلى 235 MPa، ويشير S275 إلى 275 MPa، ويشير S355 إلى 355 MPa وفق هذا الاصطلاح. وبالمثل، تشير S420 وS450 وS460 إلى مستويات اسمية لمقاومة الخضوع تبلغ 420 و450 و460 MPa.

ولا تكون هذه الأرقام ثابتة عبر جميع السماكات. فمع زيادة السماكة، يمكن أن ينخفض الحد الأدنى المحدد لمقاومة الخضوع، لأن المنتجات الأكثر سماكة تبرد بصورة مختلفة أثناء التصنيع، وقد تتطور فيها خصائص أقل ملاءمة عبر السمك. وفي جدول التصميم الوارد في EN 1993-1-1، تبلغ القيم الاسمية للمواد التي لا تتجاوز سماكتها 16 mm مقدار 235 و275 و355 و420 و450 و460 MPa على التوالي. وتنخفض قيمة التصميم المسموح بها ضمن نطاقات السماكات الأكبر. فعلى سبيل المثال، تبلغ القيم الشائعة للسماكات التي تزيد على 16 mm ولا تتجاوز 40 mm نحو 225 MPa للفولاذ S235، و265 MPa للفولاذ S275، و345 MPa للفولاذ S355، و400 MPa للفولاذ S420، و430 MPa للفولاذ S450، و440 MPa للفولاذ S460. ويجب أخذ القيمة الدقيقة من الجدول ومعيار المادة المنطبقين، لا استنتاجها بالاستيفاء.

تُعد مقاومة الشد متطلبًا مستقلًا. وتشمل النطاقات التمثيلية من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى المرتبطة بهذه الدرجات نحو 360–510 MPa للفولاذ S235، و370–530 MPa للفولاذ S275، و470–630 MPa للفولاذ S355، و520–680 MPa للفولاذ S420، و550–720 MPa للفولاذ S450، و540–720 MPa للفولاذ S460، وذلك رهناً بنوع المنتج، والسماكة، وحالة التسليم. وتتداخل هذه النطاقات. فلا يُعرَّف S460 ببساطة بأنه يمتلك مقاومة شد أعلى بمقدار 105 MPa من S355، كما أن نتيجة اختبار قريبة من الحد الأعلى لنطاق S355 لا تجعل تلك المادة S460.

وتحمل اللواحق معلومات مهمة أيضًا. فتعيينات مثل S355JR وS355J0 وS355J2 تتضمن متطلبات لمتانة الصدم مرتبطة بدرجة حرارة الاختبار والطاقة الممتصة. أما تعيينات مثل S355N أو S355M فتحدد حالات التسليم وفق عائلة EN 10025. ولذلك، فإن التعيين الخالي من اللاحقة قد يحذف معلومات لازمة للتمييز بين المتانة، ومسار المعالجة، والامتثال للمواصفة.

وتظل التركيبة الكيميائية مهمة، لكنها لا تفسر الجدول بأكمله. إذ ينظم ASTM A400، Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties، عملية الاختيار بحسب الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ويوضح هذا الهيكل النقطة الأساسية: فالتركيب والمقاومة مرتبطان، لكنهما ليسا مجالين قابلين للاستبدال. وتذكر ASM International أن خصائص الفولاذ الكربوني وفولاذ السبائك تنشأ من التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي، والمعالجة، والبنية المجهرية. ويمكن أن يؤثر محتوى الكربون، والمنغنيز، والسيليكون، وإضافات السبائك، وصقل الحبيبات، وتاريخ الدرفلة، والتبريد، والدورات الحرارية للحام، كلها في النتيجة المبلغ عنها.

خصائص المادة مقابل مقاومة التصميم

خاصية المادة هي سمة مقاسة أو محددة للفولاذ. وتندرج مقاومة الخضوع، ومقاومة الشد القصوى، والاستطالة، وطاقة الصدم، والحدود الكيميائية ضمن هذه الفئة. أما مقاومة التصميم فتحسب انطلاقًا من تلك الخصائص بعد أن يطبق معيار التصميم معاملات الأمان، وقواعد المقاطع، ونماذج الانبعاج، وحدود الاستقرار، وسائر الشروط الأخرى.

بالنسبة إلى مقطع عرضي واقع تحت الشد، قد يستخدم تعبير مبسط وفق Eurocode مقاومة الخضوع التالية:

$$N_{\mathrm{pl},\mathrm{Rd}}=\frac{A{f}_y}{{\gamma }_{M0}},$$

حيث إن $A$ هي المساحة ذات الصلة، و$f_y$ هي مقاومة الخضوع المعتمدة على السماكة، و${\gamma }_{M0}$ هو المعامل الجزئي المحدد في الملحق الوطني. وهذه ليست نتيجة اختبار شد، بل مقاومة مخصصة لنموذج فشل معين وفق كود تصميم معين.

ويتطلب الضغط والانحناء فحوصًا إضافية. فقد تمنع نحافة الصفيحة المحلية المساحة الإجمالية الكاملة من بلوغ المقاومة اللدنة. ويؤدي انبعاج العنصر إلى إدخال معامل تخفيض يستند إلى النحافة ومنحنى الانبعاج. كما يمكن للانبعاج الالتوائي الجانبي أن يتحكم في العارضة حتى عندما تكون مقاومة خضوع الفولاذ مرتفعة. وقد تتطلب الوصلات الملحومة فحوصًا مستقلة لمعدن اللحام، والمناطق المتأثرة بالحرارة، والمقاطع الصافية، وجودة التنفيذ.

ويوضح هذا التمييز أيضًا سبب عدم سماح الدرجة الأعلى تلقائيًا بزيادات تناسبية في جميع مقاومات التصميم. فالعمود الذي يحكمه انبعاج من نوع أويلر قد يستفيد قليلًا من الانتقال من S355 إلى S460 إذا ظلت النحافة الهندسية هي العامل الحاكم. كما أن الوصلة التي تحكمها المساحة الصافية لثقوب المسامير أو التمزق الكتلي قد لا تستفيد بالنسبة نفسها التي يستفيد بها مقطع إجمالي يخضع للخضوع. فمقاومة التصميم تخص العنصر ونمط الفشل، لا تسمية الدرجة وحدها.

سياق EN 1993-1-1 ومعايير المنتجات

يوفر EN 1993-1-1 القواعد العامة لتصميم المنشآت الفولاذية، ويورد في القسم 3.2.6 الخصائص الاسمية للمواد الخاصة بالدرجات الإنشائية شائعة الاستخدام. لكنه لا يحل محل معيار المنتج الذي يحكم التصنيع، والتركيب الكيميائي، والسماحات، والاختبارات، وحالة التسليم، وإصدار الشهادات.

وبالنسبة إلى المنتجات الإنشائية، تُعد سلسلة EN 10025 أساسية. إذ يغطي EN 10025-2 أنواع الفولاذ الإنشائي غير السبائكي؛ ويغطي EN 10025-3 أنواع الفولاذ الإنشائي ذات الحبيبات الدقيقة والقابلة للحام، المطَبَّعة أو المدرفلة تطبيعًا؛ ويغطي EN 10025-4 أنواع الفولاذ ذات الحبيبات الدقيقة والقابلة للحام، والمدرفلة حراريًا-ميكانيكيًا؛ بينما تحكم معايير منتجات أخرى المقاطع المجوفة، والمنتجات المشكلة على البارد، والمنتجات الإنشائية غير القابلة للصدأ. ويجب قراءة التعيين بالاقتران مع شكل المنتج والمعيار. ويعكس SteelConstruction.info هذا الترتيب من خلال ربط درجات الفولاذ الإنشائي الأوروبية بالمعايير التي تحكم متطلباتها الكيميائية والميكانيكية.

ولذلك، فإن جدولًا للتركيب الكيميائي يبين الكربون، والمنغنيز، والفوسفور، والكبريت، والسيليكون، والكروم، والنيكل، أو الموليبدينوم، لا يُعد بديلًا عن جدول الخصائص الميكانيكية. كما أن الجدول الميكانيكي ليس مواصفة شراء كاملة. وتوضح AISC التمييز نفسه في مناقشتها لمواصفات الفولاذ الإنشائي الصادرة عن ASTM: إذ تتضمن متطلبات المقاطع والصفيح عمومًا أحكامًا تتعلق بالتركيب الكيميائي والخصائص الميكانيكية معًا. كما تفصل معايير ASTM بين أنواع الفولاذ الكربوني، والإنشائي، وغير القابل للصدأ، والحديدي، والأوستنيتي، والسبائكي، ضمن مواصفات ذات قواعد مختلفة للاختبار والقبول.

ويمكن أن تساعد الجداول المرجعية الصادرة عن Nickel Institute وSSINA وEngineering ToolBox، وكذلك أدلة معايير الفولاذ المقارنة، في تنظيم الدرجات عبر الأنظمة المختلفة، إلا أن بياناتها قد تكون تمثيلية أو مختصرة أو مقارنة، لا حدودًا حاكمة. أما الوثيقة الحاكمة فهي معيار المنتج المشار إليه، في إصداره المحدد، وللمنتج والسماكة المحددين. وعلى هذا المستوى يصبح S355 مادة محددة، لا مجرد تسمية منفصلة عن سياق تصنيعها وتصميمها.

ASTM A400 كنموذج للاختيار والتفسير

يُعدّ ASTM A400، الممارسة القياسية لقضبان الفولاذ: دليل الاختيار والتركيب والخواص الميكانيكية، نموذجًا مفيدًا لأنه لا يتعامل مع درجة الفولاذ باعتبارها هوية مادية مكتفية بذاتها. إذ تربط جداوله بين عدة شروط غالبًا ما تُفصل عن بعضها، أو تُحذف، في جداول الفولاذ الشائعة: تسمية الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع.

وتكمن أهمية هذا الهيكل في أن جدول التركيب الكيميائي يجيب عن سؤال واحد: ما العناصر المحددة للدرجة، وما الحدود المسموح بها لكل منها؟ أما جدول الخواص الميكانيكية فيجيب عن سؤال آخر: ما مقدار المقاومة أو الصلادة أو المطيلية أو المتانة المطلوبة في ظل شروط الاختبار والمنتج المعلنة؟ يضع ASTM A400 هذين السؤالين إلى جانب مسألة الاختيار، لكنه لا يلغي الفروق بينهما.

يمكن لأسماء درجات AISI أو ASTM أن تضيق نطاق الخيارات دون أن تحدد كل المتطلبات التي تحكم القضيب المورَّد. ولا تزال مواصفة المنتج المنطبقة هي المرجع الحاكم، وكذلك نطاق المقاس المحدد، والمعالجة الحرارية، وحالة التشطيب، وموقع أخذ العينة، واتجاه الاختبار، ومعايير القبول. ولذلك قد تظهر الدرجة الاسمية نفسها بخواص مسموح بها مختلفة عند تغير شكل المنتج أو حجم المقطع.

اختيار الدرجة بحسب مقاومة الخضوع المطلوبة

ينبغي التعامل مع مقاومة الخضوع باعتبارها مدخلًا للاختيار، لا رقمًا يُنسخ من جدول عام لدرجات الفولاذ. ينظم ASTM A400 قضبان الفولاذ المرشحة وفقًا للحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع، مع إظهار التركيب الكيميائي ومسارات المعالجة المرتبطة بهذه الخيارات. وهذا أكثر إفادة من ترتيب الدرجات من «منخفضة المقاومة» إلى «عالية المقاومة» دون توضيح كيفية الحصول على القيم.

يحدد الحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع أولًا عتبة الأداء، لكنه لا يحدد الدرجة بحد ذاته. فقد تستوفي عدة درجات هذه العتبة، مع اختلافها في محتوى الكربون أو المنغنيز أو الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم أو غيرها من عناصر السبيكة. وتؤثر هذه الاختلافات في قابلية التصليب، وقابلية اللحام، والاستجابة للمعالجة الحرارية، والقدرة على تحقيق الخواص المطلوبة في المقاطع المختلفة، وأحيانًا في المتانة. وينسب دليل ASM للمعادن، الصادر عن ASM International، خواص الفولاذ الكربوني وسبائكي إلى التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي والمعالجة والبنية المجهرية. فالتركيب الكيميائي سبب من أسباب الخواص، وليس بديلًا عن اشتراط خاصية معينة.

ويظهر هذا التمييز في المراجع الخاصة بالفولاذ الإنشائي. إذ تحدد جداول التصميم في Eurocode 3 درجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 مع خواص مواد التصميم بموجب EN 1993-1-1، القسم 3.2.6. وتنتمي قيم التصميم هذه إلى إطار التصميم المذكور؛ ولا ينبغي نقلها تلقائيًا إلى درجة قضيب وفق ASTM لمجرد أن جدولًا ما يعرض أرقامًا متشابهة لمقاومة الخضوع. فـ «S355» تسمية وفق EN ذات سياق محدد للمنتج والمواصفة، وليست هوية كيميائية أو ميكانيكية عالمية مكافئة لكل فولاذ مدرج بالقرب منها.

يمكن لجدول الاختيار أن يكشف عن مفاضلة بين مقاومة الخضوع والمتطلبات الأخرى. فقد يؤدي رفع المقاومة من خلال السبك أو المعالجة الحرارية إلى تغيير الاستطالة، وقابلية التشغيل، ومتطلبات إجراءات اللحام، أو الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة. وقد يحقق قضيب صغير مُقسى ومراجَع حدًا أدنى مستهدفًا لمقاومة الخضوع قدره 690 MPa، لكنه قد لا يحقق القيمة نفسها في مقطع أكبر بكثير، كما قد لا يكون قابلًا للتبادل مع منتج مُطبَّع يحمل التسمية الاسمية نفسها.

وتحتاج قيمة الخضوع المبلَّغ عنها أيضًا إلى أساس اختباري واضح. فقد يُحدد الحد الأدنى لمقاومة الخضوع المنصوص عليه باستخدام نقطة الخضوع أو باستخدام طريقة الإزاحة المحددة، بحسب المواصفة. كما يمكن أن يؤثر طول القياس واتجاه العينة وموقع أخذها في النتيجة المبلَّغ عنها. ويكون الجدول الذي يورد «مقاومة الخضوع» دون هذه التفاصيل ناقصًا، حتى عندما تكون قيمته العددية منسوخة بصورة صحيحة.

حالة المعالجة وحجم المقطع

تمثل المعالجة حلقة الوصل بين التركيب والخواص الميكانيكية. فالدرفلة على الساخن، والتطبيع، والتخمير، والتقسية والمراجعة، والتشطيب على البارد، وإزالة الإجهادات، تنتج بنيات مجهرية مختلفة من كيمياء الصهارة نفسها. كما أن معدل التبريد مهم أيضًا. إذ يفقد القضيب الصغير حرارته بسرعة أكبر من القضيب الكبير، ولذلك يمكن أن يطور بنية تحول مختلفة أثناء التبريد. وقد يبرد مركز المقطع الثقيل ببطء كافٍ ليظل أكثر ليونة من سطحه، أو قد يتطلب برنامجًا مختلفًا للمعالجة الحرارية.

ويجعل ASTM A400 هذا الأمر عمليًا من خلال ربط الاختيار بحالة المعالجة وحجم المقطع، بدلًا من عرض قيمة مقاومة واحدة لدرجة كاملة. فقد يميز جدول القضبان بين المادة المدرفلة على الساخن والمادة المقسّاة والمراجَعة، أو يفصل نطاقات الأقطار قبل إسناد قيم الحد الأدنى لمقاومة الخضوع. والسبب في ذلك ميتالورجي لا تحريري. فمحتوى الكربون وعناصر السبيكة يؤثران في قابلية التصليب، لكن قابلية التصليب لا تعني أن كل موضع في كل مقطع سيصل إلى الصلادة أو المقاومة نفسيهما.

وقد يغير السمك والقطر أيضًا الحد الأدنى الحاكم. فكثيرًا ما تقسم مواصفات المنتجات المتطلبات الميكانيكية بحسب الحجم، لأن المقاطع الأكبر يصعب تحويل بنيتها بصورة متجانسة، وقد تُظهر خواص أقل في مراكزها. ولا يستطيع جدول التركيب الكيميائي إظهار هذا القيد، كما لا يمكن قراءة جدول ميكانيكي قراءة صحيحة إذا أُهمل عمود الحجم.

وتظل مواصفة المنتج هي التي تحدد متطلب القبول الفعلي. فـ ASTM A400 ممارسة للاختيار، في حين تحدد مواصفة منتج وفق ASTM المتطلبات الخاصة بمنتج معين. وتغطي مواصفات ASTM المتطلبات الكيميائية والميكانيكية والميتالورجية وغيرها من متطلبات المواد الخاصة بالفولاذ الكربوني والإنشائي وغير القابل للصدأ والفريتي والأوستنيتي والسبائكي. كما يوضح AISC أن مواصفات ASTM الخاصة بالأشكال والصفائح الفولاذية الإنشائية تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي والخواص الميكانيكية معًا. ولذلك يجب أن ترافق المواصفة الدقيقة وإصدارها والمتطلبات التكميلية وتسمية الشراء أي مدخلة جدول تُستخدم لاتخاذ قرارات هندسية.

وتُظهر مراجع الفولاذ غير القابل للصدأ الفصل نفسه. إذ تقدم جداول SSINA التركيب بالنسبة المئوية بالوزن والخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي المشمولة بمواصفات منتجات ASTM. ويعرض Nickel Institute البيانات الكيميائية والميكانيكية والفيزيائية وبيانات المواصفات باعتبارها فئات منفصلة من المعلومات. وتكتسب هذه الصيغ فائدتها تحديدًا لأنها لا توحي بأن نسبة النيكل أو الكروم أو الكربون وحدها تتنبأ بسلوك الخدمة الكامل.

استخدام دليل الاختيار دون إساءة استخدامه

يمكن لدليل الاختيار أن ينظم الخيارات المرشحة، ويكشف سبب عدم قابلية درجتين للتبادل، ويوضح المواضع التي تعتمد فيها المقاومة على المعالجة أو حجم المقطع. كما يمكنه مساعدة المهندس على الانتقال من حد أدنى مطلوب لمقاومة الخضوع إلى قائمة مختصرة من الدرجات المعقولة، ثم مقارنة التركيب الكيميائي وقابلية التصليب والمطيلية وحالة المعالجة. وهو أيضًا تحذير من التكافؤ الزائف. ولهذا يفصل دليل مقارنة مواصفات الفولاذ العالمية جداول التركيب الكيميائي المقارن عن جداول الخواص الميكانيكية المقارنة؛ فالتطابق في التسمية لا يثبت تكافؤ المواصفات.

ولا يمكن للدليل أن يحل محل مواصفة المنتج الحاكمة. فهو لا يستطيع اعتماد صهارة، أو تأكيد تقرير اختبار المصنع، أو إثبات الخواص الفعلية لجزء لم يخضع للاختبار، أو ضمان الأداء خارج نطاق الحجم والحالة والاتجاه ودرجة الحرارة وطريقة الاختبار المحددة في مصدره. وتفيد جداول المقارنة الإرشادية، مثل قوائم Engineering ToolBox للكربون والكروم والمنغنيز والموليبدينوم والنيكل والفوسفور والكبريت والسيليكون، في تكوين تصور أولي، لكنها لا تتجاوز الحدود الملزمة الحاكمة. وينطبق التحذير نفسه على الأدلة المرجعية، وجداول الموردين، وقوائم الدرجات المقابلة بين المواصفات المختلفة.

وعليه، فإن التسلسل الصحيح بسيط لكنه صارم: تحديد شكل المنتج والمواصفة، وبيان الحد الأدنى المطلوب من الخواص، وتحديد الحجم وحالة المعالجة المسموح بهما، والتحقق من التركيب الكيميائي والمتطلبات التكميلية، ثم مطابقة المادة المورَّدة مع الشهادات والاختبارات المنطبقة. يساعد ASTM A400 في خطوة الاختيار، لكنه لا ينفذ نيابةً عن المستخدم خطوات تحديد المواصفة أو التصنيع أو القبول.

كيفية مقارنة الدرجات وفق أنظمة ASTM وEN وغيرها

اسم الدرجة هو نقطة بداية، وليس هوية للمادة. إذ تُسند أنظمة ASTM وEN وJIS وGB وISO وغيرها تسميات ضمن مواصفات مختلفة للمنتجات، ويمكن أن تتحكم هذه المواصفات في التركيب الكيميائي، والمتانة، والصلادة، والمعالجة الحرارية، والأبعاد، والاختبارات، ومسارات التصنيع المسموح بها. لذلك لا يجوز التعامل مع «S355» و«A572 Grade 50» و«AISI 1045» على أنها تسميات متبادلة لمجرد أن جدولًا مرجعيًا يضعها في الصف نفسه.

يجعل دليل مقاييس الفولاذ العالمية المقارنة هذا التمييز عمليًا؛ إذ تفصل جداوله المقارنة الخاصة بالفولاذ السبائكي المطاوع والمسبوك بين التراكيب الكيميائية والخواص الميكانيكية. وهذا الفصل ليس مجرد خيار تحريري. فالتركيب الكيميائي يصف الحدود الخاصة بعناصر مثل الكربون والمنغنيز والكروم والنيكل والفوسفور والكبريت؛ بينما يعرض جدول الخواص الميكانيكية النتائج في ظل ظروف معالجة واختبار محددة. وهاتان مجموعتا بيانات مترابطتان، لكن إحداهما لا تحل محل الأخرى.

لا يثبت تشابه التركيب الكيميائي بين تعيينين تطابق معايير المنتج، أو قواعد المعالجة، أو متطلبات المتانة، أو الحدود الدنيا الميكانيكية. Strong evidence

التشابه الكيميائي لا يعني تكافؤ المواصفة

يمكن لجدول التركيب الكيميائي أن يوضح أن درجتين تقعان ضمن نطاق تركيبي متشابه. لكنه لا يستطيع، بمفرده، إثبات أن الدرجتين تستوفيان مواصفة المنتج نفسها أو تؤديان الأداء نفسه أثناء الخدمة.

لنأخذ فولاذي المنشآت الكربوني ومنخفض السبيكة مثالًا. غالبًا ما تُقارن ASTM A572/A572M Grade 50 وEN 10025-2 S355 لأن الحدين الاسميين الأدنى لمقاومة الخضوع يقعان ضمن نطاق متشابه لبعض أشكال المنتجات وسماكاتها. ومع ذلك، تختلف منظومتا المواصفات في الحدود الكيميائية، وفئات المنتجات، وتسميات المتانة، ومتطلبات التسليم، والقواعد البُعدية، وأحكام الاختبار. والجدول الذي يورد الكربون والمنغنيز والفوسفور والكبريت فقط يخفي هذه الاختلافات.

وتظهر المشكلة نفسها في الفولاذ المقاوم للصدأ. فقد تشير «304» إلى تسمية AISI، أو إلى درجة منتج وفق ASTM مثل Type 304 بموجب مواصفة معينة للمنتج، أو إلى تسمية أوروبية مثل 1.4301 المرتبطة بـ X5CrNi18-10. وتتداخل هذه المراجع في الاستخدام الشائع، لكن المتطلبات الحاكمة تعتمد على مواصفة المنتج. ويفصل SSINA بين جداول التركيب بالنسبة المئوية الوزنية والخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المشمولة بمواصفات المنتجات وفق ASTM. ويمنع هذا التنسيق على نحو صحيح الخلط بين نطاق تركيبي ومتطلبات تسليم كاملة.

وتُعد ASTM A400، الممارسة القياسية للفولاذ القضباني: دليل الاختيار، والتركيب، والخواص الميكانيكية، تحذيرًا مفيدًا من جداول الدرجات المبسطة. فهي تعرض إرشادات الاختيار حسب الدرجة، والتركيب، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ولا تحمل تسمية القضيب المعنى نفسه من دون هذه المتغيرات المصاحبة. فقد ينتج عن السحب على البارد، أو التخمير، أو التطبيع، أو التخميد والمراجعة، أو الدرفلة على الساخن اختلاف كبير في المقاومة واللدونة حتى مع تركيبات كيميائية متقاربة.

ويبين تناول ASM للفولاذ الكربوني والسبائكي السبب الفلزي لذلك: فالخواص تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي والمعالجة والبنية المجهرية. وقد يؤثر محتوى الكربون في الصلادة وقابلية التصلد، لكنه لا يحدد بصورة فريدة مقاومة الخضوع، أو متانة الصدم، أو مقاومة الكلال، أو الاستطالة، أو الإجهادات المتبقية. كما تؤثر عوامل أخرى، منها حجم الحبيبات، ومعدل التبريد، ونواتج التحول، والمراجعة، ومحتوى الشوائب اللافلزية، والتشوه السابق.

وتظل المقارنات الكيميائية مفيدة. فهي قادرة على تحديد حالات عدم التطابق الواضحة، وبيان ما إذا كانت الدرجة منخفضة الكربون أو حاوية للكروم، والتحري عن العناصر المؤثرة في قابلية اللحام أو مقاومة التآكل. إلا أنه ينبغي إبقاؤها في جدول للتركيب الكيميائي، مع إظهار مواصفة المنتج والإصدار المنطبقين بجانب كل درجة. أما المقارنة التمثيلية، مثل تلك المنشورة من قِبل Engineering ToolBox، فلا تُعد حدًا حاكمًا في المواصفة.

مقارنة الخواص الميكانيكية في ظروف متماثلة

لا تصبح القيم الميكانيكية قابلة للمقارنة إلا بعد توحيد ظروف الاختبار والتوريد. وينبغي، كحد أدنى، تسجيل شكل المنتج، والمواصفة والإصدار الحاكمين، وحالة التسليم، والسماكة أو حجم المقطع، واتجاه الاختبار، ودرجة حرارة الاختبار، وطريقة الاختبار، ونوع الخاصية المطلوبة.

يأتي شكل المنتج أولًا. فقد تُستخدم مواصفات مختلفة للصفائح، والقضبان المدرفلة على الساخن، والأسلاك، والأنابيب، والمطروقات، والمقاطع الإنشائية، حتى عندما تبدو التسمية متشابهة. فـ ASTM A36/A36M للفولاذ الإنشائي الكربوني، وASTM A29/A29M للقضبان المصنوعة من الفولاذ السبائكي والكربوني المشغول على الساخن، وASTM A276/A276M لقضبان الفولاذ المقاوم للصدأ، ليست وثائق متبادلة. إذ تتناول جداولها الميكانيكية منتجات مختلفة، وقد تحدد شروطًا مختلفة لأخذ العينات أو للمعالجة الحرارية.

يمكن للسماكة وحجم المقطع أن يغيرا الحد الأدنى المطلوب. ففي جداول الفولاذ الإنشائي وفق EN، يرتبط اشتراط مقاومة الخضوع لدرجات مثل S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 بنطاقات السماكة بموجب أحكام المنتج والتصميم المنطبقة. ثم يقدم Eurocode 3، أي EN 1993-1-1، في القسم 3.2.6، خواص مواد التصميم للفولاذ الإنشائي؛ وهذه القيم التصميمية ليست ببساطة نتائج اختبار شد منسوخة من جدول عام للدرجات. فاللوح المختبر في الاتجاه الطولي عند درجة حرارة الغرفة لا يكون قابلًا للمقارنة تلقائيًا مع مقطع سميك اختُبر عرضيًا، أو مع قيمة عُدلت لأغراض التصميم عند درجات الحرارة المرتفعة.

ويجب أيضًا تحديد حالة التسليم. فمصطلحات «مطبع»، و«مدرفل حراريًا-ميكانيكيًا»، و«مخمَّد ومراجَع»، و«مخمَّر»، و«بحالته بعد الدرفلة» تصف حالات فلزية مختلفة. وقد تلحق معايير ASTM وEN لأسرة الدرجة العامة نفسها لاحقات أو فئات أو متطلبات حالة منفصلة. ولا يجوز استخدام الحد الأدنى لمقاومة الشد المدرج لقضيب مخمَّد ومراجَع لتمثيل قضيب مخمَّر لمجرد أن كليهما يشترك في تسمية اسمية للسبيكة.

وتؤثر طريقة الاختبار في الرقم المبلغ عنه. فقد تعني مقاومة الخضوع نقطة خضوع واضحة أو إجهاد إثبات عند انفعال لدن قدره 0.2%. وتعتمد الاستطالة على طول القياس وهندسة العينة. كما تعتمد طاقة صدم شاربي على اتجاه الشق، ودرجة حرارة الاختبار، وحجم العينة، وقواعد الإبلاغ. ويخضع تحويل الصلادة لشروط أيضًا؛ فقيمة روكويل أو برينل أو فيكرز المحوَّلة لا تعادل اختبارًا مباشرًا من دون مراعاة معيار التحويل المنطبق.

لذلك تكون منهجية المقارنة القابلة للدفاع عنها متسلسلة على النحو الآتي:

1. تحديد شكل المنتج ومواصفة المنتج الدقيقة. 2. تسجيل المعيار والإصدار والدرجة والفئة والنوع والمتطلبات التكميلية الحاكمة. 3. استخراج حدود التركيب الكيميائي من تلك الوثيقة، لا من جدول عام للتسميات. 4. تسجيل حالة التسليم، والمعالجة الحرارية، والسماكة، والقطر، وسماكة الجدار، أو حجم المقطع. 5. مواءمة اتجاه الاختبار، وهندسة العينة، ودرجة حرارة الاختبار، وطريقة الاختبار. 6. مقارنة المتطلب الميكانيكي نفسه: مقاومة الخضوع مع مقاومة الخضوع، ومقاومة الشد مع مقاومة الشد، وطاقة الصدم مع طاقة الصدم. 7. التحقق بصورة منفصلة من متطلبات قابلية اللحام، والمتانة، والتآكل، والكلال، والأبعاد. 8. التأكد من أن كود التصميم المقصود يعترف بالمادة المقترحة.

وتوضح جداول Nickel Institute هذا التنظيم المنهجي من خلال الفصل بين بيانات التركيب الكيميائي والبيانات الميكانيكية والفيزيائية وبيانات المواصفات. وينبغي استخدام بنية مماثلة لمراجع الفولاذ: التركيب الكيميائي في جدول، والمتطلبات الميكانيكية في جدول آخر، وملاحظات التأهيل بجانب كليهما.

حدود جداول الإحالة المتبادلة

تُعد جداول الإحالة المتبادلة أدوات للتحري الأولي. وهي مفيدة للعثور على الدرجات المرشحة، وتحديد الأسر التي تحتوي على محتوى سبائكي متشابه، والوصول إلى المعايير التي تتطلب مراجعة إضافية. لكنها لا تجيز الاستبدال واحدًا بواحد.

قد يضغط الجدول عدة إصدارات في صف واحد، أو يحذف شكل المنتج، أو يورد تركيبًا نموذجيًا بدلًا من حد أقصى، أو يعرض قيمة ميكانيكية من نطاق سماكة مختلف. وقد يخلط أيضًا بين تسمية وطنية ومواصفة منتج. فعلى سبيل المثال، تحدد «AISI 1045» تركيبًا شائعًا ومعروفًا للفولاذ الكربوني، لكنها لا تحدد بمفردها متطلبات قضيب أو لوح أو مطروقة معينة، أو حالة معالجة حرارية، أو تطبيق تصميم محدد.

والاستنتاج الصحيح من الإحالة المتبادلة مشروط: قد تكون الدرجة المدرجة مرشحًا للمراجعة الفنية بموجب معيار وحالة مسمّيين. ويتطلب الاستبدال التحقق من مواصفة المادة، وشهادة الفحص، وكود التصميم، وإجراء التصنيع، ومتطلبات الخدمة. فالتشابه الكيميائي دليل على التقارب، وليس إثباتًا للتكافؤ. ولا يمكن لرقم مشترك أو اسم مألوف أن يحل محل ذلك التحقق.

الاختبار وأخذ العينات ومعنى القيمة المُبلَّغ عنها

لا يُبلِّغ الجدول الفولاذي عن خاصية بمعزل عن غيرها. فهو يبلِّغ عن نتيجة تحليل كيميائي أو اختبار ميكانيكي محدد أُجري على عينة مختارة، في ظل ظروف معلنة، وقورنت النتيجة بقاعدة قبول. وإذا أُزيل أي عنصر من هذه العناصر، فقد يتغير معنى الرقم.

ولهذا السبب، لا يمكن لتعيين الدرجة أن يكون هويةً مكتملة للمادة. ينظّم ASTM A400، الممارسة القياسية لقضبان الفولاذ: دليل الاختيار والتركيب والظروف الميكانيكية، معلومات القضبان وفقاً للدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، والحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع. ويوضح هيكله هذا القيد: فقد تتطلب الدرجة الاسمية نفسها تفسيراً مختلفاً عندما يتغير شكل المنتج أو حجمه أو معالجته الحرارية أو المواصفة الحاكمة.

التحليل الحراري وتحليل المنتج

يصف التحليل الحراري، أو تحليل المغرفة، التركيب الكيميائي للفولاذ المنصهر الذي تمثله صهرة معينة. وعادةً ما يأخذ المنتج العينة أثناء صناعة الفولاذ، قبل صب المادة في سبائك أو منتجات مصبوبة باستمرار. ويُفترض أن تمثل القيم المُبلَّغ عنها تلك الصهرة ككل. لكنها ليست بالضرورة قياساً مباشراً للصفيحة أو القضيب أو المطروقة أو الأنبوب النهائي.

يُجرى تحليل المنتج على مادة مأخوذة من المنتج المصنَّع. ولذلك يمكن أن يعكس موضع أخذ العينة، والانفصال الكيميائي أثناء التصلب، وحالة السطح، والتشغيل الآلي، والتباين الكيميائي الموضعي. وقد يختلف حد تحليل المنتج عن حد تحليل المغرفة لأن التحليلين يجيبان عن سؤالين مختلفين: ما التركيب الذي أُنتج في الفرن، وما التركيب الموجود في المنتج المورَّد عند الموضع الذي أُخذت منه العينة؟

ويكتسب هذا التمييز أهمية خاصة بالنسبة إلى العناصر ذات الحدود الضيقة. فقد يُبلَّغ عن الكربون والكبريت والفوسفور والنيتروجين وعناصر السبك مثل الكروم والنيكل والموليبدينوم والفاناديوم حتى عدة منازل عشرية، لكن دقة العرض لا تضمن دقة مماثلة. فنتيجة قدرها 0.018% من الكبريت وحد قدره 0.020% يظلان معتمدين على الطريقة التحليلية، والمعايرة، وإعداد العينة، وقاعدة التقريب المحددة في المعيار المنطبق.

قد يعرض جدول التركيب قيمة تمثيلية واحدة للفولاذ غير القابل للصدأ 304، مثل محتوى تقريبي من الكروم أو النيكل. أما SSINA فتعرض نطاقات تركيب محددة بالنسبة المئوية الوزنية، إلى جانب الخواص الميكانيكية المحددة لدرجات الفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي المشمولة بمواصفات منتجات ASTM. وتمثل الأخيرة متطلبات مواصفة؛ في حين قد تكون الأولى مفيدة للمقارنة. ولا ينبغي معاملتهما على أنهما قابلان للتبادل.

وينطبق الحذر نفسه على الجداول المقارنة التي تضع تعيينات UNS وEN وJIS وASTM في أعمدة متجاورة. إذ يفصل دليل مقارنة معايير الفولاذ العالمية بين الجداول المقارنة للتركيبات الكيميائية وتلك الخاصة بالخواص الميكانيكية، لأن التشابه الكيميائي لا يثبت تطابق متطلبات المعالجة أو أشكال المنتجات أو طرق الاختبار أو معايير القبول. فكلمة «مكافئ» غالباً ما تكون اختصاراً لمقارنة محدودة، وليست دليلاً على إمكان استبدال مادة بأخرى بموجب كل معيار وفي جميع الحالات.

الحد الأقصى هو حد علوي. والحد الأدنى هو حد سفلي. أما النطاق فله حدان. وقد يصف التركيب الاسمي أو النموذجي المعلن ممارسة متوقعة من دون أن يحدد مجال قبول مسموحاً به. ويجب إبقاء هذه الفئات منفصلة في الجدول.

شروط اختبار الشد والصلادة

تعتمد الخواص الميكانيكية على تعريف الاختبار بدرجة أكبر حتى من اعتماد قيم التركيب عليه. فمقاومة الشد، ومقاومة الخضوع، والاستطالة، ونقصان المساحة، والصلادة تصف استجابة عينة معينة بموجب إجراء معين. ولا تمثل ثوابت ثابتة تملكها كل قطعة تحمل تعيين الدرجة نفسه.

يأتي موضع أخذ العينة أولاً. فقد تؤخذ العينة من مسافة محددة أسفل السطح، أو من مركز القضيب، أو عبر سُمك الصفيحة، أو من طرف محدد من المنتج. ويمكن أن تُظهر عينة السطح خواص مختلفة عن عينة المركز، لأن معدل التبريد والانفصال الكيميائي ونزع الكربون والمعالجة الحرارية اللاحقة تتغير عبر المقطع. وبالنسبة إلى المنتج المدرفل، يمكن لموضع الاختبار أيضاً أن يحدد ما إذا كانت العينة تمثل مقدمة الصفيحة أو القضيب أو جسمه أو ذيله.

ويغيّر الاتجاه النتيجة. فالعينة الطولية تكون موازية لاتجاه الدرفلة أو السحب الرئيسي، أما العينة العرضية فتؤخذ بعرضه. وتؤدي الدرفلة إلى استطالة الحبيبات والشوائب، في حين يغيّر التطريق والسحب البنية المجهرية بطرق أخرى. ولذلك فإن الاستطالة الطولية، ومقاومة الخضوع العرضية، والليونة عبر السُمك ليست تسميات بديلة لخاصية عالمية واحدة.

كما يهم طول القياس. فالاستطالة المقاسة على طول قياس قصير لا تُقارن مباشرة بالاستطالة المقاسة على طول قياس أطول، حتى عندما تُبلَّغ القيمتان كنسب مئوية. ويتركز التضيق الموضعي أثناء الكسر، ولذلك تتغير نسبة الاستطالة الكلية المنسوبة إلى طول القياس تبعاً لهندسة العينة. وأي جدول ينسخ قيمة استطالة من دون أبعاد العينة ومعيار الاختبار يحذف معلومات أساسية.

وتُعد درجة حرارة الاختبار شرطاً حدياً آخر. فقد تتغير المقاومة والليونة تغيراً كبيراً بين درجة حرارة الغرفة واختبار عند درجة حرارة دون الصفر أو عند درجة حرارة مرتفعة. كما يمكن أن يؤثر معدل التحميل، وطريقة استخدام مقياس الاستطالة، وتعريف نقطة الخضوع، واصطلاح الحساب في النتيجة المُبلَّغ عنها. وقد تعني «مقاومة الخضوع» نقطة خضوع أو إجهاد إثبات عند إزاحة محددة، تبعاً للمعيار الحاكم.

وتتطلب قيم الصلادة الانضباط نفسه. إذ تستخدم أرقام برينل وروكويل وفيكرز مخترقات وأحمالاً وشروط مكوث وممارسات تحويل مختلفة. ولا يجوز مقارنة قيمة روكويل B بقيمة روكويل C من دون تمييز، كما أن جدول تحويل الصلادة لا يحوّل الرقم الناتج إلى قياس مباشر. ويمكن أن يؤثر خشونة السطح، والتقوس، والقشور، وسُمك العينة، والبنية المجهرية الموضعية في الانطباع.

وتتضمن مواصفات ASTM للمقاطع الإنشائية الفولاذية والصفائح عموماً متطلبات للتركيب الكيميائي وللخواص الميكانيكية معاً، كما يوضح المعهد الأمريكي للإنشاءات الفولاذية. وتعمل مجموعتا المتطلبات بشكل متكامل. فالكيمياء تحدد حدود التركيب؛ ويُتحقق بالاختبار مما إذا كان المنتج المورَّد، بعد معالجته المحددة، يستوفي الأداء المطلوب.

قيم القبول والمتوسطات والتشتت

الحد الأدنى المحدد هو عتبة يجب أن تحققها النتيجة المقبولة أو تتجاوزها. والحد الأقصى المحدد هو سقف لا يجوز تجاوزه. أما النطاق المحدد فيفرض الشرطين معاً. ولا تمثل أي من هذه القيم متوسطاً.

تنتمي نتيجة الاختبار الفردية إلى عينة واحدة أو موضع اختبار واحد. ويجمع المتوسط نتائج متعددة، لكن قاعدة حساب المتوسط قد تكون مقيدة بمعيار المنتج. فبعض المعايير يحكم على كل نتيجة فردية؛ بينما يسمح بعضها الآخر بإعادة الاختبار أو حساب المتوسط أو استبدال عينة غير صالحة في ظروف محددة. ولذلك يمكن أن تكون لمادة ما مقاومة شد متوسطة أعلى من حد أدنى مدرج، في حين تفشل إحدى النتائج الفردية في استيفاء متطلب خاص بالنتيجة الفردية.

ولا يمثل التشتت تلقائياً دليلاً على رداءة المادة. فقد ينشأ عن التباين المعتاد في البنية المجهرية، أو موضع العينة، أو قابلية الآلة للتكرار، أو أسلوب المُشغِّل، أو عدم اليقين في القياس. ولا ينبغي قراءة نتيجة مُبلَّغ عنها قدرها 500 MPa على أنها حد فيزيائي دقيق، عندما تكون لطريقة الاختبار وللأداة قدرة محدودة على التمييز. ولا يلغي عدم اليقين حد القبول، لكنه يفسر سبب حاجة القيم القريبة من ذلك الحد إلى قاعدة القرار المحددة في المعيار، بدلاً من التقريب العفوي.

ويظهر هذا التمييز في جداول التصميم. إذ يسرد Eurocode 3 خواص مواد التصميم للدرجات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 بموجب EN 1993-1-1، القسم 3.2.6. وهذه قيم مقررة للتصميم الإنشائي ضمن ذلك الإطار الحاكم، وليست نتائج اختبار شد عالمية لكل منتج يحمل تعييناً يبدأ بالحرف S. وبالمثل، يربط ASTM A400 بين الحد الأدنى لمقاومة الخضوع وحجم القضيب وحالة المعالجة.

ومن ثم، لا تنفصل قيمة الجدول عن طريقتها وقاعدة قبولها. وقبل مقارنة مدخلين، يجب تحديد ما إذا كان كل منهما تحليلاً حرارياً أو تحليلاً للمنتج، وقيمة نموذجية أو حداً من حدود المواصفة، ومتوسطاً أو نتيجة فردية، وقياس شد أو صلادة أُجري عند درجة الحرارة والاتجاه وطول القياس وموضع أخذ العينة وحالة المنتج نفسها. ومن دون هذه المعلومات، يمكن للدقة العددية أن تعطي انطباعاً زائفاً بإمكان المقارنة.

الأخطاء الشائعة في جداول خصائص الفولاذ

قد يبدو جدول الفولاذ موثوقًا، بينما يجمع بصمت قيمًا تنتمي إلى معايير مختلفة، أو أشكال منتجات مختلفة، أو ظروف اختبار مختلفة. والسؤال الأول ليس: «ما هي الدرجة؟» بل: «إلى أي وثيقة وظرف تشير هذه القيمة؟» تبيّن جداول التركيب الكيميائي حدود العناصر أو نطاقاتها، وعادةً ما تُعبَّر عنها كنسبة مئوية من الكتلة. أما جداول الخواص الميكانيكية فتورد المتطلبات أو النتائج المقاسة، مثل إجهاد الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، والصلادة، وطاقة الصدم، أو مقاومة الكلال. ويرتبط نوعا الجدول هذان ببعضهما، لكن لا يمكن استخدام أحدهما بدلًا من الآخر.

يوضح المعيار ASTM A400، الممارسة القياسية لقضبان الفولاذ: دليل الاختيار والتركيب والخواص الميكانيكية، هذه النقطة مباشرة: إذ ينطوي اختيار قضيب فولاذي على الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، وإجهاد الخضوع الأدنى المطلوب. ولذلك فإن إدراج الدرجة من دون هذه المحددات يكون ناقصًا.

خلط القيم الاسمية والنموذجية والدنيا والقصوى

الخطأ الأكثر شيوعًا هو وضع قيم غير متماثلة في أعمدة متجاورة من دون بيان وضع كل منها. فكلمات «اسمي» و«نموذجي» و«أدنى» و«أقصى» لا تصف النوع نفسه من المعلومات.

فالتركيب الاسمي هو قيمة مستهدفة أو قيمة مرتبطة بالتسمية. وقد يعرض الجدول نحو 0.40% من الكربون لفولاذ متوسط الكربون، في حين قد تسمح مواصفة المنتج المنطبقة بنطاق مثل 0.37–0.44% من C، وقد تفرض حدودًا منفصلة على المنغنيز، والفوسفور، والكبريت، والسيليكون، أو العناصر المتبقية. والقيمة القصوى هي حد للامتثال؛ وليست تحليلًا متوقعًا. كما أن الحد الأدنى لمقاومة الشد هو حدٌّ لاختبار المطابقة، وليس المقاومة التي ستظهر في كل قطعة.

وتكون القيم النموذجية خطرة بصفة خاصة عندما لا يُذكر وضعها. فقد تورد جهة تصنيع، أو دليل، أو مختبر قيمة نموذجية لإجهاد الخضوع لمادة مطبَّعة، بينما لا يطلب المعيار إلا قيمة دنيا لسماكة معينة وحالة توريد محددة. وقد تكون النتيجة النموذجية مفيدة للمقارنة، لكنها لا يمكن أن تحل محل متطلب القبول. فالجدول الذي يصف درجةً ما بعبارة «إجهاد الخضوع: 355 MPa» من دون توضيح ما إذا كانت قيمة 355 MPa حدًا أدنى، أو قيمة تصميم اسمية، أو نتيجة اختبار نموذجية، يفتح الباب أمام استنتاج خاطئ.

وتنشئ الوحدات نسخة ثانية من المشكلة نفسها. فعبارة «المقاومة ksi» من دون بيان ما إذا كانت القيمة تخص إجهاد الخضوع أم مقاومة الشد عبارة معيبة؛ كما أن عبارة «الصلادة 220» ناقصة بالقدر نفسه، لأن 220 HBW و220 HV و220 HRC لها معانٍ مختلفة جدًا. ويجب أن تحدد الاستطالة طول القياس، والذي يكون عادةً 5.65√A أو طول قياس محددًا بالبوصة. كما تحتاج طاقة صدم شاربي إلى درجة حرارة الاختبار، واتجاه العينة، وحجم العينة، وغالبًا إلى عدد العينات. وقد يخفي التقريب حدود الامتثال أيضًا. فقد تمثل نسبة كربون مُبلَّغًا عنها قدرها 0.20% قيمةً فعلية تبلغ 0.195% أو 0.204%، أو نطاقًا واسعًا مسموحًا به؛ ولذلك لا ينبغي التعامل مع مقارنة مقربة على أنها حد من حدود المواصفة.

ينبغي أن يوضح الجدول ما إذا كانت كل خانة تمثل حدًا أدنى مطلوبًا، أو حدًا أقصى مسموحًا به، أو نطاقًا للتركيب، أو قيمة اسمية مستهدفة، أو قيمة مقاسة نموذجية. وإذا لم يفعل ذلك، فعلى القارئ أن يفترض أن الرقم غير مناسب لاتخاذ قرارات القبول.

نسخ القيم بين مواصفات المنتجات المختلفة

قد يتكرر أحد التعيينات في معايير مختلفة من دون أن يحمل المتطلبات نفسها. ففولاذ ASTM A36 على هيئة صفائح أو قضبان أو قطاعات إنشائية لا يخضع تلقائيًا لجدول مشترك واحد لمجرد أن التعيين مألوف. إذ يمكن لمواصفات المنتجات أن تحدد حدودًا مختلفة للتركيب الكيميائي، وقواعد مختلفة للسماكة، وأحكامًا مختلفة للاختبار، وشروط توريد مختلفة، ومتطلبات ميكانيكية مختلفة.

يوضح AISC أن مواصفات ASTM الخاصة بالقطاعات والصفائح الفولاذية الإنشائية تتضمن عمومًا متطلبات للتركيب الكيميائي ومتطلبات للخواص الميكانيكية معًا. وتنتمي هذه المتطلبات إلى مواصفة منتج ASTM المعينة. وقد يؤدي نسخ صف التركيب الكيميائي من وثيقة، وصف المقاومة من وثيقة أخرى، إلى إنشاء مادة لا يعرّفها أي معيار فعليًا.

وتُعد السماكة من الأمور التي تُغفل كثيرًا. فقد تتغير متطلبات إجهاد الخضوع ومقاومة الشد بتغير سماكة الصفيحة أو المقطع، لأن معدل التبريد، والانفصال، والبنية المجهرية عبر السماكة تتغير مع زيادة الأبعاد. ولذلك يكون الجدول الذي يعرض للفولاذ S355 قيمة واحدة لإجهاد الخضوع ناقصًا، ما لم يحدد المعيار الحاكم وفترة السماكة. ويسرد Eurocode 3 خواص مواد التصميم للفئات S235 وS275 وS355 وS420 وS450 وS460 بموجب EN 1993-1-1، القسم 3.2.6، غير أن هذه قيم واردة في معيار تصميم، وليست ترخيصًا لنسخ كل قيمة منها إلى جدول وفق ASTM أو JIS أو إلى شهادة مصنع.

وينطبق الحذر نفسه على الفولاذ غير القابل للصدأ. إذ يعرض SSINA التركيب بالنسبة المئوية من الكتلة والخواص الميكانيكية المحددة للفئات الأوستنيتية المشمولة بمواصفات منتجات ASTM. ويجب أن تظل قيم التركيب والمقاومة مرتبطة بشكل المنتج المعني ووثيقة ASTM ذات الصلة. فلا يمكن لصف تركيب خاص بالصفائح أن يحكم تلقائيًا القضبان أو المطروقات أو الأسلاك أو المسبوكات.

وتتطلب المقارنة بين المعايير مزيدًا من الانضباط. إذ يفصل دليل مقارنة معايير الفولاذ العالمية جداول المقارنة الخاصة بالتركيبات الكيميائية عن جداول الخواص الميكانيكية عبر أنظمة التعيين الدولية. وهذا الفصل مهم، لأن تشابه الأسماء قد يشير إلى تركيب كيميائي ذي صلة، لكنه لا يثبت تطابق المعالجة، أو المتانة، أو قابلية اللحام، أو نطاق الأبعاد، أو متطلبات إصدار الشهادات. وقد تساعد المقارنات التمثيلية من نمط Engineering ToolBox في إظهار أن إحدى الدرجات تحتوي على كروم أو نيكل أكثر من درجة أخرى، لكنها لا تحدد الحدود الحاكمة.

وقبل قبول قيمة منسوخة، سجّل رقم المعيار، وإصداره، وشكل المنتج، وحالة التوريد، ونطاق السماكة أو القطر، واتجاه الاختبار، ودرجة حرارة الاختبار، ونظام الوحدات. وإذا كان أي عنصر من هذه العناصر مفقودًا، فالرقم مؤشر يستدعي مزيدًا من التحقق، وليس متطلبًا مؤكدًا.

اعتبار أسماء الدرجات مواصفات مكتملة للمواد

إن «304» و«A36» و«S355» و«4140» هي تعيينات، وليست أوصافًا كاملة لقطعة من الفولاذ. ويتوقف معناها على الوثيقة التي تعرّفها وعلى المنتج المورَّد. وحتى ضمن التعيين الواحد، يمكن لحالات التلدين، والتطبيع، والتقسية والمراجعة، والتشغيل على البارد، والدرفلة من دون معالجة لاحقة، أن تنتج خواص مختلفة.

توضح ASM International أن خواص الفولاذ الكربوني وسبائكي الفولاذ تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب الكيميائي، والمعالجة، والبنية المجهرية. ولا يستطيع التركيب الكيميائي وحده التنبؤ بقيمة واحدة لإجهاد الخضوع، أو الصلادة، أو قيمة الصدم، أو الاستطالة. فقد تختلف مسابك فولاذية ذات محتويات متشابهة من الكربون والكروم بسبب حجم الحبيبات، ودرجة حرارة المراجعة، ونسبة الاختزال، والشوائب، أو تاريخ التبريد.

وقد يكون الجدول الذي يسرد «4140: ‏0.40% C، و1.0% Cr، و1.0% Mn، و0.25% Mo» مفيدًا بوصفه تركيبًا تقريبيًا، لكنه لا يحدد ما إذا كانت المادة ملدَّنة أو مقسّاة ومراجَعة، ولا ما إذا كانت قضيبًا أو صفيحة أو أنبوبًا أو مكوّنًا نهائيًا. وبالمثل، فإن عبارة «الفولاذ غير القابل للصدأ 304» لا توضح ما إذا كان الإدراج يشير إلى صفيحة ASTM A240، أو قضيب ASTM A276، أو مواصفة منتج أخرى. وقد تفرض الوثيقة الحاكمة اختبارات ميكانيكية مختلفة أو متطلبات إضافية.

وتنشئ الإصدارات القديمة مأزقًا آخر. فالمعايير تراجع حدود التركيب الكيميائي، وطرائق الاختبار، والتسميات، وفواصل السماكات، والوثائق المرجعية. وقد يحافظ جدول مصقول المظهر على إصدار أقدم، مع عرض قيمه على أنها سارية حاليًا. وينبغي أن يبيّن كل جدول تعيين المعيار، وإصداره أو مراجعته، وتاريخ التحقق منه. كما ينبغي أن يحدد ما إذا كانت القيمة متطلبًا في المواصفة، أو قيمة تصميم، أو خاصية نموذجية من دليل.

ويفصل Nickel Institute بين بيانات التركيب الكيميائي، والبيانات الميكانيكية، والبيانات الفيزيائية، وبيانات المواصفات في عروضه الجدولية؛ ويمثل ذلك نموذجًا مفيدًا. ويحافظ جدول الفولاذ الموثوق على فصل هذه الفئات، ويذكر جميع الوحدات وظروف الاختبار، ويشير إلى القيم المقربة أو التمثيلية، ويربط كل متطلب بالمعيار الحاكم له. ومن دون هذا السياق، لا تؤدي الدقة في التنسيق إلا إلى جعل اكتشاف الخطأ أكثر صعوبة.

قالب ويكي مرجعي لجداول الفولاذ الموثوقة

يجب أن يحدد جدول الفولاذ الموثوق الوثيقة التي تمنح القيمة سلطتها المرجعية. ولا تكفي تسمية الدرجة وحدها. فقد تشير «S355» أو «304» أو «AISI 4140» أو «ASTM A36» إلى عائلات مواد مترابطة، لكن معيار المنتج المعمول به، وشكل المنتج، وحالة التسليم، والأبعاد، ومتطلبات الاختبار هي التي تحدد معنى التسمية في جدول معين.

توضح ASTM A400، Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties، المشكلة بوضوح. فإرشاداتها المجدولة تراعي الدرجة، والتركيب الكيميائي، وحالة المعالجة، وحجم المقطع، ومقاومة الخضوع الدنيا المطلوبة. إن نسخ جدول للقضبان إلى جدول للصفائح ليس مجرد نقص في المعلومات؛ بل قد يؤدي إلى إسناد المتطلبات الخاطئة إلى المنتج الخطأ. كما توضح AISC أن مواصفات ASTM للأشكال والصفائح المصنوعة من الفولاذ الإنشائي تتضمن عموماً متطلبات للتركيب الكيميائي ومتطلبات للخواص الميكانيكية. ولا ينبغي دمج مجموعتي المتطلبات هاتين في جدول واحد غير مميز بعنوان «خواص الفولاذ».

الحقول المطلوبة لجداول التركيب

ينبغي أن يبدأ كل جدول للتركيب بالتسمية الدقيقة للدرجة كما وردت في الوثيقة الحاكمة، متبوعة بشكل المنتج. ومن الأمثلة: «صفيحة ASTM A240 Type 304»، أو «قضيب ASTM A276 Type 316»، أو «صفيحة EN 10025-2 S355JR»، أو «SAE J403 4140». أما «304 stainless steel» وحدها فهي تسمية للبحث، وليست مواصفة مكتملة.

يجب أن يظهر المعيار الحاكم في حقل مستقل. أدرج الإصدار أو المراجعة عندما يؤثران في المتطلب، واذكر ما إذا كانت الوثيقة المستشهد بها مواصفة مادة، أو معيار تسمية، أو دليلاً للمقارنة، أو ورقة بيانات معلوماتية. إن ASTM A400 إرشادات لقضبان الفولاذ؛ ولا ينبغي عرضها كما لو كانت تتحكم في كل منتج مصنوع من درجة مدرجة فيها. وبالنسبة إلى الفولاذ الإنشائي الأوروبي، فإن EN 10025-2 ومعيار التصميم ذي الصلة يؤديان دورين مختلفين. ويجب وسم قائمة التسميات المقارنة بأنها مقارنة وليست معياراً حاكماً.

أدرج كل عنصر مُبلَّغ عنه مع وحدته. وينبغي كتابة النسبة المئوية الوزنية بصيغة wt.% أو كسر كتلي، لا تركها للاستنتاج. وقد يكون عنوان مفيد للجدول كما يلي: «C، بحد أقصى wt.%»، و«Mn، wt.%»، و«P، بحد أقصى wt.%»، و«S، بحد أقصى wt.%»، و«Cr، wt.%»، و«Ni، wt.%»، و«Mo، wt.%»، و«N، بحد أقصى wt.%». ميّز بين الحد الأقصى، والحد الأدنى، والمدى، والعنصر المتبقي، والباقي. ولا يعني «Fe—الباقي» أن جميع العناصر غير المدرجة مسموح بها من دون حدود.

ينبغي أن يحدد الجدول حالة المنتج ونطاق الحجم أو السماكة المرتبط بمتطلب التركيب الكيميائي. تطبق بعض المعايير التحليل نفسه للصهرة على مختلف المنتجات، بينما تميز معايير أخرى بين تحليل الصهرة وتحليل المنتج. ويجب أن توضح الملاحظة التحريرية أيهما معروض. وإذا سمح معيار بإضافة عنصر فقط بوصفه إضافة، أو أبلغ عنه بوصفه عنصراً متبقياً، فيجب ذكر هذه الحالة بجانب القيمة.

لا تحول المقارنات التمثيلية إلى حدود مواصفات. فعلى سبيل المثال، تقارن Engineering ToolBox بين الدرجات باستخدام قيم تمثيلية للنسب الوزنية للكربون، والكروم، والمنغنيز، والموليبدينوم، والنيكل، والفوسفور، والكبريت، والسيليكون. ويمكن لهذا النوع من الجداول أن يوضح العلاقات العامة بين التراكيب، لكنه لا يحل محل الحدود الحاكمة في ASTM أو EN أو JIS أو SAE أو أي معيار آخر للمنتج. كما يميز Handbook of Comparative World Steel Standards بين جداول كيمياء المقارنة وجداول الخواص الميكانيكية عبر أنظمة التسمية؛ وينبغي الإبقاء على هذا الفصل.

لذلك يحتاج سجل جدول التركيب إلى الحقول التالية: تسمية الدرجة؛ شكل المنتج؛ المعيار الحاكم؛ الإصدار أو المراجعة؛ تحليل الصهرة أو تحليل المنتج؛ العنصر الكيميائي؛ القيمة؛ الوحدة؛ نوع الحد؛ الحالة؛ نطاق الحجم أو السماكة؛ الإضافات المسموح بها أو حالة العنصر المتبقي؛ ورابط المصدر. وإذا كانت القيمة مقارنة تحريرية، فوسمها بأنها «تمثيلية»، لا «محددة بالمواصفة».

الحقول المطلوبة لجداول الخواص الميكانيكية

تتطلب الخواص الميكانيكية سياقاً أكبر من التركيب. ويجب أن يبين الجدول ما إذا كانت كل قيمة «محددة بالمواصفة»، أي إنها متطلب معياري، أم «نموذجية»، أي إنها قيمة تمثيلية مرصودة أو منشورة. فمقاومة الخضوع الدنيا المحددة بالمواصفة لا تعادل مقاومة الخضوع النموذجية، ولا تُعد أي منهما تلقائياً مقاومة تصميم.

عرّف الخاصية بدقة. فكلمة «المقاومة» غامضة أكثر من اللازم. استخدم مقاومة الخضوع، أو إجهاد الإثبات، أو مقاومة الشد، أو الاستطالة، أو النقص في المساحة، أو الصلادة، أو طاقة الصدم، أو مقاومة الكلال، أو متانة الكسر، مع الرمز ذي الصلة عند الحاجة: $R_e$، أو $R_{p0.2}$، أو $R_m$، أو $A$. واذكر ما إذا كانت الاستطالة مقاسة على طول قياس قدره 50 mm أو 80 mm أو طول آخر. كما يجب ذكر مقياس الصلادة—HBW أو HRC أو HV—وعدم دمج مقاييس غير متماثلة في ترتيب واحد من دون مصدر.

يبقى شكل المنتج والمعيار الحاكم إلزاميين. فلا يجوز تطبيق جدول لصفيحة ASTM A36 على قضيب ASTM A36 من دون تصريح، كما أن قيمة EN 10025-2 S355JR لا تنطبق تلقائياً على S355J2. أدرج حالة التسليم، مثل الحالة المدرفلة، أو المطَبَّعة، أو المدرفلة والمطَبَّعة، أو المروَّاة والمراجَعة، أو الملدَّنة، أو الملدَّنة بالمحلول، أو المشغَّلة على البارد. ويمكن للمعالجة الحرارية أن تغير المقاومة والليونة مع بقاء الدرجة الاسمية من دون تغيير.

سجّل مجال الحجم أو السماكة المرتبط بالمتطلب. فكثيراً ما تتغير مقاومة الخضوع للفولاذ الإنشائي بتغير السماكة، ولهذا قد تكون كتابة قيمة واحدة بجانب S235 أو S275 أو S355 أو S420 أو S450 أو S460 مضللة. وتحدد جداول خواص المواد في Eurocode 3 خواص التصميم بموجب EN 1993-1-1، البند 3.2.6؛ وتنتمي هذه القيم إلى إطار تصميم، وليست جدولاً عاماً لشهادات المطحنة.

يجب التصريح باتجاه الاختبار: طولي، أو عرضي، أو عرضي قصير، أو عبر السماكة، أو غير محدد. أضف طريقة الاختبار وإصدارها، مثل ASTM E8/E8M لاختبار الشد، وASTM E23 لاختبار صدم Charpy، وASTM E18 لاختبار صلادة Rockwell، أو طريقة EN المعمول بها. وأدرج اتجاه العينة، ودرجة حرارة الاختبار، وموضع أخذ العينة عندما يحددها المصدر. فلا يمكن مقارنة قيمة Charpy عند ‎−20 °C بقيمة صدم غير موصوفة عند درجة حرارة الغرفة.

افصل البيانات الميكانيكية عن الخواص الفيزيائية. ينظم Nickel Institute التركيب الكيميائي، والخواص الميكانيكية، والخواص الفيزيائية، والمواصفات بوصفها فئات بيانات مختلفة. ويمنع هذا الترتيب الخلط بين الكثافة، ومعامل المرونة، والتمدد الحراري، والمقاومية الكهربائية، والتوصيل الحراري من جهة، ومتطلبات المقاومة من جهة أخرى. وتستحق قيم التصميم جدولاً رابعاً. فهي تعتمد على معيار تصميم حاكم، وصيغة الأمان، وافتراضات التعرض، وقواعد الانبعاج، وأحياناً درجة الحرارة.

ينبغي أن يتضمن سجل الخواص الميكانيكية: الدرجة؛ شكل المنتج؛ المعيار وإصداره؛ الحالة؛ الحجم أو السماكة؛ تعريف الخاصية؛ القيمة والوحدة؛ حالة القيمة، محددة بالمواصفة أو نموذجية؛ اتجاه الاختبار؛ درجة حرارة الاختبار؛ طريقة الاختبار وإصدارها؛ تفاصيل العينة؛ ورابط المصدر. وأضف تحفظاً صريحاً حيثما جرى تحويل القيمة أو حساب متوسطها أو تقريبها أو أخذها من مصدر ثانوي.

ممارسات الاستشهاد والمراجعة وإمكانية التتبع

ينبغي أن يرتبط كل صف أو كتلة مترابطة بإحكام بمصدره، لا بمجرد الاستشهاد بالصفحة الرئيسية. سجّل عنوان الوثيقة، ورقم البند أو الجدول، والإصدار، وتاريخ الوصول، وموضع الصفحة أو القسم. ويجب أن يتمكن محرر الويكي من تتبع «S355، 355 MPa» إلى نطاق السماكة والبند الدقيقين اللذين نتجا عنهما.

أبقِ سجل المراجعات ظاهراً. وعندما يتغير معيار ASTM أو EN أو JIS أو SAE أو دليل صادر عن مؤسسة ما، احتفظ بالقيمة السابقة مع إصدارها بدلاً من استبدالها من دون تفسير. وبيّن ما إذا كان المصدر سارياً، أو مستبدلاً، أو معلوماتياً، أو إعادة نشر ثانوية. فعلى سبيل المثال، توفر جداول SSINA للفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي تراكيب بالنسب الوزنية وخواص ميكانيكية محددة بالمواصفة للدرجات المشمولة بمواصفات منتجات ASTM؛ ومع ذلك يجب أن يحدد الجدول أي مواصفة ASTM تتحكم في كل مدخل.

لا تستنتج المقاومة من التركيب الكيميائي وحده. تذكر ASM International أن خواص فولاذ الكربون والفولاذ السبائكي تنتج عن التأثيرات المشتركة للتركيب والمعالجة والبنية المجهرية. فقد ترفع قيمة كربون أعلى الصلادة تحت معالجة حرارية معينة، بينما تقلل قابلية اللحام أو متانة الصدم؛ كما تعتمد تأثيرات الكروم والنيكل على توازن الأطوار وتاريخ المعالجة.

القالب التحريري والهندسي القابل للتكرار هو:

تسمية الدرجة | شكل المنتج | المعيار الحاكم وإصداره | الحالة | نطاق الحجم أو السماكة | فئة التركيب أو الخاصية | العنصر أو الخاصية المحددة | القيمة والوحدة | نوع الحد أو حالة القيمة، محددة بالمواصفة/نموذجية | اتجاه الاختبار | طريقة الاختبار وإصدارها | درجة الحرارة أو حالة العينة | المصدر والبند وملاحظة المراجعة.

انشر جداول منفصلة للتركيب الكيميائي، والخواص الميكانيكية، والخواص الفيزيائية، وقيم التصميم. وضع روابط المصادر والتحفظات الصريحة بجانب كل جدول، ووسم كل مقارنة بين المعايير بأنها غير حاكمة ما لم ينص المعيار المستشهد به صراحة على أنها حاكمة.

المراجع

1. [1]ASTM International. Standard Practice for Steel Bars, Selection Guide, Composition, and Mechanical Properties. ASTM standard. https://store.astm.org/a0400-69r12.html
2. [2]ASM International. Mechanical Properties of Carbon and Alloy Steels. ASM Metals Handbook. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/49/chapter-abstract/613530/Mechanical-Properties-of-Carbon-and-Alloy-Steels
3. [3]American Institute of Steel Construction. General Content and Format of ASTM Standard Specifications for Steel Products. AISC Engineering FAQ. https://www.aisc.org/aisc/solutions-center/engineering-faqs/10-general-content-and-format-of-astm-standard-specifications-for-steel-products/
4. [4]Specialty Steel Industry of North America. Composition and Properties. SSINA technical resources. https://www.ssina.com/education/technical-resources/composition-properties/
5. [5]Nickel Institute. Properties of Some Metals and Alloys. Nickel Institute technical guide. https://nickelinstitute.org/en/resources/technical-guides/properties-of-some-metals-and-alloys-297/