عناصر صناعة سبائك الفولاذ وتأثيراتها الميتالورجية

1. ما الذي يُعدّ عنصرًا سبائكيًا في الفولاذ؟

الفولاذ كسبيكة من الحديد والكربون

تعرّف الرابطة العالمية للصلب الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون. وهذا الحد مفيد، لكنه لا يعني أن الكربون هو العنصر الوحيد الذي يحدد سلوك الفولاذ. فالفولاذ التجاري يحتوي عادةً أيضًا على المنغنيز والسيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين، إضافةً إلى عناصر أخرى تُضاف عمدًا أثناء صناعة الفولاذ أو تبقى فيه من المواد الخام والخردة والمواد الحرارية وعمليات المعالجة.

يشغل الكربون مواقع بينية في الشبكة البلورية للحديد. وذراته أصغر بكثير من ذرات الحديد، ولذلك فإنها تستقر في الفراغات بين ذرات الحديد بدلًا من أن تحل محلها. وحتى التركيز المحدود من الكربون يمكن أن يغير البنية الطورية وصلادة الفولاذ، لأن الكربون يثبت الأوستنيت، ويتحد مع الحديد والعناصر الأخرى لتكوين الكربيدات، ويتحكم في كمية وتوزيع البرليت والبينايت والمارتنسيت والفريت المتكونة أثناء التبريد.

أما معظم العناصر السبائكية الفلزية فتدخل في الحديد إحلاليًا؛ إذ تحل ذرة من المنغنيز أو النيكل أو الكروم أو عنصر آخر محل ذرة حديد في الشبكة. ويؤدي هذا الإحلال إلى تشويه الشبكة وإعاقة حركة الانخلاعات، مما ينتج عنه تقوية بالمحلول الصلب الإحلالي. وتوضح Steeluniversity أن مقدار هذا التأثير يرتبط بحجم الذرة وقابليتها للانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية، وليس بمجرد النسبة المئوية للعنصر من حيث الكتلة. ولذلك يمكن للتركيز نفسه أن ينتج تأثيرات مختلفة في التقوية أو التحول في أطوار مختلفة من المصفوفة.

وهذا التمييز ليس مطلقًا. فالنيتروجين والبورون والهيدروجين ذرات بينية صغيرة، في حين يمكن أن تذوب عناصر مثل التيتانيوم والنيوبيوم والفاناديوم إحلاليًا في مرحلة معينة، ثم تُزال لاحقًا من المحلول لتكوين الكربيدات أو النتريدات أو الكربونيتريدات. ومن ثم يمكن لعنصر سبائكي أن يغير الفولاذ أولًا من خلال المحلول الصلب، ثم من خلال الترسيب، وأخيرًا من خلال تأثيره في تحول الأطوار.

تحدد وحدة Steeluniversity الخاصة بالعناصر الكيميائية في فولاذ الكربون العادي السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم باعتبارها عناصر تؤثر في الخصائص أو المعالجة. ولا يؤدي وجودها إلى النتيجة نفسها في كل أنواع الفولاذ. فقد يساهم المنغنيز في التقوية بالمحلول الصلب وقابلية التصلب، مع تثبيت الكبريت على هيئة كبريتيد المنغنيز. وقد يقوي السيليكون الفريت ويعمل كمزيل للأكسدة، إلا أن زيادته المفرطة يمكن أن تؤثر في المطيلية وتحول الأطوار. ويمكن أن يحسن الكبريت قابلية التشغيل الآلي من خلال تكوين الكبريتيدات، لكن شوائب كبريتيد المنغنيز الممدودة قد تقلل المتانة العرضية ومقاومة الكلال.

يوضح الكروم والنيكل والفاناديوم سبب عدم إمكانية إسناد وظيفة عامة واحدة إلى أي عنصر. فالكروم يزيد عادةً قابلية التصلب، ويمكن أن يحسن المقاومة للهجوم في درجات الحرارة المرتفعة وللأكسدة والتآكل. ويقوي النيكل الفولاذ الفريتي ويساعد على الاحتفاظ بالمتانة عند درجات الحرارة دون الصفر. ويمكن للفاناديوم أن يكون جسيمات دقيقة من كربيد الفاناديوم أو كربونيتريده، مما يرفع المقاومة ويؤثر في حجم الحبيبات. وتعتمد النتيجة على ما إذا كان العنصر يبقى في المحلول، أو يكوّن طورًا ثانيًا، أو يغير درجات حرارة التحول، أو يتفاعل مع الكربون والنيتروجين.

الإضافات المتعمدة والعناصر المتبقية والشوائب

يُحدَّد العنصر السبائكي عادةً من خلال الغرض المعدني منه، لا بمجرد اكتشاف وجوده. ويضيف صانعو الفولاذ المنغنيز لضبط سلوك الكبريت وقابلية التصلب، والألومنيوم لإزالة الأكسجين الذائب والتحكم في حجم الحبيبات، أو الموليبدينوم لتعديل قابلية التصلب والمقاومة للتليين المرتبط بالمراجعة. وفي الفولاذ الميكروسبائكي، قد تتحكم الإضافات الصغيرة جدًا من النيوبيوم أو التيتانيوم أو الفاناديوم في إعادة التبلور أو تنتج تقوية بالترسيب. وتُعد هذه إضافات متعمدة لأن التركيب والعملية يُختاران بناءً على تأثيراتها.

أما العناصر المتبقية فمختلفة. فقد يدخل النحاس والنيكل والكروم والقصدير والموليبدينوم في الصهرة من الفولاذ المعاد تدويره أو من مواد شحنة أخرى، من دون إضافتها لتحقيق الغرض التصميمي الأساسي للمنتج. والعنصر المتبقي ليس بالضرورة غير ضار. فقد يساهم النحاس والقصدير في حدوث تشققات سطحية أثناء التشغيل على الساخن؛ كما يمكن للكروم والنيكل أن يغيرا قابلية التصلب وسلوك التحول حتى عندما لا يكونان محددين بوصفهما إضافات سبائكية رئيسية. ويتوقف اعتبار العنصر المتبقي شائبةً على نوع الفولاذ، والحد المسموح به، وتأثيره في التصنيع أو الخدمة.

ولذلك فإن مصطلح «الشائبة» يعتمد على السياق. فكثيرًا ما يُقيَّد الفوسفور لأنه قد ينفصل ويقلل المتانة، ولا سيما عند اقترانه بظروف تبريد أو مراجعة غير ملائمة. وقد يكون الكبريت غير مرغوب فيه في صفيحة مخصصة لأوعية الضغط، لكنه يُضبط عمدًا عند مستويات أعلى في الفولاذ سهل التشغيل الآلي. والأكسجين ضروري لوصف تفاعلات صناعة الفولاذ، غير أن زيادة الأكسجين الذائب تعزز شوائب الأكاسيد. والسؤال المهم ليس ببساطة ما إذا كان العنصر موجودًا، بل أين يوجد، وفي أي صورة كيميائية، وما إذا كانت تلك الصورة تساعد مسار المعالجة المقصود أو تضر به.

يمكن لاختلاف قدره 1% في تركيز عنصر من عناصر السبائك أن يغيّر بدرجة كبيرة سلوك تحولات الأطوار. Limited evidence

قد تنفصل العناصر أثناء التصلب. وقد يختلف تركيزها عند حدود التغصنات أو حدود الحبيبات أو السطوح البينية عن التحليل الكيميائي الكلي المبلغ عنه للصهرة. ويمكن لانفصال العناصر عند حدود الحبيبات أن يغير مواقع التنوي وقابلية التعرض للهشاشة وآليات التحول. وتفيد Nippon Steel بأن سلوك تحول الأطوار في الفولاذ يمكن أن يتغير بدرجة كبيرة نتيجة اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر سبائكي، في حين يمكن لتوزيعات العناصر عند الحدود والسطوح البينية أن تُحدث تغيرات إضافية. فالتركيب الاسمي متوسط، وليس خريطة للمادة.

ويتضح ذلك بصفة خاصة في فولاذ HSLA. إذ يمكن للنيوبيوم أن يثبط إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن، مما يسمح للتشوه بتنقية البنية النهائية للفريت. ويكوّن التيتانيوم رواسب مستقرة من TiN تتحكم في حجم حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين. كما يكوّن الفاناديوم رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) تزيد مقاومة الخضوع بعد المعالجة الحرارية-الميكانيكية المناسبة. فإذا أدت إعادة التسخين إلى إذابة كمية مفرطة من TiN، أو حدثت الدرفلة خارج نطاق درجات الحرارة المقصود، أو اختلفت مستويات الكربون والنيتروجين، فلن تحقق الإضافة الاسمية نفسها البنية المجهرية ذاتها.

ويوفر الفولاذ غير القابل للصدأ مثالًا آخر. فالكروم مطلوب لتكوين غشاء سلبي رقيق ومتماسك من أكسيد الكروم؛ وليس مجرد مكوّن عام «لمنع التآكل». ويؤثر النيكل والموليبدينوم والنيتروجين والكربون والإضافات المثبتة مثل التيتانيوم أو النيوبيوم في استقرار الأوستنيت والمقاومة والتصلب بالتشغيل والمقاومة للتآكل الموضعي والتحسس وتكوين الأطوار الثانوية. ويمكن للكربون، عند اتحاده مع الكروم، أن ينتج كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التعرض الحراري غير الملائم، مما يستنزف الكروم من المناطق المجاورة. وقد يربط التيتانيوم أو النيوبيوم الكربون ويقلل هذا الخطر، لكنه قد يضيف اعتبارات خاصة به تتعلق بالترسيب والتصنيع.

لماذا يهم التركيز والمواصفة؟

تحدد مواصفة الفولاذ أكثر من مجرد قائمة بالعناصر. فهي تضع نطاقات التركيب، وحدود العناصر المتبقية، والخصائص الميكانيكية، وحالة التسليم، والمعالجة الحرارية، وأحيانًا متطلبات حجم الحبيبات أو الشوائب. فعلى سبيل المثال، لا يمكن تقييم EN 10025-2 S355J2 وASTM A709/A709M Grade 50 استنادًا إلى محتوى الكربون وحده؛ إذ يدعم تركيبهما الكيميائي المحدد ومسار معالجتهما متطلبات معينة للمقاومة والمتانة. كما أن تسميات الدرجات لا تلغي التباين داخل النطاق المسموح به.

يغير التركيز استقرار الأطوار وحركية التحول. ويمكن للكروم والنيكل والمنغنيز والكربون والموليبدينوم أن يغيروا درجات الحرارة التي يتكون عندها الفريت أو البرليت أو البينايت أو المارتنسيت. فقد يؤدي معدل تبريد ينتج بنية من الفريت-البرليت في تركيب معين إلى إنتاج البينايت أو المارتنسيت في تركيب آخر. كما أن التاريخ الحراري مهم بالقدر نفسه؛ فالصب والدرفلة على الساخن والتطبيع والتقسية والمراجعة واللحام تغير الذوبان وإعادة التبلور والترسيب وحجم الحبيبات والانفصال.

ولهذا السبب، فإن عبارة «يحتوي على الفاناديوم» لا تعني «أنه مقوّى بالترسيب»، وعبارة «يحتوي على الكروم» لا تعني «أنه غير قابل للصدأ». فيجب أن يكون العنصر موجودًا بتركيز مناسب، وفي الطور أو المركب الصحيح، وتحت تاريخ معالجة يسمح بالتفاعل المقصود. ويمثل الوجود الكيميائي بداية التحليل، أما الغرض المعدني فلا يتحدد إلا من خلال التركيب والتوزيع والبنية الطورية والمعالجة مجتمعةً.

2. الآليات الرئيسية التي تغيّر بها العناصر خصائص الفولاذ

إن تأثير عنصر السبيكة ليس خاصية ثابتة مرتبطة برمزه في الجدول الدوري. بل يعتمد على كميته، وموقع ذراته، والأطوار المستقرة، وما إذا كان يذوب أو يترسب، والتاريخ الحراري والميكانيكي الذي مرّ به الفولاذ. فقد تؤدي إضافة صغيرة إلى تغيير درجات حرارة التحول، في حين يمكن للعنصر نفسه عند تركيز أعلى أن يُنتج طورًا ثانيًا، أو يغيّر سلوك التآكل، أو يقلل المطيلية.

تعرّف World Steel Association الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون. ويوجد المنغنيز عادةً فيها، إلى جانب كميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين. كما تحدد Steeluniversity السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم بوصفها عناصر تؤثر في المقاومة والمطيلية والمتانة وقابلية التشغيل الآلي وقابلية التصلد وحجم الحبيبات والاستجابة للمعالجة الحرارية. وتنشأ هذه التأثيرات من خلال ثلاث آليات مترابطة: فقد تعمل الذرات على تقوية الشبكة البلورية الموجودة، وقد تعوق جسيمات جديدة حركة الانخلاعات، كما يمكن للعناصر أن تغيّر الحبيبات والواجهات والانفصال الكيميائي وتحولات الأطوار.

التقوية بالمحلول الصلب

التقوية بالمحلول الصلبالتقوية بالمحلول الصلب تقوية تنتج عن تشويه ذرات المذاب لشبكة الحديد وإعاقتها حركة الانخلاعات.

تحدث التقوية بالمحلول الصلب عندما تظل ذرات السبيكة مشتتة داخل طور معدني بدلًا من تكوين مركب منفصل. ويشغل الكربون والنيتروجين مواقع بينية بين ذرات الحديد. ويؤدي صغر حجمهما مقارنةً بالفجوات المتاحة إلى إحداث انفعالات محلية كبيرة، ولذلك يُعد الكربون البيني عامل تقوية فعالًا للفريت. أما الذرات الاستبدالية فتحل محل ذرات الحديد في مواقع الشبكة الاعتيادية. ويعمل المنغنيز والسيليكون والنيكل والكروم والموليبدينوم بهذه الطريقة عادةً، رغم أن توزيعها النهائي يعتمد على درجة الحرارة والتركيب وتكوين الأطوار.

تصف Steeluniversity التقوية الاستبدالية بأنها نتيجة لتشوه الشبكة البلورية. فالذرة الأكبر أو الأصغر من الحديد تدفع الذرات المجاورة أو تسحبها، فتُنشئ مجال إجهاد حولها. وتحمل الانخلاعات أيضًا مجالات إجهاد. وعندما تواجه الانخلاعة المنطقة المشوهة، تتطلب حركتها إجهادًا مطبقًا إضافيًا؛ ولذلك ترتفع مقاومة الخضوع. ولا يتحدد هذا التأثير بنصف القطر الذري وحده. إذ تربطه Steeluniversity بحجم الذرة وقابلية الانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. وتؤثر قابلية الانضغاط في مدى سهولة استيعاب الشبكة المحيطة للشائبة، في حين يؤثر التكافؤ والسالبية الكهربائية في طبيعة وقوة الترابط بين المذاب والحديد.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية عند مقارنة أنواع فولاذ متشابهة اسميًا. إذ يمكن للسيليكون أن يقوي الفريت بدرجة ملحوظة، مع خفض ذوبانية الكربون وتغيير سلوك نزع الأكسجين. ويقوي المنغنيز الفريت ويؤخر بعض تفاعلات التحول، لكنه يتحد أيضًا مع الكبريت لتكوين كبريتيد المنغنيز، بدلًا من السماح بتكوّن شبكات هشة من كبريتيد الحديد. ويقوي النيكل الفولاذ الفريتي ويمكن أن يحافظ على المتانة عند درجات الحرارة دون الصفر، في حين يزيد الكروم قابلية التصلد ويسهم في مقاومة درجات الحرارة العالية والتآكل والأكسدة. وتصف هذه العبارات اتجاهات عامة، وليست نتائج مضمونة. فالكروم المذاب في الفريت لا يكون تأثيره مماثلًا لتأثير الكروم المرتبط في الكربيدات، كما أن النيكل في درجة من الفولاذ غير القابل للصدأ الأوستنيتي يترتب عليه أثر بنيوي مختلف عن النيكل في فولاذ فريتي منخفض السبيكة.

وتختلف التقوية بالمحلول الصلب أيضًا عن مجرد زيادة الكربون. فقد ترفع زيادة الكربون المذاب المقاومة بدرجة كبيرة، إلا أن فائض الكربون قد يقلل قابلية اللحام، ويعزز تكوّن السمنتيت أو الكربيدات الأخرى، ويغير تكوّن المارتنسيت. ولذلك تحدد استقرار الأطوار وظروف المعالجة الكمية المفيدة من العنصر.

الترسيب وتكوين الكربيدات

تعمل التقوية بالترسيب من خلال جسيمات صغيرة مشتتة داخل مصفوفة. وتعيق هذه الجسيمات الانخلاعات، إذ تجبرها إما على اختراق الراسب أو على الانحناء حوله. وتعتمد المقاومة على الكسر الحجمي للجسيمات وحجمها وتباعدها وتوافقها البلوري وتوزيعها. ويمكن لتوزيع دقيق ومتقارب أن يرفع مقاومة الخضوع بدرجة كبيرة؛ أما الجسيمات الخشنة فتسبب إعاقة أقل وقد تصبح مواقع لبدء التشققات.

ويُعد تكوين الكربيدات أحد الأشكال المهمة للترسيب. إذ يمكن للكروم والموليبدينوم والفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم أن تتحد مع الكربون، في حين يستطيع التيتانيوم والنيوبيوم والفاناديوم أيضًا تكوين الكربونيتريدات. ويُعد كربيد الفاناديوم، VC، وكربونيتريد الفاناديوم، V(C,N)، راسبَين دقيقين يزيدان مقاومة الخضوع في أنواع فولاذ HSLA، وفقًا لـ AZoM. وتعتمد مساهمتهما في التقوية على توقيت تكوّنهما. فالجسيمات المترسبة أثناء الدرفلة أو بعدها يمكن أن تعوق الانخلاعات، لكن الجسيمات التي تكبر أثناء التسخين المطوّل تفقد فعاليتها.

يتحكم البرنامج الحراري في هذه الآلية. فأثناء الدرفلة على الساخن لفولاذ HSLA، يثبط النيوبيوم إعادة تبلور الأوستنيت، مما يسمح بتراكم التشوه وينتج بنية تحول أدق. ويكوّن التيتانيوم رواسِب مستقرة من نيتريد التيتانيوم، TiN، تتحكم في حجم حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين. وتختلف هذه الوظائف عن ترسيب VC أو V(C,N) الدقيق في مرحلة لاحقة. فالفولاذ الذي يحتوي على العناصر الثلاثة لا يتلقى ثلاث إضافات مستقلة؛ إذ يغير كل عنصر منها ظروف درجة الحرارة والتركيب التي يتعرض لها العنصران الآخران.

ويمكن للكربيدات أيضًا أن تزيل عناصر سبائكية مفيدة من المحلول الصلب. فقد تقلل كربيدات الكروم عند حدود حبيبات الأوستنيت تركيز الكروم محليًا بجوار الحد، مما يسبب التحسس ويخفض مقاومة التآكل بين الحبيبات في أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ القابلة لذلك. ويمكن لإضافات التثبيت مثل التيتانيوم أو النيوبيوم أن ترتبط بالكربون على نحو تفضيلي، فتقلل تكوّن كربيدات الكروم. وقد يحسن الموليبدينوم مقاومة التآكل الموضعي في تراكيب مناسبة من الفولاذ غير القابل للصدأ، في حين يستطيع النيتروجين تقوية الأوستنيت والتأثير في مقاومة التنقر، لكنه قد يعزز أيضًا تكوّن النتريدات أو الأطوار الثانوية الأخرى إذا تجاوزت ذوبانيته الحد المسموح.

يجب فصل التقوية بالترسيب عن التقوية بالمحلول الصلب والتحكم في حجم الحبيبات. فالذرة المذابة تشوه الشبكة الأصلية، بينما يُنشئ الراسب حاجزًا ماديًا داخلها. ويزيد تصغير الحبيبات المقاومة لأن حدود الحبيبات تعوق حركة الانخلاعات، وهو ما يُمثّل عادةً بعلاقة Hall–Petch. ويمكن أن تحدث هذه المساهمات معًا، لكنها ليست قابلة للاستبدال. فالمعالجة الحرارية التي تزيد حجم الجسيمات قد تخفض التقوية بالترسيب حتى مع بقاء التحليل الكيميائي الكلي دون تغيير.

تصغير الحبيبات والانفصال الكيميائي والواجهات

حدود الحبيبات ليست مجرد خطوط غير فعالة في صورة مجهرية. فهي مناطق تتميز بتراص ذري وتركيب كيميائي ومعدلات انتشار وسلوك تحول طوري مختلفة. وتحسن الحبيبات الدقيقة المقاومة عمومًا، وغالبًا ما تحسن المتانة من خلال الحد من المسافة التي يمكن أن ينتشر عبرها الكسر الهش أو غيره من التشوهات الموضعية. ويتحدد حجم الحبيبات بفعل التصلب وإعادة التسخين والتشوه وإعادة التبلور والتحول. ولذلك يمكن لتثبيت نيتريد التيتانيوم، وإعادة التبلور المتحكم فيها بالنيوبيوم، وترسيب الفاناديوم أن تؤثر في الخواص من خلال الجسيمات وبنية الحبيبات معًا.

ويعقّد الانفصال الكيميائي أي تفسير يستند فقط إلى التركيب المتوسط المدرج في شهادة المصنع. فأثناء التصلب، تتوزع العناصر بين الطورين السائل والصلب. ويمكن أن يتركز المنغنيز والكبريت والفوسفور والكربون وإضافات السبيكة في المناطق الواقعة بين التفرعات البلورية أو عند حدود الحبيبات. وقد تقلل الدرفلة اللاحقة والمعالجة الحرارية هذه التباينات أو تعيد توزيعها أو تحافظ عليها. ويمكن لحد حبيبي غني بشائبة أن يتحول بمعدل مختلف عن داخل الحبيبة؛ كما يمكن لحد حبيبي مستنفد من الكروم أن يصبح منطقة حساسة للتآكل حتى عندما يطابق محتوى الكروم الكلي الدرجة الاسمية.

تفيد Nippon Steel بأن سلوك تحولات الأطوار يمكن أن يختلف بدرجة كبيرة عند وجود فرق لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر من عناصر السبيكة. وتُحذّر هذه الملاحظة من التعامل مع نطاقات التركيب على أنها متكافئة كيميائيًا. فقد يؤدي تغير بمقدار نقطة مئوية واحدة إلى إزاحة درجات حرارة التحول، وتغيير قابلية التصلد، وتغيير نسبة الفريت أو البرليت أو البينيت أو المارتنسيت، وتعديل القوة الدافعة للترسيب. وقد تكون الفروق المحلية أهم من المتوسط عندما يؤدي الانفصال الكيميائي إلى تركيز عنصر عند واجهة ما.

يوضح الكروم والنيكل والفاناديوم سبب ضرورة النظر في تكوين الأطوار والمعالجة معًا. فقد يبقى الكروم مذابًا، أو يكوّن كربيدات غنية بالكروم، أو يسهم في تكوين غشاء سلبي من أكسيد الكروم على سطح الفولاذ غير القابل للصدأ. وقد يثبت النيكل الأوستنيت، ويقوي الفريت، ويحافظ على المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة. وقد يبقى الفاناديوم في المحلول أثناء إعادة التسخين ثم يكوّن VC أو V(C,N) لاحقًا، أو قد يكوّن جسيمات خشنة لا تسهم إلا قليلًا في التقوية. وتعتمد النتيجة النهائية على معدل التبريد، وبرنامج التشوه، ودرجة حرارة إعادة التسخين، وزمن المكوث، والمعالجة الحرارية اللاحقة.

لذلك فإن كيمياء الفولاذ تمثل حالة ابتدائية، وليست تفسيرًا كاملًا. وتنشأ الخواص التشغيلية من التفاعل بين التركيب والانفعال الشبكي وتوزيع الرواسب وبنية الحبيبات والانفصال الكيميائي والواجهات وتاريخ المعالجة. ولهذا يمكن لفولاذين ذوي تحليلات اسمية متشابهة أن يظهرا منحنيات تحول وبنى مجهرية وخواص ميكانيكية مختلفة.

3. الكربون: عنصر السبك البيني الرئيسي

الكربون هو عنصر السبك البيني الرئيسي في الفولاذ. وتعرّف World Steel Association الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، إلى جانب المنغنيز وكميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين. ويحدد هذا التعريف الكربون بوصفه عنصراً محورياً، لكنه لا يقدمه كمكوّن معزول؛ إذ يمكن لنسبة الكربون نفسها أن تنتج بنيات وخواص مختلفة عندما تتغير إضافة الكروم أو النيكل أو المنغنيز أو الموليبدينوم، أو عندما يتغير التاريخ الحراري.

ذرات الكربون أصغر بكثير من ذرات الحديد، ولذلك فإنها تشغل الفراغات بين ذرات الحديد بدلاً من أن تحل محلها في الشبكة المعدنية. ويختلف ذلك عن السبك الإحلالي، الذي يحل فيه عنصر مثل المنغنيز أو النيكل محل ذرة حديد، مسبباً تشوهاً في الشبكة. وتوضح Steeluniversity أن التقوية الإحلالية تعتمد على حجم الذرة وقابليتها للانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. ويسبب الكربون البيني تشوهاً موضعياً قوياً بصفة خاصة لأنه يشغل مواقع مكتظة في شبكة الحديد، مما يعيق حركة الانخلاعات ويغير استقرار الأطوار المحيطة به.

محتوى الكربون والتحول الطوري

يغير الكربون الأطوار الحديدية التي يمكن أن توجد، كما يغير سرعة تكوّنها. للفريت شبكة مكعبة مركزية الجسم، ولا يذيب إلا كمية صغيرة من الكربون. أما الأوستنيت فله شبكة مكعبة مركزية الوجه، ويمكنه استيعاب كمية أكبر بكثير من الكربون لأن مواقعه البينية أكثر ملاءمة. ولذلك يتيح تسخين الفولاذ إلى نطاق الأوستنيت إعادة توزيع الكربون، بينما يحدد التبريد ما إذا كان ذلك الأوستنيت سيتحول إلى فريت أو بيرليت أو بينيت أو مارتنسيت.

السمنتيت، أو كربيد الحديد Fe₃C، مركب غني بالكربون يظهر عادةً مع الفريت في البيرليت وفي بنيات أخرى تحتوي على الكربيدات. ويهم توزعه بقدر أهمية وجوده. فجسيمات السمنتيت الدقيقة تعيق حركة الانخلاعات وتزيد المقاومة؛ أما الجسيمات الخشنة وشبكات الكربيد المستمرة فقد تقلل المتانة أو تنشئ مسارات مفضلة للكسر.

يتكون المارتنسيت عندما يبرد الأوستنيت بسرعة تكفي لكبح التحولات التي تتحكم فيها عملية الانتشار. ويبقى الكربون محبوساً في شبكة الحديد، منتجاً بنية رباعية مركزية الجسم مشوهة. وكلما زاد فرط تشبع الكربون، ازداد تشوه الشبكة والصلادة المحتملة، رغم أن الأوستنيت المحتجز وحجم حبيبات الأوستنيت السابق والمراجعة وعناصر السبك الأخرى تحدد النتيجة النهائية. فالمارتنسيت ليس ببساطة «حديداً مقسى بالكربون»، بل هو ناتج عن مسار تحول محدد.

يحذر تقرير Nippon Steel من أن سلوك التحول الطوري في الفولاذ قد يختلف اختلافاً كبيراً حتى مع فرق لا يتجاوز 1% في تركيز عناصر السبك. كما يختلف التركيب موضعياً بفعل الانفصال والإغناء عند الواجهات، ولذلك فإن التحليل الاسمي لا يصف كل منطقة في مكوّن مصبوب أو مدرفل أو ملحوم أو معالج حرارياً. ويمكن للمنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم أن يزيح درجات حرارة التحول ويؤخر تكوّن الفريت أو البيرليت أو البينيت. ومن ثم فإنها تغير معدل التبريد اللازم للحصول على المارتنسيت، حتى عندما يبقى الكربون ثابتاً.

المقاومة والليونة وقابلية اللحام وقابلية التصلد

تؤدي زيادة الكربون عموماً إلى رفع الصلادة والمقاومة الممكن بلوغهما في أنواع الفولاذ الفريتية–البيرليتية، وذلك بزيادة محتوى البيرليت أو الكربيد، وبمقوية الفريت الواقع بين هذه المكونات. كما تزيد كمية الكربون المتاحة لتكوين المارتنسيت. وعادةً ما تكون تكلفة ذلك انخفاض الليونة ومتانة الصدم، وزيادة الحساسية للتشقق عندما تصبح البنية المجهرية صلبة وهشة.

يرتبط محتوى الكربون بقابلية التصلد، لكنهما ليسا متماثلين. فالكربون يتحكم في الصلادة التي يمكن للمارتنسيت بلوغها؛ بينما يساعد المنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم على قابلية التصلد من خلال تأخير التحولات الانتشارية على أعماق أكبر أسفل السطح المروي. وقد يتصلد فولاذ ذو محتوى كربوني متوسط وإضافات سبكية كافية عبر مقطع أكثر سمكاً من فولاذ أعلى كربوناً يفتقر إلى الدعم السبكي، مع بلوغه في الوقت نفسه صلادة مارتنسيتية قصوى مختلفة. ويجب أخذ شدة التبريد وحجم المقطع ودرجة حرارة الأوستنة وحجم الحبيبات والمراجعة في الاعتبار.

توضح المراجعة سبب عدم إمكانية إسناد تأثير دائم واحد إلى الكربون. فالمارتنسيت المروي صلب لأن الكربون محبوس في شبكة مفرطة التشبع. وأثناء المراجعة، ينتشر الكربون ويكوّن كربيدات انتقالية أو سمنتيت، مما يقلل الإجهاد الداخلي والصلادة، مع تحسين المتانة والاستقرار الأبعادي. ويمكن للموليبدينوم أن يعدل تفاعلات الكربيد ومقاومة المراجعة؛ كما يمكن للكروم أن يسهم في تكوين كربيدات سبكية. وقد يكون للفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم كربيدات أو كربونيتريدات مستقرة جداً بدلاً من ترك كل الكربون متاحاً لتكوين السمنتيت.

تنخفض قابلية اللحام عادةً مع زيادة الكربون وقابلية التصلد. فقد تبرد المنطقة المتأثرة بالحرارة لتتحول إلى مارتنسيت صلب، ثم يعزز الهيدروجين القابل للانتشار التشقق البارد. ويضيف المنغنيز والكروم والموليبدينوم والنيكل إلى استجابة التحول هذه، ولذلك تستخدم ممارسات اللحام غالباً تقييماً لمكافئ الكربون بدلاً من الاعتماد على الكربون وحده. وقد يلزم التسخين المسبق، والتحكم في المدخل الحراري، وإجراءات منخفضة الهيدروجين، والمعالجة الحرارية بعد اللحام، تبعاً للدرجة والسماكة.

يتفاعل الكربون أيضاً مع ممارسات السبك الدقيق في أنواع الفولاذ HSLA. فالنيوبيوم يثبط إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن، والتيتانيوم يكوّن رواسب TiN مستقرة تتحكم في حجم حبيبات إعادة التسخين، والفاناديوم يكوّن رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) تزيد مقاومة الخضوع، وفقاً لما وصفته AZoM. وتؤثر كمية الكربون في تركيب هذه الرواسب وكسرها الحجمي واستقرارها. ولذلك يمكن لتغير تركيبي صغير أن يغير كلاً من سلوك التحول والتقوية بالترسيب.

الكربون في تسميات الفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ السبائكي

توضح درجات الفولاذ المقاوم للصدأ بجلاء خاص سبب وجوب قراءة الكربون مع بقية نظام السبيكة. فالكروم يدعم تكوّن غشاء سلبي واقٍ من أكسيد الكروم، لكن الكربون يمكن أن يتفاعل مع الكروم أثناء التعرض ضمن نطاق درجات الحرارة المسببة للتحسس، ليكوّن M₂₃C₆ الغني بالكروم، والذي يُمثّل عادةً بالصيغة Cr₂₃C₆، عند حدود الحبيبات. وقد تصبح المعادن المجاورة مستنفدة من الكروم وأكثر عرضة للتآكل بين الحبيبات. وتقلل الدرجات منخفضة الكربون مثل ASTM A240 Type 304L وType 316L هذا الخطر مقارنةً بنظيراتها القياسية الكربون، شريطة التحكم أيضاً في ظروف التصنيع والخدمة.

تعني تسمية «L» انخفاض الكربون؛ ولا تعني أن الكربون لا يؤدي دوراً ميتالورجياً. وفي استخدامات ASTM وUNS، يقابل Type 304L الرمز UNS S30403، بينما يقابل Type 316L الرمز UNS S31603. ومع ذلك، يجب تفسير التسميات الشائعة مثل Type 304 وType 316 إلى جانب مواصفة المنتج المنطبقة والمعالجة الحرارية والتحليل الفعلي للصهرة. ويعمل النيكل على تثبيت الأوستنيت في هذه الدرجات، ويحسن الموليبدينوم مقاومة التآكل الموضعي في تركيبات Type 316، كما يمكن للنيتروجين أن يقوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، مع تأثيره أيضاً في استقرار الطور.

توفر العناصر المثبتة مساراً آخر. إذ يمكن للتيتانيوم أو النيوبيوم أن يتحد تفضيلياً مع الكربون، مكوناً TiC أو NbC، ومخففاً كمية الكربون المتاحة لتكوين كربيدات الكروم. وتستخدم درجات مثل Type 321 وType 347 هذا المبدأ، رغم أن التثبيت لا يلغي الحاجة إلى معالجة حرارية مناسبة. أما أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتية والثنائية الطور فتفرض حدوداً مختلفة؛ إذ يمكن للكربون أن يعزز تكوين الكربيدات، ويغير توازن الفريت–الأوستنيت، ويسهم في تكوين أطوار ثانوية تضعف مقاومة التآكل أو المتانة.

في تسميات الفولاذ السبائكي، قد يظهر الكربون من خلال أنظمة رقمية مثل SAE 1045، لكن التسمية لا تتنبأ بالكامل بالأداء. فكل من الكروم والنيكل والمنغنيز والموليبدينوم والمعالجة يحدد ما إذا كان ذلك الكربون سينتج بيرليت أو بينيت أو مارتنسيت أو كربيدات سبكية أو أوستنيتاً محتجزاً. والكربون هو العنصر البيني الرئيسي، وليس أداة تحكم منفردة.

4. المنغنيز والسيليكون في أنواع الصلب الكربوني العادي والصلب منخفض السبيكة

تعرّف الجمعية العالمية للصلب الصلبَ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، مع وجود المنغنيز وكميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين عادةً. ويصف هذا التعريف عائلةً من المواد، وليس تركيبة ثابتة. وتحدّد وحدة الصلب الكربوني العادي التابعة لـ Steeluniversity المنغنيز والسيليكون، إلى جانب الكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم، بوصفها عناصر يمكن أن تؤثر في المقاومة والمتانة وقابلية التحمل والمتانة ضد الكسر وقابلية التشغيل الآلي وقابلية التصلد وحجم الحبيبات والاستجابة للمعالجة الحرارية. وتأثيرات هذه العناصر مشروطة. فإضافة المنغنيز إلى درجة إنشائية منخفضة الكربون لا تُنتج البنية المجهرية نفسها التي تنتجها الإضافة ذاتها في صلب متوسط الكربون مُخمَّد ومُراجَع.

المنغنيز بوصفه عاملاً مساهماً في المقاومة وقابلية التصلد

يوجد المنغنيز عادةً في الصلب الكربوني العادي بوصفه عنصراً سبيكياً وإضافةً للتحكم في الكبريت في آنٍ واحد. وفي الفيريت، يوفّر المنغنيز تقويةً بالمحلول الصلب الإحلالي؛ إذ تحل ذرات المنغنيز محل ذرات الحديد في الشبكة البلورية، فتُحدث إجهاداً موضعياً يعيق حركة الانخلاعات. وتصف Steeluniversity هذا النوع من التقوية بأنه نتيجة لتشوّه الشبكة البلورية، وتتأثر شدته بالحجم الذري وقابلية الانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. ولا تكون الزيادة الناتجة في المقاومة مستقلةً عن الكربون أو حجم الحبيبات أو ظروف المعالجة. ولذلك يمكن لصلب يحتوي على المنغنيز، إذا أُجري له التطبيع أو التخمير أو التشغيل على البارد بدرجة كبيرة، أن يُظهر مقاومةً ومطيليةً مختلفتين حتى عندما يبقى تحليله الكيميائي دون تغيير.

كما يزيد المنغنيز قابلية التصلد. فهو يؤخر التحولات الانتشارية للأوستنيت إلى الفيريت والبرليت، مما يسمح بتحول جزء أكبر من الأوستنيت إلى بينيت أو مارتنسيت أثناء التبريد. ولهذا السبب يُعد المنغنيز مهماً في الدرجات متوسطة الكربون المخصصة للتخمير والمراجعة، وكذلك في أنواع الصلب الإنشائي منخفض السبيكة التي تجعل سماكة المقطع فيها التصلد الكامل أمراً صعباً. غير أن لهذه الفائدة حدوداً. فقد يؤدي الإفراط في المنغنيز إلى تشجيع الانفصال العنصري أثناء التصلب، ولا سيما في المقاطع المسبوكة الكبيرة، كما يمكن أن يسهم في تكوّن بنى نطاقية من الفيريت والبرليت بعد الدرفلة. وقد يؤدي هذا التوزيع الكيميائي النطاقي إلى اختلافات اتجاهية في المتانة والاستطالة وسلوك الكسر.

والمنغنيز أيضاً مثبتٌ للأوستنيت. إذ يمكنه خفض درجات التحول وتغيير درجة بدء تكوّن المارتنسيت، ولذلك لا يمكن استنتاج معدل التخمير وجدول المراجعة المختارين من محتوى الكربون وحده. ففي درجة مثل ASTM A572 Grade 50، يسهم المنغنيز في المقاومة والاستجابة للمعالجة، لكن الخواص الميكانيكية المحددة تظل معتمدةً على أسلوب الدرفلة وسماكة اللوح والتبريد والتركيب الكامل. وبالمثل، لا يمكن تفسير ASTM A36 انطلاقاً من محتواه من المنغنيز كما لو أن هذا العنصر وحده هو الذي يحدد قابلية اللحام أو المتانة.

ويضيف سلوك الحبيبات قيداً آخر. فقد يؤثر المنغنيز في نمو حبيبات الأوستنيت وحركية التحول، لكنه ليس بديلاً عن الدرفلة المتحكم فيها أو التطبيع أو ترسيب العناصر السبائكية الدقيقة. ويؤدي تنقية الحبيبات عموماً إلى تحسين مقاومة الخضوع والمتانة ضد الكسر من خلال علاقة هول–بيتـش، في حين تؤدي الحبيبات الخشنة عادةً إلى خفض المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة. ويتوقف التركيب النهائي للحبيبات على درجة حرارة إعادة التسخين والتشوه ومعدل التبريد والتفاعلات مع الكربون والنيتروجين والألومنيوم والنيوبيوم أو التيتانيوم.

السيليكون في نزع الأكسدة وتقوية الفيريت

للسيليكون وظيفتان مهمتان بوجه خاص. أولاً، يُستخدم بوصفه مزيلَ أكسدة أثناء صناعة الصلب. فقد يتفاعل الأكسجين المذاب مع الكربون أثناء التصلب ليكوّن أول أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى مسامية غازية وعيوب أخرى. ويتفاعل السيليكون مع الأكسجين لتكوين أكاسيد تحتوي على السيليكا، ويساعد في خفض كمية الأكسجين المذاب المتاحة لذلك التفاعل. وتعتمد فعالية هذه الممارسة على منظومة نزع الأكسدة بأكملها؛ فالألومنيوم والمنغنيز وإمكان الأكسجين وممارسات الخبث وإزالة الشوائب غير المعدنية كلها عوامل مهمة. ولذلك فإن وصف الصلب بأنه «مقتول بالسيليكون» يعبّر عن حالة معالجة ونزع أكسدة، ولا يضمن بنية مجهرية معينة.

ثانياً، يقوّي السيليكون الفيريتَ بالمحلول الصلب الإحلالي. فهو يشوّه شبكة الحديد ويرفع مقاومتها لحركة الانخلاعات، وغالباً ما يزيد مقاومة الخضوع من دون إضافة الكربون. وقد يكون ذلك مفيداً عندما تكون المقاومة مطلوبة من دون الفقد الكامل في قابلية اللحام والمطيلية المرتبط بزيادة كبيرة في الكربون. كما يؤثر السيليكون في تحولات الأطوار وتكوّن الكربيدات. ففي عدة أنظمة للمعالجة الحرارية، يؤخر ترسيب السمنتيت ويغيّر التوازن بين الفيريت والبرليت والبينيت والأوستنيت المحتجز. وبالتالي، قد يساعد المستوى نفسه من السيليكون على تكوين بنية مرغوبة، بينما يعقّد تكوين بنية أخرى.

ولا يكون السيليكون مفيداً تلقائياً للمتانة. فقد تؤدي المقاومة الأعلى إلى خفض الاستطالة المنتظمة، كما يمكن للشوائب غير المعدنية الخشنة المتكوّنة أثناء نزع الأكسدة أن تصبح مواقع لبدء الشقوق إذا لم تتم السيطرة عليها. ويمكن للسيليكون أيضاً أن يؤثر في الاستجابة للمراجعة وفي أكسدة السطح أثناء إعادة التسخين. والسؤال المهم ليس ما إذا كان السيليكون «يزيد المقاومة»، بل ما إذا كان تأثيره التقويتي وتوزيع الشوائب وسلوكه أثناء التحول تتناسب مع مستوى الكربون والتاريخ الحراري للصلب.

التفاعلات مع الكبريت والكربون والمعالجة الحرارية

أوضح تفاعل للمنغنيز هو تفاعله مع الكبريت. إذ يتحد الكبريت تفضيلياً مع المنغنيز ليكوّن كبريتيد المنغنيز، MnS، بدلاً من السماح لكبريتيد الحديد بالبقاء متركزاً عند حدود الحبيبات. ويمكن لكبريتيد الحديد أن يسبب الهشاشة الساخنة أثناء الدرفلة، لأن الأغشية منخفضة الانصهار تضعف الحدود. ويقلل MnS هذا الخطر، لكن الشوائب ليست غير ضارة؛ فالكبريتيدات الممدودة الناتجة عن الدرفلة يمكن أن تخفض المطيلية العرضية والمتانة عند الصدم، كما يمكن أن تعمل مواقع لبدء تعب المادة أو التشقق المساعد بالهيدروجين. وقد تغيّر المعالجة بالكالسيوم والتحكم في شكل الشوائب ودرجة الاختزال أثناء الدرفلة هذا التأثير من دون تغيير التحليل الكلي للكبريت.

ويحدد الكربون نطاق تأثيرات كلا العنصرين. فعند انخفاض الكربون، يعدّل المنغنيز والسيليكون أساساً مقاومة الفيريت ونسبة البرليت وقابلية اللحام ودرجات التحول. أما عند المستويات المتوسطة أو الأعلى من الكربون، فيزيد المنغنيز قابلية التصلد، بينما يمكن للسيليكون أن يغيّر ترسيب الكربيدات وسلوك المراجعة. وقد يؤدي التخمير حينئذٍ إلى تكوين المارتنسيت عبر مقطع كان سيكوّن البرليت لولا ذلك، إلا أن زيادة الصلادة ترفع خطر تشققات التخمير ما لم تتم السيطرة على المراجعة والتبريد.

وقد يفوق تاريخ المعالجة قاعدةً تركيبية بسيطة. فالتطبيع ينقّي البنية ويعيد ضبطها؛ والتخمير يخفّض الصلادة؛ والتخمير السريع يثبط النواتج الانتشارية؛ أما المراجعة فتبادل جزءاً من الصلادة بالمتانة والاستقرار البُعدي. وتحدد درجة حرارة الدرفلة ومعدل التبريد ما إذا كان انفصال المنغنيز سيظهر على هيئة نطاقات، وما إذا كانت أنواع الصلب المحتوية على السيليكون ستكوّن البنية المقصودة من الفيريت والبرليت أو البينيت. ويحذّر تقرير Nippon Steel من أن سلوك تحولات الأطوار قد يختلف بدرجة كبيرة مع اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز العناصر السبائكية، في حين يمكن للانفصال عند حدود الحبيبات والسطوح البينية أن يغيّر آليات التحول.

وتفسر هذه الحساسية سبب ضرورة قراءة جداول التركيب بالاقتران مع المعايير وممارسات صناعة الصلب والمعالجة الحرارية. فالمنغنيز والسيليكون عنصران مؤثران، كما تذكر Steeluniversity، لكن لا يملك أيٌّ منهما اتجاهاً مضموناً واحداً بالنسبة إلى كل خاصية. إذ يحدد التحكم في الأكسجين وشكل الكبريت ومحتوى الكربون والانفصال وحجم الحبيبات والمسار الحراري ما تفعله هذه العناصر فعلياً في الصلب النهائي.

5. الكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير: التأثيرات المفيدة والمخاطر المعدنية

تعرّف الرابطة العالمية للصلب الفولاذَ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، مع وجود المنغنيز وكميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين أيضًا بصورة شائعة. ويمكن لهذه الإضافات «الأصغر» أن تغيّر مع ذلك سلوك المعالجة وأداء الخدمة. وتدرج Steeluniversity السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم ضمن العناصر التي تؤثر في المقاومة والمطيلية والمتانة وقابلية التشغيل بالقطع وقابلية التصليد وحجم الحبيبات والاستجابة للمعالجة الحرارية في أنواع الفولاذ الكربوني العادي.

والقيد المهم هو أن التركيب ليس مجموعة من المفاتيح المستقلة. فقد يكون العنصر مذابًا في الفريت، أو مرتبطًا في مركّب، أو متركزًا عند حدود الحبيبات، أو معاد توزيعه أثناء الصب والدرفلة. ووفقًا لتقرير تقني صادر عن Nippon Steel، يمكن لتغير لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر السبيكة أن يغيّر بصورة كبيرة سلوك التحولات الطورية. كما يمكن للتغيرات الأصغر أن تكون مهمة عندما تؤثر في الشوائب أو الترسيب أو الانفصال العنصري.

الكبريت وقابلية التشغيل بالقطع

يُضاف الكبريت غالبًا إلى أنواع الفولاذ سهلة التشغيل بالقطع، لأنه يمكن أن يحسّن تكسّر الرايش ويقلل قوى القطع. وتتمثل وسيلته المعدنية الرئيسية في كبريتيد المنغنيز، MnS. ويتحد المنغنيز مع الكبريت على نحو تفضيلي، مما يحد من تكوّن كبريتيد الحديد وينتج شوائب كبريتيدية تتشوه أثناء التشغيل على الساخن. وفي عمليات التشغيل بالقطع، يمكن لهذه الشوائب أن تساعد على تكسر الرايش بدلًا من تكوّنه في صورة شريط طويل ومتصل. وقد تكون النتيجة تحسينًا في نعومة السطح، وتقليلًا للحمل الواقع على الأداة، وزيادة في اتساق القطع الآلي.

غير أن لهذه الفائدة كلفة. فشوائب MnS تمثل انقطاعات في مصفوفة الفولاذ، ويؤثر شكلها وحجمها وعددها واتجاهها في السلوك الميكانيكي. وتؤدي الدرفلة على الساخن عادةً إلى استطالة الكبريتيدات في اتجاه الدرفلة، مما ينتج خواص اتجاهية. ولذلك يمكن أن تكون المطيلية الشدية والمتانة الصدمية المقاسة عرضيًا على اتجاه الدرفلة أقل من القيم المقاسة طوليًا. وتكون الشوائب الكبيرة أو المتجمعة أكثر ضررًا من مجموعة دقيقة وموزعة توزيعًا متجانسًا.

ويمكن للكبريت أيضًا أن يقلل قابلية اللحام ويضعف المتانة عندما يحتوي الفولاذ على توازن غير ملائم بين المنغنيز والكبريت. فالمنغنيز ضروري لربط الكبريت في صورة MnS؛ وإذا لم تكن كمية المنغنيز المتاحة كافية، فقد يسهم كبريتيد الحديد في حدوث الهشاشة الساخنة أثناء التشوه عند درجات الحرارة المرتفعة. وتعتمد الاستجابة الدقيقة على تركيز الكبريت، وتركيز المنغنيز، وشكل الشوائب، ومقدار الاختزال بالدرفلة، واتجاه الخدمة النهائي.

يمكن للكبريت أن يحسن قابلية التشغيل الآلي، لكنه قد يقلل المطيلية العرضية أو متانة الصدم أو مقاومة الكلال أو أداء اللحام. Limited evidence

وهذا يجعل عبارة «الكبريت يحسّن قابلية التشغيل بالقطع» عبارة غير مكتملة. فهي صحيحة بالنسبة إلى عملية قطع مصممة للفولاذ سهل التشغيل بالقطع، لكن إضافة الكبريت نفسها قد تكون غير مرغوبة في مكوّن يتطلب متانة عرضية عالية، أو مقاومة للتعب، أو أداء لحام موثوقًا. فدرجة قابلية التشغيل بالقطع ليست تلقائيًا درجة إنشائية أفضل. والتأثير المفيد خاص بالعملية.

الفوسفور والمتانة والانفصال العنصري

الفوسفور عنصر إحلالي في الحديد، ويمكن أن يسهم في التقوية بالمحلول الصلب. وتوضح Steeluniversity أن التقوية الإحلالية تنتج من تشويه الشبكة البلورية، وترتبط شدتها بالحجم الذري وقابلية الانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. ولذلك يمكن للفوسفور أن يرفع المقاومة، لكن زيادة المقاومة لا تضمن تحسن الأداء؛ فقد تنخفض المطيلية والمتانة، ولا سيما عندما يتركز الفوسفور في مناطق معرضة للضرر.

ويتمثل القلق الرئيسي في الانفصال العنصري. فأثناء التصلب، قد يتوزع الفوسفور بصورة غير متجانسة بين المادة الصلبة النامية والسائل المتبقي. وقد يزداد تركيز الفوسفور في السائل الأخير المتجمد، مما يترك نطاقات أو مناطق موضعية ذات محتوى أعلى من الفوسفور. وقد تؤدي الدرفلة اللاحقة إلى إطالة هذه التغيرات التركيبية وتحويلها إلى تراكيب نطاقية. كما أن الإثراء عند حدود الحبيبات مهم أيضًا، لأن مقاومة الكسر تعتمد على كيمياء الحدود وتماسكها، وليس على متوسط التركيب المقاس للدفعة المعدنية بأكملها فقط.

ويرتبط ارتفاع الفوسفور بانخفاض المطيلية وزيادة خطر الكسر الهش، ولا سيما عند اقترانه بحبيبات خشنة أو بدرجات حرارة منخفضة أو بتقييد مرتفع أو بظروف أخرى مسببة للهشاشة. وليس هذا التأثير عقوبة ثابتة عند كل تركيز. فقد تكون عاقبة كمية صغيرة من الفوسفور مذابة بانتظام نسبيًا مختلفة عن عاقبة الإضافة الاسمية نفسها عندما تتركز في المناطق بين التغصنات أو عند حدود الحبيبات.

ويحدد تاريخ المعالجة مقدار الخطر المتبقي. فمن شأن إعادة التسخين والدرفلة أن تفكك أنماط الانفصال، وتغير حجم الحبيبات، وتعدل توزيع الأطوار الثانوية، لكنها لا تجعل التركيب غير ذي صلة. كما يؤثر معدل التبريد بعد التشغيل على الساخن والمعالجة الحرارية اللاحقة في البنية المجهرية النهائية. ويوضح تحذير Nippon Steel من التغيرات الكبيرة في سلوك التحولات الناتجة عن اختلاف تركيبي قدره 1% سبب عدم إمكان التنبؤ بالمتانة من التركيب الكيميائي الاسمي وحده.

ولذلك يحتل الفوسفور موقعًا إشكاليًا: فقد يضيف مقاومة، وقد يساعد في بعض مسارات التصنيع، إلا أن الفوسفور المفرط أو غير المتوزع بانتظام يمكن أن يقلل المطيلية والمتانة الصدمية. ويتطلب التقييم الصحيح معرفة درجة الفولاذ، وسماكة المنتج، والدورة الحرارية، واتجاه الاختبار، ودرجة حرارة الخدمة المقصودة.

الألومنيوم والنحاس والقصدير كعناصر تشغيلية أو متبقية

يرتبط الألومنيوم على نطاق واسع بإزالة الأكسدة من الفولاذ. فأثناء صناعة الفولاذ، يمكن للأكسجين المذاب أن يتفاعل مع الألومنيوم لتكوين أكسيد الألومنيوم، Al₂O₃. وتؤدي إزالة الأكسجين إلى تغيير نظافة المصهور وسلوك تصلبه، في حين يمكن لمحتوى الألومنيوم المتبقي أن يؤثر أيضًا في التحكم بالحبيبات. وقد يتحد الألومنيوم مع النيتروجين لتكوين نتريد الألومنيوم، AlN؛ ويؤثر حجم هذه الجسيمات وتوزيعها وحالة ذوبانها في تطور حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين. وهذا تأثير متعلق بالعملية، وليس وعدًا عامًا بتكوين حبيبات أدق في ظل كل برنامج حراري.

وقد يؤدي الإفراط في الألومنيوم أو ضعف التحكم فيه إلى تكوين شوائب أكسيدية أو تغيير سلوك الصب. وتعتمد النتيجة على نشاط الأكسجين، ومحتوى النيتروجين، ودرجة حرارة المعالجة، وظروف التصلب، وممارسات إعادة التسخين. ولذلك فإن عبارة «الألومنيوم ينقّي الحبيبات» واسعة أكثر من اللازم ما لم يُحدَّد مسار صناعة الفولاذ وتجمع الجسيمات.

وتحدد Steeluniversity النحاس والقصدير ضمن العناصر التي تؤثر في خواص الفولاذ الكربوني العادي، لكنهما يردان غالبًا في النقاش بوصفهما عنصرين متبقيين لا إضافتين رئيسيتين مقصودتين. فقد يبقى النحاس من المواد الأولية المعاد تدويرها، ويمكن أن يؤثر في التحول والمقاومة وسلوك الأكسدة والاستجابة للتشغيل على الساخن عندما يصبح تركيزه مهمًا. وقد يرافق القصدير المادة الأولية نفسها، ويمكن أن يعدل سلوك الفولاذ عند التراكيز المنخفضة أو يصبح أكثر ضررًا مع تراكمه. ولا يمكن تحديد تأثيراتهما من اسم العنصر وحده.

ويتسم النحاس والقصدير بحساسية خاصة للتركيز وتاريخ المعالجة، لأن توزيعهما يتغير أثناء الصهر والتصلب وإعادة التسخين والتشوه. فقد لا يُحدث مستوى متبقٍ أي تغير مهم في منتج ما، لكنه قد يكون مهمًا في منتج آخر ذي محتوى كربوني مختلف، أو معدل تبريد مختلف، أو حالة سطحية مختلفة، أو برنامج تشغيل على الساخن مختلف. وقد يكون السلوك الغني بالنحاس بالقرب من السطح أثناء إعادة التسخين ذا صلة خاصة بخطر الهشاشة الساخنة، لكن شدة هذا الخطر تعتمد على التركيب الكيميائي الكامل وممارسات الفرن، لا على النحاس وحده.

والدرس العملي ليس أن الكبريت أو الفوسفور أو الألومنيوم أو النحاس أو القصدير ينبغي دائمًا تقليلها أو إضافتها دائمًا. فقد يؤدي كل منها غرضًا مضبوطًا، أو يتسبب في عيب، تبعًا لموضع وجوده، والمركبات التي يكوّنها، والتاريخ الحراري والميكانيكي الذي يتلقاه الفولاذ. ومن ثم فإن قائمة العناصر لدى Steeluniversity هي خريطة للمتغيرات، وليست سجلًا لتأثيرات مضمونة. ويجب قراءة التركيب إلى جانب تركيب الأطوار، والانفصال العنصري، وشكل الشوائب، وحجم الحبيبات، وتاريخ المعالجة.

6. الكروم: قابلية التصلد، ومقاومة الأكسدة، والتخميل

غالبًا ما يوصف الكروم كما لو أنه «يجعل الفولاذ غير قابل للصدأ» ببساطة. ويخلط هذا الوصف بين تأثيرين مختلفين. فالكروم المذاب في جميع أنحاء الفولاذ يمكن أن يغيّر تحولات الأطوار، وقابلية التصلد، وتكوّن الكربيدات، والمتانة عند درجات الحرارة المرتفعة. أما الكروم الموجود على سطح نظيف مكشوف، فيمكن أن يتفاعل مع الأكسجين ويكوّن غشاءً رقيقًا من أكسيد الكروم يبطئ استمرار التآكل. التأثير الأول تأثير فلزي حجمي؛ أما الثاني فهو تخميل سطحي. وهما مرتبطان، لكن لا يمكن استبدال أحدهما بالآخر.

تعرّف الجمعية العالمية للصلب الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون. ويمكن بعد ذلك إضافة الكروم بكميات تتراوح من إضافة سبائكية صغيرة في فولاذ الهندسة إلى نحو 10.5% أو أكثر في درجات الفولاذ المقاوم للصدأ. ولا يحدد التركيب وحده النتيجة. فمعدل التبريد، ودرجة حرارة الأوستنة، وحجم الحبيبات السابق، ونشاط الكربون، والانفصال، والدورات الحرارية للحام، ووجود النيكل والموليبدينوم والنيتروجين والمنغنيز والعناصر المثبتة، كلها تغيّر التأثير العملي للكروم. وتفيد شركة Nippon Steel بأن سلوك تحولات أطوار الفولاذ يمكن أن يتغير بدرجة كبيرة مع اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر سبائكي، وهو تحذير مفيد من التعامل مع تصنيف السبيكة بوصفه وصفًا كاملًا لبنيتها المجهرية.

الكروم في أنواع الفولاذ منخفض السبيكة والمقاوم للحرارة

في الفولاذ منخفض السبيكة، يزيد الكروم قابلية التصلد من خلال تأخير التحولات من الأوستنيت إلى الفيريت والبرليت والباينيت أثناء التبريد. ولذلك يمكن لمقطع أكثر سماكة أن يكوّن مارتنسيت، أو نسبة أكبر من الباينيت، عند معدل تبريد كان سيترك فولاذًا كربونيًا غير سبائكي مكوّنًا جزئيًا من البرليت. ولا يجعل الكروم كل منطقة في المكوّن متساوية في الصلادة. فما زالت النتيجة تعتمد على محتوى الكربون، وحجم المقطع، وحجم حبيبات الأوستنيت، وشدة التخمير، ومعالجة المراجعة.

يعمل الكروم أساسًا كمذاب إحلالي في الفيريت والأوستنيت. وتوضح Steeluniversity أن السبك الإحلالي يقوي الشبكة البلورية من خلال تشويهها، وتتأثر شدة هذا التأثير بالحجم الذري، وقابلية الانضغاط، والتكافؤ الكيميائي، والسالبية الكهربائية. ولذلك يمكن للكروم أن يسهم في التقوية بالمحلول الصلب، إلا أن أهم تأثيراته في كثير من الدرجات المعالجة حراريًا تنشأ من حركية التحول وكيمياء الكربيدات، لا من إجهاد الشبكة وحده.

يغيّر الكربون هذا التوازن. فللكروم ألفة قوية تجاه الكربون، ويمكنه تكوين كربيدات غنية بالكروم، بما في ذلك عائلة M${}_{23}$C${}_6$، حيث قد يكون M أساسًا من الكروم مع مساهمات من الحديد وعناصر فلزية أخرى. وفي أنواع الفولاذ المقاومة للحرارة المصممة على نحو مناسب، تساعد جسيمات الكربيد على مقاومة الزحف وانزلاق حدود الحبيبات. إلا أن التكوّن المفرط أو غير المنضبط للكربيدات يمكن أن يزيل الكروم من المصفوفة المحيطة، ويخفض مقاومة التآكل المحلية، وينتج بنيات مجهرية هشة أو صعبة اللحام.

كما يحسن الكروم مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة المرتفعة. إذ يمكن لسطح يحتوي على الكروم أن يكوّن قشرة أكسيدية متماسكة نسبيًا، مما يقلل معدل استمرار أكسدة الحديد. لكن هذا لا يعني أن أي فولاذ منخفض السبيكة يحتوي على الكروم سيتصرف مثل الفولاذ المقاوم للصدأ في الهواء أو البخار أو غازات الاحتراق. ويعتمد استقرار الأكسيد على تركيز الكروم، ودرجة الحرارة، وكيمياء الغاز، وحالة السطح، والدورات الحرارية، وما إذا كانت القشرة تظل مستمرة. ويمكن للسيليكون والألومنيوم أيضًا أن يغيرا تكوّن القشور عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما يؤثر النيكل في استقرار الأطوار والتمدد الحراري.

وتوضح أنواع الفولاذ الفيريتية المقاومة للحرارة وفولاذ الكروم المارتنسيتي المفاضلات القائمة. فقد يحسن ارتفاع محتوى الكروم مقاومة الأكسدة، لكنه قد يعزز استقرار الفيريت ويغير كمية الأوستنيت المتاحة أثناء المعالجة الحرارية. ويمكن للكربون والموليبدينوم والفاناديوم والنيوبيوم والتنغستن بعد ذلك التحكم في ترسب الكربيدات أو الكربونيتريدات ومقاومة الزحف. وقد تؤدي زيادة اسمية في الكروم إلى نتيجة مختلفة بعد التطبيع أو التخمير أو المراجعة أو اللحام أو التعرض المطول أثناء الخدمة.

ويظهر الارتباط نفسه بين التركيب والمعالجة في فولاذ HSLA، حتى عندما لا يكون الكروم هو عنصر التقوية الرئيسي. وتصف AZoM النيوبيوم بأنه يثبط إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن، والتيتانيوم بأنه يكوّن رواسب مستقرة من TiN تتحكم في حجم الحبيبات أثناء إعادة التسخين، والفاناديوم بأنه يكوّن رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) ترفع مقاومة الخضوع. ويتفاعل الكروم مع هذه الإضافات من خلال تغيير استقرار الأوستنيت، وظروف الترسب، ودرجات حرارة التحول. فهو ليس مفتاحًا معزولًا لقابلية التصلد.

التخميل بأكسيد الكروم في الفولاذ المقاوم للصدأ

يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ كمية كافية من الكروم في المصفوفة للحفاظ على سطح واقٍ خامل. والحد الشائع هو نحو 10.5% من الكروم بالكتلة، لكن هذه النسبة تمثل حدًا تصنيفيًا، وليست ضمانًا لتطابق سلوك الخدمة. فالدرجة، وحالة السطح، والبيئة، والشوائب، وتاريخ اللحام، والتلوث، كلها عوامل مهمة.

يدعم الكروم تخميل الفولاذ غير القابل للصدأ من خلال تكوين غشاء رقيق متماسك من أكسيد الكروم على السطح المكشوف. Strong evidence

والآلية التي توردها thyssenkrupp Materials مباشرة: يتفاعل الكروم مع الأكسجين ليكوّن طبقة واقية من أكسيد الكروم. وهذا الغشاء رقيق للغاية، ومتلاصق، وقادر على إعادة التكوّن عندما يتوافر الأكسجين بعد حدوث ضرر ميكانيكي طفيف. وهو يفصل السبيكة الغنية بالحديد الموجودة تحته عن البيئة، ويخفض بدرجة كبيرة معدل استمرار الذوبان. ولذلك فالتخميل تفاعل سطحي، وليس زيادة حجمية في الصلادة.

قد يحتوي الفولاذ على كمية كبيرة من الكروم، ومع ذلك يتعرض للتآكل الموضعي إذا تضرر الغشاء الخامل أو زعزعت المواد الكيميائية استقراره. ويمكن لأيونات الكلوريد، والشقوق، والترسبات، والظروف الحمضية، وتلوث الحديد، والأسطح الخشنة، وتأثيرات حرارة اللحام، أن تبدأ التنقر أو التآكل الشقي. ويحسن الموليبدينوم مقاومة التنقر الناجم عن الكلوريد، وهو سبب رئيسي في أن EN 1.4401 / X5CrNiMo17-12-2 وAISI 316 يقاومان هذه البيئات عمومًا بدرجة أفضل من EN 1.4301 / X5CrNi18-10 وAISI 304. وتحدد هذه التصنيفات نطاقات التركيب، لكنها لا تلغي الاختلافات الناجمة عن التصنيع أو التعرض.

يثبت النيكل الأوستنيت ويساعد على الاحتفاظ بالبنية المكعبة متمركزة الوجوه عند درجة حرارة الغرفة. كما يؤثر في المتانة، والتصلد بالتشوه، والتمدد الحراري، والتوازن بين الفيريت والأوستنيت أثناء اللحام. ويمكن للنيتروجين أن يقوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ ويحسن مقاومته للتآكل الموضعي، بينما يدعم الموليبدينوم مقاومة التنقر. وتعتمد تأثيراتهما على التركيز والتفاعل المتبادل. ويوفر الكروم الكيمياء الأساسية اللازمة للتخميل، لكن أداء الفولاذ المقاوم للصدأ هو خاصية منظومة تعتمد على السبيكة وحالتها.

الكروم والكربون والتحسس

يتعلق أهم تحذير بشأن الكروم في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بالكربون عند حدود الحبيبات. فعند التسخين ضمن نطاق تقريبي يتراوح بين 500 و850 °C، قد تترسب كربيدات M${}_{23}$C${}_6$ الغنية بالكروم عند حدود حبيبات الأوستنيت إذا كان الكربون قادرًا على الانتشار إليها. وعندئذ تُستنزف المصفوفة المجاورة من الكروم. ورغم أن التركيب الحجمي قد يحتوي على كمية كافية من الكروم تؤهله ليصنّف فولاذًا مقاومًا للصدأ، فإن مناطق ضيقة مستنزفة من الكروم قد تفقد خمولها وتصبح عرضة للتآكل بين الحبيبات.

التحسسالتحسس حالة في الفولاذ غير القابل للصدأ تتكوّن فيها كربيدات غنية بالكروم عند حدود الحبيبات، فتترك المناطق المجاورة مستنفدة من الكروم.

تسمى هذه الحالة التحسس. وهي مهمة بوجه خاص بعد اللحام، لأن المنطقة المتأثرة بالحرارة قد تمكث مدة كافية في نطاق التحسس تسمح بترسب الكربيدات. ويمكن للتبريد السريع أن يقلل مدة التعرض، لكن إجراء اللحام، وسماكة اللوح، ومدخل الحرارة، والتقييد، والتاريخ الحراري السابق، هي التي تحدد النتيجة الفعلية.

تقلل الدرجات منخفضة الكربون، مثل EN 1.4307 / X2CrNi18-9 وEN 1.4404 / X2CrNiMo17-12-2، كمية الكربون المتاحة، ومن ثم تقلل الميل إلى تكوين كربيدات الكروم. أما الدرجات المثبتة فتضيف التيتانيوم أو النيوبيوم، اللذين يرتبطان بالكربون تفضيليًا على هيئة TiC أو NbC. وبذلك يظل الكروم متاحًا بدرجة أكبر في المصفوفة اللازمة للتخميل. وليس التثبيت علاجًا شاملًا؛ فالرواسب المفرطة، أو المعالجة الحرارية غير الصحيحة، أو التعرض الحراري اللاحق، قد يسبب مشكلات أخرى في البنية المجهرية.

ولا يزال للكربون دور مفيد. فهو يقوي الأوستنيت ويمكن أن يسهم في مقاومة الاهتراء، بينما يؤثر الكربون والنيتروجين في طاقة أخطاء التراص والتصلد بالتشوه. وتتمثل الصعوبة في التحكم في مسار الكربون والمركبات التي تتكوّن. وقد يوجد الكروم والنيكل والموليبدينوم والنيتروجين والتيتانيوم والنيوبيوم جميعًا، إلا أن تأثيراتها تعتمد على استقرار الأطوار، والترسب، والانفصال، وتاريخ المعالجة. فالكروم أساسي للتخميل، لكنه لا يعمل منفردًا، ولا يمكن لتصنيف الفولاذ المقاوم للصدأ أن يتنبأ بالأداء دون معرفة البنية المجهرية التي أوجدتها المعالجة.

7. النيكل والتحكم في السلوك الأوستنيتي والفيرّيتي

غالبًا ما يوصف النيكل بأنه عنصر تقوية، لكن هذا الوصف غير مكتمل. فتأثيره يعتمد على ما إذا كان يظل مذابًا في الفيرّيت، أو يثبّت الأوستنيت، أو يعزز بنية طورية مختلطة، أو يغيّر مسار التحول أثناء التبريد والتصنيع. فالإضافة نفسها التي تحسّن المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة في فولاذ فيرّيتي لأوعية الضغط يمكنها أيضًا إبقاء الأوستنيت مستقرًا في الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يغيّر التصلد بالتشوه، وتصلب معدن اللحام، وكمية المارتنسيت المتكوّنة أثناء التشوه.

يكتسب هذا التمييز أهميته لأن الفولاذ ليس بنية بلورية واحدة. ووفقًا لتعريف World Steel Association، الفولاذ هو سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، مع إضافة عناصر أخرى بكميات أصغر أو أكبر. ويشغل النيكل مواقع إحلالية في الشبكة البلورية للحديد. وتوضح Steeluniversity أن التقوية الإحلالية تنتج عن تشوه الشبكة، وتتأثر شدتها بالحجم الذري، وقابلية الانضغاط، والتكافؤ الكيميائي، والسالبية الكهربائية. ولذلك يغيّر النيكل كلًا من مقاومة حركة الانخلاعات واستقرار الأطوار التي تتحرك خلالها تلك الانخلاعات.

النيكل بوصفه عنصرًا للتقوية وزيادة المتانة

في الفولاذ الفيرّيتي، يسهم النيكل في التقوية بالمحلول الصلب الإحلالي. وتختلف ذرات النيكل عن الحديد في الحجم وسلوك الترابط، ولذلك يؤدي وجودها إلى نشوء مجالات انفعال مرنة موضعية. وتتفاعل الانخلاعة المتحركة مع هذه المجالات، ما يتطلب إجهادًا مطبقًا أكبر لمواصلة حركتها. وتكون الزيادة في مقاومة الخضوع عادةً معتدلة مقارنةً بالتصلد بالترسيب أو التحول المارتنسيتي، لكنها مفيدة لأن النيكل يستطيع تقوية الفيرّيت من دون إحداث الفقد الشديد في المطيلية المرتبط بزيادة الكربون أو بالأطوار الثانوية الصلبة.

وغالبًا ما تكون المساهمة الأهم هي المتانة. إذ تحدد مناقشة AZoM لعناصر فولاذ السبائك النيكل عنصرًا يقوّي الفولاذ الفيرّيتي ويزيد متانته، مع ازدياد أهمية هذه الفائدة خصوصًا عند درجات الحرارة تحت الصفر. ولا تمثل هذه الحالة قاعدة عامة من نوع «المزيد من النيكل يعني مزيدًا من القوة». فالنيكل يؤثر في تحول الفيرّيت إلى الأوستنيت، وفي التشوه على مستوى الحبيبات، وفي درجة الحرارة التي يصبح عندها الكسر الهش بالانشطار منافسًا للكسر المطيل وقادرًا على الحدوث. وفي التركيبات والمعالجات الحرارية المناسبة، يخفض النيكل درجة حرارة الانتقال من المطيلية إلى الهشاشة، ويساعد الفولاذ الفيرّيتي على امتصاص طاقة الصدم أثناء الخدمة الباردة.

وتنتج عن ذلك مجموعة مفيدة من الخصائص: زيادة في المقاومة مع تحسن مقاومة الكسر الهش. وتفسر هذه المجموعة استخدام أنواع الفولاذ المحتوية على النيكل والمخصصة لدرجات الحرارة المنخفضة، مثل درجات أوعية الضغط المحتوية على 9% من النيكل والمشمولة بالمواصفة ASTM A553/A553M. ولا يعود أداؤها إلى النيكل وحده؛ إذ يؤثر كل من مستوى الكربون، والمنغنيز، والمعالجة الحرارية، والأوستنيت المحتجز، وشكل المارتنسيت، وحجم الحبيبات، والدورات الحرارية للحام في المتانة النهائية. والنيكل جزء من تصميم مضبوط للأطوار والبنية المجهرية.

ويجب كذلك التعامل مع التركيب باعتباره متغيرًا محدود النطاق، لا وصفة ثابتة. إذ تفيد Nippon Steel بأن سلوك تحول أطوار الفولاذ يمكن أن يتغير بدرجة كبيرة نتيجة اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر من عناصر السبائك. وتكمن الدلالة العملية في أن المحتوى الاسمي للنيكل لا يتنبأ بالخواص من دون معرفة التركيب الكامل والتاريخ الحراري. فقد يؤدي الانفصال أثناء التصلب إلى اختلاف تركيز النيكل موضعيًا، بينما يمكن أن ينتج عن اللحام مناطق ذات معدلات تبريد ونسب أطوار مختلفة عن تلك الموجودة في الصفيحة الأصلية.

المتانة عند درجات الحرارة تحت الصفر في الفولاذ الفيرّيتي

تمتلك أنواع الفولاذ الفيرّيتي بنية مكعبة مركزية الجسم، وتُظهر أنواع كثيرة من الفولاذ ذي البنية BCC اعتمادًا واضحًا لسلوك الكسر على درجة الحرارة. فعند درجات الحرارة الأعلى، يمكن للجريان اللدن عند طرف الشق أن يخفف حدة الشق ويدعم الكسر المطيل. ومع انخفاض درجة الحرارة، تصبح حركة الانخلاعات أكثر صعوبة، ويصبح الانشطار أكثر تنافسية، وقد تنخفض متانة الصدم بسرعة. وتكمن قيمة النيكل في قدرته على إزاحة هذا الانتقال نحو درجات حرارة أقل.

ولا ينبغي الخلط بين هذه الفائدة والإزالة الكاملة لمخاطر درجات الحرارة المنخفضة. إذ يمكن لبنية حبيبية فيرّيتية خشنة، أو لانفصال الفوسفور، أو لمارتنسيت غير مُراجَع، أو لعيوب اللحام، أو لطور ثانٍ هش ومستمر، أن يسبب كسرًا مبكرًا. فقد يحسن النيكل استجابة المصفوفة، بينما تتحكم سمة أخرى في الفشل. وتكتسب تنقية الحبيبات أهمية خاصة، لأن حبيبات الفيرّيت الأصغر ترفع عمومًا إجهاد كسر الانشطار وتخفض درجة حرارة الانتقال الفعلية.

ولذلك تتطلب أنواع الفولاذ الفيرّيتي المحتوية على النيكل ضبطًا للعملية. فالتطبيع، والتقسية والمراجعة، والمعالجة بين الحرجة، واللحام، تنتج جميعها توزيعات مختلفة من الفيرّيت، والباينيت، والمارتنسيت، والأوستنيت المحتجز. ويؤثر محتوى النيكل في درجات حرارة التحول وقابلية التصلد، لكنه لا يحدد البنية النهائية بمفرده. فقد ينتج معدل تبريد يكوّن باينيت متينًا في سُمك معين من الصفائح بنيةً أصلب وأقل تسامحًا في سُمك آخر.

وعند درجات الحرارة فائقة الانخفاض، يصبح الفرق بين المقاومة والمتانة واضحًا بصورة خاصة. فقد تزداد المقاومة مع انخفاض درجة الحرارة، بينما تنخفض مقاومة الكسر. وتكمن قيمة النيكل في قدرته على تحسين جانبي هذا التوازن في أنواع الفولاذ الفيرّيتي المصممة بصورة مناسبة، بدلًا من مجرد زيادة الإجهاد اللازم لبدء الخضوع.

النيكل واستقرار الأوستنيت في الفولاذ المقاوم للصدأ

يؤدي النيكل في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ وظيفة مركزية مختلفة، هي تثبيت طور الأوستنيت ذي البنية المكعبة متمركزة الوجه. ويوفر الكروم غشاء الأكسيد الغني بالكروم المسؤول عن التخميل المقاوم للصدأ، بينما يساعد النيكل على الاحتفاظ بالأوستنيت عند درجة حرارة الغرفة بعد التشغيل على الساخن، والتخمير بالمحلول، والتبريد. وتجمع الدرجات الشائعة، مثل UNS S30400، المصنفة على أنها النوع 304 بموجب ASTM A240، وUNS S31603، المصنفة عادةً على أنها النوع 316L بموجب ASTM A240، بين كميات كبيرة من الكروم والنيكل؛ كما يحتوي النوع 316L على الموليبدينوم لتحسين مقاومة التآكل الموضعي.

ويتحكم استقرار الأوستنيت في سلوك التصنيع. فعادةً لا يمكن تقوية أنواع الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ بالتقسية التقليدية بالتبريد المفاجئ، لأن التبريد لا يحول المصفوفة إلى مارتنسيت كربوني عادي. وبدلًا من ذلك، تكتسب هذه الأنواع مقاومتها من المحلول الصلب، والتحكم في حجم الحبيبات، والتشغيل على البارد. ويظل الأوستنيت المستقر مطيلًا أثناء التشكيل، لكن عدم كفاية الاستقرار قد يسمح بتكوّن مارتنسيت مستحث بالتشوه. ويرفع هذا التحول المقاومة والتصلد بالتشوه، مع تقليل قابلية التنبؤ بالأبعاد، وفي بعض الحالات، أداء مقاومة التآكل.

وتتعامل إرشادات Steeluniversity الخاصة بتصنيع الفولاذ مع النيكل بوصفه جزءًا من توازن تركيبي، لا عامل تحكم منفردًا. فالكروم، والنيكل، والكربون، والنيتروجين، والموليبدينوم، والمنغنيز، والإضافات المثبتة مثل التيتانيوم أو النيوبيوم، تؤثر مجتمعةً في توازن الأطوار والاستجابة أثناء المعالجة. وقد تكوّن سبيكة من نوع 304 ذات استقرار أوستنيتي أقل كمية أكبر من المارتنسيت المستحث بالانفعال أثناء التشكيل الشديد على البارد مقارنةً بتركيب ذي محتوى نيكل أعلى. وعلى العكس، يمكن لاستقرار الأوستنيت المفرط أن يغير سلوك تصلب معدن اللحام، ويقلل الفيرّيت الذي غالبًا ما يُحتفظ به في رواسب اللحام الأوستنيتية للحد من القابلية للتشقق أثناء التصلب.

ويكتسب مسار التصنيع أهمية تضاهي أهمية الدرجة الاسمية. إذ يمكن لدرجة حرارة التشغيل على الساخن، وممارسات التخمير بالمحلول، ومعدل التبريد، والتشوه، ومدخل الحرارة أثناء اللحام، أن تغيّر محتوى الفيرّيت، ومخاطر طور سيغما، وترسب الكربيدات، والإجهاد المتبقي. وقد يؤدي الكربون إلى تكوّن كربيدات الكروم عند حدود الحبيبات أثناء التعرض الحراري غير المناسب، مسببًا التحسس؛ وتقلل التسميات منخفضة الكربون مثل 316L من هذا الخطر، لكنها لا تجعل التاريخ الحراري غير ذي صلة. ويمكن للنيتروجين أن يقوي الأوستنيت ويؤثر في مقاومة التنقر، بينما يغير الموليبدينوم سلوك التآكل من دون أن يكون بديلًا بسيطًا للنيكل.

ولذلك لا يمكن إسناد نتيجة مضمونة واحدة إلى النيكل. ففي الفولاذ الفيرّيتي، يمكنه توفير التقوية بالمحلول الصلب، والأهم من ذلك، تحسين المتانة عند درجات الحرارة تحت الصفر. أما في الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، فيثبّت طور FCC ويغير سلوك التشكيل، والتصلد بالتشوه، واللحام، والتحول. ويرتبط التأثير بتركيب الأطوار وتاريخ المعالجة، لا بالعنصر منفردًا.

8. الموليبدينوم والنيتروجين واستقرار البنى المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ

يُناقش الموليبدينوم والنيتروجين مع الكروم والنيكل لأن سلوك الفولاذ المقاوم للصدأ تحكمه منظومة كيميائية وطورّية مترابطة، وليس محتوى الكروم وحده. فالكروم يوفّر الشرط اللازم لتشكّل غشاء أكسيدي واقٍ غني بالكروم؛ ويؤثر النيكل في التوازن بين الفيريت والأوستنيت؛ ويغيّر الموليبدينوم سلوك التآكل الموضعي واستقرار الأطوار؛ كما يؤثر النيتروجين في كلٍّ من استقرار الأوستنيت والمقاومة. ثم يغيّر الكربون والمنغنيز والسيليكون وتاريخ التصنيع النتيجة النهائية.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية حتى داخل عائلة واحدة من الدرجات. فالتركيب الاسمي لفولاذ مقاوم للصدأ أوستنيتي لا يحدد بصورة فريدة سلوكه أثناء الخدمة بعد الدرفلة أو اللحام أو التشكيل أو المعالجة الحرارية. ويحذّر تقرير Nippon Steel من أن سلوك تحوّل الأطوار قد يتغير تغيراً كبيراً بفارق لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر من عناصر السبيكة. كما يمكن أن يؤدي الانفصال عند حدود الحبيبات والواجهات إلى اختلاف التركيب الموضعي عن التحليل الكيميائي للكتلة الكلية.

الموليبدينوم وتصميم السبائك المرتبط بالتآكل

الموليبدينوم عنصر سبائكي إحلالي. وكما توضح Steeluniversity، ينتج التقوية الإحلالية جزئياً من تشوّه الشبكة البلورية، وتتأثر شدتها بحجم الذرة وقابلية الانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. غير أن الموليبدينوم في الفولاذ المقاوم للصدأ نادراً ما يُضاف لمجرد رفع مقاومة الشد. ويتمثل دوره التصميمي الأهم في مقاومة الهجوم الموضعي، ولا سيما التآكل الحفري وتآكل الشقوق في البيئات الحاوية على الكلوريدات.

يمكن لمؤشر مقاومة التنقر المكافئ = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N) أن يقارن اتجاهات مقاومة التنقر، لكنه لا يستطيع بمفرده التنبؤ بعمر الخدمة. Preliminary evidence

يمكن أن يتحلل الغشاء السلبي من أكسيد الكروم عند عيب موضعي أو تحت ترسّب ما. ويغيّر الموليبدينوم كيمياء المعدن وعملية إعادة التخميل حول هذه المواقع، مما يقلل ميل حفرة صغيرة إلى التحول إلى تجويف مستقر آخذ في النمو. ولهذا السبب تستخدم مقارنات السبائك غالباً علاقة مكافئ مقاومة التنقر، مثل PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N). وهذه الصيغة مؤشر للفحص والمقارنة، وليست معادلة لعمر الخدمة. فقد تتغلب حالة السطح وتركيز الكلوريد ودرجة الحرارة والحموضة والشوائب وأكسدة اللحام وهندسة الشقوق على فرق متواضع في التركيب.

ويُبرز التباين بين التسميتين الشائعتين للتصميم الأوستنيتي هذه النقطة من دون جعل الموليبدينوم ضماناً مستقلاً. فكلا ASTM A240 Type 304 وType 316 من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الكرومي-النيكلي، لكن Type 316 يتضمن الموليبدينوم في تركيبه الكيميائي المحدد، بينما لا يتضمنه Type 304. والتسميتان UNS المرتبطتان عادةً بهذين التركيبين هما UNS S30400 وUNS S31600؛ وتشمل الأنواع منخفضة الكربون UNS S30403 وUNS S31603. وتنشأ استجاباتهما المختلفة في الخدمة المحتوية على الكلوريدات من التأثيرات المشتركة للكروم والنيكل والموليبدينوم والنيتروجين والكربون والشوائب والمعالجة، وليس من «تأثير الموليبدينوم» وحده.

ويغيّر الموليبدينوم أيضاً استقرار الأطوار. فهو عموماً يعزز تكوّن الفيريت مقارنةً بالنيكل، ولذلك يمكن أن تؤدي زيادته إلى تقليل هامش الأوستنيت أو إلى تشجيع تكوّن الفيريت في بنية تصلب اللحام. ويُدار هذا التوازن من خلال التركيب الكامل والدورة الحرارية. فقد يتصلب اللحام مع وجود قدر من فيريت دلتا، في حين تكون المادة الأم المشغولة غالباً أوستنيتية. ويمكن أن يؤدي الفيريت المفرط، أو التحول اللاحق للفيريت إلى مكونات بين فلزية هشة، إلى الإضرار بالمتانة ومقاومة التآكل.

النيتروجين واستقرار الأوستنيت والمقاومة

يشغل النيتروجين المواقع البينية في شبكة الحديد، ولذلك تختلف آلية تقويته عن آلية تقوية الموليبدينوم. فهو يُحدث إجهاداً شبكياً ويتفاعل بقوة مع الانخلاعات. وفي أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الكرومي-النيكلي، يُعد النيتروجين أيضاً مثبتاً قوياً للأوستنيت. ومن ثم يمكنه أن يحل محل جزء من النيكل اللازم للاحتفاظ بالأوستنيت، رغم أن التوازن يعتمد على الكروم والنيكل والمنغنيز والموليبدينوم والكربون ودرجة الحرارة ومعدل التبريد.

وهذا التوازن خاص بكل درجة. فقد يظل تركيب ما أوستنيتياً بالكامل بعد التخمير بالمحلول، لكنه قد يكوّن الفيريت أثناء اللحام، في حين يمكن لمنطقة تعرضت للتشغيل على البارد أن تطور مارتنسيت مستحثاً بالانفعال إذا كان استقرار الأوستنيت فيها غير كافٍ. ويرفع النيتروجين في العديد من التراكيب الأوستنيتية مقاومة هذا التحول، لكنه لا يلغي آثار درجات الحرارة المنخفضة أو التشوه أو التركيب الكيميائي غير الملائم.

يسهم النيتروجين بدرجة كبيرة في التقوية بالمحلول الصلب، ويمكنه زيادة مقاومة الخضوع من دون إحداث آلية التحسس المرتبطة بالكربيدات نفسها التي يسببها الكربون الزائد. كما أنه يزيد عادةً قابلية التصلب بالتشغيل. وأثناء التشكيل، يعني ذلك أن المعدن قد يواصل التصلب بسرعة مع تراكم الانفعال اللدن؛ وقد تقترن فائدة زيادة المقاومة بارتفاع أحمال التشكيل وبحاجة أكبر إلى التحكم في تجانس التشوه. وأثناء الخدمة، يمكن لاستجابة التصلب العالية بالتشغيل أن تحسن مقاومة التشوه اللدن الموضعي، لكن النتيجة تظل معتمدة على حجم الحبيبات والنسج والشوائب والتشغيل السابق على البارد.

ولا يخلو النيتروجين من حدود مرتبطة بالمعالجة. فتتوقف ذوبانيته في الفولاذ السائل والصلب على درجة الحرارة والتركيب، وقد يؤدي النيتروجين المفرط إلى تشجيع المسامية الغازية أو تكوّن النتريدات أو نشوء بنى غير مرغوبة أثناء التصلب. ويزيد الموليبدينوم والكروم ميل بعض النتريدات إلى التكوّن لأنهما يغيران النشاط الكيميائي واستقرار الأطوار. ومن ثم يمكن للنيتروجين أن يدعم الأوستنيت في المصفوفة، في حين يُزال منها موضعياً بفعل الترسب.

الأطوار الثانوية واستجابة التصنيع

تتضمن آلية التحسس الأكثر شيوعاً تكوّن كربيد الكروم، الذي يُكتب عادةً Cr23C6، عند حدود حبيبات الأوستنيت أثناء التعرض الحراري غير الملائم. ويُستهلك الكروم موضعياً بجوار الحد، تاركاً منطقة مستنزفة من الكروم يصبح فيها التآكل بين الحبيبات أسهل. وتحد الدرجات منخفضة الكربون مثل UNS S31603 من كمية الكربون المتاحة؛ أما الدرجات المثبتة فتستخدم عناصر مثل التيتانيوم أو النيوبيوم لربط الكربون بصورة تفضيلية. ولا يجعل أي من النهجين اللحام أمراً غير ذي صلة، إذ يظل كل من مدخل الحرارة ومعدل التبريد وتقييد الوصلة والسماكة والتعرض الحراري اللاحق محدداً للبنية المجهرية.

كما يمكن للفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المحتوي على الموليبدينوم والكروم أن يكوّن طور سيغما أو طور كاي أو طور Laves، أو كربيدات ونتريدات مختلفة، أثناء التعرض المطول لنطاقات درجات الحرارة المتوسطة أو أثناء دورات اللحام المتكررة. وتزيل هذه الأطوار الكروم أو الموليبدينوم أو النيتروجين من المصفوفة الأوستنيتية، وقد تسبب تقصف المادة. ولذلك فإن تركيباً يحسن مقاومة الكلوريدات في حالة التخمير بالمحلول قد يصبح أقل مقاومة بعد دورة تصنيع غير ملائمة.

ويجعل اللحام هذا التفاعل واضحاً. فقد يؤدي الانفصال أثناء التصلب إلى تركيز العناصر المكوِّنة للفيريت في المناطق الواقعة بين التغصنات، في حين يؤثر النيتروجين والنيكل في ما إذا كان معدن اللحام سيتصلب على هيئة أوستنيت أو فيريت أو بنية مختلطة. ويمكن أن يقلل الفيريت دلتا المفرط المطيلية أو يعزز تكوّن الأطوار الثانوية أثناء الخدمة؛ كما أن قلة الفيريت في بعض تراكيب معدن اللحام قد تزيد القابلية للتشقق الساخن. كما أن تنظيف ما بعد اللحام مهم، إذ يمكن لألوان الحرارة أن تترك سطحاً مستنزفاً من الكروم أو مغطى بالأكاسيد حتى عندما يظل التركيب الكلي الأساسي دون تغيير.

وينطبق المبدأ نفسه على التصنيع الساخن والبارد. فالتخمير بالمحلول يذيب كثيراً من الرواسب غير المرغوبة ويعيد توزيعاً أكثر تجانساً، لكن درجة الحرارة والتبريد السريع المطلوبين يعتمدان على الدرجة والمقطع. ويرفع التشغيل على البارد المقاومة من خلال تراكم الانخلاعات، ويمكن أن يغير الاستجابة المغناطيسية أو يحفز التحول المارتنسيتي في الأوستنيت شبه المستقر. ولا يضمن أي عنصر سبائكي نتيجة ثابتة. وينبغي قراءة الموليبدينوم والنيتروجين والكروم والنيكل معاً، إلى جانب مستوى الكربون وتركيب الأطوار والانفصال وتاريخ الترسب ومسار التصنيع الفعلي.

9. الفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم في فولاذ HSLA

يوفّر فولاذ HSLA عالي المقاومة ومنخفض السبائك أوضح مثال على صناعة السبائك الحساسة لظروف المعالجة. فالإضافات الصغيرة من الفاناديوم أو النيوبيوم أو التيتانيوم ليست مجرد مكوّنات تنتج خاصية واحدة ثابتة. إذ تعتمد تأثيراتها على التركيز، وتوافر الكربون والنيتروجين، ودرجة حرارة إعادة التسخين، وجدول الدرفلة، ومعدل التبريد، وموقع الذرات بعد التصلب. وقد يضيف صانع الفولاذ العنصر نفسه إلى صهرتين ويحصل على بنيتين مجهريتين مختلفتين إذا اختلف التاريخ الحراري وتاريخ التشوه.

ويكتسب هذا التمييز أهميته لأن العناصر الثلاثة تعمل بآليات مختلفة. يرفع الفاناديوم المقاومة أساسًا من خلال الترسيب في الفريت. أما النيوبيوم فيغيّر بالدرجة الأولى ما يحدث للأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن، إذ يؤخر إعادة التبلور ويساعد على الاحتفاظ بتنقية الحبيبات الناتجة عن التشوه. ويكوّن التيتانيوم نتريد التيتانيوم المستقر بدرجة استثنائية، TiN، الذي يثبت حدود حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين. وقد تعمل هذه الآليات في الفولاذ نفسه، لكنها لا تحدث في المرحلة نفسها ولا تنتج النتيجة المجهرية نفسها.

توضح درجات HSLA سبب عدم إمكانية قراءة التركيب الكيميائي باعتباره ضمانًا للأداء. إذ تُحدَّد درجات ASTM A572/A572M Grade 50 وASTM A588/A588M وفق متطلبات ميكانيكية وكيميائية، إلا أن خواصها النهائية تعتمد أيضًا على ممارسات الدرفلة والتبريد. وتعرّف World Steel Association الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون؛ ويمكن للإضافات الصغيرة التي تتجاوز الحديد والكربون أن تغيّر سلوك التحول بدرجة غير متناسبة. وتفيد Nippon Steel بأن سلوك التحول الطوري في الفولاذ قد يتغير بدرجة كبيرة نتيجة فرق لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر السبيكة. وعند مستويات الإضافة الخاصة بفولاذ HSLA، يمكن لتغيرات أصغر بكثير في حالة الترسيب أو التاريخ الحراري أن تكون مؤثرة أيضًا.

ترسيب كربيد الفاناديوم وكربونيتريد الفاناديوم

يقوّي الفاناديوم فولاذ HSLA أساسًا عندما يترسب على هيئة كربيد فاناديوم دقيق، VC، أو كربونيتريد فاناديوم، V(C,N). وأثناء التشغيل على الساخن، قد يبقى جزء كبير من الفاناديوم مذابًا في الأوستنيت. ومع تبريد الفولاذ وتكوّن الفريت، تتغير قابلية ذوبان الفاناديوم والكربون أو النيتروجين. وعندئذ يمكن أن تنوي الجسيمات الدقيقة داخل الفريت أو بالقرب من السطوح البينية. وتعيق هذه الجسيمات حركة الانخلاعات، ولذلك يلزم تطبيق إجهاد أعلى لبدء الخضوع اللدن.

هذا تقوية بالترسيب، وليس مجرد تقوية بالمحلول الصلب. فذرة الفاناديوم المذابة في شبكة الحديد تشوّه تلك الشبكة ويمكن أن تسهم في التقوية بالمحلول الصلب، كما يوضح Steeluniversity بالنسبة إلى عناصر السبائك الإحلالية. ويعتمد مقدار هذا التأثير على الحجم الذري، وقابلية الانضغاط، والتكافؤ الكيميائي، والسالبية الكهربائية. أما جسيم VC أو V(C,N) فيعمل بطريقة مختلفة؛ إذ ينشئ عائقًا مبعثرًا، ويحدد حجمه، وكثافته العددية، وتوافقه الشبكي، وتباعده مدى فاعلية حركة الانخلاعات حوله أو عبره.

ويجب أن تكون الرواسب المفيدة دقيقة وكثيرة العدد. فالكربيدات الفاناديومية الخشنة تستهلك عناصر السبيكة من دون أن توفر الكثافة نفسها من العوائق، كما أن الجسيمات التي تتكوّن خلال مرحلة ذات درجة حرارة مرتفعة مفرطة قد تكبر قبل تطور البنية الفريتية النهائية. ويمكن للنيتروجين أن يزيد كمية V(C,N)، لكن تأثيره يعتمد على توازن الكربون إلى النيتروجين وعلى عوامل تكوين النتريد المنافسة، ولا سيما التيتانيوم والألومنيوم. ولذلك لا تقول النسبة الاسمية للفاناديوم الكثير عن مقاومة الخضوع من دون معلومات عن درجة حرارة الترسيب وتاريخ التبريد.

ويمكن للفاناديوم أيضًا أن ينقّي البنية الفريتية الفعالة عندما يتناسق الترسيب والتحول. ويؤدي الفريت الأدق عمومًا إلى رفع المقاومة، وغالبًا ما يحسّن المتانة من خلال صغر حجم وحدة الانشطار، مع أن المقاومة والليونة وأداء الصدم تظل جميعًا معتمدة على التركيب الكامل ومسار المعالجة. ويحدد عرض AZoM لعلم تعدين فولاذ HSLA رواسب VC أو V(C,N) الدقيقة مصدرًا لزيادة مقاومة الخضوع. وهذه العبارة صحيحة، ولكن فقط عندما لا يجري الخلط بين «إضافة الفاناديوم» و«حدوث الترسيب بالشكل المرغوب».

النيوبيوم والدرفلة المتحكم بها

للنيوبيوم وظيفة رئيسية مختلفة. ففي فولاذ HSLA المدرفل درفلة متحكمًا بها، يؤخر النيوبيوم المذاب وجسيمات كربونيتريد النيوبيوم إعادة تبلور الأوستنيت بين تمريرات الدرفلة. ويحدد AZoM أن النيوبيوم يثبط إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن. وتكمن أهمية ذلك في أن التشوه المتكرر يمكن أن يتراكم في الأوستنيت بدلًا من محوه بإعادة تبلور سريعة.

ومع استمرار الدرفلة عند درجات حرارة يتأخر فيها التبلور، تصبح حبيبات الأوستنيت ممدودة وتحتوي على كثافة عالية من عيوب التشوه. وعند التبريد، يتنوى الفريت في مواقع عديدة مرتبطة ببنية الأوستنيت المشوهة. ويمكن أن يكون الفريت الناتج أدق بكثير مما يكون عليه بعد الدرفلة العادية، مما يزيد المقاومة من خلال تنقية الحبيبات ويساعد على الحفاظ على المتانة. وتصف علاقة Hall–Petch الاتجاه العام؛ إذ إن انخفاض حجم حبيبات الفريت يرفع مقاومة الخضوع لأن حدود الحبيبات تعيق حركة الانخلاعات.

وقد يوجد النيوبيوم في المحلول، أو على هيئة كربونيتريد نيوبيوم دقيق، أو في مزيج من الحالتين. وتحدد درجة الحرارة أيّ من هذه الحالات يسود. فعند درجات حرارة مرتفعة بما يكفي، يمكن أن يذوب كربونيتريد النيوبيوم، مما يترك النيوبيوم متاحًا لتأخير إعادة التبلور في المحلول أو للترسب لاحقًا. أما عند درجات الحرارة المنخفضة، فقد تتكوّن الجسيمات وتُحدث تأثيرات التثبيت والسحب. ويحدد مقدار الاختزال في كل تمريرة، والزمن بين التمريرات، ودرجة حرارة الإنهاء، وتراكم الانفعال ما إذا كانت هذه التأثيرات ستنتج بنية الأوستنيت المقصودة.

وهذا تحكم في إعادة التبلور، وليس تقوية بالترسيب بالمعنى نفسه الذي ينطبق على VC الفريتي. ويمكن لجسيمات كربونيتريد النيوبيوم أن تسهم في التقوية بالترسيب، ولا سيما بعد التحول، إلا أن التأثير المحوري للدرفلة المتحكم بها هو الحفاظ على التشوه في الأوستنيت. وقد لا يطوّر فولاذ يحتوي على النيوبيوم لكنه دُرفل فوق مجال إعادة التبلور ذي الصلة الدرجة نفسها من تنقية الحبيبات التي يطوّرها فولاذ له محتوى النيوبيوم نفسه ودُرفل في ظروف متحكم بها.

نتريد التيتانيوم وحجم الحبيبات أثناء إعادة التسخين

يعمل التيتانيوم في مرحلة حرارية أبكر. إذ يتمتع التيتانيوم بألفة قوية للنيتروجين ويكوّن رواسب TiN مستقرة. ووفقًا لـ AZoM، تتحكم هذه الجسيمات في حجم حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين في فولاذ HSLA. وأثناء إعادة تسخين البلاطة أو البيليت، تثبت جسيمات TiN الموزعة توزيعًا دقيقًا حدود حبيبات الأوستنيت. فتصبح حركة الحدود أكثر صعوبة، ولذلك لا تنمو حبيبات الأوستنيت بالسرعة التي كانت ستنمو بها في فولاذ يخلو من جسيمات تثبيت فعالة.

ويعتمد تثبيت حدود الحبيبات على حجم الجسيمات وتوزيعها. فجسيمات TiN شديدة الدقة وكثيرة العدد توفر مساحة سطح بيني كلية كبيرة، ويمكن أن تمارس مقاومة كبيرة لحركة الحدود. أما جسيمات TiN الخشنة فهي أقل فاعلية لكل وحدة حجم، وقد تتصرف بوصفها شوائب هشة أو مواقع لبدء التشققات في ظل بعض ظروف التحميل. ويمكن أن تؤدي زيادة التيتانيوم، أو زيادة النيتروجين، أو التصلب البطيء، أو إعادة التسخين غير الملائمة إلى تحويل توزيع الجسيمات نحو الجسيمات الخشنة. ولا تحدد الإضافة الكيميائية وحدها توزيع الجسيمات المفيد.

ومن ثم يتحكم التيتانيوم في حجم الحبيبات أثناء إعادة التسخين، بينما يتحكم النيوبيوم في إعادة التبلور أثناء التشوه، ويقوّي الفاناديوم عادةً الفريت المتحول بالترسيب. وتتداخل المراحل، لكن ينبغي أن تظل الآليات منفصلة في التحليل. فتثبيت TiN يحد من نمو الحبيبات قبل إعادة التسخين أو خلالها؛ ويؤخر النيوبيوم إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة؛ ويعيق ترسيب VC أو V(C,N) حركة الانخلاعات بعد التحول. ووصف التأثيرات الثلاثة جميعًا بأنها «تنقية للحبيبات» يخفي التسلسل الذي يجعل معالجة فولاذ HSLA فعالة.

وتزيد التفاعلات من تعقيد التسلسل. إذ يمكن للتيتانيوم أن يزيل النيتروجين من المحلول على هيئة TiN، مما يقلل النيتروجين المتاح لتكوين كربونيتريد الفاناديوم. ويتنافس النيوبيوم والفاناديوم مع الكربون والنيتروجين وفق علاقات ذوبانية تعتمد على درجة الحرارة. كما يغيّر المنغنيز والسيليكون والألومنيوم وعناصر أخرى درجات حرارة التحول واستقرار الأطوار، في حين يمكن أن يؤدي الانفصال أثناء الصب إلى تكوين تراكيب محلية تختلف عن التحليل الاسمي للصهرة. وتسرد وحدة Steeluniversity هذه العناصر، ومنها السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم، بوصفها عوامل تؤثر في المقاومة والليونة والمتانة وحجم الحبيبات وقابلية التصليد والاستجابة للمعالجة الحرارية.

والدرس العملي مباشر: فالفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم أدوات للمعالجة بقدر ما هي إضافات لصناعة السبائك. إذ يحدد تركيزها الإمكانات، بينما تحدد إعادة التسخين والتشوه والترسيب والتبريد أيًّا من هذه الإمكانات سيتحول إلى بنية مجهرية. ولهذا تتطلب مواصفات HSLA ممارسات إنتاج متحكمًا بها، ولهذا أيضًا يقدم التفسير المعزول لكل عنصر على حدة وصفًا غير مكتمل لأداء الفولاذ.

10. عناصر السبك والتحول الطوري

لا يُعرَّف الفولاذ وفق تركيبة ثابتة. إذ تصفه الرابطة العالمية للصلب بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، إلى جانب المنغنيز وكميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين. ويحدد هذا التعريف حدًّا للتركيب، لا تنبؤًا بالبنية المجهرية. فقد تستجيب أنواعان من الفولاذ تقعان ضمن هذا الحد بطريقة مختلفة تمامًا لدورة الفرن نفسها، لأن عناصر السبك تغيّر استقرار الأطوار، ومعدلات الانتشار، ومواقع التنوي، والترسيب، ودرجات الحرارة التي تبدأ عندها التحولات.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية في الفولاذ الكربوني العادي، وتصبح أكثر أهمية في درجات الفولاذ السبائكي. وتحدد Steeluniversity السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم بوصفها عناصر تؤثر في المقاومة، والمطيلية، والمتانة، وقابلية التشغيل، وقابلية التصلد، وحجم الحبيبات، والاستجابة للمعالجة الحرارية. وتتداخل تأثيراتها. إذ يمكن للمنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم أن تؤخر التحولات الانتشارية، بينما يتحكم الكربون في صلادة المارتنسيت المتكوّن بعد التبريد السريع بدرجة كافية. كما يغير الفاناديوم والنيوبيوم والتيتانيوم سلوك التحول من خلال ترسيب الكربيدات والكربونيتريدات والنتريدات.

قابلية التصلد مقابل الصلادة

الصلادة هي المقاومة المقاسة في موضع معين بعد معالجة معينة. وتعتمد بدرجة كبيرة على محتوى الكربون، ونسبة المارتنسيت أو الأطوار الصلبة الأخرى المتكوّنة، ودرجة حرارة المراجعة، وظروف التبريد المحلية. فعلى سبيل المثال، يمكن لفولاذ عالي الكربون أُخضع لتبريد سريع أن يُنتج مارتنسيت شديد الصلادة بالقرب من السطح، لكن هذه الحقيقة وحدها لا توضح إلى أي عمق تمتد البنية المارتنسيتية داخل مقطع سميك.

قابلية التصلدقابلية التصلد قدرة الفولاذ على تكوين المارتنسيت عبر مقطع أثناء التبريد؛ وهي تختلف عن أقصى صلادة يمكن أن يبلغها الفولاذ.

وتصف قابلية التصلد قدرة الفولاذ على تكوين المارتنسيت حتى عمق معين أثناء التخمير. وهي خاصية حركية، وليست مقياسًا مباشرًا لأقصى صلادة. ويزيد المنغنيز والكروم والنيكل والموليبدينوم عمومًا قابلية التصلد من خلال إزاحة تحولات البيرليت والباينيت نحو أزمنة أطول في مخطط التحول الزمني–الحراري. وعندئذ قد يظل معدل التبريد الأبطأ في الجزء الداخلي أدنى من نطاق التحول الحرج مدة كافية لتكوين المارتنسيت. ويسهم الكربون أيضًا في ذلك، إلا أن زيادة الكربون ترفع صلادة المارتنسيت الممكنة بصورة أكثر مباشرة، وقد تقلل المتانة أو تزيد كمية الأوستنيت المحتجز عند استخدامه بتراكيز أعلى.

يوضح اختبار التبريد الطرفي لجوميني هذا الفرق. إذ يبرد الطرف المبرَّد بسرعة، ويتكوّن فيه المارتنسيت عادةً؛ وكلما ابتعدنا عن الطرف، ينخفض معدل التبريد، وقد تتكون البيرليت أو الباينيت الأكثر ليونة أو بنيات مختلطة. ويسجل منحنى الصلادة كلًّا من استجابة الفولاذ للتحول والصلادة المعتمدة على الكربون للأطوار الناتجة. ويمكن لفولاذ منخفض الكربون أن يتمتع بقابلية تصلد كبيرة، مع أن أقصى صلادة للمارتنسيت فيه محدودة، في حين قد يكون فولاذ أعلى كربون شديد الصلادة عند السطح، لكنه يُظهر انخفاضًا حادًا في الصلادة عبر مقطع كبير إذا كانت قابلية تصلده منخفضة.

ولا يعمل عنصر السبك منفردًا. فقد يزيد الكروم قابلية التصلد، ويدعم في الوقت نفسه تكوّن كربيدات غنية بالكروم، ويحسن مقاومة الأكسدة والتآكل. ويثبت النيكل الأوستنيت ويزيد مقاومة الفولاذ الفريتي، بما في ذلك عند درجات الحرارة دون الصفر، إلا أن تأثيره في التحول يعتمد على الكربون والمنغنيز والكروم وحجم حبيبات الأوستنيت السابق. وقد يزيد الفاناديوم المقاومة من خلال رواسب دقيقة من VC أو V(C,N)، مع تغييره كمية الكربون والنيتروجين المتاحة، وبالتالي تأثيره في تفاعل تحول الأوستنيت إلى الفريت. وإن وصف أي عنصر من هذه العناصر بأنه «مُصلِّب» مضمون يحجب الآلية الفعلية.

حركية التحول والتاريخ الحراري

يبين مخطط الأطوار الأطوار المستقرة عند الاتزان، لكنه لا يحدد مدى سرعة بلوغ جزء فولاذي حقيقي حالة الاتزان. وتسد حركية التحول هذه الفجوة. فقد يتحول الأوستنيت إلى فريت وبيرليت أثناء التبريد البطيء، أو إلى باينيت عند معدلات التبريد المتوسطة، أو إلى مارتنسيت عندما يُقمع الانتشار. وتعتمد النتيجة على المسار الحراري، لا على التحليل الكيميائي النهائي وحده.

ويجعل تقرير Nippon Steel هذا القيد واضحًا بصفة خاصة: إذ يمكن أن يختلف سلوك التحول الطوري اختلافًا كبيرًا مع فرق لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر من عناصر السبك. وقد يغير هذا الفرق مواضع منحنيات بدء التحول، أو درجة حرارة تكوّن المارتنسيت، أو كمية الأوستنيت المحتجز، أو المجال الذي يتكون فيه الباينيت. وتكفي نسبة 1% لإحداث فرق في كثير من أنظمة السبائك، لكن النقطة الأوسع أهمية هي أن التغيرات الصغيرة في التركيب قد تُحدث آثارًا غير متناسبة عندما يقترب النظام من حدٍّ للتحول.

ولذلك يجب أن يصاحب معدل التبريد أي ادعاء يتعلق بالتركيب. فالمقطع المبرَّد داخل الفرن، والصفيحة المبرَّدة بالهواء، والقضيب المخمَّد بالزيت، والحافة المخمَّدة بالماء، تتعرض لتدرجات حرارية مختلفة وتنتج بنيات مختلفة، حتى عندما تكون مقطوعة من الصهيرة الفولاذية نفسها. كما يغير سمك المقطع النتيجة، لأن الحرارة تغادر السطح قبل القلب. ويضيف تحريك سائل التخمير، وزمن النقل، وحالة السطح، عوامل تباين أخرى.

تؤدي إعادة التسخين والدرفلة إلى تكوين تاريخ حراري آخر قبل بدء المعالجة الحرارية النهائية. وفي فولاذ HSLA، تفيد AZoM بأن النيوبيوم يثبط إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن. ويمكن للأوستنيت المشوه أن يحتفظ بحبيبات مفلطحة، مما يزيد مواقع تنوي الفريت أثناء التبريد اللاحق. ويكوّن التيتانيوم رواسب مستقرة من TiN تحد من نمو حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين؛ وتعتمد فعاليتها على حجم الجسيمات، ودرجة حرارة الذوبان، ومحتويي النيتروجين والتيتانيوم. ويكوّن الفاناديوم رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) تزيد مقاومة الخضوع، ولا سيما عندما يحدث الترسيب أثناء التحول أو بعده. وقد تؤدي إعادة التسخين المفرطة إلى إذابة الجسيمات المخصصة للتحكم في حجم الحبيبات، في حين قد يمنع التبريد غير الملائم استجابة الترسيب المرغوبة.

وتغير المراجعة تفسير النتائج مرة أخرى. فالمارتنسيت المخمَّد فوق الإشباع ومجهَد؛ وتسمح المراجعة بإعادة توزيع الكربون، وترسيب الكربيدات، والاسترداد. ويمكن لفولاذ ذي الصلادة نفسها بعد التخميد أن يكتسب مقاومة ومتانة واستقرارًا أبعاديًا مختلفًا بعد مراجعته عند 200 °C أو 500 °C أو 650 °C. وقد تترسب كربيدات سبائكية تحتوي على الكروم أو الموليبدينوم أو الفاناديوم أثناء المراجعة عند درجات الحرارة الأعلى، ولذلك لا يمكن التنبؤ بالحالة النهائية من كيمياء التخميد وحدها.

الانفصال عند حدود الحبيبات والواجهات

التركيب الكلي هو متوسط. ولا تتوزع الذرات دائمًا بانتظام في البنية المجهرية. فقد ينفصل الفوسفور والكبريت والقصدير والأنتيمون ومذابات أخرى نحو حدود حبيبات الأوستنيت أثناء التصلب أو إعادة التسخين أو التحول. وتمتلك حدود الحبيبات ترتيبًا ذريًا وطاقة يختلفان عن باطن الحبيبات، مما يجعلها مواقع مفضلة لتراكم المذابات ولتنوي الأطوار الجديدة. ويمكن للانفصال أن يقلل تماسك الحدود، أو يغير تنوي الفريت، أو يعدل درجة حرارة التحول المحلية.

كما تمتلك الواجهات بين الفريت والأوستنيت والباينيت والمارتنسيت والرواسب مجالات كيميائية تختلف عن تركيب السبيكة الاسمي. ويمكن للكربون أن ينتقل من طور متحول إلى الأوستنيت؛ وقد يعيد المنغنيز والكروم توزيعهما ببطء أكبر لأنهما عنصران إحلاليان. ويمكن لحدٍّ غني بعنصر ومستنزف من عنصر آخر أن يسرّع التحول محليًا أو يبطئه. ولذلك قد يحتوي الفولاذ نفسه على مناطق ذات سلاسل تحوّل مختلفة، ولا سيما بالقرب من الشوائب، وحدود الأوستنيت السابق، والمناطق المتأثرة حراريًا باللحام، وشرائط الانفصال الناتجة عن الصب.

وتتحكم الواجهات في أكثر من مجرد تكوّن الأطوار. فجسيمات TiN الدقيقة تثبّت حدود الأوستنيت؛ ويحد النيوبيوم الموجود في المحلول أو على هيئة رواسب من إعادة التبلور؛ كما تعيق جسيمات VC وV(C,N) حركة الانخلاعات وترفع مقاومة الخضوع. وقد توفر شوائب الكبريتيد مواقع للتنوي، لكنها قد تقلل المتانة أيضًا، تبعًا لشكلها واتجاهها. وفي الفولاذ غير القابل للصدأ، يجب أن يظل الكروم متاحًا بكمية كافية بالقرب من السطح للحفاظ على التخميل بأكسيد الكروم، في حين يؤثر النيكل والموليبدينوم والنيتروجين والكربون والعناصر المثبتة في استقرار الأوستنيت، والتصلد بالتشغيل، والتحسيس، وتكوّن الأطوار الثانوية.

وبالتالي، فإن التحليل الكيميائي ليس سوى نقطة البداية. وينبغي لأي عبارة ذات معنى عن أحد العناصر أن تحدد نطاق تركيزه، وموضعه الطوري، وحالة انفصاله، ومجموعة رواسبه، وحجم الحبيبات، ومعدل التبريد، وجدول إعادة التسخين والدرفلة، وحالة المراجعة. ومن دون هذه المتغيرات، فإن القول إن «الكروم يزيد الصلادة» أو إن «النيكل يحسن المتانة» ليس نتيجة، بل فرضية ناقصة.

11. قراءة كيمياء السبائك من خلال درجات الفولاذ والمعايير

إن تعيين الفولاذ هو معلومة مكثفة، وليس وصفًا كاملًا للمادة. فقد يشير إلى عائلة كيميائية، أو فئة مقاومة، أو تصنيف للفولاذ المقاوم للصدأ، أو شكل المنتج، أو فئة من المواصفات. ويوفّر المعيار الحاكم الشروط الناقصة، ومنها: التركيب المسموح به، ومتطلبات مقاومة الشد والخضوع، والاستطالة، واختبارات الصدم، وحالة المعالجة الحرارية، والقواعد البُعدية، وأخذ العينات، ودرجة حرارة الاختبار. ولذلك، فإن قراءة الاسم وحده قد تؤدي إلى تحديد يبدو معقولًا من الناحية الكيميائية، لكنه خاطئ من الناحية التقنية.

تعرّف World Steel Association الفولاذ بأنه سبيكة من الحديد والكربون تحتوي على أقل من 2% من الكربون، مع وجود المنغنيز وكميات أصغر من السيليكون والفوسفور والكبريت والأكسجين أيضًا. وتدرج Steeluniversity السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والألومنيوم والنحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم ضمن العناصر التي تؤثر في سلوك الفولاذ الكربوني العادي. وتأثيرات هذه العناصر ليست مستقلة. فقد يؤدي تغير صغير في الكربون إلى تغيير الاستجابة للكروم؛ ويمكن للنيكل أن يغير نطاق درجات الحرارة الذي يكون فيه الأوستنيت مستقرًا؛ وقد يعدّل الموليبدينوم ترسب الكربيدات والاستجابة للمراجعة؛ كما يمكن للتصنيع أن يحدد ما إذا كان التركيب الكيميائي الاسمي نفسه سيتحول إلى فريت أو برليت أو بينيت أو مارتنسيت أو خليط منها.

حدود التركيب ومنطق التعيين

ابدأ بالتعيين الكامل وبالوثيقة التي تحكمه. اطرح أربعة أسئلة: ما المعيار المنطبق؟ وما شكل المنتج المشمول؟ وما حالة التسليم أو المعالجة الحرارية المحددة؟ وأي إصدار من المعيار هو المعتمد تعاقديًا؟ قد يحدد التعيين المطبوع على الرسم عائلةً معينة، مع ترك الحالة المطلوبة لبند شراء أو بند هندسي منفصل. ويمكن أن تكون للصفائح والقضبان والمطروقات والأسلاك والأنابيب والمنتجات المصبوبة حدود واختبارات مختلفة، حتى عندما تبدو عائلات سبائكها العامة متشابهة.

يُعبَّر عن التركيب عادةً في صورة مجال أو حد أقصى، لا في صورة وصفة. فقد يكون الكربون مقيدًا بقيمة قصوى، في حين قد يكون للمنغنيز أو الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم حد أدنى وحد أقصى. وتُعد كلمة «الحد الأقصى» مهمة؛ فهي لا تعني أن كل صبة تحتوي على تلك الكمية، كما أن القيمة الوسطية لا تمثل المواصفة. وقد تُقيَّد العناصر المتبقية، مثل الفوسفور والكبريت والنحاس والقصدير والنيتروجين، لأنها تؤثر في المتانة أو قابلية اللحام أو الهشاشة الساخنة أو سلوك التآكل أو استقرار الأطوار.

وقد يشفّر التعيين أيضًا فئة خواص، بدلًا من أن يحدد تركيبًا كيميائيًا دقيقًا. فقد تسمح مواصفة الفولاذ منخفض السبائك عالي المقاومة، أو HSLA، بعدة استراتيجيات للسبك من أجل تحقيق مقاومة الخضوع والمتانة المطلوبتين. وقد يعتمد أحد المنتجين بدرجة أكبر على النيوبيوم والدرفلة المتحكم بها، بينما قد يحقق تركيب آخر مسموح به المقاومة من خلال ترسيب الفاناديوم أو من خلال توازن مختلف بين المنغنيز والسيليكون. ولا يكشف التعيين، بحد ذاته، عن برنامج الدرفلة أو معدل التبريد أو حجم الحبيبات أو توزيع الرواسب.

وتكتسب هذه التفرقة أهمية خاصة بالقرب من حدود الأطوار. وتفيد Nippon Steel بأن سلوك التحول قد يختلف بدرجة كبيرة مع اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر من عناصر السبك. وقد يغير هذا الاختلاف درجات حرارة بدء التحول، أو قابلية التصلب، أو الأوستنيت المتبقي، أو نسبة البينيت والمارتنسيت. كما أن التحليل الكلي ليس القصة الكاملة؛ إذ يمكن للانفصال الكيميائي عند حدود الحبيبات والواجهات أن يغير مواضع بدء التحولات وآلية التحول السائدة. وقد تُظهر صبة تستوفي الحدود الكيميائية نفسها بنيات مجهرية مختلفة بعد تاريخ مختلف من إعادة التسخين أو الدرفلة أو التبريد أو المراجعة.

تحتل العناصر الاستبدالية مواقع الشبكة البلورية الاعتيادية، وتزيد المقاومة من خلال تشويه الشبكة البلورية. وتربط Steeluniversity هذا التأثير بالحجم الذري وقابلية الانضغاط والتكافؤ الكيميائي والسالبية الكهربائية. أما الكربون والنيتروجين فيتصرفان أساسًا كمذابات بينية، محدثين انفعالًا موضعيًا قويًا ومتفاعلين مع الانخلاعات والفجوات وكربيدات السبائك أو نتريداتها. ويسجل التعيين التركيز، لكنه نادرًا ما يسجل التوزيع المكاني الذي يتحكم في الخاصية النهائية.

عائلات الكربون والكروم والنيكل والموليبدينوم

يُعرَّف الفولاذ الكربوني العادي بمفهوم محدود نسبيًا للسبك، لكن كلمة «عادي» لا تعني أنه خالٍ كيميائيًا. فالمنغنيز يسهم في التقوية بالمحلول الصلب ويتحد مع الكبريت، بينما يؤثر السيليكون في نزع الأكسدة والمقاومة. ويمكن للكربون أن يحسن قابلية التشغيل الآلي في تراكيب مضبوطة، لكنه قد يقلل المطيلية العرضية. وقد يزيد الفوسفور المقاومة، إلا أنه يضر بالمتانة. وقد يوجد النحاس والقصدير والكروم والنيكل والموليبدينوم كعناصر متبقية أو كإضافات مقصودة، وتعتمد أهميتها على التركيز وظروف التصنيع.

يضيف الفولاذ منخفض السبائك كميات مضبوطة من العناصر لتغيير قابلية التصلب أو المقاومة أو المتانة أو مقاومة المراجعة أو سلوك التآكل أو مقاومة البلى. ويزيد الكروم قابلية التصلب، ويمكنه تحسين المقاومة عند درجات الحرارة المرتفعة ومقاومة الأكسدة والتآكل، إلا أن تأثيره يعتمد على نشاط الكربون، وعناصر تكوين الكربيدات المنافسة، والدورة الحرارية. ويزيد النيكل مقاومة الفولاذ الفريتي ومتانته، مع مساهمة مهمة بوجه خاص في متانة الصدم عند درجات الحرارة دون الصفر. ويمكن للموليبدينوم أن يزيد قابلية التصلب ومقاومة المراجعة وأن يغير ترسب الكربيدات؛ كما أنه مهم في عدة منظومات لتآكل الفولاذ المقاوم للصدأ.

يوضح الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي والفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي سبب عدم إمكانية قراءة أسماء العناصر بوصفها نتائج مضمونة. فالكروم يوفر الأساس لتكوين غشاء واقٍ من أكسيد الكروم، لكن مقاومة التآكل تعتمد على نشاط الكروم عند السطح، وكيمياء البيئة، والتصنيع، والشوائب، وتضرر الغشاء الخامل. ويثبت النيكل الأوستنيت، بينما يمكن للنيتروجين أن يزيد مقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي وأن يؤثر في توازن الأطوار. وقد يزيد الكربون المقاومة، لكنه قد يتحد مع الكروم أثناء التعرض الحراري غير الملائم، مما يقلل تركيز الكروم قرب حدود الحبيبات ويسبب التحسس. ويمكن لإضافات التيتانيوم أو النيوبيوم أن تربط الكربون وتقلل هذا الخطر، مع أن إضافات التثبيت تؤثر أيضًا في سلوك اللحام والرواسب والأطوار الثانوية.

ومن ثم، يمكن لعنصر السبك نفسه أن تكون له نتائج هندسية متعارضة. فقد يعزز الكروم تكوين الفريت والكربيدات في سبيكة فريتية، في حين قد يثبط النيكل الفريت ويدعم الأوستنيت. ويمكن للموليبدينوم أن يحسن مقاومة التآكل الموضعي في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، إلا أن تفاعله مع الكروم والنيكل والنيتروجين والتاريخ الحراري يؤثر في تكوّن طور سيغما أو أطوار ثانوية أخرى. ويحدد اسم العائلة التركيب الطوري المتوقع، لكنه لا يضمن بنية مجهرية واحدة بعد كل مسار تصنيعي.

وتجعل أنواع فولاذ HSLA الاعتماد على التصنيع واضحًا. فأثناء الدرفلة على الساخن، يمكن للنيوبيوم أن يثبط إعادة تبلور الأوستنيت، مما يسمح للتشوه بتنقيح البنية الفريتية النهائية. ويكوّن التيتانيوم رواسب مستقرة من TiN تساعد في التحكم في حجم الحبيبات أثناء إعادة التسخين. ويكوّن الفاناديوم رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) تزيد مقاومة الخضوع. وتتطلب هذه الآليات ظروفًا مناسبة للذوبان والدرفلة والتبريد والترسيب. ولا تستطيع الإضافة التي تبقى في صورة جسيمات خشنة أن توفر التقوية نفسها التي توفرها مجموعة دقيقة وموزعة جيدًا.

لماذا لا تحل أسماء الدرجات محل متطلبات المادة

ينبغي التعامل مع اسم الدرجة باعتباره مدخلًا إلى مواصفة، لا بديلًا عنها. فقد تتطلب الوثيقة المنطبقة حدًا أدنى لمقاومة الخضوع ضمن نطاق محدد من السماكات، ومجالًا لمقاومة الشد، وحدًا أدنى للاستطالة، وطاقة صدم بطريقة شاربي عند درجة حرارة محددة. وقد تفرض أيضًا حالات تسليم مطبَّعة، أو مروَّية ومراجَعة، أو معالجة حرارية ميكانيكية متحكمًا بها، أو مَلْدَنة، أو معالجة بالمحلول. ومن دون هذه البنود، يمكن لعبارة «الدرجة نفسها» أن تصف مادة ذات مقاومة ومتانة وقابلية لحام وإجهادات متبقية مختلفة.

وتُعد ظروف الاختبار جزءًا من متطلبات المادة. فقد تختلف مقاومة الخضوع باختلاف اتجاه العينة والسماكة ومعدل الانفعال وطريقة الاختبار. وتعتمد طاقة الصدم بدرجة كبيرة على درجة الحرارة واتجاه الشق. وقد يُبلَّغ عن التحليل الكيميائي من عينة مأخوذة من المغرفة أو من عينة من المنتج، مع اختلاف قواعد القبول بينهما. وقد تكون سجلات المعالجة الحرارية وحالة السطح والاختبار بالموجات فوق الصوتية ومتطلبات حجم الحبيبات واختبارات الصدم الإضافية أكثر أهمية لأداء الخدمة من تعيين مختصر مطبوع بجانب المادة.

ولذلك، ينتقل التفسير السليم من التعيين إلى المعيار، ومن المعيار إلى الحدود الكيميائية والميكانيكية، ومن هذه الحدود إلى تاريخ التصنيع والاستخدام المقصود. قارن تحليل الصبة بالمجال المسموح به، وتحقق من شكل المنتج وحالته، وافحص الاختبارات المطلوبة، ثم اسأل عن البنية المجهرية المتوقع أن تنتجها تلك الشروط. ويمنع هذا النهج الخلط بين اسم العائلة والضمان. فالكيمياء تحدد الإمكانات؛ أما استقرار الأطوار والانفصال الكيميائي والترسيب وتاريخ التصنيع فتحدد أيًّا من تلك الإمكانات سيصبح هو الفولاذ الموجود بين يديك.

12. منهج عملي للتنبؤ بالتأثير الميتالورجي لعنصر ما

لا يحمل عنصر السبيكة خاصية ثابتة معه. فالكروم ليس ببساطة «عنصر مقاومة للتآكل»، والفاناديوم ليس مجرد «عنصر تقوية»، والكبريت ليس ضارًا دائمًا. وتعتمد النتيجة على موضع انتهاء الذرات، والأطوار الموجودة، وكيفية معالجة الفولاذ، ودرجة الحرارة والبيئة اللتين سيتعرض لهما المكوّن.

لذلك يبدأ التنبؤ المفيد بسلسلة من الأسئلة، لا بقائمة من التأثيرات المعزولة. حدّد أولًا موضع العنصر. ثم حدّد الآلية التي يمكن أن ينشّطها أو يثبطها. وأخيرًا اختبر هذا التفسير في ضوء التركيب، والتاريخ الحراري، وتاريخ التشوه، وظروف الخدمة.

اسأل أين يتموضع العنصر

السؤال الأول فيزيائي: أين يوجد العنصر بعد التصلب والمعالجة؟

قد يبقى العنصر في الفيريت أو الأوستنيت على هيئة مذاب إحلالي، أو يشغل مواقع بينية، أو يتحد مع الكربون أو النيتروجين في كربيد أو كربونيتريد، أو ينفصل إلى حدود الحبيبات، أو يتركز في غشاء أكسيدي، أو يكوّن طورًا ثانويًا متميزًا. ويمكن للإضافة الاسمية نفسها أن تؤدي إلى نتائج مختلفة عبر هذه المواضع المختلفة.

تحل الذرات الإحلالية محل ذرات الحديد في الشبكة. وتصف Steeluniversity تأثيرها التقويتي بأنه تشوه في الشبكة البلورية، وترتبط شدته بالحجم الذري، وقابلية الانضغاط، والتكافؤ الكيميائي، والسالبية الكهربائية. ولذلك يمكن للمنغنيز والسيليكون والنيكل والكروم تقوية الفيريت مع بقائها موزعة على نطاق واسع في المحلول الصلب. ولا يتحدد تأثيرها بالحجم الذري وحده؛ إذ إن طور المصفوفة، والتركيز، والتفاعلات مع الكربون والمذابات الأخرى، عوامل مهمة أيضًا.

يتصرف الكربون والنيتروجين بصورة مختلفة لأنهما يشغلان مواقع بينية وينتجان مجالات إجهاد محلية قوية. فإذا بقيا مذابين، أمكنهما زيادة المقاومة وتغيير سلوك التحول. أما إذا اتحدا مع الكروم أو النيوبيوم أو التيتانيوم أو الفاناديوم، فأصبح التأثير المعني متعلقًا بالترسيب أو بالتحكم في الطور. وهذا التمييز حاسم. فالفاناديوم الموجود في المحلول يمكن أن يؤثر في قابلية التصلد وحركية التحول، في حين تعيق جسيمات VC أو V(C,N) الدقيقة حركة الانخلاعات وتزيد مقاومة الخضوع.

وللجسيم نفسه أهمية أيضًا. تحدد AZoM رواسب TiN المستقرة وسيلةً للتحكم في حجم حبيبات إعادة التسخين في فولاذ HSLA. ولا يعادل TiN الخشن المتكوّن أثناء التصلب راسبًا دقيقًا وموزعًا جيدًا. فقد يوفر الأول تقوية محدودة، ويمكن أن يعمل موقعًا لبدء التشققات؛ أما الثاني فيمكنه تثبيت حدود حبيبات الأوستنيت. ويجب النظر معًا في الموضع والحجم والكثافة العددية والاستقرار.

ويطرح وجود العنصر عند حدود الحبيبات مجموعة أخرى من الاحتمالات. فقد ينفصل الفوسفور والكبريت والقصدير والأنتيمون أثناء التبريد أو المعالجة الحرارية. ويمكن لهذا الانفصال أن يضعف الحدود، أو يغير التنوي، أو يغير سلوك الكسر، حتى عندما يبدو التركيب الكلي منخفضًا نسبيًا. وقد يكون العنصر غير ضار في مصفوفة متجانسة، لكنه يصبح مضرًا عندما يتركز عند سطح بيني.

يوضح الكروم ضرورة تحديد الطور أو الغشاء المعني. ففي الفولاذ غير القابل للصدأ، يدعم وجود كمية كافية من الكروم في المنطقة السطحية تكوّنَ غشاء أكسيدي رقيق غني بالكروم يبطئ المزيد من الأكسدة والانحلال. ويمكن للنيكل والموليبدينوم والنيتروجين تغيير توازن الأطوار وتقوية الأوستنيت أو تثبيته، في حين يؤثر الكربون والإضافات المثبتة مثل التيتانيوم أو النيوبيوم في تكوّن الكربيدات والتحسس. ولا يتنبأ محتوى الكروم وحده بأداء مقاومة التآكل إذا تضرر الغشاء السطحي، أو استُنزفت السبيكة قرب حدود الحبيبات، أو استهلك طور ثانوي الكروم.

حدّد الآليات المتنافسة

بعد معرفة موضع العنصر، اسأل عن الآلية التي تتحكم فعليًا في الخاصية. وتشمل الآليات الرئيسية تشوه الشبكة، والترسيب، وتنقية الحبيبات، وتأخير التحول، والتخميل، وتغير استقرار الأوستنيت. وقد تعمل أكثر من آلية في الوقت نفسه، وقد تتعارض فيما بينها.

يمكن لعنصر إحلالي مذاب أن يزيد المقاومة بجعل حركة الانخلاعات أكثر صعوبة. وقد يقلل ذلك التشوه من المطيلية، لكن هذا التغير ليس حتميًا؛ فقد ترفع إضافة صغيرة المقاومة مع فقد ضئيل في الاستطالة إذا عوّضت تنقية الحبيبات أو توازن الأطوار الملائم أثر المذاب. فعلى سبيل المثال، يمكن للسيليكون والمنغنيز تقوية الفيريت، في حين يغير المنغنيز أيضًا استقرار الأوستنيت ودرجات حرارة التحول.

ويعطي الترسيب استجابة مختلفة. فالجسيمات الدقيقة تعيق الانخلاعات وتثبت حدود الحبيبات المتحركة. ويثبط النيوبيوم إعادة تبلور الأوستنيت أثناء الدرفلة على الساخن في فولاذ HSLA، مما يسمح بتراكم التشوه ويساعد على إنتاج بنية تحول دقيقة. كما يضبط نتريد التيتانيوم حجم حبيبات الأوستنيت أثناء إعادة التسخين. ويكوّن الفاناديوم رواسب دقيقة من VC أو V(C,N) تزيد مقاومة الخضوع. وتعتمد هذه الآليات على درجة حرارة الترسيب، وحجم الجسيمات، والانحلال أثناء إعادة التسخين، ومعدل التبريد. ولا تضمن إضافة الفاناديوم الاسمية تقوية ترسيبية مفيدة إذا كان توازن الكربون والنيتروجين، أو برنامج الدرفلة، أو معالجة المراجعة غير ملائم.

يمكن لتأخير التحول أن يحسن قابلية التصلد من خلال إرجاء تكوّن الفيريت أو البرليت أو البينيت إلى درجات حرارة أقل. ويسهم الكروم والموليبدينوم عادةً بهذه الطريقة، لكن تأثيرهما يعتمد على تركيب السبيكة الكامل وحجم حبيبات الأوستنيت. وقد يتصلد فولاذ بعمق في سماكة مقطع معينة دون أخرى، لأن معدل التبريد يتحكم في التحولات التي يتاح لها الوقت كي تحدث.

ويتيح استقرار الأوستنيت مسارًا مستقلًا لتغير الخواص. فالنيكل يثبت الأوستنيت ويقوي الفولاذ الفيريتي ويزيد متانته، ولا سيما عند درجات الحرارة دون الصفر، لكن توازنه مع الكروم والكربون والنيتروجين والمنغنيز في درجات الفولاذ غير القابل للصدأ يساعد على تحديد ما إذا كانت البنية أوستنيتية بالكامل، أو فيريتية، أو مزدوجة. وقد تؤدي الإضافات المفرطة أو ضعيفة التحكم إلى تشجيع تكوّن أطوار ثانوية غير مرغوبة. أما التخميل فهو عملية سطحية، وليس تقوية عادية للكتلة. فقد يحسن غشاء أكسيدي غني بالكروم مقاومة التآكل مع تأثير مباشر ضئيل في مقاومة الشد.

وقد تتعارض الآليات. فقد يزيد الكربيد الصلادة، لكنه يزيل الكروم من المصفوفة ويضعف مقاومة التآكل الموضعي. ويمكن لتنقية الحبيبات أن تحسن المقاومة والمتانة، في حين قد تفعل الرواسب الخشنة العكس. وقد يحسن الكبريت قابلية التشغيل بالقطع من خلال تكوين شوائب كبريتيد المنغنيز، إلا أن هذه الشوائب قد تقلل المطيلية العرضية ومقاومة الكلال التآكلي.

تحقّق من التركيب والمعالجة ودرجة حرارة الخدمة

الاختبار التالي كمي. لا تسأل عما إذا كان العنصر موجودًا؛ بل اسأل عن كميته، وتوازنه مع العناصر الأخرى، والطور الذي يوجد فيه. ويحذر تقرير Nippon Steel من أن سلوك تحولات الأطوار في الفولاذ قد يتغير بدرجة كبيرة مع اختلاف لا يتجاوز 1% في تركيز عنصر السبيكة. وقد يغير هذا الاختلاف درجات الحرارة الحرجة، ونِسَب الأطوار، واستقرار الانفصال أو الترسيب، أو الزمن المتاح للتحول.

قد تهيمن المعالجة على الكيمياء الاسمية. فالتصلب يتحكم في الانفصال وتكوّن الشوائب. وتتحكم الدرفلة على الساخن في إعادة التبلور والنسيج البلوري. وقد تؤدي إعادة التسخين إلى إذابة TiN أو NbC أو VC، أو إلى إبقائها دون تغيير. ويحدد معدل التبريد ما إذا كان الأوستنيت سيتحول إلى فيريت أو برليت أو بينيت أو مارتنسيت. وتعيد عملية التقسية والتخمير توزيع الكربون وتخفف الإجهادات، في حين تنشئ عملية اللحام دورات حرارية موضعية قد تنتج حبيبات خشنة، أو مناطق صلبة، أو مناطق متحسسة.

ويجب فحص درجة حرارة الخدمة على نحو منفصل. فقد ينمو راسب مستقر أثناء التصنيع إلى حبيبات خشنة خلال التعرض الطويل لدرجة حرارة مرتفعة. وقد يتحول الأوستنيت المستقر عند درجة حرارة الغرفة بفعل التشوه أو التبريد إلى درجات حرارة دون الصفر. ولا يمكن استنتاج مساهمة النيكل في المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة من مقاومة الشد عند درجة حرارة الغرفة. كما تعتمد مقاومة التآكل على البيئة؛ فقد يحدد التعرض للكلوريدات، والحموضة، والجهد، والفجوات، ودرجة الحرارة ما إذا كان التخميل سيستمر.

وعليه، يتمثل الإطار التشخيصي النهائي في ما يلي: حدّد موضع العنصر في المحلول الصلب، أو في كربيد أو كربونيتريد، أو عند حدود الحبيبات، أو في غشاء أكسيدي، أو في طور ثانوي؛ وحدّد ما إذا كانت الآلية الفعالة هي تشوه الشبكة، أو الترسيب، أو تنقية الحبيبات، أو تأخير التحول، أو التخميل، أو تغير استقرار الأوستنيت؛ ثم تحقّق من التركيز، والمعالجة الحرارية، والمعالجة الميكانيكية، ودرجة حرارة الخدمة. ولا ينبغي التنبؤ بالمقاومة أو المطيلية أو المتانة أو مقاومة التآكل أو قابلية التشغيل أو قابلية التصلد أو الاستجابة للمعالجة الحرارية إلا بعد إجراء هذه الفحوص.