تقسية المعادن
التقسية هي مجموعة من التقانات والطرائق المختلفة التي تستخدم لزيادة قساوة المعدن أو الخليطة المعدنية. والقساوة هي مقاومة المادة للخدش أو الخرق أو التغلغل من المواد الأكثر قساوة. ومفهوم القساوة مفهوم نسبي حيث لا توجد مواد طبيعية أو صنعية تتمتع بقساوة مطلقة.
تُقدَّر قساوة المواد غير المعدنية بمقارنتها بقساوة بعض الحجارة أو البلورات الطبيعية المعروفة مثل الستيتيت (الحجر الصابوني) والفلسبار والطوباز والكوارتس والماس وغيرها، وهي مصنفة في عشرة درجات أخفضها الستيتيت (1) وأعلاهاالماس (10) وهو أقسى المواد المعروفة في الطبيعة.
أمّا قساوة المعدن والخلائط المعدنية فتقاس بوسائل وطرائق كثيرة ومختلفة من حيث المبدأ، أهمها وأكثرها استخداماً هي طرائق: برنيل Brinell وفيكرز Vickers وروكويل Rockwell.
التقسية الشاملة
وتشمل تلك التقانات التي تؤدي إلى زيادة القساوة في كامل مقطع القطعة المعدنية، وتعد من أهم طرائق التقسية الشاملة التي تجرى على خلائط الحديد الحاوية على نسبة من الفحم لا تتعدى 2٪ والمسماة بالفولاذ.
يسمى الفولاذ بالفولاذ الفحمي حين لا يتعرض لإضافات معدنية مع احتوائه على
نسب قليلة من بعض العناصر مثل المنغنيز والسيليسيوم (السيليكون) وغيرهما
من الشوائب، التي غالباً ما تكون مرافقة للفلزات التي يستخرج منها الحديد.
ويسمى بالفولاذ السبائكي عندما يضاف إليه بشكل مقصود عنصر معدني أو عناصر
معدنية أخرى بهدف إكسابه خاصة معينة، أو مجموعة من الخواص الميكانيكية أو
الفيزيائية أو الكيمياوية.
1ـ تقسية الفولاذ الفحمي:
من الخواص المهمة للحديد، أنه أثناء تجمده (عند سبكه في الحالة السائلة) يتبلور بحيث تنتظم ذراته بعضها إلى بعض بالشكل المكعب المتمركز حجمياً ويسمى بحديد دلتا δ. وعندما تنخفض درجة حرارته إلى نحو1400 درجة مئوية يتحول انتظام الذرات إلى الشكل المكعب المتمركز وجهياً (الشكل 1) ويسمى بحديد غاما λ أو الأوستنيت Austenite الذي لا يلبث أن يتحول من جديد إلى المكعب المتمركز حجمياً بوصول درجة حرارته إلى 910ْ درجة مئوية ليسمى بحديد ألفا α أو الفرّيت Ferrite، ويحافظ على شكله الأخير هذا في درجات الحرارة الأدنى.
هذه
الأشكال الثلاثة للحديد تختلف في مقدرتها على إذابة الفحم والعناصر الأخرى
لتشكيل المحاليل الصلبة. لذلك فإنه عند عملية التحول من حديد غاما الحاوي
على 0.8٪ من الفحم إلى حديد ألفا، سوف ينفصل كل الفحم الزائد عن قابلية
الذوبان في حديد ألفا التي لا تتجاوز 0.2٪، رابطاً معه ما يستطيع ربطه من
الحديد ليشكل مركب كربيد الحديد Fe3C الذي ينفصل كطور مستقل يسمى السمنتيت
Cementite فيكون ناتج التحول بنية مكونة من بلورات صفائحية متداخلة من
الفريت والسمنتيت تسمى البرليت Pearlite.
ويتم التحول على هذا النحو وفي درجة حرارة ثابتة فقط عندما تكون نسبة
الفحم في الفولاذ 0.8٪، أما إذا كانت أقل أو أكثر من ذلك فإن التحول السابق
سيكون مسبوقاً إما بانفصال الفريت وإمّا انفصال السمنتيت، وكلاهما يكون
مستقلاً عن البرليت الذي سيتشكل لاحقاً.
لذلك فإن البنية النهائية للفولاذ تكون مكونة إما من البرليت والفريت،
وإمّا من البرليت والسمنتيت، وإمّا من البرليت فقط (الشكل2)، وذلك حسب نسبة
الفحم التي يحويها وهذه التحولات هي تحولات عكوسة.
إن
تحوّل الأوستنيت إلى كربيد الحديد وفريت يتكون من شقين أو حدثين مترافقين
ومختلفين بطبيعتهما، الأول هو انفصال الفحم على شكل كربيد الحديد، وهو
تحوّل يعتمد كلياً على ظاهرة الانتشار Diffusion. أما الثاني فهو تحوّل
الشكل الهندسي الذي تنتظم بموجبه الذرات في حديد غاما إلى الشكل الناظم
لبنية بلورات حديد ألفا، وهذا التحوّل هو تحوّل لحظي لا يحتاج لعامل الزمن
أو أي من العوامل المساعدة التي يحتاجها انفصال الكربيد.
ولكي يتم تحوّل الأوستنيت بكل من شقيه لا بد أن يكون تبريده بطيئاً، ومع
زيادة سرعة التبريد تسوء الشروط المساعدة لعملية الانتشار على أن تزيد سرعة
التبريد على حد معين تصير ذرات الفحم غير قادرة على الانتشار وتكوين كربيد
الحديد، فيكون الشق الأول من التحوّل أعيق تماماً، في حين أن الشق الثاني
من التحوّل لابد أن يتم عند وصول درجة الحرارة إلى الدرجة المناسبة، والتي
يحددها التركيب الكيمياوي للأوستنيت.
فيكون حديد ألفا الناتج عن التحوّل قد أجبر على إذابة نسبة من الفحم تفوق
قدرته على الإذابة، وبقاء ذرات الفحم في أماكن لا تتسع لوجودها، الأمر الذي
يجعلها تباعد بين ذرات الحديد وتشوّه الشكل الهندسي المكعب ليصير أقرب إلى
الرباعي منه إلى المكعب.
وهذا التشوّه في المكعبات المتجاورة يجعلها تمارس إجهادات مختلفة بعضها
على بعض تنعكس على خواص القطعة المعدنية، وتزداد قساوتها مع ازدياد مقدار
التشوّه الحاصل في البنية.
وهكذا فإن التقسية الشاملة لقطعة مصنوعة من إحدى خلائطالفولاذ تتلخص في إعادة تسخينها لتحويل بنيتها المكونة من الفريت والسمنيت إلى أوستنيت، ثم تبريدها بسرعة تفوق سرعة التبريد الحرجة (سرعة التبريد اللازمة لعرقلة الانتشار)، وذلك بالتبريد المباغت بتغطيسها مباشرة بالماء أو بالزيوت المعدنية أو بمزيج من الأملاح المصهورة أو غير ذلك، لتتحول إلى مارتنسيت.
يختار وسط التبريد بما يتناسب مع سرعة التبريد الحرجة للفولاذ المعالج
والتي تختلف باختلاف نسبة الفحم فيه ونسب العناصر السبائكية الداخلة في
تركيبه إذا كان الفولاذ سبائكياً.
2ـ التقسية الانفعالية (التقسية بالإجهاد) Strain hardening, Work Hardening:
في أثناء تجمد المعدن وتشكل البنية البلورية يتوضع عدد من الذرات بشكل مخالف للشكل الهندسي المنتظم للهيكل البلوري، فتشكل أخطاءً أو عيوباً في البنية البلورية تسمى بالانخلاعات، وتصنف حسب أبعادها إلى عيوب نقطية وخطية وسطحية، وهي عبارة عن عيوب على شكل خطوط مستقيمة أو منحنية تمتد عبر البلورة، وغالباً ما تكون كثيرة العدد ومختلفة الاتجاهات.
عند
تشكيل اللدن للقطعة المعدنية وعندما يتجاوز الإجهاد المطبق حد الانسياب
Yield stress، تبدأ أجزاء كل بلورة من بلورات البنية بالانزلاق بعضها على
بعض، وتبدأ بعض الانخلاعات (التي يتوافق اتجاه حركتها مع اتجاه الانزلاق)
بالتحرك (الشكل ـ3)، فتتقاطع مع الانخلاعات الأخرى التي لم تتحرك أو كانت
أبطأ في حركتها. يؤدي تقاطع الانخلاعات إلى تشابكها وتكسرها وظهور التواءات
وانحناءات تصير بمنزلة انخلاعات جديدة تزداد كثافتها في البنية فتعيق
بعضها حركة بعض، مما يزيد مقاومة القطعة لاستمرار التشكيل وتزداد قساوتها.
تستخدم طريقة التقسية بالإجهاد المسبق لتقسية المعادن النقية وبعض الخلائط
التي من الصعب أو غير الممكن تقسيتها بطرق أخرى، وذلك بتحميلها بإجهادات
تتجاوز حد الانسياب بحيث تنفعل انفعالاً لدناً محدوداً، فتزداد بذلك
متانتها وقساوتها.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق