مخطط طور الكربون الحديدي: التعريف، الطور، والتطبيقات

يعد الرسم البياني لطور الحديد والكربون مهمًا للغاية في علم المواد. فهو يوضح كيف أن درجات الحرارة المختلفة وكميات الكربون تغير أطوار الحديد وسبائكه. وعندما يحصل المهندسون على هذا الرسم البياني، يمكنهم تحسين الفولاذ، مما يساعد في العديد من المجالات - مثل بناء الأشياء أو الطيران بالطائرات.

الشكل 1: مخطط طور Fe-C

ما هو مخطط طور الحديد والكربون؟

هذا الرسم البياني هو مخطط يساعدنا على معرفة كيفية تفاعل درجات الحرارة ومستويات الكربون مع الحديد وسبائكه. وهو مفيد حقًا في علم المعادن لأنه يمكنه التنبؤ بنوع البنية الدقيقة التي ستحصل عليها في الفولاذ أو الحديد الزهر.

ما هي أصعب مرحلة في مخطط الحديد والكربون؟

الآن، المارتنسيت هو الطور الأكثر صلابة في مخطط طور الحديد والكربون. يتكون هذا العنصر القوي عندما يبرد الأوستينيت بسرعة كبيرة. عندما يبرد بسرعة، لا يستطيع الكربون الهروب من بنية الحديد. لذا، تحصل على محلول صلب شديد الصلابة والقوة.

لماذا يظهر مخطط الطور الحديدي-الكربوني 6.7% فقط من الكربون؟

يوجد حد أقصى لكمية الكربون التي يمكن أن توجد في مخطط الطور الحديدي-الكربوني، وهو 6.67% على الأكثر. وذلك لأنك عند هذا المستوى تصنع السمنتيت (Fe₃C). وإذا كان هناك المزيد من الكربون، تصبح المواد هشة ولا تصلح للاستخدام في الأغراض الهندسية.

المراحل، حدود المرحلة، نقطة التماسك

المراحل

جزء متجانس ومتميز من النظام، له خصائص مختلفة عن الأجزاء الأخرى من النظام.

حدود المرحلة

تُعرف المناطق التي يحدث فيها التحول الطوري باسم حدود الطور. الحدود المشتركة التي يجب أن نذكرها هي خط A1 وخط A3 وخط ACM

نقطة التماسك

توجد هذه النقطة في مخطط Fe-C والتي تشير إلى تحول الطور السائل إلى طورين صلبين. يحدث هذا التحول عند 1147 درجة مئوية مع 4.3% C.

لماذا تعتبر مخططات الطور ضرورية في تصميم السبائك

تتمتع هذه المخططات بأهمية كبيرة في تطبيقاتك اليومية وتساعدك في تحديد التركيب الدقيق والخصائص والتغيرات البنيوية الدقيقة المطلوبة في تطبيقك.

البنية البلورية في الحديد

فيما يلي الهياكل البلورية الأساسية الموجودة في مخطط طور Fe-C:

ألفا-فيريت

ستجد بنية BCC في الحديد ألفا مع محتوى كربون أقصى يصل إلى 0.02%. علاوة على ذلك، إذا كنت بحاجة إلى خصائص مغناطيسية جيدة في تطبيقك، فإن هذه المرحلة تلعب دورًا رئيسيًا في هذا الجانب.

غاما-أوستينيت

في هذه المرحلة، ستجد هيكل FCC بمحتوى كربوني أقصى يصل إلى 2.14%. بالإضافة إلى ذلك، إذا كان تطبيقك يتطلب أي تغيير في خصائص القوة، فإن هذه المرحلة مهمة في تنفيذ العديد من عمليات المعالجة الحرارية.

δ-فيريت

ستجد هذه المرحلة عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ حوالي 1390 درجة مئوية وتتكون من بنية BCC. ستستفيد من هذه المرحلة في التطبيقات التي تتطلب الاستقرار عند درجات حرارة عالية.

سمنتيت (Fe₃C)

هذه هي المرحلة الأصعب في مخطط هذه المرحلة حيث يصل الحد الأقصى لمحتوى الكربون إلى 6.67%. علاوة على ذلك، ستفيدك في التطبيقات التي تتطلب فولاذًا عالي القوة.

الطور السائل (محلول Fe-C)

تساعد هذه المرحلة الشركة المصنعة في تنفيذ عمليات الصب وستجد هذه المرحلة عند درجة حرارة مرتفعة تصل إلى حوالي 1530 درجة مئوية.

ما هي المراحل الصلبة الخمس في مخطط الحديد والكربون؟

فيما يلي المراحل الخمس التي ستجدها في مخطط المرحلة هذا:

• الفريت مركب حديدي
• الأوستينيت
• سمنتيت
• دلتا الفريت
• برليت

خصائص كل مرحلة

يوفر لك الجدول أدناه الخصائص المهمة لكل مرحلة:

الجدول 1: خصائص الطور

نطاقات درجات الحرارة واستقرار كل مرحلة

فيما يلي المراحل المهمة مع درجة حرارتها ونطاق استقرارها:

α-Ferrite : توجد هذه المرحلة من درجة حرارة الغرفة إلى ما يقرب من 910 درجة مئوية، وستلاحظ حالتها المستقرة تحت 727 درجة مئوية مع انخفاض C.

الأوستنيت γ : توجد هذه المرحلة من 727 إلى ما يقرب من 1147 درجة مئوية، وستلاحظ حالتها المستقرة فوق 727 درجة مئوية مع ارتفاع C.

السمنتيت : بالنسبة لهذه المرحلة، ستجد أن نطاق درجة حرارتها أقل من 1147 درجة مئوية، وهي مستقرة بالتأكيد مع نسبة عالية من الكربون في تركيبها.

دلتا-فيريت : ستجد أن تكوين هذه المرحلة يحدث بين 1390-1538 درجة مئوية ويفضل الاستقرار عند درجات الحرارة المرتفعة.

البيرلايت : ستلاحظ استقرار هذه المرحلة في التركيب اليوتكتويدي. بالإضافة إلى ذلك، يتشكل عند درجة حرارة 723 درجة مئوية.

التفاعلات الرئيسية في مخطط طور الحديد والكربون

تحدث التفاعلات التالية المذكورة أدناه:

تفاعل يوتكتويد

فيما يلي تفاعل يوتكتويد الذي يدل على تحويل مرحلة صلبة واحدة إلى مرحلتين صلبتين أخريين.

التفاعل الايتكتيكي

فيما يلي التفاعل الأتكتيكي الذي يشير إلى تحويل الطور السائل إلى طورين صلبين آخرين.

التفاعل البيريتكتيكي

ستلاحظ التفاعل التالي عند درجة حرارة مرتفعة تبلغ حوالي 1498 درجة مئوية والذي يحدث عن طريق تفاعل طور صلب وسائل ينتج عنه الأوستنيت.

حدود المرحلة والنقاط الحرجة

فيما يلي وصف موجز لحدود الطور والنقاط الحرجة المهمة:

فهم النقاط الإيوتكتية والإيوتكتويدية

نقطة التماسك:

• يحدث عند 4.3% مئوية ودرجة حرارة 1147 درجة مئوية.
• تحويل السائل إلى γ وFe₃
• مهم في إنتاج الحديد الزهر.

نقطة يوتكتويد :

• يحدث عند 0.76% مئوية ودرجة حرارة 727 درجة مئوية.
• تحويل γ إلى α وFe₃
• يمنحك البيرلايت، المسؤول عن مزيج من القوة إلى جانب الصلابة.

درجات الحرارة الحرجة في سبائك الحديد والكربون

الجدول 2: درجات الحرارة الحرجة

قاعدة الرافعة وتحليل التركيب عند الحدود

أداة للحساب الرياضي توفر لك نسبة الطور (الكسر الكتلي) ضمن نطاق محدد من درجة الحرارة والتركيب.

حقول الطور ومناطق الاستقرار

التفاصيل أدناه تعطيك تحليلًا موجزًا ​​لحقول الطور ومنطقة الاستقرار:

تفسير مناطق الاستقرار للمراحل α وγ وδ

بالنسبة لـ α-Ferrite، يوجد الطور من درجة حرارة الغرفة إلى ما يقرب من 910 درجة مئوية وستلاحظ حالته المستقرة أسفل 727 درجة مئوية مع درجات حرارة منخفضة. علاوة على ذلك، يوجد الطور γ-Austenite من 727 إلى ما يقرب من 1147 درجة مئوية وستلاحظ حالته المستقرة فوق 727 درجة مئوية مع درجات حرارة عالية. أخيرًا، ستجد تكوين الطور δ بين 1390-1538 درجة مئوية ويفضل الاستقرار عند درجات حرارة مرتفعة.

الآثار المترتبة على المعالجة الحرارية للصلب

عندما تفهم منطقة الاستقرار بشكل فعال، فسوف تستفيد من المعالجة الحرارية المثلى. وبالتالي، فهي ضرورية للتحكم في التحول الطوري، وتطوير البنية الدقيقة جنبًا إلى جنب مع طول عمر المواد.

تصنيف الفولاذ حسب محتوى الكربون

التصنيف الرئيسي للصلب هو كما يلي:

الفولاذ تحت اليوتكتويد والفولاذ فوق اليوتكتويد

يمنحك الفولاذ منخفض التكتونية ليونة جيدة إلى جانب الصلابة في تطبيقاتك، كما يوجد محتوى كربون أقل من 0.76% في هذا الفولاذ. من ناحية أخرى، يمنحك الفولاذ منخفض التكتونية صلابة جيدة مع تعويض ليونة ويحتوي على أكثر من 0.76% كربون

الدور في المعالجة الحرارية وتخصيص السبائك

يقدم لك مخطط الطور هذا العديد من الأفكار، خاصة فيما يتعلق بالمعالجة الحرارية وتخصيص السبائك.

التنبؤ بالخصائص الميكانيكية من خلال تحليل الطور

الميزات الرئيسية التي تساعدك في التنبؤ بالخصائص الميكانيكية من خلال تحليل الطور هي:

• التحكم في التغيرات البنيوية الدقيقة
• فهم جيد لدرجات الحرارة الحرجة
• تخصيص خصائص السبائك

أنواع تطبيقات الفولاذ

الجدول 2: أنواع الفولاذ وتطبيقاته

خبرة شركة Tuofa China في تصنيع الفولاذ بدقة

تقدم لك شركة Tuofa Technology خدمات تصنيع الآلات ذات التحكم الرقمي التي لا توفر الدقة والإتقان فحسب، بل تعدك أيضًا بجودة ممتازة في منتجك. تتمتع الشركة بخبرة تزيد عن 16 عامًا مما يثبت خبرتها في هذا المجال من تصميم المنتج إلى الشحن النهائي.