معالجة حرارية

إذا نظرنا إلى مخطط الاتزان الحرارى للحديد والكربون شكل(1) نجد ان الصلب اليوتيكتويدى (نسبة الكربون 0.77%) يكون طورا واحدا عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة اليوتيكتويد(727 درجة مئوية). هذا الطور يسمى اوستنيت أو γ. في درجة حرارة اقل من اليوتيكتويد يتحول هذا الطور إلى طورين وهما سيمنتيد و؟ فريت فيما يسمى باسم البرليت. لكى يحدث هذا التحول لابد وان يكون التبريد بطيئا بدرجة كافية. إذا كان التبريد غير بطىْ بدرجة كافية، فان الاوستنيت لا يتحول إلى برليت بل يتحول إلى اشكال أخرى قد تكون مختلفة تماما ف خواصها عن البرليت. الذي يحدد ذلك هو مخطط التحول بالوقت ودرجة الحرارة(Time- Temperature- Transformation diagram) ويطلق عليه في كثير من الأحيان مخطط الـ TTT شكل (2) يوضح مخطط الـ TTT للتركيب اليوتيكتويدى حيث ان لكل تركيب من الحديد والكربون مخططه الخاص.

هذا المخطط يوضح تغير الأطوار مع الوقت ودرجة الحرارة حيث ان الوقت على مقياس لوغاريتمى ودرجة الحرارة على مقياس خطى ويمكن ملاحظة التالى:

ا) عند درجة حرارة أعلى من اليوتيكتويد يوجد طور واحد وهو الاوستنيت (يرمز له هنا بالرمز γ)

ب) تحت درجة حرارة اليوتيكتويد لا يكون الاوستنيت مستقرا ويبدا في التحول مع الزمن ولذلك فان هناك خط بداية تحول وخط نهاية تحول.

ج) يكون التغير مع الوقت إلى برليت عند درجات الحرارة المرتفعة ويكون التغير إلى بنيت (Bainite) عند درجات حرارة منخفضة نسبيا.

د) النقطة المارة بالخط الافقى تسمى الانف (nose) والخط الافقى المار بها يفصل ما بين البرليت (p) والبنيت (B).

هـ) إذا كان التبريد سريعا بحيث اننا نصل إلى درجات حرارة منخفضة دون المرور ببداية التحول فان هناك تحولا اخر يتم لا يعتمد على الزمن بل يعتمد على درجة الحرارة فقط، هذا التحول يسمى المارتنزيت (Martensite) ويرمز له هنا M.

مسارات التبريد المختلفة للحصول على البرليت (P) والبنيت (B) والمارتنزيت (M). من الشكل نستخلص الاتى :

ا) لكى يكون التحول كاملا لابد ان يمر خط التبريد بخط نهاية التحول.

ب) الذي يتحول هو الاوستنيت فقط بمعنى انه إذا تحول الاوستنيت مثلا إلى البرليت فان البرليت لا يتحول إلى بنيت أو مارتنزيت.

مخطط أطوار الحديد-الكربون (Fe–C)، حيث تحدد نسبة الكربون ودرجة الحرارة الطور الذي تتواجد به سبيكة الحديد والكربون، وكذلك خصائصها الفيزيائية والميكانيكية. كما تحدد نسبة الكربون نوع السبيكة سواء كانت حديد أم صلب أم حديد زهر.

السؤال الآن هو هل يمكننا الحصول على خليط من أي من الثلاثة؟ بمعنى خليط من المارتنزيت والبيرلايت مثلا أو خليط من البانيت والمارتنزيت أو خليط من البانيت والمارتنزيت والبرليت ؟ الجابة هي نعم.

يوضح ذلك في هذا الشكل هناك خط التبريد فاذا فرضنا انه لدينا 1 كجم من الاوستنيت فاننا نجد التالى:

ا) عند النقطة b ما يزال هناك 1 كجم من الاوستنيت ولكنه غير مستقر.

ب) عند النقطة ؤ تحول 0.5 كجم إلى البرليت وهناك 0.5 كجم من الاوستنيت غير المستقر.

ج) حدث تبريد مفاجى لنقطة d. يبدا الاوستنيت المتبقى في التحول وشروط التحول هنا كالاتى:

• يعتبر الاوستنيت المتبقى كانه برد فجائيا من درجة حرارة فوق اليوتيكتويد إلى النقطة e.

• يبدا في التحول من بداية الزمن عند النقطة e.

د) عند النقطة f يتحول نصف الاوستنيت المتبقى (0.5 كجم) إلى بنيت ويبقى 0.25 كجم من الاوستنيت غير مستقر.

هـ) عند النقطة g يتحول بقية لاوستنيت إلى مارتنزيت. في النهاية يكون 0.5 كجم برليت و0.25 كجم بنيت 0.25 كجم مارتنزيت.

إذا كان هناك صلب ذو تركيب يوتيكتويدى ومخطط TTT كما هو موضح بشكل (1) وإذا بدأ هذا الصلب في التبريد من درجة حرارة 800 درجة مئوية عندما كان في طور الاوستنيت. اوجد التركيب النهائى له إذا تعرض للتبريد كالاتى :

ا) تبريد فجائى إلى درجة حرارة 350 درجة مئوية والمكوث عند هذه الدرجة 10000 ثانية ثم تبريد فجائى لدرجة حرارة الغرفة.

ب) تبريد فجائى لدرجة 650 درجة مئوية ثم المكوث عند هذه الدرجة مدة عشرين ثانية ثم التبريد الفجائى لدرجة 400 درجة مئوية ولمكوث عند الدرجة لمدة 1000 ثانية ثم التبريد الفجائى لدرجة حرارة الغرفة.

الحل : شكل(4) يوضح خطوط التبريد أ، ب ومنها نجد انه :

• في الحالة (أ) يتحول الاوستنيت إلى 100% بنيت.

• في الحالة (ب) يتحول لاوستنيت إلى 50% بنيت و50% برليت.

وسوف ندرس الآن باختصار خواص كل من البيرلايت والبانيت والمارتنزيت.

صور الأطوار المختلفة لمخطط الاتزان الحرارى للحديدوالكربون موضحا كيفية تكون البرليت والبينيت والمارتنزيت

كما اوضحنا مسبقا ان البيرليت يتكون من طبقات معاقبة من طورين وهما الفريت والسيمنتيت. تكون هذه الطبقات سميكة إذا تحول الاوستنيت إلى البرليت عند درجة حرارة قريبة من اليوتيكتويد ويسمى برليت غليظ (coarse pearlite) وتكون هذه الطبقات رفيعة إذا تحول الاوستينيت إلى بيرليت عند درجات حرارة قريبة من 540 درجة مئوية، وهى نهاية طور البرليت، ويسمى في هذه الحالة برليت دقيق (fine pearlite). عموما كلما أصبح البرليت دقيقا :

• زات صلادته وقوته.

• قلت الممطولية. (الممطولية هي مقياس لقابلية المادة للتشكيل).

يتكون البينيت من طورين أيضا وهما السيمنتيت والفريت وهو ادق في تركيبه من البرليت فالسيمنتيت ينتشر على شكل صفائح أو شكل ابرى في الفريت. عموما فان البنيت أكثر قوة من البيرلايت ولكنه يتمتع أيضا بقابليته للتشكيل (ممطولية).

رسم بيانى يوضح التبريد المفاجى للمعدن وعلاقته بالمارتنزيت

هو عبارة عن طور واحد ولا يحتاج لزمن للتحول بل فقط درجة حرارة. وهو الأكثر صلادة وقوة وقصافة (أي انه غير قابل للتشكيل) على الإطلاق. نستطيع الآن ان نستنتج انه بتسخين الصلب لكى يتحول إلى اوستنيتثم باتباع عمليات تبريد (مسارات تبريد) مدروسة يمكن التحكم في الخواص الميكانيكية للصلب. دعنا الآن نتفحص بعض المعالجات الحرارية الهامة في الصلب وهى التخمير والمعادلة والتصليد والمراجعة ولكن قبل ذلك يجب تعريف درجتى حرارة هامتين وهما درجة الحرارة الحرجة السفلى ودرجة الحرارة الحرجة العليا.

درجة الحرارة الحرجة السفلى هي درجة حرارة اليوتيكتويد (727 درجة مئوية) وهى ثابتة ولا تتغير مع تغير نسبة الكربون.

درجة الحرارة الحرجة العليا هي التي فوقها مباشرة يتحول الصلب كله إلى اوستنيت، وهى متغيرة مع تغير نسبة الكربون.

يتم التخمير عادة بتسخين المادة لدرجات حرارة مرتفعة نسبيا وهناك نوعان من التخمير في الصلب

أ)تخمير ازالة الإجهادات.

ب)تخمير تام.

فيه يتم تسخين الصلب تحت درجة الحرارة الحرجة السفلى وهى درجة حرارة اليوتيكتويد والغرض الأساسي من هذا النوع من التخمير عادة هو ازالة الإجهادات الداخلية الناتجة عن عمليات التشكيل على البارد وعمليات تبريد سابقة أو عمليات تشغيل.

فيه يتم تسخين الصلب في الفرن لدرجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة العليا إذا كان تركيب الصلب تحت اليوتيكتويد نسبة الكربون اقل من 77% اوبين درجة الحرارة السفلى والعليا وإذا كان تركيب الصلب فوق اليوتيكتويد وبعد فترة من الوقت يتم التبريد ببطء في الفرن ويكون الغرض من هذه العملية اكساب الصلب لدونة.

الشكل (5)درجة حرارة للمعالجات الحرارية الهامة للصلب مع توضيح مدى درجات حرارة التخمير

عندما يشكل الصلب على البارد بعمليات مثل عمليات الدرفلة مثلا فان الحبيبات تتعرض لاختلاف في اشكالها واحجامها وتكون مستطيلة مشوهة.في هذه الحالة تجرى لها عملية معادلة والغرض منها تصغير حجم الحبيبات واعادة انتظام اشكالها.تتم هذه العملية بتسخين الصلب لدرجة حرارة فوق الدرجة الحرجة العليا ثم يبرد الصلب في الهواء.

إذا كان تركيب الصلب تحت اليوتيكتويد، يسخن الصلب ليتحول إلى اوستنيت ويتم بعد ذلك التبريد السريع لكى يتحول الاوستنت إلى مارتنزيت.إذا كان تركيب الصلب فوق اليوتيكتويد، يتم تسخينه فوق الدرجة الحرجة السفلى.معدلات التبريد هنا حرجة بمعنى انه كلما احتجنا لمعدلات تبريد سريعة ليتم التحول المطلوب، كلما كان من الصعب التحكم في عمليات التحول.وزيادة نسبة الكربون وبعض العناصر الأخرى تقلل من سرعة التبريد المطلوبة ليتم التحول وبالتالى فانه يكون من الأسهل التحكم في العملية.الأوساط المستخدمة في عمليات التبريد السريع هذه عادة ما تكون الماء أو الزيت وفي بعض الأحيان تيار الهواء.

تتم هذه العملية عادة بعد عملية التصليد والغرض منها:

ا-التخلص من الإجهادات الداخلية الناتجة من عملية التصليد.

ب-اكساب الصلب المصلد ممطولية ومتانة(مقاومة الكسر).

تتم هذه العملية بتسخين الصلب تحت درجة الحرارة الحرجة السفلى.

النحاس عموما من المعادن ذات التوصيل الجيد جد للكهرباء ذات مقاومة عالية للتاكل.من أشهر سبائكه النحاس الاصفروهى سيبكة من النحاس والخارصين ولها استخدامات كثيرة مثل العملات المعدنية والأخرى البرونزوهو أحد السبائك الشهيرة ويحتوى البرونز، بالإضافة إلى النحاس، على القصدير والالومنيوم والسيليكون والنيكل والبرونز أقوى من النحاس الأصفر ويحتفظ بخاصية مقاومة التاكل.

هناك سبائك حديثة من النحاس اشهرها سبائك النحاس والبريليوم وهى تتميز بقوة عالية جدا وتوصيل ممتازة كذلك لمقاومة التاكل.

التخمير لسبائك النحاس :

أحد الطرق الرئيسية لاكساب سبائك النحاس الصلادة هي عملية التشكيل على البارد(مثل عملية الدرفلة).تزداد هنا قوة السبائك النحاسية ولكنه في نفس الوقت تزداد قصافتها.يمكن ارجاع بعض من ممطولية المادة عن طريق التخمير.تتم عمليات التخمير عادة عند درجة حرارة 760-980 درجة مئوية وبعد ذلك يبرد النحاس سريعا في الماء.عند اجراء عمليات التخمير في النحاس يجب الحذر عند التسخين من ظاهرة القصافة الحرارية وهى عبارة عن درجات حرارة تزداد عندها قصافة النحاس بشكل كبير ويصبح عرضة للكسر. المعالجة الحرارية للنحاس يجب أن تتم على يد خبيرلأن النحاس مادة شديدة السمية

اعادة التبلور لسبائك الالومنيوم

نموذج لسبيكة الالومنيوم موضحا عليه بعض الخطوط الطيفية

يتميز الألومنيوم وسبائكه بخفة الوزن(بالمقارنة بالصلب مثلا)كذلك التوصيل العالى للكهرباء والحرارة وسهولة التشكيل.العيب الأساسي هوانخفاض درجة الانصهار (660 درجة مئوية).يمكن تحسين الخواص الميكانيكية بإضافة عناصر أخرى(السبائك) أو بعمليات التشكيل على البارد ولكنه في كلتا الحالتين يفقد الالومنيوم جزاء من مقاومته للتاكل والعناصر الأساسية لسبائك الالومنيوم هي النحاس والمنجينز والسيليكون والماغنيسوم والزنك(الخارصين). زاد الاهتمام بسبائك الالومنيوم حديثا لاستخدامها كمواد هندسية.من أكثر التطبيقات اثارة للاهتمام هو الاستخدام في المواصلات وذلك نظرا لقلة وزن هذه السبائك الامر الذي يعيطها ميزه توفير الوقود، المعالجة الحرارية خطوة مهمة في عمليةِ تصنيع الألمنيومِ لإنْجاز سبائك بخواص مطلوبة. تَتطلّبُ المعالجةُ الحراريةَ لسبائكِ الألمنيومِ لمعرفة مخطط درجة الحرارة والوقت، لِكي تُنجزَ نَتائِجَ متكرّرةَ وتُنتجُ مُنتَج عالى الجودة. فإنّ المواصفاتَ المستعملةَ على نحو واسع أي إم إس 2771 وأي إم إس 2771 بينهما اختلاف واضح.

تنقسم عملياتَ المعالجة الحرارية للالومنيوم إلى التخمير والتصليد والمراجعة كما سبق ذكرهما وتتم على سبائك الومنيوم كلها سبائك الألمنيوم تُقسّمَ إلى صنفين: سبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية وسبائك قابلة للمعالجة الحرارية، التي تَتضمّنُ xxx1، 3 xxx، 4 xxx وسبائكِ سلسلةِ xxx5، يستمدوا قوتهم من عملية التصليد، بينما السبائك القابلة للمعالجة الحرارية وهى xxx2، 6 xxx وسبائكِ سلسلةِ xxx 7 ومُقَوّية بعملية المراجعة.

التخمير لسبائك الالومنيوم:

يتشابه الالومنيوم مع النحاس في جوانب محددة فالتشكيل على البارد هو أحد الطرق الرئيسية لاكساب الالومنيوم الصلادة ولكن ذلك يكون على حساب ممطوليتة.يتم التخمير لاسترجاع بعض من الممطولية لابد من مراعاة القصافة الحرارية هنا أيضا أثناء عمليات التخمير درجات حرارة التخمير للامنيوم وسبائكه تتراوح ما بين343-413 درجة مئوية.

يعتبر المغنيسيوم من اخف المعادن على الأرض وزنه الذرى 12 ويتواجد بكثرة في قشرة الأرض وفي محيطات العالم على شكل كربونات أو كلوريدات ويتميز بخاصية خمد الاهتزازت ويستخدم في مجال صناعة الطائرات ومحركاتها نظرا لانه يتحمل اجهاد الزحف. التخمير لسبائك المغنيسوم

المعالجة الحرارية للمغنيسيوم:

تتم في شروط مختلفة ويتم التسخين إلى 290 ويتم التخمير من450 إلى 550 يسبب ذلك تقوية في المعادن ومعظم عمليات التشكيل على المغنيسيوم تعمل في درجات الحرارة العالية وتتم ازالة الإجهادات المتبقية بالتشكيل على البارد أو الساخن واللحام وتظهر الإجهادات المتبقية عند الصب وأثناء التجمد وأحيانا أثناء عمليات التشغيل، وعند مُعَالَجَة ِ سبائكِ الخارصينِ أو الومنيومِ أو المغنيسيومِ، يتم رفع درجة حرارة المعالجة ببطء لتفادى انشطار المركبات الانصهارية والتشكيلِ الناتجِ مِنْ الفراغاتِ عند درجة 260 حتى لاتنشئ الفجوات والشروخ التي تتسبب انخفاض مستوى السبيكة.

التيتانيوم الاسفنج قبل اجراء عمليات التصنيع لتحويلة لسبيكة

يتواجد التيتانيوم على شكل اسفنجى ويتم ضغطه للحصول على السبائك ويستخدم في صناعة محركات الطئرات نظرا لان درجة انصهاره1668 درجة مئوية ويستخدم في انانيب الضغط الهيدروليكى.

التخمير لسبائك التيتانيوم: المعالجة الحرارية للتيتانيوم تستخدم لزيادة صلابة الكسر وقابل للطرق في درجة الحرارة العادية وزيادة الخواص الميكانيكية وتطوير سبائك التيتانيوم نظرا لأن التيتانيوم يتحمل درجات الحرارة العالية لذا يستخدم في محركات الطائرات ويوجد اربع طرق للتخمير وهما

1-تخمير باستخدام الطحن

2-التخمير المضاعف

3-التخمير البلورى

4-تخمير بيتا

اولا تخمير باستخدام الطحن:

التخمير باستخدام الطحن يستخدم للمنتجات الطاحونية الشكل وهو ليس تخمير تام ولكنه جزئى ويترك اثار عند التشكيل على الساخن أو البارد

ثانيا التخمير المضاعف(التخمير المزدوج) يعدل الحجوم والابعاد في المراحل المختلفة مما يجعل التيتانيوم مقاوم للزحف وصلابة الكسر

ثالثا التخمير البلورى اعادة البلورة باستخدام المعالجة الحرارية والتخمير ويساعد على تحسين صلابة الكسرويتم التسخين إلى درجة قبل الانصهار ويترك ببطء ليبرد داخل الفرن لذلك يستخدم في الطائرات

رابعا تخمير بيتا تخمير بيتا يشبه تخمير اعادة البلورة يزود صلابة الكسر ويتم عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الانتقال من طور إلى اخر لمنع حدوث النمو المفرط في حجم الخلية ويعتمد التخمير على السمك واستخدام الماء أو مراوح الهواء عند تخمير المقاطع الكبيرة.

المواد الخزفية بعد اجراء عمليات المعالجة الحرارية لها

الخزف تشمل المواد اللاعضوية اللامعدنية والمتشكلة بفعل الحرارة. أهم التطبيقات القديمة هي المواد الغضارية وأعمال الجص والفخار والقرميد والآجر المستخدم في البناء، لا ننسى أيضاً المواد الزجاجية والاسمنت. تندرج حميع المواد ذات الأصل أو الطبيعة الغضارية أو الترابية أو الكلسية ضمن المواد السيراميكية

التخمير للسيراميك:

الخزف هو من المواد غير العضوية، غير المعدنية، صلبة وهشه (بعد أن يوضع بالنار) ،مرن جدا في وضعه الطبيعي، يُنتج بها العديد من الأشياء مثل الأواني الفخاريه والتماثيل الزخرفيه. كما أنها تستخدم في الطلاءات المقاومة للحرارة العالية ولذلك لخصائصة الكيمياءيه والفيزياءيه وارتفاع درجة انصهاره. عادة لون الخزف أبيض، يمكن ان مزجه بمواد مختلفة وملونة. الفخاريات عادة ما تتألف من مواد مختلفة : الطين، والفلسبار، رمل، أكسيد الحديد والالومنيا والكوارتز. الخزف هو الطين المزجج والمفخور. يرجع تاريخ الخزف إلى أقدم العصور.في الوقت الحاضر أصبح الخزف من أحد الفنون التشكيلية. وأما الاسم الاخر لهذا الخزف (سيراميك) وهو فن إسلامي قديم وأما بالغة السنسكريتية فاسمه (كيراموس). فن الخزف من أقدم الحرف والفنون في تاريخ البشرية ولم يعرف حتى الآن أين بدأ أو متى ولكنه وليد الحاجة والصدفة معا فمياه الأمطار والأرض الترابية التي تتحول إلى طين بفعل المطر ثم تطبع عليها بصمة الارجل والخطوات شكلت تقعرات امتلأت بالمياه فعرف منها الإنسان كيف يحفظ سوائله وفي عصر الزراعة احتاج لاشياء يحفظ فيها الحبوب خاصتا بعد أن جفت الطينة ثم عرف النار وقام بتسوية الاشكال التي صنعها من الطين لتصبح اثر صلابة ولا تنهار بفعل المياة والسوائل ثم عرف ان الرمال تنصهر بفعل النار وتتحول إلى زجاج فكانت الطبقة الزجاجية التي تسد المسام في الاوانى الفخارية وتزيد الفخار صلابة وأصبح عنده نوعين من المنتج الطينى الفخار المسامى والخزف المطلى بطلاء زجاجى شفاف وأحيانا ملون وتطور من ادوات نفعية إلى فنون وعرف أيضا باسم السيراميك بعد تزجيجه بالطلاءات الزجاجية واسم سيراميك اسم اغريقى مأخوذ من كلمة كيراميكوس أى صانع الفخار وأعظم ما انتج في فنون الفخار والخزف هو ما انتجته الحضارة الإسلامية لتعدد البلدان التي ضمتها هذه الحضارة وتنوع الاساليب والتقنيات التي عرفها صانعو الفخار في ظل الامبراطورية الإسلامية. تسمى أيضاً بالمواد المتصلدة حرارياً أو المواد الغضارية. يعود الاختلاف في التسمية إلى الترجمة المصطلحة لكلمة ceramics الأجنبية. هذه المواد هي عبارة عن أكاسيد لمعادن، وتعتبر المواد الزجاجية حالة خاصة من المواد السيراميكية.