تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لمراقبة كسر الإجهاد وتحليل آلية الكسر؛ وفي الوقت نفسه، تم إجراء اختبار إجهاد الانحناء الدوراني على العينات منزوعة الكربون عند درجات حرارة مختلفة لمقارنة عمر الإجهاد للفولاذ المختبر مع وبدون إزالة الكربون، ولتحليل تأثير إزالة الكربون على أداء الإجهاد للفولاذ المختبر. تُظهر النتائج أنه نظرًا لوجود عمليتي الأكسدة وإزالة الكربون في آنٍ واحد أثناء عملية التسخين، فإن التفاعل بينهما يؤدي إلى زيادة سمك طبقة إزالة الكربون بالكامل ثم انخفاضه مع ارتفاع درجة الحرارة. يصل سمك هذه الطبقة إلى أقصى قيمة له وهي 120 ميكرومتر عند 750 درجة مئوية، وإلى أدنى قيمة له وهي 20 ميكرومتر عند 850 درجة مئوية. ويبلغ حدّ الإجهاد للفولاذ المختبر حوالي 760 ميجا باسكال، ومصدر تشققات الإجهاد فيه هو بشكل رئيسي شوائب أكسيد الألومنيوم غير المعدنية. كما أن عملية إزالة الكربون تُقلل بشكل كبير من عمر الإجهاد للفولاذ المختبر، مما يؤثر على أدائه في مقاومة الإجهاد، فكلما زاد سمك طبقة إزالة الكربون، انخفض عمر الإجهاد. من أجل تقليل تأثير طبقة إزالة الكربون على أداء الإجهاد للفولاذ المختبر، يجب ضبط درجة حرارة المعالجة الحرارية المثلى للفولاذ المختبر عند 850 درجة مئوية.
تُعد التروس مكونًا مهمًا في السياراتنظراً للتشغيل بسرعات عالية، يجب أن يتمتع الجزء المتشابك من سطح الترس بقوة عالية ومقاومة للتآكل، كما يجب أن يتمتع جذر السن بأداء جيد في مقاومة إجهاد الانحناء نتيجةً للحمل المتكرر المستمر، وذلك لتجنب التشققات التي تؤدي إلى كسر المادة. تشير الأبحاث إلى أن إزالة الكربون عامل مهم يؤثر على أداء مقاومة إجهاد الانحناء الدوراني للمواد المعدنية، وأن أداء مقاومة إجهاد الانحناء الدوراني مؤشر هام على جودة المنتج، لذا من الضروري دراسة سلوك إزالة الكربون وأداء مقاومة إجهاد الانحناء الدوراني للمادة المختبرة.
تتناول هذه الورقة البحثية اختبار إزالة الكربون السطحي لصلب التروس 20CrMnTi باستخدام فرن المعالجة الحرارية، وتحليل تأثير درجات حرارة التسخين المختلفة على عمق طبقة إزالة الكربون في الصلب المختبر. كما تستخدم آلة اختبار إجهاد الانحناء الدوراني QBWP-6000J لتحديد أداء إجهاد الصلب المختبر، وتحليل تأثير إزالة الكربون على أداء الإجهاد في الإنتاج الفعلي بهدف تحسين عملية الإنتاج، ورفع جودة المنتجات، وتوفير مرجع عملي. وقد تم تحديد أداء إجهاد الصلب المختبر باستخدام آلة اختبار إجهاد الانحناء الدوراني.
1. مواد وطرق الاختبار
مادة الاختبار المستخدمة في وحدة إنتاج فولاذ تروس 20CrMnTi، تركيبها الكيميائي الرئيسي موضح في الجدول 1. اختبار إزالة الكربون: تُشكّل مادة الاختبار على هيئة عينة أسطوانية بقطر 8 مم وطول 12 مم، ويجب أن يكون سطحها لامعًا وخاليًا من البقع. تُسخّن العينة في فرن المعالجة الحرارية إلى درجات حرارة 675، 700، 725، 750، 800، 850، 900، 950، و1000 درجة مئوية، وتُثبّت عند هذه الدرجات لمدة ساعة واحدة، ثم تُبرّد بالهواء إلى درجة حرارة الغرفة. بعد المعالجة الحرارية للعينة بالتشكيل والطحن والتلميع، وباستخدام محلول كحولي من حمض النيتريك بنسبة 4%، يُفحص سطح الفولاذ المختبر باستخدام المجهر المعدني لمراقبة طبقة إزالة الكربون، وقياس عمق هذه الطبقة عند درجات الحرارة المختلفة. اختبار إجهاد الانحناء الدوراني: وفقًا لمتطلبات معالجة مادة الاختبار، تم تقسيمها إلى مجموعتين من عينات اختبار إجهاد الانحناء الدوراني. لم تخضع المجموعة الأولى لاختبار إزالة الكربون، بينما خضعت المجموعة الثانية لاختبار إزالة الكربون عند درجات حرارة مختلفة. باستخدام جهاز اختبار إجهاد الانحناء الدوراني، تم اختبار مجموعتي الفولاذ، وتحديد حد الإجهاد لكلتا المجموعتين، ومقارنة عمر الإجهاد لكل منهما. كما تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح لملاحظة كسر الإجهاد، وتحليل أسباب الكسر، واستكشاف تأثير إزالة الكربون على خصائص الإجهاد للفولاذ المختبر.
الجدول 1: التركيب الكيميائي (النسبة المئوية للكتلة) للصلب المختبر (وزن%)
تأثير درجة حرارة التسخين على إزالة الكربون
يوضح الشكل 1 مورفولوجيا تنظيم إزالة الكربون تحت درجات حرارة تسخين مختلفة. كما هو موضح في الشكل، عند درجة حرارة 675 درجة مئوية، لا تظهر طبقة إزالة الكربون على سطح العينة؛ وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى 700 درجة مئوية، تبدأ طبقة إزالة الكربون بالظهور على سطح العينة، وتكون رقيقة من الفريت؛ ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى 725 درجة مئوية، يزداد سمك طبقة إزالة الكربون على سطح العينة بشكل ملحوظ؛ وعند 750 درجة مئوية، يصل سمك طبقة إزالة الكربون إلى أقصى قيمة له، وفي هذه الحالة، تصبح حبيبات الفريت أكثر وضوحًا وخشونة؛ وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى 800 درجة مئوية، يبدأ سمك طبقة إزالة الكربون بالتناقص بشكل ملحوظ، وينخفض إلى نصف سمكه عند 750 درجة مئوية. عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 850 درجة مئوية، كما هو موضح في الشكل 1، يبدأ سمك طبقة إزالة الكربون الكاملة بالتناقص بشكل ملحوظ عند 800 درجة مئوية، حيث يصل إلى النصف عند 750 درجة مئوية. وعندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 850 درجة مئوية وما فوق، يستمر سمك طبقة إزالة الكربون الكاملة في التناقص، بينما يبدأ سمك طبقة إزالة الكربون النصفية بالازدياد تدريجيًا حتى تختفي طبقة إزالة الكربون الكاملة تمامًا، ثم يصبح شكل طبقة إزالة الكربون النصفية واضحًا تدريجيًا. يتضح أن سمك طبقة إزالة الكربون الكاملة يزداد أولًا ثم يتناقص مع ارتفاع درجة الحرارة، ويعود سبب هذه الظاهرة إلى أن العينة تخضع لعمليتي الأكسدة وإزالة الكربون في آن واحد أثناء التسخين، ولا تظهر ظاهرة إزالة الكربون إلا عندما يكون معدل إزالة الكربون أسرع من معدل الأكسدة. في بداية التسخين، يزداد سُمك الطبقة المُزالة منها الكربون بالكامل تدريجيًا مع ارتفاع درجة الحرارة حتى يصل إلى أقصى قيمة له. عندئذٍ، ومع استمرار رفع درجة الحرارة، يصبح معدل أكسدة العينة أسرع من معدل إزالة الكربون، مما يُعيق زيادة سُمك الطبقة المُزالة منها الكربون بالكامل، وينتج عنه انخفاض في السُمك. يتضح أنه ضمن نطاق 675 إلى 950 درجة مئوية، تكون قيمة سُمك الطبقة المُزالة منها الكربون بالكامل عند 750 درجة مئوية هي الأكبر، بينما تكون قيمتها عند 850 درجة مئوية هي الأصغر. لذلك، يُوصى بتسخين الفولاذ المُختبَر عند 850 درجة مئوية.
الشكل 1: الشكل النسيجي لطبقة الفولاذ المختبرة منزوعة الكربون عند درجات حرارة تسخين مختلفة لمدة ساعة واحدة
بالمقارنة مع الطبقة شبه المُزالة للكربون، فإن سُمك الطبقة المُزالة للكربون بالكامل له تأثير سلبي أكبر على خصائص المادة، حيث يُقلل بشكل كبير من خصائصها الميكانيكية، مثل انخفاض القوة والصلابة ومقاومة التآكل وحد الإجهاد، كما يزيد من قابليتها للتشقق، مما يؤثر على جودة اللحام. لذلك، يُعد التحكم في سُمك الطبقة المُزالة للكربون بالكامل ذا أهمية بالغة لتحسين أداء المنتج. يُظهر الشكل 2 منحنى تغير سُمك الطبقة المُزالة للكربون بالكامل مع درجة الحرارة، مما يُوضح تغير سُمكها بشكل أكثر وضوحًا. يتضح من الشكل أن سُمك الطبقة المُزالة للكربون بالكامل يبلغ حوالي 34 ميكرومتر فقط عند 700 درجة مئوية؛ ومع ارتفاع درجة الحرارة إلى 725 درجة مئوية، يزداد سُمكها بشكل ملحوظ إلى 86 ميكرومتر، أي أكثر من ضعف سُمكها عند 700 درجة مئوية. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 750 درجة مئوية، يصل سمك الطبقة التي تم إزالة الكربون منها بالكامل إلى أقصى قيمة تبلغ 120 ميكرومترًا؛ ومع استمرار ارتفاع درجة الحرارة، يبدأ سمك الطبقة التي تم إزالة الكربون منها بالكامل في الانخفاض بشكل حاد، إلى 70 ميكرومترًا عند 800 درجة مئوية، ثم إلى أدنى قيمة تبلغ حوالي 20 ميكرومترًا عند 850 درجة مئوية.
الشكل 2: سمك الطبقة منزوعة الكربون بالكامل عند درجات حرارة مختلفة
تأثير إزالة الكربون على أداء مقاومة الإجهاد في الانحناء الدوراني
لدراسة تأثير إزالة الكربون على خواص إجهاد فولاذ الزنبرك، أُجريت مجموعتان من اختبارات إجهاد الانحناء الدوراني. المجموعة الأولى خضعت لاختبارات الإجهاد مباشرةً دون إزالة الكربون، بينما خضعت المجموعة الثانية لاختبارات الإجهاد بعد إزالة الكربون عند نفس مستوى الإجهاد (810 ميجا باسكال)، حيث استمرت عملية إزالة الكربون عند درجة حرارة 700-850 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة. يوضح الجدول 2 عمر الإجهاد لفولاذ الزنبرك في المجموعة الأولى من العينات.
يُبين الجدول 2 عمر الإجهاد للمجموعة الأولى من العينات. وكما هو واضح من الجدول 2، فبدون إزالة الكربون، تعرض الفولاذ المختبر لـ 107 دورات فقط عند 810 ميجا باسكال، ولم يحدث أي كسر؛ وعندما تجاوز مستوى الإجهاد 830 ميجا باسكال، بدأت بعض العينات في الكسر؛ وعندما تجاوز مستوى الإجهاد 850 ميجا باسكال، انكسرت جميع عينات الإجهاد.
الجدول 2: عمر الإجهاد تحت مستويات إجهاد مختلفة (بدون إزالة الكربون)
لتحديد حدّ الإجهاد، استُخدمت طريقة المجموعة لتحديد حدّ الإجهاد للفولاذ المختبر، وبعد التحليل الإحصائي للبيانات، تبيّن أن حدّ الإجهاد للفولاذ المختبر يبلغ حوالي 760 ميجا باسكال. ولتوصيف عمر الإجهاد للفولاذ المختبر تحت إجهادات مختلفة، رُسم منحنى S-N، كما هو موضح في الشكل 3. وكما هو واضح من الشكل 3، تتوافق مستويات الإجهاد المختلفة مع أعمار إجهاد مختلفة، فعندما يكون عمر الإجهاد 7، أي ما يعادل 107 دورات، فهذا يعني أن العينة في هذه الظروف قد تجاوزت مرحلة الإجهاد، ويمكن تقريب قيمة الإجهاد المقابلة بقيمة مقاومة الإجهاد، أي 760 ميجا باسكال. يتضح من ذلك أن منحنى S-N ذو أهمية بالغة لتحديد عمر الإجهاد للمادة، وله قيمة مرجعية هامة.
الشكل 3: منحنى SN لاختبار إجهاد الانحناء الدوراني التجريبي للفولاذ
يُبيّن الجدول 3 عمر الإجهاد لمجموعة العينات الثانية. وكما هو واضح من الجدول، بعد إزالة الكربون من الفولاذ المختبر عند درجات حرارة مختلفة، انخفض عدد الدورات بشكل ملحوظ، حيث تجاوز 107 دورات، وانكسرت جميع عينات الإجهاد، مما أدى إلى انخفاض كبير في عمر الإجهاد. وبالنظر إلى سُمك طبقة إزالة الكربون ومنحنى تغير درجة الحرارة، نجد أن سُمك طبقة إزالة الكربون عند 750 درجة مئوية هو الأكبر، ما يُقابله أدنى قيمة لعمر الإجهاد. بينما سُمك طبقة إزالة الكربون عند 850 درجة مئوية هو الأصغر، ما يُقابله قيمة عالية نسبيًا لعمر الإجهاد. يتضح من ذلك أن عملية إزالة الكربون تُقلل بشكل كبير من أداء الإجهاد للمادة، وكلما زاد سُمك طبقة إزالة الكربون، انخفض عمر الإجهاد.
الجدول 3: عمر الإجهاد عند درجات حرارة مختلفة لإزالة الكربون (560 ميجا باسكال)
تمت دراسة شكل كسر الإجهاد في العينة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، كما هو موضح في الشكل 4. يوضح الشكل 4(أ) منطقة مصدر الشق، حيث يظهر قوس إجهاد واضح. وبناءً على هذا القوس، تم تحديد مصدر الإجهاد، والذي تبين أنه ناتج عن شوائب غير معدنية تشبه عين السمكة. تُعد هذه الشوائب بيئة مثالية لتركيز الإجهاد، مما يؤدي إلى حدوث شقوق الإجهاد. أما الشكل 4(ب) فيوضح شكل منطقة امتداد الشق، حيث تظهر خطوط إجهاد واضحة، موزعة بشكل يشبه النهر، وهي تنتمي إلى كسر شبه تفككي، حيث تتوسع الشقوق تدريجيًا حتى تؤدي إلى الكسر.
تحليل كسور الإجهاد
الشكل 4: مورفولوجيا سطح كسر الإجهاد للفولاذ التجريبي باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح
لتحديد نوع الشوائب في الشكل 4، تم إجراء تحليل لتكوين طيف الطاقة، وتظهر النتائج في الشكل 5. يمكن ملاحظة أن الشوائب غير المعدنية هي في الأساس شوائب Al2O3، مما يشير إلى أن الشوائب هي المصدر الرئيسي للتشققات الناتجة عن تشقق الشوائب.
الشكل 5: مطيافية الطاقة للشوائب غير المعدنية
الخلاصة
(1) سيؤدي تحديد درجة حرارة التسخين عند 850 درجة مئوية إلى تقليل سمك الطبقة منزوعة الكربون لتقليل التأثير على أداء الإجهاد.
(2) حد الإجهاد لانحناء الدوران الفولاذي للاختبار هو 760 ميجا باسكال.
(3) تشقق الفولاذ المختبر في الشوائب غير المعدنية، وخاصة خليط Al2O3.
(4) يؤدي إزالة الكربون إلى تقليل عمر الإجهاد للفولاذ المختبر بشكل كبير، وكلما كانت طبقة إزالة الكربون أكثر سمكًا، انخفض عمر الإجهاد.
تاريخ النشر: ٢١ يونيو ٢٠٢٤
