تقوية المحلول الصلب

1. التعريف

ظاهرة يتم فيها إذابة عناصر السبائك في المعدن الأساسي لإحداث درجة معينة من تشوه الشبكة وبالتالي زيادة قوة السبيكة.

2. المبدأ

تُسبب ذرات المذاب المذابة في المحلول الصلب تشوهًا في الشبكة البلورية، مما يزيد من مقاومة حركة الانخلاعات، ويُصعّب انزلاقها، ويرفع من قوة وصلابة المحلول الصلب للسبيكة. تُعرف هذه الظاهرة، المتمثلة في تقوية المعدن عن طريق إذابة عنصر مذاب معين لتكوين محلول صلب، بتقوية المحلول الصلب. وعندما يكون تركيز ذرات المذاب مناسبًا، يمكن زيادة قوة وصلابة المادة، ولكن تقل متانتها وليونتها.

3. العوامل المؤثرة

كلما زاد الكسر الذري لذرات المذاب، زاد تأثير التقوية، وخاصة عندما يكون الكسر الذري منخفضًا جدًا، يكون تأثير التقوية أكثر أهمية.

كلما زاد الفرق بين ذرات المذاب والحجم الذري للمعدن الأساسي، زاد تأثير التقوية.

تتمتع ذرات المذاب البينية بتأثير تقوية أكبر للمحلول الصلب مقارنة بذرات الاستبدال، ولأن تشوه الشبكة للذرات البينية في البلورات المكعبة ذات المركز الجسمي غير متماثل، فإن تأثيرها في التقوية يكون أكبر من تأثير البلورات المكعبة ذات المركز الوجهي؛ ولكن قابلية ذوبان الذرات البينية في الحالة الصلبة محدودة للغاية، لذا فإن تأثير التقوية الفعلي محدود أيضًا.

كلما زاد الفرق في عدد إلكترونات التكافؤ بين ذرات المذاب والمعدن الأساسي، كلما كان تأثير تقوية المحلول الصلب أكثر وضوحًا، أي أن قوة الخضوع للمحلول الصلب تزداد مع زيادة تركيز إلكترونات التكافؤ.

4. تعتمد درجة تقوية المحلول الصلب بشكل أساسي على العوامل التالية

الفرق في الحجم بين ذرات المادة الأساسية وذرات المذاب. كلما زاد الفرق في الحجم، زاد التداخل مع البنية البلورية الأصلية، وازدادت صعوبة انزلاق الانخلاعات.

كمية عناصر السبائك. كلما زادت كمية عناصر السبائك المضافة، زاد تأثير التقوية. إذا كان عدد الذرات كبيرًا جدًا أو صغيرًا جدًا، فسيتم تجاوز حد الذوبان. وهذا يتضمن آلية تقوية أخرى، وهي تقوية الطور المشتت.

تتمتع ذرات المذاب البينية بتأثير تقوية أكبر للمحلول الصلب مقارنة بذرات الاستبدال.

كلما زاد الفرق في عدد إلكترونات التكافؤ بين ذرات المذاب والمعدن الأساسي، كلما كان تأثير تقوية المحلول الصلب أكثر أهمية.

5. التأثير

قوة الخضوع وقوة الشد والصلابة أقوى من المعادن النقية؛

في معظم الحالات، تكون الليونة أقل من ليونة المعدن النقي؛

الموصلية أقل بكثير من المعدن النقي؛

يمكن تحسين مقاومة الزحف، أو فقدان القوة عند درجات الحرارة العالية، عن طريق تقوية المحلول الصلب.

تقوية العضلات

1. التعريف

مع ازدياد درجة التشوه البارد، تزداد قوة وصلابة المواد المعدنية، لكن اللدونة والمتانة تتناقصان.

2. مقدمة

ظاهرةٌ تزداد فيها قوة وصلابة المواد المعدنية عند تشكيلها بالتشكيل اللدن تحت درجة حرارة إعادة التبلور، بينما تقلّ لدونتها ومتانتها. تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم التصليد بالتشكيل على البارد. والسبب هو أنه عند تشكيل المعدن بالتشكيل اللدن، تنزلق الحبيبات البلورية وتتشابك الانخلاعات، مما يؤدي إلى استطالة الحبيبات البلورية وتكسرها وتليفها، وتولد إجهادات متبقية في المعدن. يُعبّر عن درجة التصليد بالتشكيل عادةً بنسبة الصلابة المجهرية للطبقة السطحية بعد المعالجة إلى صلابتها قبلها، وعمق الطبقة المتصلدة.

3. التفسير من منظور نظرية الانخلاع

(1) يحدث التقاطع بين الانخلاعات، وتؤدي القطوع الناتجة إلى إعاقة حركة الانخلاعات؛

(2) يحدث تفاعل بين الانخلاعات، ويؤدي الانخلاع الثابت المتشكل إلى إعاقة حركة الانخلاع؛

(3) يحدث تكاثر الانخلاعات، وتؤدي الزيادة في كثافة الانخلاعات إلى زيادة مقاومة حركة الانخلاعات.

4. الضرر

يُسبب التصلب الناتج عن التشغيل صعوبات في عمليات المعالجة اللاحقة للأجزاء المعدنية. فعلى سبيل المثال، أثناء عملية الدرفلة على البارد للصفائح الفولاذية، تزداد صعوبة الدرفلة، لذا من الضروري إجراء عملية تلدين وسيطة خلال عملية المعالجة للتخلص من التصلب الناتج عن التشغيل بالتسخين. مثال آخر هو جعل سطح قطعة العمل هشًا وصلبًا أثناء عملية القطع، مما يُسرّع من تآكل أداة القطع ويزيد من قوة القطع.

5. الفوائد

يمكن لهذه العملية تحسين قوة وصلابة ومقاومة التآكل للمعادن، وخاصة المعادن النقية وبعض السبائك التي لا يمكن تحسينها بالمعالجة الحرارية. على سبيل المثال، تُستخدم عملية التشكيل على البارد في أسلاك الفولاذ عالية القوة المسحوبة على البارد والزنبركات الملفوفة على البارد، وغيرها، لتحسين قوتها وحد مرونتها. ومن الأمثلة الأخرى استخدام التصليد بالتشكيل لتحسين صلابة ومقاومة التآكل للدبابات، وجنازير الجرارات، وفكوك الكسارات، ومحولات السكك الحديدية.

6. الدور في الهندسة الميكانيكية

بعد عمليات السحب على البارد والدرفلة والتشكيل بالرصاص (انظر تقوية السطح) وغيرها من العمليات، يمكن تحسين قوة سطح المواد المعدنية والأجزاء والمكونات بشكل كبير؛

بعد تعرض الأجزاء للإجهاد، غالباً ما يتجاوز الإجهاد الموضعي لبعض الأجزاء حد المرونة للمادة، مما يتسبب في تشوه لدني. وبسبب التصلب بالتشكيل، يتم تقييد استمرار تطور التشوه اللدني، مما قد يحسن من سلامة الأجزاء والمكونات؛

عند تشكيل جزء أو مكون معدني بالختم، يترافق تشوهه اللدن مع تقوية، بحيث ينتقل التشوه إلى الجزء المتصلب غير المشكل المحيط به. بعد هذه العمليات المتكررة المتناوبة، يمكن الحصول على أجزاء بالختم البارد ذات تشوه مقطعي منتظم؛

يمكن أن يُحسّن التصليد بالتشكيل أداء القطع للفولاذ منخفض الكربون، ويُسهّل فصل الرايش. إلا أنه يُصعّب عمليات المعالجة اللاحقة للأجزاء المعدنية. فعلى سبيل المثال، يستهلك سلك الفولاذ المسحوب على البارد طاقةً كبيرةً في عملية السحب اللاحقة بسبب التصليد بالتشكيل، وقد ينكسر. لذا، يجب تلدينه للتخلص من التصليد بالتشكيل قبل السحب. مثال آخر هو أنه لجعل سطح قطعة العمل هشًا وصلبًا أثناء القطع، تزداد قوة القطع أثناء إعادة القطع، مما يُسرّع تآكل أداة القطع.

تقوية الحبيبات الدقيقة

1. التعريف

تُعرف طريقة تحسين الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية عن طريق تكرير الحبيبات البلورية باسم تقوية تكرير البلورات. وفي الصناعة، يتم تحسين قوة المادة من خلال تكرير الحبيبات البلورية.

2. المبدأ

تتكون المعادن عادةً من بلورات متعددة، تتألف من العديد من الحبيبات البلورية. ويمكن التعبير عن حجم هذه الحبيبات بعددها في وحدة الحجم. فكلما زاد العدد، كانت الحبيبات أدق. تُظهر التجارب أن المعادن ذات الحبيبات الدقيقة، عند درجة حرارة الغرفة، تتمتع بقوة وصلابة وليونة ومتانة أعلى من المعادن ذات الحبيبات الخشنة. ويعود ذلك إلى أن الحبيبات الدقيقة تخضع لتشوه لدن تحت تأثير القوى الخارجية، ويمكن توزيعها على عدد أكبر من الحبيبات، مما يجعل التشوه اللدن أكثر انتظامًا، ويقلل من تركيز الإجهاد. إضافةً إلى ذلك، كلما كانت الحبيبات أدق، زادت مساحة حدودها، وأصبحت أكثر تعرجًا، مما يُعيق انتشار الشقوق. لذلك، تُسمى طريقة تحسين قوة المادة عن طريق تكرير الحبيبات في الصناعة بتقوية تكرير الحبيبات.

3. التأثير

كلما صغر حجم الحبيبات، قل عدد الانخلاعات (n) في مجموعة الانخلاعات. ووفقًا للمعادلة τ=nτ0، كلما قل تركيز الإجهاد، زادت قوة المادة؛

ينص قانون تقوية الحبيبات الدقيقة على أنه كلما زاد عدد حدود الحبيبات، كلما كانت الحبيبات أدق. ووفقًا لعلاقة هول-بيكي، كلما صغر متوسط ​​قيمة (d) الحبيبات، زادت مقاومة الخضوع للمادة.

4. طريقة تكرير الحبيبات

زيادة درجة التبريد الفرعي؛

علاج التدهور؛

الاهتزاز والتحريك؛

بالنسبة للمعادن المشكلة على البارد، يمكن تحسين الحبيبات البلورية عن طريق التحكم في درجة التشوه ودرجة حرارة التلدين.

المرحلة الثانية من التعزيز

1. التعريف

بالمقارنة مع السبائك أحادية الطور، تحتوي السبائك متعددة الأطوار على طور ثانٍ بالإضافة إلى الطور الأساسي. وعندما يتوزع هذا الطور الثاني بانتظام في الطور الأساسي بجزيئات دقيقة متناثرة، فإنه يُحدث تأثيرًا ملحوظًا في التقوية. ويُطلق على هذا التأثير اسم تقوية الطور الثاني.

2. التصنيف

بالنسبة لحركة الانخلاعات، فإن المرحلة الثانية الموجودة في السبيكة لها الحالتان التاليتان:

(1) تعزيز الجسيمات غير القابلة للتشوه (آلية التجاوز).

(2) تعزيز الجسيمات القابلة للتشوه (آلية القطع).

يُعد كل من تقوية التشتت وتقوية الترسيب حالتين خاصتين من تقوية المرحلة الثانية.

3. التأثير

السبب الرئيسي لتقوية المرحلة الثانية هو التفاعل بينها وبين الانخلاع، مما يعيق حركة الانخلاع ويحسن مقاومة التشوه للسبيكة.

لتلخيص

أهم العوامل المؤثرة على قوة المادة هي تركيبها وبنيتها وحالة سطحها؛ وثانيها نوع القوة المؤثرة، مثل سرعة القوة وطريقة التحميل، سواء كان شدًا بسيطًا أو قوة متكررة، حيث تختلف قوة المادة باختلاف الظروف. إضافةً إلى ذلك، يؤثر شكل وحجم العينة ووسط الاختبار تأثيرًا كبيرًا، بل وحاسمًا في بعض الأحيان. فعلى سبيل المثال، قد تنخفض قوة الشد للفولاذ فائق القوة في جو من الهيدروجين انخفاضًا أُسّيًا.

هناك طريقتان فقط لتقوية المواد المعدنية. الأولى هي زيادة قوة الترابط بين ذرات السبيكة، مما يزيد من قوتها النظرية، ويُنتج بلورة كاملة خالية من العيوب، مثل الشعيرات. من المعروف أن قوة شعيرات الحديد قريبة من القيمة النظرية. يُعزى ذلك إلى عدم وجود انخلاعات في الشعيرات، أو وجود عدد قليل منها لا يتكاثر أثناء عملية التشوه. مع ذلك، تنخفض القوة بشكل حاد عندما يكبر قطر الشعيرة. أما الطريقة الثانية للتقوية فهي إدخال عدد كبير من العيوب البلورية، مثل الانخلاعات، والعيوب النقطية، والذرات غير المتجانسة، وحدود الحبيبات، والجسيمات شديدة التشتت، أو عدم التجانس (مثل الانفصال)، وغيرها. تُعيق هذه العيوب حركة الانخلاعات، مما يُحسّن قوة المعدن بشكل ملحوظ. وقد أثبتت التجارب أن هذه الطريقة هي الأكثر فعالية لزيادة قوة المعادن. بالنسبة للمواد الهندسية، يُعتمد عمومًا على تأثيرات التقوية الشاملة لتحقيق أداء شامل أفضل.