معرفة

ملخص: استجابةً لمشكلة ضعف امتصاص طاقة الصدمة في قطع الفولاذ المصبوب 30CrNiMo بعد الإخماد والتطبيع، تم تحليل أسباب ضعف امتصاص طاقة الصدمة من خلال أساليب مثل تحليل الكسر، والفحص المعدني، واختبار الصلابة، وتحليل التركيب الكيميائي. أشارت النتائج إلى أن سطح الكسر في قطع الفولاذ المصبوب 30CrNiMo كان بين حبيبات. وكشف الفحص المعدني أن الحبيبات في الحالة المُخمّدة كانت غير متساوية، مع وجود حبيبات مختلطة. تراكم النيوبيوم عند حدود حبيبات الأوستينيت الأصلية مُشكّلاً NbC، مما لم يُقلل فقط من نشاط حدود الحبيبات ويُعيق هجرتها، بل شكّل أيضاً العديد من جسيمات الطور الثاني التي ثبّتت حدود الحبيبات وعززت توارث حدودها. في النهاية، أدى ذلك إلى خشونة حبيبات الأوستينيت، وزيادة درجة حرارة انتقال الفولاذ من المطيلية إلى الهشة، وتكوين كسور حبيبية هشة، وانخفاض أداء الصدمة عند تعرض الفولاذ للصدمات في درجة حرارة الغرفة.

الكلمات المفتاحية: فولاذ 30CrNiMo؛ امتصاص طاقة التصادم؛ الكسر بين الحبيبات؛ NbC؛ فصل حدود الحبيبات. يُستخدم فولاذ 30CrNiMo على نطاق واسع في آلات التعدين نظرًا لقدرته العالية على التصلب، وخواصه الميكانيكية الشاملة الممتازة، وخصائصه الجيدة في التشغيل البارد والساخن. تشمل عملية إنتاج أجزاء الفولاذ المصبوب 30CrNiMo الصب، والتطبيع (890 درجة مئوية × ساعة واحدة، تبريد بالهواء)، والتبريد، والتطبيع (1 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، والتبريد بالماء، والتبريد عند 880 درجة مئوية لمدة ساعتين). خلال اختبار الأداء، كان امتصاص طاقة التصادم دون المستوى المطلوب (كانت جميع قيم الاختبار أقل من 1 جول، وهي أقل بكثير من الحد الأدنى للقيمة المطلوبة البالغة 600 جول). أُخذت عينات التصادم من كتل اختبار مصبوبة مفردة، ويظهر موقع أخذ العينات في الشكل 2. حددت هذه الورقة أسباب امتصاص طاقة التصادم دون المستوى المطلوب لأجزاء الفولاذ المصبوب من خلال الاختبارات والتحليلات المعملية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح والمجهر الضوئي.

 

الشكل 1 موقع أخذ العينات من عينات التأثير

 

 

1 الفحص الفيزيائي والكيميائي

1.1 الشكل المجهري لسطح الكسر

رُصد سطح الكسر لعينات الصدم باستخدام مجهر مسح إلكتروني ZEISS EVO15. يظهر شكل سطح الكسر في الشكل 2. وكما يتضح من الشكل 2، كان شكل سطح الكسر العياني غير طبيعي، مع وجود العديد من المستويات الصغيرة على سطح الكسر، وهو كسر واضح بين الحبيبات. تحت المجهر الإلكتروني الماسح، توزعت العديد من الخطوط على المستويات الصغيرة لسطح الكسر. وعند تكبيرها، أظهرت الخطوط سمات انشقاق وشبه انشقاق؛ وكانت حواف كلا الجانبين ذات أشكال غمازات.

الشكل 2 أشكال كسر المجهر الإلكتروني الماسح للصلب المختبر الموحد (أ) العياني؛ (ب) الكسر بين الحبيبات؛ (ج) البنية البلورية الدقيقة المصبوبة؛ (د) شكل الغمازة (د) شكل الغمازة

 

1.2 مسح سطح طيف الطاقة وتحليل التركيب

استُخدم جهاز تحليل طيف الطاقة X-Max50 لإجراء تحليل تركيبي دقيق للمنطقة الشريطية للمستوى الصغير من سطح الكسر. تظهر النتائج في الشكل 3. وكما يتضح من الشكل 3، تُظهر نتائج مسح سطح الكسر عدم انتظام توزيع النيوبيوم ووجود ظاهرة فصل. تُظهر نتائج التحليل الكمي أن محتوى النيوبيوم في منطقة الشريط يبلغ 1.74%، وأن محتوى النيوبيوم بين الخطوط منخفض جدًا بحيث يصعب اكتشافه. محتوى النيوبيوم في منطقة الشريط أعلى منه في المنطقة غير الشريطية المحيطة بها.

الشكل 3 تحليل EDS عند كسر المستوى الصغير للفولاذ المُختبر المُخمَّد والمُقسّى (أ) نتائج مسح السطح عند الحافة؛ (ب) نتائج التحليل الكمي عند الحافة وبين الحواف. (ب) نتائج التحليل الكمي عند الحافة وبين الخطوط

 

1.3 البنية المجهرية

أُخذت عينات من نفس الدفعة من العينات المصبوبة، والمُطبّعة، والمُطفأة، والمُقسّاة في نفس الموقع. حُفرت بمحلول كحول حمض النيتريك بتركيز 4%، ثم فُحصت تحت المجهر الضوئي ZEISS Imager.M2m. تظهر النتائج في الشكل 4. تتكون البنية المجهرية المصبوبة من شرائح وكتل حبيبية من الفريت، مع فيريت إبري وبيرليت داخل الحبيبات. تتكون البنية المجهرية المُطبّعة من فيريت + بيرليت + بينيت حبيبي. تتكون البنية المجهرية المُطفأة من مارتنسيت + بينيت حبيبي. تتكون البنية المجهرية المُقسّاة من سوربيت مُقسّى.

الشكل 4 البنية الدقيقة للصلب المختبر تحت حالات معالجة حرارية مختلفة (أ) مصبوب؛ (ب) مُعَيَّر؛ (ج) مُخَمَّد؛ (د) مُقَسَّى (ب) مُعَيَّر؛ (ج) مُخَمَّد؛ (د) مُقَسَّى

أُجري فحص لحجم حبيبات البنى الدقيقة المصبوبة والمطفأة، والنتائج موضحة في الشكل 5. حجم حبيبات البنى الدقيقة المصبوبة أقل من الدرجة 00 المحددة في المعيار GB/T 6394-2017 "طريقة تحديد متوسط ​​حجم حبيبات المعادن"، وحجم الحبيبات قريب نسبيًا من حجم الأسطح الصغيرة على سطح الكسر. حجم حبيبات البنى الدقيقة المطفأة غير متساوٍ للغاية، مما يُظهر سمة حجم الحبيبات المزدوجة.

 

1.4 فحص التركيب الكيميائي

أُخذت عينات من عينات اختبار الصدم، وخضعت لفحص التركيب الكيميائي باستخدام مطياف انبعاث البلازما 5110VDV ومحلل الكربون والكبريت بالأشعة تحت الحمراء DK 606. النتائج موضحة في الجدول 1. يتضح من الجدول 1 أن التركيب الكيميائي لعينات اختبار الصدم يتوافق مع متطلبات فولاذ ZG30CrNiMo الواردة في JB/T 5000.6-2007 "الشروط الفنية العامة للآلات الثقيلة - الجزء 6: أجزاء الفولاذ المصبوب".

 

1.5 فحص الصلابة

استُخدم جهاز اختبار الصلابة الدقيقة FM-310 لاختبار صلابة منطقة مورفولوجيا الانشطار ومنطقة مورفولوجيا الغمازة على سطح الكسر في عينات اختبار الصدم. بلغت قوة الاختبار 0.98 نيوتن، وزمن تحمل قوة الاختبار 10 ثوانٍ. اختيرت خمس نقاط اختبار في كل منطقة. بلغ متوسط ​​صلابة منطقة مورفولوجيا الانشطار 334HV0.1، ومتوسط ​​صلابة منطقة مورفولوجيا الغمازة 328HV0.1. لم يُلاحظ فرق كبير في الصلابة بين المنطقتين.

 

2 التحليل والمناقشة

تُظهر نتائج العناصر الكيميائية أن التركيب الكيميائي لجزء الفولاذ المصبوب يتوافق مع متطلبات فولاذ ZG30CrNiMo في JB/T 5000.6-2007. تستبعد نتائج اختبار الصلابة احتمالية وجود صلابة غير متساوية للمادة تُسبب فشل امتصاص طاقة التأثير. يُظهر الشكل المجهري لسطح الكسر أن عينة اختبار التأثير بها كسر بين الحبيبات. حجم المستويات الصغيرة على سطح الكسر بين الحبيبات قريب نسبيًا من حجم حبيبات الأوستينيت الأصلية للحالة المصبوبة، مما يُشير إلى وجود ظاهرة وراثة حدود الحبيبات أثناء المعالجة الحرارية لجزء الفولاذ المصبوب. بشكل عام، تتناسب القوة الدافعة لهجرة حدود الحبيبات عكسيًا مع نصف قطر انحناء حدود الحبيبات. كلما كبرت الحبيبات الأصلية، كانت حدود الحبيبات أكثر استقامة، وكان نصف قطر الانحناء لانهائيًا تقريبًا، قل احتمال هجرتها أثناء التسخين اللاحق، وزاد احتمال الحفاظ على حدود الحبيبات الأصلية سليمة. تظهر نتائج فحص طيف الطاقة أن محتوى Nb عند الخطوط أعلى من المحتوى الموجود في المناطق غير المخططة المحيطة، مما يشير إلى وجود فصل Nb في الفولاذ. Nb هو عنصر قوي لتشكيل الكربيد ويوجد في الغالب في شكل كربيدات NbC في الفولاذ. عندما تكون هناك رواسب عند حدود الحبوب في الفولاذ، يصعب إذابتها تمامًا عند درجة حرارة المعالجة الحرارية العامة وبالتالي لا يمكن التخلص منها [1]. تظهر نتائج الفحص المعدني أن البنى الدقيقة للفيريت + بيرليت والباينيت الحبيبي تشكلت أثناء معالجة التطبيع. بالنسبة لفولاذ 30CrNiMo، وفقًا للبحث ذي الصلة [2]، نظرًا لوجود نسبة عالية من Cr وNi وMo وعناصر السبائك الأخرى، فقد يحدث تحول غير متوازن حتى عند معدل تبريد بطيء نسبيًا. بمجرد تكوين الباينيت أو المارتنسيت، ووفقًا لظاهرة وراثة البنية الدقيقة للصلب [3]، فقد لا تتمكن عمليات التطبيع أو الإخماد والتخمير اللاحقة من إزالة هذه البنية الدقيقة، مما يؤدي إلى ظهور حبيبات مختلطة أو حبيبات خشنة في العينات المعالجة حرارياً. ونظرًا لأن النيوبيوم له تأثير في زيادة قابلية التصلب وتثبيط تكوين البيرلايت، فإنه يشير إلى أن فصل عناصر السبائك في الفولاذ لم يتم القضاء عليه عن طريق التطبيع، كما أن الحبيبات غير المتساوية في حالة الإخماد اللاحقة وظهور الحبيبات المختلطة يشير أيضًا إلى وجود فصل عناصر السبائك. يمكن أن يؤدي فصل عناصر السبائك عند حدود الحبوب إلى تغيير خصائص هجرة حدود الحبوب. من ناحية أخرى، يمكن لعناصر السبائك المنفصلة عند حدود الحبوب أن تقلل من نشاط حدود الحبوب وتعيق هجرتها. من ناحية أخرى، قد تشكل المزيد من جزيئات الطور الثاني لتثبيت حدود الحبوب وتعزيز وراثة حدود الحبوب [4].

 

3 الاستنتاجات والاقتراحات

1) من خلال الكشف عن سطح كسر التأثير لأجزاء الفولاذ المصبوب 30CrNiMo وتحليله، وجد أن البنية الدقيقة للتحول غير المتوازنة ووراثة حدود الحبوب الناتجة عن فصل عناصر السبائك هي الأسباب المباشرة لفشل امتصاص طاقة التأثير للعينات. 2) استجابة لحدوث هياكل تحويل غير متوازنة مثل الباينيت في العينات بعد التطبيع، تم تعديل عملية التطبيع إلى التلدين المتساوي الحرارة لمنع التحول غير المتوازن، مما يمكن أن يقلل من درجة وراثة حدود الحبوب ويحسن بشكل فعال أداء تأثير العينات.