إعادة تبلور الفولاذ بالتلدين – إزالة آثار الإجهاد واستعادة اللدونة

إعادة التبلور بالتلدين هي عملية معالجة حرارية تُستخدم بشكل أساسي على المواد التي خضعت سابقًا للتشكيل على البارد. هدفها الرئيسي هو إزالة آثار التصلب الناتج عن الإجهاد، والمعروف بالتشكيل على البارد، واستعادة البنية المجهرية، مما يسمح للمادة باستعادة مرونتها.
أثناء عمليات الدرفلة على البارد، والسحب، والختم، والثني، وغيرها من عمليات التشكيل عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة إعادة التبلور، تزداد كثافة الانخلاعات، وتستطيل الحبيبات، ويصبح المعدن أكثر صلابة وقوة، ولكنه أقل مرونة. وبمجرد الوصول إلى درجة عالية من التصلب بالتشكيل، قد يصبح المزيد من التشكيل صعبًا أو مستحيلاً دون معالجة حرارية وسيطة.
تؤدي عملية التلدين لإعادة التبلور، عند إجرائها بشكل صحيح، إلى تكوين حبيبات جديدة خالية من جزء كبير من آثار التشوه السابق، والتي تحل محل البنية المجهرية المشوهة. ونتيجة لذلك، انخفاض الصلابة والقوة المرتبط بالتصلب بالتشكيل وزيادة كبيرة في اللدونة.

ما هو الإعجاب؟

معجب هي مجموعة من التغيرات في البنية المجهرية وخواص المادة التي تحدث أثناء التشوه اللدن، وخاصة التشوه على البارد. أثناء التشوه، تحدث حركة وتكاثر مكثفان للانخلاعات، وتؤدي كثافتها المتزايدة إلى إعاقة حركة الانخلاعات اللاحقة.
ونتيجة لذلك، تخضع المادة لـ تصلب التشوهلتحقيق تشوه أكبر، يجب تطبيق ضغط أكبر بشكل متزايد.
من الآثار النموذجية للسحق ما يلي:

• زيادة كثافة الانخلاعات،
• استطالة وتشوه الحبيبات في اتجاه المعالجة،
• زيادة في الصلابة،
• زيادة في قوة الخضوع والقوة،
• انخفاض اللدونة،
• تكوين النسيج البلوري،
• تخزين طاقة التشوه في البنية المجهرية،
• احتمالية حدوث ضغوط داخلية.

ما هو التلدين لإعادة التبلور؟

تتضمن عملية إعادة التبلور بالتلدين تسخين مادة مشوهة بلاستيكياً إلى درجة حرارة تسمح بتكوين ونمو حبيبات جديدة بكثافة انخلاع أقل بكثير من تلك الموجودة في البنية المشوهة.
على عكس التلدين الكامل لا تتطلب هذه العملية تحويل الفولاذ إلى الأوستنيت. يمكن أن تحدث إعادة التبلور في الحالة الصلبة دون تحويل البنية إلى الأوستنيت.
هذا فرق جوهري بين التلدين لإعادة التبلور والعديد من المعالجات الحرارية التي تستخدم تحولات الطور.

لماذا تحتاج المادة إلى إعادة التبلور بعد سحقها؟

قد يكون التصلب بالتشكيل تأثيرًا مرغوبًا فيه عندما يكون الهدف هو زيادة قوة وصلابة المادة. ومع ذلك، فإنه يمثل قيدًا تقنيًا في العديد من عمليات التصنيع.
على سبيل المثال، خلال عمليات سحب الأسلاك متعددة المراحل أو درفلة الصفائح المعدنية، تزداد صلابة المادة وتصبح أقل عرضة للتشوه بعد كل عملية. وقد يتطلب استمرار العملية قوى أكبر، مما يزيد من خطر التشقق.
يمكن أن يؤدي التلدين لإعادة التبلور الذي يتم إجراؤه بين المراحل المتتالية من تشكيل البلاستيك إلى استعادة الليونة الكافية والسماح بمزيد من التشوه.

مراحل تغير البنية المجهرية أثناء تسخين المادة بعد التشكيل على البارد

يمكن النظر إلى التغيرات التي تحدث أثناء تسخين مادة مشوهة بلاستيكياً في ثلاث مراحل أساسية:

1. استعادة،
2. إعادة التبلور،
3. نمو الحبوب.

هذه المراحل مترابطة ولكنها تمثل آليات مختلفة للتغيرات التي تحدث في البنية المجهرية.

1. استعادة المواد

استعادة يسبق ذلك عملية إعادة التبلور الفعلية. أثناء التسخين، تزداد حركة عيوب الشبكة البلورية، مما يسمح بإعادة تنظيم جزئية وإزالة الانخلاعات.
تقل الطاقة المخزنة أثناء التشوه السابق، وقد تقل بعض الإجهادات المتبقية. وقد يحدث أيضاً ترتيب الانخلاعات وتكوين بنية الحبيبات الفرعية.
خلال مرحلة التعافي، يبقى الترتيب الأساسي للحبوب المشوهة محفوظًا إلى حد كبير. فهي لم تُستبدل بالكامل بحبوب جديدة، كما هو الحال في عملية إعادة التبلور.

2. إعادة التبلور

بمجرد الوصول إلى الظروف الحرارية المناسبة، تبدأ حبيبات جديدة ذات كثافة انخلاعات أقل بكثير في التشكل داخل المادة. ويُصبح تشكلها ممكناً بفضل الطاقة المخزنة مسبقاً أثناء التشوه اللدن.
تنمو الحبيبات الجديدة تدريجياً على حساب البنية المجهرية المشوهة. ومع تقدم العملية، تُستبدل المناطق المستطيلة والمشوهة بشدة بحبيبات جديدة ذات شكل أكثر تجانساً.
تُعد هذه المرحلة مسؤولة عن أكبر التغييرات في الخصائص الميكانيكية: حيث تنخفض الصلابة والقوة الناتجة عن العمل على البارد، بينما تزداد اللدونة.

3. نمو الحبوب

بمجرد اكتمال عملية إعادة التبلور، فإن الاستمرار في الحفاظ على المادة عند درجات حرارة مرتفعة قد يؤدي إلى نمو الحبوبتنمو الحبيبات الأكبر حجماً على حساب الحبيبات الأصغر حجماً، حيث يميل النظام إلى تقليل المساحة الإجمالية لحدود الحبيبات.
لا يُعدّ النمو المفرط لحبيبات المادة عادةً من الآثار المرغوبة لعملية التلدين لإعادة التبلور. ولذلك، قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة للغاية أو فترات التلدين الطويلة للغاية إلى تدهور خصائص المادة المطلوبة.

البنية المجهرية قبل وبعد إعادة التبلور

درجة حرارة إعادة التبلور

إن درجة حرارة إعادة التبلور ليست قيمة ثابتة لجميع المعادن، ولا حتى لنوع واحد من المواد. فإعادة التبلور عملية تعتمد على كل من درجة الحرارة والزمن.

تتأثر درجة الحرارة الابتدائية ومعدل إعادة التبلور، من بين أمور أخرى، بما يلي:

• نوع المادة،
• التركيب الكيميائي،
• درجة التشوه البلاستيكي السابق،
• حجم الحبيبات الأولي،
• درجة حرارة المعالجة السابقة،
• مدة التسخين،
• وجود الرواسب وعناصر السبائك،
• نقاء المادة.

لذا، فإن تحديد درجة حرارة واحدة عالمية لإعادة التبلور لجميع أنواع الفولاذ سيكون غير صحيح. يجب تحديد معايير العملية للمادة المحددة وحالة تشوهها السابقة.

تأثير درجة التشكيل على البارد على إعادة التبلور

تُعدّ درجة التشوه اللدن المسبق أساسية في مسار إعادة التبلور. فكلما زاد الإجهاد، زادت كمية الطاقة المخزنة في المادة وزادت كثافة الانخلاعات.
تُعدّ الطاقة المخزنة العالية القوة الدافعة وراء عملية إعادة التبلور. ولذلك، فإن المادة التي تتعرض لدرجة أكبر من التشوه يمكن أن تعيد التبلور بسهولة أكبر وفي درجة حرارة أقل أو في وقت أقصر من المادة التي تتعرض لدرجة أقل من التشوه.
هناك أيضا مفهوم سحق حرجإذا كانت درجة التشوه ضئيلة للغاية، فقد لا يكون عدد المواقع الملائمة لتكوين حبيبات جديدة كافياً لتحقيق نمط إعادة التبلور النموذجي. وفي ظل ظروف معينة، قد يؤدي ذلك إلى تكوين حبيبات خشنة غير مرغوب فيها.

تأثير درجة الحرارة ووقت التسخين

تُعدّ درجة الحرارة والوقت من العوامل المترابطة. فزيادة درجة الحرارة تزيد من معدل عمليات الانتشار وحركة حدود الحبيبات، مما يسمح بإعادة التبلور بشكل أسرع.
في درجات الحرارة المنخفضة، قد يستغرق الوصول إلى درجة مماثلة من إعادة التبلور وقتًا أطول. في المقابل، تؤدي الزيادات المفرطة في درجة الحرارة أو الوقت بعد اكتمال إعادة التبلور إلى زيادة خطر نمو الحبيبات.
لذلك ينبغي أن تضمن الدورة المثلى درجة إعادة التبلور المطلوبة دون إطالة وقت التلدين بلا داع.

تأثير إعادة التبلور على الصلابة

أثناء التشكيل على البارد، تزداد صلابة المادة نتيجة للتصلب بالإجهاد. أما أثناء إعادة التبلور، فتتشكل حبيبات جديدة ذات كثافة انخلاعات أقل بكثير، مما يؤدي إلى انخفاض ملحوظ في الصلابة.
يمكن استخدام التغير في الصلابة عمليًا لتقييم مدى تقدم العملية. في أبحاث المواد، تشير العلاقة بين الصلابة ودرجة حرارة التلدين أو مدته إلى مدى حدوث إعادة التبلور المكثفة.

تأثير إعادة التبلور على القوة

يؤدي التصلب بالتشكيل إلى زيادة مقاومة الخضوع ومتانة المادة. وتؤدي إعادة التبلور إلى إزالة جزء كبير من هذا التصلب، مما يقلل من خصائص القوة المرتبطة بالتصلب بالتشكيل.
هذا ليس عيبًا في العملية، بل هو تأثيرها المقصود عندما تخضع المادة لعمليات تشكيل بلاستيكية لاحقة.

تأثير إعادة التبلور على اللدونة

من أبرز التأثيرات المميزة لعملية التلدين لإعادة التبلور ما يلي: استعادة المرونة المفقودة أثناء التشكيل على البارد.
يمكن إخضاع المادة التي أصبحت صلبة وأقل عرضة لمزيد من التشوه بعد الدرفلة أو السحب المكثف لمزيد من المعالجة البلاستيكية بعد التلدين المناسب.
ولهذا السبب تعد إعادة التبلور عنصرًا مهمًا في عمليات الإنتاج متعددة المراحل للصفائح والشرائط والأسلاك والقضبان والأنابيب وغيرها من المنتجات نصف المصنعة المشكلة على البارد.

إعادة التبلور بالتلدين للصفائح والشرائح

تتيح عملية الدرفلة على البارد الحصول على تفاوتات أبعاد صغيرة وجودة سطح جيدة وخصائص المواد المطلوبة، ولكنها في الوقت نفسه تتسبب في أن تصبح المادة أقوى.
إذا تطلب الأمر تقليل السماكة أكثر أو إجراء عملية سحب عميق لاحقة، فقد تحتاج المادة إلى معالجة حرارية لإعادة التبلور. تعمل هذه العملية على استعادة قدرة الصفيحة أو الشريط على تحمل المزيد من التشوه.
اعتمادًا على التقنية، يمكن إجراء عملية التلدين كعملية وسيطة بين مراحل الدرفلة اللاحقة أو كمعالجة نهائية لإعطاء المادة حالة التسليم المطلوبة.

إعادة التبلور بالتلدين للأسلاك

أثناء عملية سحب الأسلاك، يتم تقليل مساحة مقطعها العرضي تدريجياً بتمريرها عبر قوالب. كل تمريرة تزيد من درجة التشوه وتزيد من صلابة المادة.
بمجرد الوصول إلى درجة معينة من التصلب، قد تتطلب عملية السحب اللاحقة قوى عالية جدًا، مما يزيد من خطر تلف المادة. تسمح عملية التلدين الوسيطة بتقليل آثار التصلب الناتج عن التشغيل، وتتيح استمرار عملية السحب.

إعادة التبلور بالتلدين للأنابيب والقطاعات

يمكن أن تخضع الأنابيب والقطاعات المصنعة أو المعايرة بأساليب التشكيل على البارد لعملية تصلب كبيرة. وبحسب نوع المادة والتقنية المستخدمة، قد تُستخدم عملية التلدين لإعادة التبلور بين مراحل السحب أو التخفيض أو التشكيل اللاحقة.
وهذا يسمح للمادة باستعادة قدرتها على التشوه بشكل أكبر ويقلل من خطر التصدع أثناء العمليات اللاحقة.

التلدين لإعادة التبلور والتلدين لتخفيف الإجهاد

لا ينبغي الخلط بين عملية التلدين لإعادة التبلور و التلدين لتخفيف الإجهاد.
تهدف عملية التلدين لتخفيف الإجهاد في المقام الأول إلى تقليل الإجهادات المتبقية مع تقليل التغيير في البنية المجهرية وخصائص المادة الأساسية. أما عملية التلدين لإعادة التبلور، فتهدف إلى تكوين ونمو حبيبات جديدة، لتحل محل البنية المشوهة أثناء عمليات التشكيل البلاستيكي السابقة.

التلدين لإعادة التبلور والتلدين الكامل

التلدين الكامل تعتمد هذه العملية على الأوستنة والتبريد البطيء للغاية للحصول على بنية الفولاذ المطلوبة. ولذلك، فهي مرتبطة بتحولات الطور التي تحدث أثناء التسخين والتبريد.
لا تتطلب عملية التلدين لإعادة التبلور حدوث عملية الأوستنة. وترتبط آليتها بشكل أساسي بالطاقة المخزنة في المادة أثناء التشوه السابق وتكوين ونمو الحبيبات الجديدة.

إعادة التبلور والتلدين والتطبيع

فولاذ التطبيع تتضمن هذه العملية تسخين المادة إلى نطاق التحول الأوستنيتي ثم تبريدها في الهواء. ومن بين فوائدها الأخرى، أنها تعمل على تجانس البنية وتحسينها.
تهدف عملية إعادة التبلور في المقام الأول إلى إزالة آثار التشوه البارد السابق. ولذلك، تستخدم هذه العمليات آليات مختلفة وتُستخدم في تطبيقات تقنية متنوعة.

إعادة التبلور والتلدين وتليين الفولاذ

يمكن أن تؤدي عملية التلدين لإعادة التبلور إلى انخفاض كبير في الصلابة، ولذلك تُصنف على أنها عملية تسمح تليين الفولاذلكن سبب هذا التليين مميز.
لا يعود ذلك في المقام الأول إلى تغير في شكل الكربيد، كما هو الحال في التلدين الكروي، ولا إلى التحول البطيء للأوستنيت، كما هو الحال في التلدين الكامل. بل هو نتيجة إزالة البنية المتصلبة بالإجهاد واستبدالها بحبيبات جديدة ذات كثافة انخلاعات أقل.

إعادة التبلور والفولاذ المقاوم للصدأ

كما يُستخدم التشكيل على البارد على نطاق واسع في الإنتاج الفولاذ المقاوم للصدأيمكن أن تتسبب عمليات الدرفلة والسحب والتشكيل في تصلب كبير للإجهاد، خاصة في بعض أنواع الفولاذ الأوستنيتي.
يمكن أن تؤدي المعالجة الحرارية المناسبة إلى إعادة تبلور البنية المشوهة. مع ذلك، في حالة الفولاذ المقاوم للصدأ، يجب اختيار معايير المعالجة مع مراعاة النوع المحدد والظواهر الأخرى التي قد تحدث أثناء التسخين. لذا، لا ينبغي استخدام نطاق درجة حرارة واحد لجميع أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ.

ما الذي يؤثر على حجم الحبيبات بعد إعادة التبلور؟

يؤثر حجم الحبيبات الناتج بعد العملية بشكل كبير على الخصائص النهائية للمادة. ويتأثر هذا الحجم بشكل أساسي بما يلي:

• درجة السحق السابقة،
• حجم الحبيبات قبل التشوه،
• درجة حرارة التلدين،
• مدة التسخين،
• التركيب الكيميائي،
• وجود رواسب تعيق حركة حدود الحبيبات.

قد يؤدي الجمع غير الصحيح بين معدل الإجهاد المنخفض وظروف التلدين إلى تكوين حبيبات خشنة. لذلك، تُعد درجة التشوه المسبقة معيارًا مهمًا في العملية، تمامًا مثل درجة الحرارة نفسها.

الأخطاء الأكثر شيوعًا أثناء عملية التلدين لإعادة التبلور

• درجة حرارة منخفضة جداً أو وقت قصير جداً قد لا تكتمل عملية إعادة التبلور.
• درجة الحرارة مرتفعة للغاية – بعد اكتمال عملية إعادة التبلور، قد يحدث نمو مفرط للحبوب.
• وقت التسخين طويل جدًا – يزيد من خطر نمو الحبوب ويطيل العملية بلا داعٍ.
• عدم مراعاة درجة السحق قد يؤدي ذلك إلى اختيار غير صحيح للمعلمات.
• اعتبار درجة حرارة إعادة التبلور قيمة ثابتة واحدة – يتجاهل تأثير الوقت والتركيب وحالة المادة.
• الخلط بين إعادة التبلور وتخفيف التوتر – لكلتا العمليتين أهداف مختلفة وتأثيرات مختلفة على البنية المجهرية.

مزايا التلدين لإعادة التبلور

• إزالة جزء كبير من آثار التصلب الإجهادي،
• استعادة مرونة المادة،
• انخفاض الصلابة بعد التشكيل على البارد،
• مما يتيح المزيد من عمليات الدرفلة أو السحب أو التشكيل،
• تكوين حبيبات جديدة ذات كثافة منخفضة للعيوب الجزيئية،
• يمكن استخدامها كمعالجة وسيطة في العمليات التكنولوجية متعددة المراحل.

محددات التلدين لإعادة التبلور

• تتطلب هذه العملية تشويهاً مسبقاً للمادة، مما يوفر الطاقة الدافعة لإعادة التبلور.
• تعتمد درجة الحرارة على المادة ودرجة التكسير السابقة.
• قد تؤدي درجات الحرارة أو فترات الانتظار الطويلة إلى نمو الحبوب.
• قد يؤدي انخفاض درجة التشوه إلى صعوبة الحصول على إعادة التبلور المطلوبة.
• تزيل هذه العملية التصلب الناتج عن الإجهاد المفيد إذا كانت هذه هي النتيجة النهائية المطلوبة.

تطبيق التلدين لإعادة التبلور

تُستخدم هذه العملية بشكل أساسي في إنتاج المنتجات المشكلة على البارد. ويمكن استخدامها كعملية وسيطة ونهائية.

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• صفائح مدرفلة على البارد،
• أشرطة فولاذية،
• الأسلاك المسحوبة،
• قضبان مسحوبة على البارد،
• الأنابيب المسحوبة على البارد والمخفضة،
• المقاطع المشكلة على البارد،
• عناصر مخصصة للرسم العميق،
• منتجات نصف مصنعة تتطلب عدة مراحل متتالية من التشكيل البلاستيكي.

التلدين لإعادة التبلور – أهم المعلومات

تُعدّ عملية التلدين لإعادة التبلور عمليةً مُخصصةً في المقام الأول للمواد التي تمّ تقويتها بالتشكيل على البارد. أثناء التسخين، تحدث عمليتا الاستعادة وإعادة التبلور بالتناوب، ومع استمرار التسخين، قد يبدأ نمو الحبيبات.
تتمثل الخطوة الأهم في تكوين حبيبات جديدة ذات كثافة انخلاعات أقل بكثير، تحل محل البنية المشوهة بشدة التي تشكلت أثناء التشكيل على البارد. ويؤدي ذلك إلى انخفاض في الصلابة والمتانة نتيجة للتصلب بالتشوه، وإلى استعادة الليونة.
تُعدّ هذه العملية بالغة الأهمية في إنتاج الصفائح والشرائح والأسلاك والقضبان والأنابيب والقطاعات المشكلة على البارد. ويمكن إجراؤها بين مراحل التشكيل المتتالية أو كمعالجة نهائية. ويجب اختيار درجة حرارة التلدين ومدة التلدين بناءً على نوع المادة وتركيبها الكيميائي ودرجة التصلب المسبق وحجم الحبيبات المطلوب.

طرق المعالجة الحرارية والكيميائية الحرارية للصلب

تُعدّ عملية التلدين لإعادة التبلور واحدةً من مجموعة عمليات تُستخدم لتعديل البنية المجهرية وخواص الفولاذ. وبحسب التأثير المطلوب، تُستخدم أيضاً عمليات التطبيع، وتخفيف الإجهاد، والتصليد، والتطبيع الحراري، والعمليات الكيميائية الحرارية مثل الكربنة والنتردة.

طرق المعالجة الحرارية للصلب

• فولاذ التطبيع – تحسين الحبيبات وتوحيد البنية المجهرية.
• تخفيف التوتر عن طريق التلدين – تقليل الإجهادات المتبقية.
• تليين الفولاذ – تقليل الصلابة وتحسين قابلية المعالجة اللاحقة.
• التلدين الكامل – الأوستنة والتبريد البطيء.
• التلدين متساوي الحرارة – عملية تحويل تتم مع الحفاظ على درجة حرارة مختارة بشكل صحيح.
• التلدين الكروي – التكوير – تغيير في شكل السمنتيت أو الكربيدات الأخرى.
• إعادة التبلور بالتلدين – إزالة آثار السحق واستعادة اللدونة.
• التلدين المتجانس – تقليل الفصل بين المواد وتجانس تركيبها.
• التصليد والمعالجة الحرارية – تشكيل البنية المجهرية والخواص عن طريق التصليد والتطبيع.
• فولاذ التصليد – تعديل خصائص الفولاذ بشكل متحكم به بعد التصليد.
• التصلب بالحث - التسخين بالحث السطحي والتبريد السريع.
• التصلب بالنار – تصلب السطح بعد التسخين الموضعي باللهب.
• التشبع الزائد – الحصول على محلول صلب فوق مشبع عن طريق دورة حرارية مناسبة.
• شيخوخة – فصل طوري مُتحكم به يؤدي إلى تقوية المادة.

طرق المعالجة الحرارية الكيميائية للصلب

• نترجة الفولاذ – الإثراء الانتشارى للطبقة السطحية بالنيتروجين.
• فولاذ الكربنة – الإثراء الانتشارى للأسطح بالكربون.
• الكربنة النيتروجينية – إثراء الطبقة السطحية بالكربون والنيتروجين في آن واحد.
• عملية النيتروكربنة / النيتروكربنة – إثراء الطبقة بشكل أساسي بالنيتروجين والكربون.
• حفر – تشبع السطح بالبورون عن طريق الانتشار.
• طلاء الكروم بالانتشار – إثراء الطبقة بالكروم عن طريق الانتشار.
• التألومنيوم بالانتشار – إثراء الطبقة بالانتشار في الألومنيوم.