تويت
عيب تعديني
Default in metallurgy - Défaut métallurgique
العيب التعديني
العيب التعديني default in metallurgy هو عطل في المعدن يؤدي إلى ظهور فوارق كبيرة بين سلوكية البنية المعدنية المثالية وخواصها والبنية الحقيقية.
لمحة تاريخية
في البداية لم يكن هناك تفسير يوضح الاختلاف الكبير بين القيم النظرية لخواص المواد المبنية على أساس البنية المثالية للبلورات المعدنية ونتائج الواقع العملي. وتبلور المعادن يعني أن الذرات تتوضع بشكل هندسي منتظم أطلق عليه اسم الهيكل الشبكي، وتتكون البلورة المعدنية من عدد كبير من الهياكل الشبكية. وبعد استخدام الأشعة السينية تمكن الباحثون من رصد البنية الداخلية للمعادن وإثبات وجود عيوب معدنية بدءاً من العيوب النقطية المتمثلة بالتوضع الخاطئ لبعض الذرات المكونة للهيكل الشبكي للبلورة، إلى العيوب الخطية المتمثلة بالانخلاعاتdislocations، والعيوب السطحية مثل الحدود بين البلورات. وقد بينت دراسات استخلاص البلورة المثالية مخبرياً والخالية من العيوب أن قيم خواصها الميكانيكية قريبة من القيم النظرية.
عيوب تصنيع المعادن
هناك عيوب عدة ناتجة من تصنيع المواد المعدنية وتشغيلها، وأهمها:
ـ عدم تجانس البنية: هو عيب تعديني يؤدي إلى حدوث ما يسمى اللّبية والانعزال. إن معظم المعادن والسبائك المعدنية تتبلور على شكل غصني dendritic structure كما هو موضح في الشكل 1.
تكون عملية التبلور ونمو البلورات متدرجة بسبب شكلها الغصني مما يؤدي إلى حدوث:
آ ـ المركزية أو اللّبية coring، وهي اختلاف في تركيب البنية المجهرية، وتدرجه من مركز الحبيبة إلى أطرافها الخارجية. ويعود السبب في ذلك إلى اختلاف درجات حرارة انصهار مكونات السبيكة؛ إذ تميل الفلزات ذات درجات حرارة انصهار عالية إلى البقاء في مركز البلورة، بينما تبقى الفلزات التي درجة حرارة انصهارها منخفضة على المحيط الخارجي للبلورة. وارتفاع تركيز الفلز ذي درجة حرارة الانصهار المنخفضة على حدود الحبيبات يعد نقطة ضعف في السبيكة، ويزيد من حساسية التآكل على هذه الحدود. تنتج اللبية عندما يكون معدل تبريد السبائك سريعاً نسبياً وتتكون بقلّة عند تعرضها للتبريد البطيء، وكذلك تكون هذه الظاهرة واضحة إذا كان الفارق بين خطي الانصهار والتجمد كبيراً، ويقل أثرها بتقاربها، وتختفي عند نقطة التقائهما.
ب ـ الانعزال: segregation وهو ظاهرة تشبه اللبية ولكن بفارق أن الانعزال (الشكل 2) يحدث بمقياس كبير (ماكروسكوبي).
يعود ذلك إلى أن الجزء الخارجي للسبيكة يتجمد بأسرع من تجمد مركزها الذي يبرّد ببطء، لذلك يكون المركز أغنى بالذرات والشوائب من الجزء الخارجي الذي تجمد أولاً. في بعض الأحيان يكون الانعزال سلبياً negative segregation (الشكل 3) كما في حالة سبائك (النحاس ـ قصدير)، حيث ينفصل القصدير على هيئة حبيبات تترسب على سطح السبيكة لانخفاض درجة حرارة انصهاره.
يمكن حل مشكلة عدم التجانس الناجمة عن اللبية والانعزال بطريقتين:
1ـ بتبريد المسبوكة تبريداً بطيئاً، ولكن هذه الطريقة غير اقتصادية وتحتاج إلى زمن طويل، إضافة إلى أنها تسبب نمو بلورات المعدن، الأمر الذي يؤثر سلباً في خواصه الميكانيكية ويؤدي إلى انخفاض مقاومته وصلادته.
2ـ عن طريق المعالجة الحرارية وإجراء عملية الإحماء الانتشاري وهي نوع من المعالجات الحرارية يسخن فيها المعدن إلى درجات حرارة تقل عن درجة انصهاره بقليل، ولبقائه فيها فترة من الزمن تكفي لانتشار ذرات السبيكة وتوزعها بانتظام في مختلف الاتجاهات.
ـ تكوّن الفجوات: وهي من العيوب التي تحدث نتيجة التقلص وتغيرات الحجم في أثناء تجمد المسبوكة. يظهر التقلص في أثناء الطور السائل بانخفاض سطح المعدن، أما في أثناء التحول من الطور السائل إلى الطور الصلب فإن الأبعاد الخارجية للطبقة الجامدة المتكوّنة تتناقص، ويستمر المعدن السائل داخل هذه القشرة المتشكلة بالتجمد والتقلص. ينجم عن ذلك تجويف أو أكثر داخل المسبوكة، ويستمر حجم الطور الجامد بالتقلص بدوام التبريد بعد انتهاء التبلور وتتغير الأبعاد. كما تتكون غازات وأبخرة نتيجة لتأثير الحرارة في أثناء عمليات السباكة، مما يسبب أعطالاً في المسبوكة على شكل فقاعات مسامية مبعثرة سطوحها مؤكسدة وذات تأثير سيئ على الخواص الميكانيكية للمعدن، وتسبب عدم تماسك مقطعه جيداً. وعند تصنيع الفولاذ، مثلاً، يتم سكبه في قالب كبير، مما يؤدي إلى أكسدة جزء منه وتكون أكسيد الحديد الذي يبقى داخل السبيكة. ولأسلوب الصب وطريقة تجميد المسبوكة أثر كبير في بنية الفولاذ، وفي طبيعة الغازات المتولدة بعد السكب، وفي كميتها، وأسلوب السماح لها بالتسرب وطردها. ويدوم انطلاق الغازات من الفولاذ في فترة التجمد. وبعد انتهاء تجمد القشرة الخارجية للمعدن تظل الغازات حبيسة داخل المسبوكة، وخاصة عند التقاء السطح المنصهر مع السطح المتجمد، مشكلة بذلك الفجوات الهوائية.
الشوائب الضارة (الأكاسيد والكبريتات):وهي العناصر أو المركبات الضارة التي تؤثر سلباً في جودة المعدن. فوجود أكسيد الحديد المتكوّن في أثناء صناعة الفولاذ ـ مثلاً ـ أمر غير مرغوب فيه. ولمنع تكوّن هذا الأكسيد يجب التخلص من الأكسجين المنحل في الفولاذ قبل سكبه في القالب. يتم التخلص من الأكسجين المتبقي في الفولاذ المنصهر بإضافة بعض العناصر التي لها ألفة كيمياوية عالية له مثل الألمنيوم Al والمنغنيز Mnوالسيليسيوم Si؛ إذ تتكون أكاسيد عديمة الذوبان في الفولاذ يخرج معظمها مع الخبث، ويبقى قسم صغير منها شوائب في المسبوكة. تكون الشوائب المعدنية (مثل أكسيد الألمنيوم) قاسية لاتستطيل في أثناء عمليات التكوين وبذلك تبقى نقاط تركيز للإجهاد مما يؤدي إلى انخفاض متانة المعدن ومقاومته للصدمات ويوضح الشكل (4) نموذجاً للأكاسيد.
المجموعة الثانية من الشوائب هي الكبريتات، ولها تأثير سيئ في خواص الفولاذ، ويحاول المختصون دائماً التخلص منها، إلا أنه يصعب التخلص منها نهائياً لأسباب اقتصادية. يوجد الكبريت عادة في الفولاذ بنسبة 0.02% تقريباً، ويتفاعل مع الحديد مكوناً كبريت الحديدFeS. يعد هذا المركب سيئاً لأن درجة حرارة انصهاره منخفضة (880 ْم) لذلك عند القيام بتكوين الفولاذ على الساخن، والذي يتم عادة عند درجة الحرارة 1200 ْم، تتكون من هذه الشوائب قنوات شعرية داخل المعدن تكون بمثابة تشققات داخلية ونقاط تركيز الإجهاد، تسهم في تحطم المعدن عند تعرضه للحمولة الخارجية، وخاصة الديناميكية منها. ويمكن تفادي تكون كبريت الحديد بإضافة كمية من المنغنيز إلى فرن الصهر، فتتفاعل معه وتكون كبريت المنغنيز MnS الذي ينصهر عند درجة الحرارة 1610 ْم، وله أيضاً تأثير سيئ في الخواص الميكانيكية للفولاذ ولكن معظمه يخرج مع الخبث. ويوضح الشكل (5) نموذجاً للكبريتات.
إن تأثير الشوائب كبير في خواص المعدن الميكانيكية. وقد تتصل الشوائب في بعض الأحيان بعضها مع بعض مكونة شبكة أو طبقة رقيقة، وتعدّ هذه الأنواع من الشوائب الأكثر ضرراً، لأنها تكون عادة متوضعة على حدود البلورات وتهدد بانفصال روابط بنية المعدن. ولهذا يُعمل على التخلص من أكبر قدر ممكن من شوائب الأكاسيد والكبريتات.
التشققات السطحية والداخلية والإجهاد المتبقي: تنتج الشقوق الميكروية من عمليات التصنيع وتقع داخل القطع المعدنية مكوِّنة مناطق تركيز الإجهاد، وقد أولت الدراسات في العقود القليلة الماضية أهمية كبيرة لهذه الناحية مستخدمة طرائق جديدة في اختبار المواد تختلف عن الطرائق التقليدية، وتعرف بما يسمى ميكانيك التصدع fracture mechanics.
أما الإجهاد المتبقي residual stress فهو ناتج من تعرض القطعة المعدنية لإجهادات ميكانيكية مثل عمليات التشكيل والتشغيل، أو لإجهادات حرارية تحدث في أثناء عمليات السكب، وعند إجراء درزات اللحام وعمليات السقاية، وتنتج من اختلاف سرعة التبريد بين سطح المسبوكة ومركزها، الأمر الذي يؤدي إلى اختلاف في سرعة التقلص والتمدد الناشئ عن التحولات الطورية. كل ذلك يسبب حدوث إجهاد شد في بعض المناطق من السبيكة وإجهاد ضغط في مناطق أخرى، مما يضعف متانة المعدن ومقاومته للصدمات. يمكن تخفيف مقدار الإجهاد المتبقي عن طريق إجراء المعالجات الحرارية (عمليات التلدين).
فؤاد ضحية
Default in metallurgy - Défaut métallurgique
العيب التعديني
العيب التعديني default in metallurgy هو عطل في المعدن يؤدي إلى ظهور فوارق كبيرة بين سلوكية البنية المعدنية المثالية وخواصها والبنية الحقيقية.
لمحة تاريخية
في البداية لم يكن هناك تفسير يوضح الاختلاف الكبير بين القيم النظرية لخواص المواد المبنية على أساس البنية المثالية للبلورات المعدنية ونتائج الواقع العملي. وتبلور المعادن يعني أن الذرات تتوضع بشكل هندسي منتظم أطلق عليه اسم الهيكل الشبكي، وتتكون البلورة المعدنية من عدد كبير من الهياكل الشبكية. وبعد استخدام الأشعة السينية تمكن الباحثون من رصد البنية الداخلية للمعادن وإثبات وجود عيوب معدنية بدءاً من العيوب النقطية المتمثلة بالتوضع الخاطئ لبعض الذرات المكونة للهيكل الشبكي للبلورة، إلى العيوب الخطية المتمثلة بالانخلاعاتdislocations، والعيوب السطحية مثل الحدود بين البلورات. وقد بينت دراسات استخلاص البلورة المثالية مخبرياً والخالية من العيوب أن قيم خواصها الميكانيكية قريبة من القيم النظرية.
عيوب تصنيع المعادن
 الشكل (1) رسم تخطيطي للبنية الغصنية |
ـ عدم تجانس البنية: هو عيب تعديني يؤدي إلى حدوث ما يسمى اللّبية والانعزال. إن معظم المعادن والسبائك المعدنية تتبلور على شكل غصني dendritic structure كما هو موضح في الشكل 1.
تكون عملية التبلور ونمو البلورات متدرجة بسبب شكلها الغصني مما يؤدي إلى حدوث:
آ ـ المركزية أو اللّبية coring، وهي اختلاف في تركيب البنية المجهرية، وتدرجه من مركز الحبيبة إلى أطرافها الخارجية. ويعود السبب في ذلك إلى اختلاف درجات حرارة انصهار مكونات السبيكة؛ إذ تميل الفلزات ذات درجات حرارة انصهار عالية إلى البقاء في مركز البلورة، بينما تبقى الفلزات التي درجة حرارة انصهارها منخفضة على المحيط الخارجي للبلورة. وارتفاع تركيز الفلز ذي درجة حرارة الانصهار المنخفضة على حدود الحبيبات يعد نقطة ضعف في السبيكة، ويزيد من حساسية التآكل على هذه الحدود. تنتج اللبية عندما يكون معدل تبريد السبائك سريعاً نسبياً وتتكون بقلّة عند تعرضها للتبريد البطيء، وكذلك تكون هذه الظاهرة واضحة إذا كان الفارق بين خطي الانصهار والتجمد كبيراً، ويقل أثرها بتقاربها، وتختفي عند نقطة التقائهما.
ب ـ الانعزال: segregation وهو ظاهرة تشبه اللبية ولكن بفارق أن الانعزال (الشكل 2) يحدث بمقياس كبير (ماكروسكوبي).
 الشكل (2) صورة مجهرية توضح ظاهرة الانعزال مكبرة 50 مرة |
 الشكل (3) رسم يوضح الانعزال السلبي |
يمكن حل مشكلة عدم التجانس الناجمة عن اللبية والانعزال بطريقتين:
1ـ بتبريد المسبوكة تبريداً بطيئاً، ولكن هذه الطريقة غير اقتصادية وتحتاج إلى زمن طويل، إضافة إلى أنها تسبب نمو بلورات المعدن، الأمر الذي يؤثر سلباً في خواصه الميكانيكية ويؤدي إلى انخفاض مقاومته وصلادته.
2ـ عن طريق المعالجة الحرارية وإجراء عملية الإحماء الانتشاري وهي نوع من المعالجات الحرارية يسخن فيها المعدن إلى درجات حرارة تقل عن درجة انصهاره بقليل، ولبقائه فيها فترة من الزمن تكفي لانتشار ذرات السبيكة وتوزعها بانتظام في مختلف الاتجاهات.
ـ تكوّن الفجوات: وهي من العيوب التي تحدث نتيجة التقلص وتغيرات الحجم في أثناء تجمد المسبوكة. يظهر التقلص في أثناء الطور السائل بانخفاض سطح المعدن، أما في أثناء التحول من الطور السائل إلى الطور الصلب فإن الأبعاد الخارجية للطبقة الجامدة المتكوّنة تتناقص، ويستمر المعدن السائل داخل هذه القشرة المتشكلة بالتجمد والتقلص. ينجم عن ذلك تجويف أو أكثر داخل المسبوكة، ويستمر حجم الطور الجامد بالتقلص بدوام التبريد بعد انتهاء التبلور وتتغير الأبعاد. كما تتكون غازات وأبخرة نتيجة لتأثير الحرارة في أثناء عمليات السباكة، مما يسبب أعطالاً في المسبوكة على شكل فقاعات مسامية مبعثرة سطوحها مؤكسدة وذات تأثير سيئ على الخواص الميكانيكية للمعدن، وتسبب عدم تماسك مقطعه جيداً. وعند تصنيع الفولاذ، مثلاً، يتم سكبه في قالب كبير، مما يؤدي إلى أكسدة جزء منه وتكون أكسيد الحديد الذي يبقى داخل السبيكة. ولأسلوب الصب وطريقة تجميد المسبوكة أثر كبير في بنية الفولاذ، وفي طبيعة الغازات المتولدة بعد السكب، وفي كميتها، وأسلوب السماح لها بالتسرب وطردها. ويدوم انطلاق الغازات من الفولاذ في فترة التجمد. وبعد انتهاء تجمد القشرة الخارجية للمعدن تظل الغازات حبيسة داخل المسبوكة، وخاصة عند التقاء السطح المنصهر مع السطح المتجمد، مشكلة بذلك الفجوات الهوائية.
الشوائب الضارة (الأكاسيد والكبريتات):وهي العناصر أو المركبات الضارة التي تؤثر سلباً في جودة المعدن. فوجود أكسيد الحديد المتكوّن في أثناء صناعة الفولاذ ـ مثلاً ـ أمر غير مرغوب فيه. ولمنع تكوّن هذا الأكسيد يجب التخلص من الأكسجين المنحل في الفولاذ قبل سكبه في القالب. يتم التخلص من الأكسجين المتبقي في الفولاذ المنصهر بإضافة بعض العناصر التي لها ألفة كيمياوية عالية له مثل الألمنيوم Al والمنغنيز Mnوالسيليسيوم Si؛ إذ تتكون أكاسيد عديمة الذوبان في الفولاذ يخرج معظمها مع الخبث، ويبقى قسم صغير منها شوائب في المسبوكة. تكون الشوائب المعدنية (مثل أكسيد الألمنيوم) قاسية لاتستطيل في أثناء عمليات التكوين وبذلك تبقى نقاط تركيز للإجهاد مما يؤدي إلى انخفاض متانة المعدن ومقاومته للصدمات ويوضح الشكل (4) نموذجاً للأكاسيد.
المجموعة الثانية من الشوائب هي الكبريتات، ولها تأثير سيئ في خواص الفولاذ، ويحاول المختصون دائماً التخلص منها، إلا أنه يصعب التخلص منها نهائياً لأسباب اقتصادية. يوجد الكبريت عادة في الفولاذ بنسبة 0.02% تقريباً، ويتفاعل مع الحديد مكوناً كبريت الحديدFeS. يعد هذا المركب سيئاً لأن درجة حرارة انصهاره منخفضة (880 ْم) لذلك عند القيام بتكوين الفولاذ على الساخن، والذي يتم عادة عند درجة الحرارة 1200 ْم، تتكون من هذه الشوائب قنوات شعرية داخل المعدن تكون بمثابة تشققات داخلية ونقاط تركيز الإجهاد، تسهم في تحطم المعدن عند تعرضه للحمولة الخارجية، وخاصة الديناميكية منها. ويمكن تفادي تكون كبريت الحديد بإضافة كمية من المنغنيز إلى فرن الصهر، فتتفاعل معه وتكون كبريت المنغنيز MnS الذي ينصهر عند درجة الحرارة 1610 ْم، وله أيضاً تأثير سيئ في الخواص الميكانيكية للفولاذ ولكن معظمه يخرج مع الخبث. ويوضح الشكل (5) نموذجاً للكبريتات.
 الشكل (4) مكبر 500 مرة الشكل (5) مكبر 300 مرة |
التشققات السطحية والداخلية والإجهاد المتبقي: تنتج الشقوق الميكروية من عمليات التصنيع وتقع داخل القطع المعدنية مكوِّنة مناطق تركيز الإجهاد، وقد أولت الدراسات في العقود القليلة الماضية أهمية كبيرة لهذه الناحية مستخدمة طرائق جديدة في اختبار المواد تختلف عن الطرائق التقليدية، وتعرف بما يسمى ميكانيك التصدع fracture mechanics.
أما الإجهاد المتبقي residual stress فهو ناتج من تعرض القطعة المعدنية لإجهادات ميكانيكية مثل عمليات التشكيل والتشغيل، أو لإجهادات حرارية تحدث في أثناء عمليات السكب، وعند إجراء درزات اللحام وعمليات السقاية، وتنتج من اختلاف سرعة التبريد بين سطح المسبوكة ومركزها، الأمر الذي يؤدي إلى اختلاف في سرعة التقلص والتمدد الناشئ عن التحولات الطورية. كل ذلك يسبب حدوث إجهاد شد في بعض المناطق من السبيكة وإجهاد ضغط في مناطق أخرى، مما يضعف متانة المعدن ومقاومته للصدمات. يمكن تخفيف مقدار الإجهاد المتبقي عن طريق إجراء المعالجات الحرارية (عمليات التلدين).
فؤاد ضحية