Seediscussions,stats,andauthorprofilesforthispublicationat:https://www.researchgate.net/publication/272167192

Studytheeffectofhardeningmediaonthefracturetoughnessofcarbonsteel

Research·February2015

READS

332

1author:

AliI.Al-Mosawi

FreeConsultation

379PUBLICATIONS656CITATIONS

SEEPROFILE

Availablefrom:AliI.Al-Mosawi

Retrievedon:18August2016

وزارة التعليم العايل والبحث العلمي

هيئة التعليم التقني

بابل –املعهد التقني

متانة الكسر على أوساط التقسية دراسة تأثري

للفوالذ الكاربوني

قسم امليكانيك كجزء من متطلبات –بابل / نيمشروع مقدم إىل عمادة املعهد التق

ني يف امليكانيكتقال نيل درجة الدبلوم

من قبل الطلبة

إشراف

علي إبراهيم مسلم املوسوي

مدرس مساعد –ماجستري هندسة مواد

هـ 1429 م 2008

عالء كاظم حممد علي عبد احلسني مزهر

عماد مجيل عباس

عالء بدر خلفة

علي عادل محد

A

و

و آ م

أ

تيت

م م

لعلم ٱ ن

إ

ال ل ق

يال

صدق اهللا العظيم

)85(اآلية –سورة اإلسراء

............إىل

.............النجوم املتأللئة يف مسائي

إخوتي........... والدي

وأصدقائي املقربني

إلهداءا

المتفض�ل األول واألخی�ر ف�ي إكم�ال اهللا سبحانه وتعاىلبعد تقدیم كل الشكر والحمد والثناء إلى

العمی�����ق لمش�����رفنا األس�����تاذ فإنن�����ا نرغ�����ب ب�����التعبیر ع�����ن إمتنان�����ا ھ�����ذا البح�����ث ، وم�����ن بع�����ده

.علي إبراھیم الموسوي لما قدمھ من مساعدة في إكمال المشروع

ك�ل لتقدیم�ھباب�ل –ف�ي المعھ�د التقن�ي لقس�م المیكانی�ك وتق�دیرنا كذلك نرغ�ب ب�التعبیر ع�ن ش�كرنا

.المساعدة الممكنة في سبیل إكمالنا لھذا المشروع

لشكر والتقديرا

دراسة تأثري أوساط التقسية على “ الموسوم مشروعال ان إعداد ھذأشھد بأ

المعھد - یكانیكفي قسم الم يجرى تحت أشراف” متانة الكسر للفوالذ الكاربوني

.المیكانیك في دبلوم التقنيجزء من متطلبات نیل درجة ال وبابل وھ/ التقني

املشرف

علي إبراهيم مسلم املوسوي

إقرار املشرف

رقم الصفحة املوضوع التسلسل

iii ملحق األشكال

iv الخالصة

1 المقدمة 1.1

1 الفوالذ الكاربوني 2.1

3 المعامالت الحرارية 3.1

4 المعامالت الحرارية الخاصة بالفوالذ الكاربوني 4.1

4 اإلصالد 1.4.1

4 التخمير 2.4.1

5 المراجعة 3.4.1

5 التطبيع أو التلدين 4.4.1

6 اإلصالد السطحي للفوالذ 5.1

6اإلصالد القشري 1.5.1

9 اإلصالد باللهب 2.5.1

9 النتردة 3.5.1

ات ــــويـــتاحمل

اجلانب النظري –الفصل األول

9 الكهربائي ثاإلصالد بالح 4.5.1

10 متانة الكسر 6.1

12 المقدمة 1.2

12 المستخدمة في البحث وادالم 2.2

12 تحضير نماذج اإلختبار 3.2

13 المعامالت الحرارية 4.2

14 إختبار الصدمة 5.2

17 المقدمة 1.3

17 اإلصالد 2.3

17 اإلصالد باللهب 3.3

18 اإلصالد بالكربنة 4.3

20 اإلستنتاجات 5.3

20 التوصيات 6.3

يعملاجلانب ال – ثانيالفصل ال

النتائج واملناقشة – ثالثالفصل ال

املصادر

ملحق األشكال

iii

الصفحة عنوان الشكل التسلسل

2 كاربون –مخطط التوازن الحراري للحدید 1- 1

3 التركیب الدقیق للفوالذ في درجات حرارة مختلفة أثناء التسخین والتبرید 2- 1

5 المدى الذي تتم فیھ المعامالت الحراریة 3- 1

11 كیفیة إجراء إختبار الصدمة بطریقة شاربي 4- 1

11 العینات القیاسیة الخاصة بإختبار الصدمة بطریقة شاربي 5- 1

13 نماذج إختبار الصدمة بطریقة شاربي 1- 2

14 تركیب الفرن الذي تمت فیھ المعامالت الحراریة 2- 2

15 تركیب جھاز إختبار الصدمة بطریقة شاربي 3- 2

16 النماذج المحززة بعد إجراء إختبار الصدمة علیھا 4- 2

18 تأثیر معاملة اإلصالد على مقاومة الصدمة 1- 3

19 تأثیر اإلصالد بالشعلة األوكسي أستیلینیة على مقاومة الصدمة 2- 3

19 تأثیر اإلصالد بالكربنة على مقاومة الصدمة 3- 3

لحق األشكال م

الخالصة

على المعادن فـي تكاد تكون المعاملة الحرارية للمعادن والسبائك من أهم العمليات التي تجرى

رحلة تصنيعها حيث إنه بالمعاملة الحرارية يمكن الحصول على الخواص المطلوبة لألجـزاء

تعد له هذه األجزاء ومن أهـم هـذه الخـواص هـي الخـواص المصنعة حسب العمل الذي

للصمود أمـام الظـروف القاسـية كية لما لها من تأثير مباشر على قابلية هذه األجزاء الميكاني

.المتضمنة األحمال الثابتة أو الديناميكية

إستعراض تأثير المعامالت الحرارية على مقاومة الصدمة للفوالذ متوسـط في هذه الدراسة تم

النمـاذج ذا اإلختبـار علـى حيث تم إجراء هكاربون %) 0.4(الكاربون والذي يحتوي على

إختبار الصدمة على النموذج المحـزز قبـل ، إذ تم في البداية إجراء المحززة بطريقة شاربي

إجراء المعامالت الحرارية عليه لمعرفة قيمة مقاومة الصـدمة لـه ومـدى تغيرهـا الحقـا

.بالمعامالت الحرارية

اإلختبار عليه ، اومته للصدمة بعد إجراءبعد ذلك تم إجراء معاملة اإلصالد للنموذج وقياس مق

حيث أظهرت النتيجة التي تم الحصول عليها تحسن كبير في مقاومة الصدمة عما كانت عليـه

.الذي رفع قيمة هذه المقاومة لتكون طور المارتنسايت قبل المعاملة نتيجة

والمعامل بواسـطة النموذج المحزز إختبار الصدمة علىبينت الدراسة أيضا بأنه عند إجراء

معاملة اإلصالد باللهب والتي تعتبر من المعامالت الحرارية السطحية إرتفاع قيمـة مقاومـة

الصدمة ولكن بشكل أقل عما هو عليه في معاملة اإلصالد نظرا ألن اإلصالد هنا يقتصر على

.السطح الذي يتكون من المارتنسايت وبقاء القلب أكثر مرونة

على النمـوذج ائج التي تم الحصول عليها من إختبار الصدمة والذي تم إجراءه لقد أظهرت النت

زيـادة فـي والتي تعتبر أيضا من المعامالت الحراريـة السـطحية المحزز المعامل بالكربنة

مقاومة الصدمة نتيجة لتكون طور المارتنسايت الذي يرفع قيمة هذه المقاومة ولكنها أيضا أقل

بسبب كون الطبقة المصلدة هنا تقتصـر الحصول عليها من معاملة اإلصالد القيمة التي تم من

.أكثر مرونة مما ينعكس بدوره على قيمة مقاومة الصدمة على السطح فقط مع بقاء القلب

اخلالصة

الفصل األول

اجلانب النظري

ريالفصل األول الجانب النظ

(Introduction)ة ـــدمـــــــــاملق 1.1

منها توفر خامات الحديـد بشـكل عديدة العوامل إلى ة للحديد وسبائكهيالصناع األهميةتعود

السـيطرة علـى الخـواص إمكانيةكذلك ،الحديد وخاماته ستخالصإسهولة إضافة إلى وافر

تمتاز سبائك الحديد ، إليهاعناصر السبك بإضافةيائية والكيميائية في سبائك الحديد وذلك الفيز

السيطرة علـى الخـواص إمكانية إلىوالسباكة إضافة بالقابلية الجيدة على التشكيل والتشغيل

. ]1[ الميكانيكية بصورة خاصة ذلك بواسطة المعامالت الحرارية

ربون ليتكـون مـا يسـمى ام خلطه مع الكطبيق صناعي لذلك يتالحديد النقي ال يوجد له ت إن

والذي يمتاز بخواص ميكانيكية وحرارية وفيزيائية وكيميائية عاليـة والـذي ) steel(بالفوالذ

لـى إربون المضـافة االكنسبة على عتماداإو.حد ضروريات الصناعة اليوم أستخدامه إ أصبح

ـ مثل الفوالذ الفوالذ أنواعمن يتكون عدد كبيرالحديد وحديـد الزهـر والفـوالذ ربونياالك

.]1[ الفوالذ أنواعوغيرها من يالسبائك

ـ هما الحديد ينيأساسمن عنصرين الكربونييتكون الفوالذ بعـض إلـى إضـافة ربوناوالك

المنغنيز والتي تعتبـر شـوائب طبيعيـة فيـه والسليكون و الشوائب مثل الكبريت والفسفور

ربون اوحسب نسبة الك أنواعثالثة ىإلويقسم الفوالذ الكاربوني ، فةعناصر سبك مضا توليس

: هي األنواع وهذهفيه

. ) Low Plain Carbon Steel( ربوناربوني واطئ الكالفوالذ الكا -1

. ) Medium Plain Carbon Steel ( ربوناربوني متوسط الكاالفوالذ الك -2

.) High Plain Carbon Steel( ربوناعالي الكربوني االفوالذ الك -3

( Plain Carbon Steel ) الفوالذ الكاربوني 2.1

عنصر الحديـد وعنصـر الكـاربون علىالفوالذ التي تحتوي أنواعيمثل الفوالذ الكاربوني

ئب تتواجـد داخـل بنيـة شكل شـوا علىفتكون لتركيبها أما بقية العناصر األخرى كأساس

حيـث كلمـا زادت ،ومطيليته ،مقاومته ،صالدة الفوالذ علىتؤثر نسبة الكاربون .الفوالذ

ويحصل العكس عنـد انخفـاض نسبة الكاربون زادت الصالدة والمقاومة وتنخفض المطيلية

ـ اثالثة أنواع طبق ىيمكن تصنيف الفوالذ الكاربوني إل .]2[نسبة الكاربون الكـاربون ىولمحت

: وهي تهداخل بني

ريالفصل األول الجانب النظ

) . Low Carbon Steel( الكاربون واطئالفوالذ -1

ومحتـوى المنغنيـز فيهـا ) 0.05 %-0.3 %(وهو الفوالذ الحاوي علـى نسـبة كـاربون

.]3[ كواألسال، الشرائط ، األلواحتصنع من هذا الفوالذ منتجات كثيرة مثل ) . %0.4(هو

) .Medium Carbon Steel( الفوالذ متوسط الكاربون -2

نسبة الكاربون فيهـا هـي إن ماعداالكاربون واطئمشابهة للفوالذ هذهالفوالذ أنواعتكون

، األعمـدة تصنع من هـذا الفـوالذ ) . %1.6 -%0.6(يز بحدودنوالمنغ) 0.6% -0.3%(

. ]3[ المرفقية واألعمدة،روس الت،المحاور

) .Steel High Carbon ( الفوالذ عالي الكاربون -3

ستخدم هذا ي، ) %0.9 -%0.3(يزنمع مديات نسبة منغ) %1-%0.6(ويحتوي نسبة كاربون

.]3[ المقاومة وغيرهاعالية األسالكتصنيع النوع من الفوالذ في

.كاربون –يوضح مخطط التوازن الحراري للحديد ) 1-1(قمالشكل ر

)1- 1(الشكل رقم

كاربون –مخطط التوازن الحراري للحديد

ريالفصل األول الجانب النظ

( Heat Treatments ) املعامالت احلرارية 3.1

هـا بقععملية مزدوجة متكونة من دورة تسـخين ت إنهايمكن تعريف المعاملة الحرارية على

المعادن والسـبائك علىالحرارية وتطبق المعامالت، دورة تبريد خالل فترات زمنية محددة

تتضمن كافـة المعـامالت .بإسلوب يتضمن تحسين خواصها بصورة عامة في الحالة الجامدة

تختلـف فـي خواصـها ىخرأطوار أ ىستنايت إلوألالحرارية المطبقة على الفوالذ تحويل ا

.]2[ نيكية الناتجة من هذا التحول داخل بنية الفوالذ بعد المعاملة الحراريةالفيزيائية والميكا

درجات حرارية فـوق الدرجـة ىإلللمعاملة الحرارية للفوالذ تسخينه ىاألولتتضمن الخطوة

أووتجري عملية تبريـد الحقـة بمعـدالت توستناياأل ىإل الحرجة العليا لغرض تحويله كليا

معدل أوتكون سرعة .والتي سوف تعتمد عليها البنية الناتجة في الفوالذتبريد مختلفة اتسرع

األحيـان نه في بعض إ إال في دورة المعامالت الحرارية ىخرأمن عوامل أهميةقل أالتسخين

التشوهات داخـل أوالحرارية اإلجهاداتتكوين لتجنب ال بد من التسخين بسرعة بطيئة نسبيا

نسبة الكاربون ىتعتمد نوعية المعامالت الحرارية المستعملة للفوالذ عل . ذالبنية الداخلية للفوال

يوضـح ) 2-1( الشـكل رقـم .]4[ المجاالت التي سوف يستخدم فيها هذا الفوالذ وعلىفيه

. التسخين والتبريد أثناءالتركيب الدقيق للفوالذ في درجات حرارة مختلفة

) 2-1( الشكل رقم

كيب الدقيق للفوالذ في درجات حرارة مختلفة أثناء التسخين والتبريد التر

ريالفصل األول الجانب النظ

املعامالت احلرارية اخلاصة بالفوالذ الكاربوني 4.1

الفوالذ الكاربوني والهدف منها أنواع ىمن المعامالت الحرارية التي تطبق عل ةهنالك مجموع

ويمكـن .ميائية للفوالذ الكـاربوني والكي ، الفيزيائية ،الحرارية ،تحسين الخواص الميكانيكية

:المعامالت الحرارية بالمجاميع التالية هذه إجمال

)Hardening( اإلصالد 1.4.1

المكائن التي تتطلب صالدة ومقاومة صدمة وأجزاءالعدد أنواعلكافة اإلصالدتستعمل معاملة

صالدة عالية بينما الهـدف إكسابهاصالد العدد هو إمن األساسيالخدمة والهدف أثناءيتين عال

هو زيادة مقاومتهـا للشـد اإلنشاءاتالمكائن المختلفة والمصنعة من فوالذ أجزاء إصالدمن

الخضوع حيـث انـه كلمـا وبشكل خاص زيادة خواص المرونة فيها والتي تتمثل في مقاومة

إنالخدمة دون أثناء ىأعلجهود ىإلالمعدات هذهتعريض أمكنخضوع كلما زادت مقاومة ال

ىوعل . اإلصالدمعاملة أهداف أهمتنكسر لذا فان زيادة مقاومة الخضوع تشكل احد أوتفشل

فـي سـبيل األساسيةوان كانت فقط ىاألولالرغم من ذلك فان معاملة اإلصالد تعتبر الخطوة

هـذه المقـادير مـن ىأقص ىنه غرض الحصول علإخضوع حيث ال أوزيادة مقاومتي الشد

.]1[تعقبها المعاملة الحرارية المسماة بالمراجعة أنيجب اإلصالدالخواص فان معاملة

مثـل المطيليـة والمتانـة ىاألخرتحسين الخواص ىعلذلك فان المراجعة تعمل ىإل إضافة

إصـالد لـذلك يـتم .صلد وغير المراجع والتي تساوي مقاديرها الصفر تقريبا في الفوالذ الم

.في نفس الفوالذ أعالهومن ثم مراجعته من اجل جمع الخواص أوالالفوالذ

اإلصـالد لمعاملة األساسية األهدافمن أحيانافان زيادة صالدة الفوالذ تعتبر ، حال أية على

أعمـدة دمـة مثـل الخ أثنـاء االحتكاك إلىالتي تتعرض األجزاء أوخاصة بالنسبة للمعدات

.الدوران والمسننات

) Annealing( التخمير 2.4.1

إلـى إضافة،لمعاملة التخمير في تليين الفوالذ وتحسين قابلية تشغيله األساسية األهدافتتمثل

تتم .االنعزال البلوري وإزالةبنية البلورية الجهود وتصغير الحجم الحبيبي له ومجانسة ال إزالة

إلحـداث الدرجـة هـذه فـي وإبقاءهدرجة حرارة معينة إلىمعاملة التخمير بتسخين الفوالذ

بطـيء درجة حرارة الغرفة بمعـدل تبريـد إلىالتغيرات المطلوبة في البنية ومن ثم التبريد

.]5[ نسبيا

ريالفصل األول الجانب النظ

) Tempering( المراجعة 3.4.1

تتولـد جهـود اإلصـالد من درجات حرارية عالية والتي تعقب عملية داإلخمانتيجة لعملية

حرارية عالية داخل بنية الفوالذ وتعرضه للتشققات نتيجة لتكون المارتنسايت والـذي يكـون

ئية للمارتنسايت وتخليصه من العيـوب وألجل تحسين الخواص الميكانيكية والفيزيا .صلد جدا

.]6[صالده تسمى بالمراجعة إيتم إجراء معاملة حرارية له بعد

درجة حرارة اقل مـن الدرجـة الحرجـة إلىالمعاملة يتم رفع درجة حرارة الفوالذ هذهففي

الهدف مـن إن.درجة حرارة الغرفة إلىوالمكوث لفترة معينة بعدها تخفض ) A1( األولى

. هشاشةقل أو ةستقراريإ أكثراجعة هو الحصول على تركيب المر

) Normalizing( دين لالتطبيع أو الت 4.4.1

اعم والتخلص من التلدين هو الحصول على التركيب بلوري ن أوالغرض من عملية التطبيع إن

تقليـل إلـى إضـافة ،كتويد وتحسين قابليـة التشـغيل تاليوشبكة السمنتايت في الفوالذ فوق

مـن أعلـى درجـة إلىسخين الفوالذ تجري عملية التطبيع بت ، إزالتها أوالداخلية اإلجهادات

)A2(أو )Acm ( فترة إلى هذهحسب نسبة الكاربون التي يحتويها الفوالذ وتثبت درجة الحرارة

.]3[زمنية كافية لحصول التجانس ثم التبريد في الهواء

. يوضح المدى الذي تتم فيه المعامالت الحرارية ) 1-3( الشكل رقم

)1-3(الشكل رقم

لحرارية المدى الذي تتم فيه المعامالت ا

Cementite + Pearlite

Austenite

Austenite +

Cementite

Austenite +

Ferrite

Ferrite + Pearlite

Normalizing

Full Annealing and Hardening Annealing for Deformation

Carbon %

Tem

pera

ture

, ºC

ريالفصل األول الجانب النظ

( surface hardening ) اإلصالد السطحي للفوالذ 5.1

المكائن المصنوعة من الفـوالذ ذات خـواص أجزاءتكون أنما يكون من الضروري كثيرا

تكـون أنللبلى وفي نفس الوقت يجب ومقاوما يكون سطحها صلدا أن ميكانيكية معينة وهي

هذه الخواص من الممكـن الحصـول إن. جهود الديناميكيةذات متانة عالية وكافية لمقاومة ال

معينة وذلك لزيادة صـالدة سـطحه عليها عن طريق معاملة الفوالذ ذي المتانة العالية معاملة

فقط دون تغير في الخواص الميكانيكية لبقية أجزاءه ويسـمى هـذا النـوع مـن المعـامالت

وهنالك أربعة أنواع رئيسية مـن . ]surface hardening( ]1(صالد السطحي الحرارية باإل

: صالد السطحي هي اإل

) .Case Hardening( القشري صالداإل -1

. )Flame Hardening( هببالل صالداإل -2

. )Nitriding( النتردة -3

. )hardening Induction( ي بالحث الكهربائ صالداإل -4

ير المكونات الكيميائية للسطح بينمـا تتضـمن يالقشري والنتردة تغ صالداإلتتضمن عملية

.تغير البنية المجهرية فقط نتيجة المعاملة الحرارية الموضعية األنواعبقية

)Case Hardening( اإلصالد القشري 1.5.1

إلـى القشري تسخين الفوالذ المحتوي على نسبة الكاربون منخفضـة صالداإلتتضمن عملية

. من درجة الحرارة الحرجة العليا لذلك الفوالذ وسط مادة غنية بالكاربون أعلىدرجة حرارة

ثـم ) 0.85(حوالي إلىالطريقة تزداد نسبة الكاربون في السطح وقد تصل هذه النسبة وبهذه

ويتم . وعندها يصبح سطح الفوالذ صلدا ومقاوما للبلى معاملة حرارية معينة تتبع هذه العملية

. ]3[أما في وسط صلب أو سائل أو غازي صالد القشرياإل

. )Solid Carburizing( ةالصلبالكربنة -1

المعاملـة هـذه وتعتمد ،كلفة السطح للفوالذ وأرخصها إصالد أساليب أقدمحد أتعتبر الكربنة

لدى أي توستناياألالفوالذ في طور إلىاالنتشار والنفاذ الكاربون على على قابليةالسطحية

ريالفصل األول الجانب النظ

COOC 222

CCOCO 2

2

tKX

DK 2

وتتم المعاملة بوضع قطع الفوالذ المراد كربنتها فـي صـندوق )A3(ما فوق درجة إلىتسخينه

إلـى يتم تسخين الصندوق .من المادة )50mm(بسمك حوالي محاطة اإلغالقفوالذي محكم

الدرجة لفترات زمنية قد تبلغ ثمانيـة هذهويترك في )925ºC-870ºC( الكربنةة حرارة درج

الموجـود فـي األوكسـجين يقوم .]1[مك المراد الحصول عليه على مقدار الس عتماداإساعات

-: أدناهادلة الكاربون وكما في المع بأكسدةمحيط الصندوق

نالسـاخ على سطح الفـوالذ الكاربون الناتج بتحرير ذرات الكاربون أوكسيد أولويقوم غاز

وكما يلي

لـدى . نتشار بين ذرات الحديد في الشبكة الجزئيـة هذه الذرات وذلك باإل سطح الفوالذ تصيم

رقيقة مـن من الكربنة يتم طالئها كهربائيا بطبقة حماية أجزاء معينة من المعدات إلىالحاجة

يذيب الكاربون فـي حيث إن النحاس ال )mm - 0.075mm 0.1(سمكها اوزيتج النحاس ال

. درجة حرارة الكربنة

-: ]3[اآلتيةالكاربون بواسطة المعادلة هإليالعمق الذي سوف ينفذ أوحساب السمك باإلمكان

:حيث إن

=x أوك مالس مقالع )mm( .

t = نتشار الفترة الزمنية لإل )sec( .

K= كمية ثابتة والتي يمكن حسابها من القانون التالي:

:حيث إن

=D نتشار إلمعامل ا )cm2\sec . (

.مك معين س أوالفترة الزمنية الضرورية للحصول على عمق األخيرةحيث تعطي المعادلة

ريالفصل األول الجانب النظ

). liquid carburizing( لسائلة الكربنة ا -2

فـي حـوض تغمر الفوالذ المراد كربنتها في وعاء خاص ثم أجزاءالطريقة توضع هذهفي

عادة مكونات هذا المنصهر الملحـي وتكون ) 950ºC-870ºC(منصهر ملحي درجة حرارة

وكلوريـد مالصـوديو مع كاربونـات )20 %-45 %(من سيانيد الصوديوم بنسبة يطهي خل

درجة حرارة الغرفة بعـد أخراجهـا إلى سريعا تبريدا األجزاء هتبرد بعد ذلك هذ. مالصوديو

.]4[لملحي من المنصهر ا

. )Gas Carburizing( الكربنة الغازية -3

في وسط غازي مناسب ويكون عمق )900ºC(حوالي إلىلفوالذ وتجري هذة العملية بتسخين ا

سـاعات أربعوزمن الكربنة هو ) mm - 0.25 mm 1(الطريقة حوالي بهذهالحاصل الغالف

.يبا تقر

ترسيب جـزء مـن السـمنتايت إلىالمكربن يؤدي فوالذزدياد نسبة الكاربون في قشرة الإ إن

الحر في مناطق حدود الحبيبات وذلك عند تبريد الفوالذ ببطئ من درجة حرارة الكربنة ممـا

إضـافة ستعمال اإل إثناءتقشر الطبقة المكربنة لى حدوث خطرإعالية و هشاشةيكسب الفوالذ

لـذلك يـتم . ]1[التسخين الطويلة نمو في الحبيبات في سطح وقلب الفوالذ نتيجة لفترات ال إلى

:خواص ميكانيكية عالية وكما يلي علىمعاملة حرارية للقلب وللسطح للحصول إجراء

).Core Refining( ية للقلبالحرار المعاملة -1

بقليل من درجة الحـرارة الحرجـة العليـا للقلـب أعلىدرجة إلىفوالذ وتتضمن تسخين ال

وستنايت والمكوث لفتـرة حتى يتحول تركيب القلب إلى حبيبات دقيقة من األ )870ºCحوالي(

ب في القلب مكـون مـن يلزيت وذلك للحصول على تركازمنية معينة يعقبها التبريد بالماء أو

.]2[ سايتتنة في وسط من المارت مغموريرافجسيمات من ال

. )Refining case( للقشرة الحراريةالمعاملة -2

ـ من حبيبات صلد وهش في الغالف بيتركنتيجة للمعاملة الحرارية للقلب يتكون تايالمارتنس

لحرجـة من درجـة الحـرارة ا بقليل أعلىدرجة حرارة إلىيتم تسخين الفوالذ الكبيرة لذلك

ـ وستنايت وذلك للحصول على حبيبات دقيقة من األ) 760ºC(للقشرة القطعـة إخمـاد دوعن

ريالفصل األول الجانب النظ

الدرجة الحرارية تتكون حبيبات دقيقة من المارستنايت والتي تكـون صـلدة ذههالفوالذية من

. ]2[من سابقتها هشاشةواقل

هب 2.5.1 ) Flame Hardening( اإلصالد بالل

ع لسطح الفـوالذ السطحي وتتضمن التسخين السري دالصاإلقصر طرق أالطريقة هي ذهه إن

أسـتيلينية وكسـي أشـعلة المطلـوب بواسـطة السـمك أوالعمـق إلى)A3(فوق درجة

)oxy- acetylene Torch( ك الطبقة المصلدة بهـذه إن سم. ومن ثم اإلخماد السريع بالماء

.]10mm-5mm( ]4(الطريقة يتراوح بين

ـ دالصاإلالفوالذ الذي يستخدم لغرض إن علـى محتويـا يكـون إنالطريقـة يجـب ذهبه

االحتفـاظ وذلك لضمان الحصول على صالدة عالية للسطح مـع نكاربو) 0.4 %-0.6 %(

إمكانيـة هـي تهبساط إلى إضافةهب بالل دالصاإلالمزايا أهممن إن. بالمتانة المعقولة للقلب

ـ تالمسبوكامعينة من ومساحات أصالد أجزاء ن والمطروقات الفوالذية الكبيرة الحجـم وم

العملية تجري لغرض ذهن هإ . صلدةمالهذه المعاملة صعوبة التحكم في سمك الطبقة ئمساو

والدواليب المسننة وغيرهـا ضوالقواب د السطحي للتروس وأعمدة الدوران والحدباتالصاإل

.من األجزاء الميكانيكية

)Nitriding( النرتدة 3.5.1

ـ الكربمن عملية لىبللصالدة ومقاومة أكثر الفوالذ سطحا إكساب إلىتؤدي عملية النتردة ةن

ـ مـن بـدال دالصاإلدة النتروجين لغرض ويستخدم في عملية النتر الفـوالذ إن. ربوناالك

ات الحديد التي تتكون في هذه الحالـة يدترنن أللعملية النتردة وذلك مالئما نيكو ال يربوناالك

.النتردة ألغراضواطئ السبائك تجعل القشرة هشة لذلك يستخدم الفوالذ

) Hardening Induction( الكهربائي ثاإلصالد باحل 4.5.1

عضو حث كهربائي مثقب يمر خاللـه تيـار ذي ب إصالدهفي هذه العملية يحاط السطح المراد

درجة إلى لدوامي حثلاذبذبات عالية وبهذه الطريقة يسخن السطح بسرعة عالية بواسطة تيار

) 5sec-3sec(ها نية قـدر بقليل من درجة الحرارة الحرجة العليا خالل فترة زم أعلى يةرراح

ريالفصل األول الجانب النظ

الحاصل بهـذه فالغعمق ال إن. بطريقة رش الماء على الجزء الفوالذي اإلخماديعقب ذلك

ستعمال نفس الفوالذ الـذي يسـتخدم لغـرض إوذلك عند ) 3.2mm(ة يكون حوالي الطريق

. بهبالل دالصاإل

( Fracture Toughness ) متانة الكسر 6.1

. القص بدن كسـر إجهاداتتطبيق أونحناء إلقدرة المعدن على مقاومة ا بأنهاتعرف المتانة

ينكسر المعدن دالـة لمقـدار متانـة إنعتبار كمية التشوه اللدن التي تحدث قبل إمن الممكن

حصـل وإذاقبل الكسر كانت متانة المعـدن عاليـة المعدن حيث كلما كان التشوه اللدن كبيرا

اإلنشـاءات معظم إن. صفاقيكون المعدن عندئذ معدوما أو ي كان التشوه اللدن قليالالعكس أ

حتوائها على نقاط تمركز جهود حيث يكون الجهد في هـذه النقـاط إتجنب يمكن ية الالهندس

نتشـاره إلطاقة عالية إلىهذا الشق يحتاج إن. ) Crack(لبدء حدوث الشق ياوكاف جدا عاليا

. ]Stable( ]6(مستقر كسر بأنهد ذات المتانة العالية ويوصف الكسر في هذه الحالة في الموا

ة المعدن بصورة تدريجية ويمكن السـيطر في هذا النوع من الكسر يحدث انفصال بين جزئي

، دوث هذا النوع مـن الكسـر زم لحاللانتشار الشق إ نإعليه بواسطة الحمل الخارجي حيث

علـى سـير لإلبقاءالشق وذلك فكمية كبيرة من التشوه اللدن عند طر إلىحال تكونه يحتاج

منطقـة إلـى نتقال الشق من منطقة ذات جهود عاليـة إنتشار عند إلنتشاره وقد يتوقف هذا اإ

فـان الكسـر قصفة أوكانت المادة ذات متانة منخفضة إذا ماأ. ]6[عتيادية إذات جهود خرىأ

إلـى وال يحتاج نتشار الشق حال تكونه يكون فجائياإو) Unstable(ر غير مستق بأنه يوصف

مـا إلـى ألجنه يإجل قياس متانة المعدن فأومن . نتشارهإسير على لإلبقاءبذل طاقة خارجية

ـ إ أو) Notch-Bar Test(ززالمحختبار النموذج إب ىيسم ) Impact Test(دمة ختبـار الص

ومن . ختبار إلصف المعدن تحت ظروف استخدم للحصول على قيم نسبية لمتانة وتقيي ذوال

. يزودآختبار إختبار شاربي وإهذه االختبارات

الجانـب ز بين كتفين وتسقط عليه مطرقـة مـن زالمحختبار شاربي يتم تثبيت النموذج إفي

ونتيجة لذلك يختلـف ) U(بشكل حرف أو) V(بشكل حرف يكون الشق . لتحديد مدى متانته

بطريقة ةختبار الصدمإيوضح كيفية إجراء ) 1-4(الشكل رقم . حز الحمل المسلط على ال نوع

. بهذا اإلختبارالعينات القياسية الخاصة يوضح ف) 1-5(الشكل رقم أما شاربي

ريالفصل األول الجانب النظ

)1-4(الشكل رقم

بطريقة شاربي ةختبار الصدمإإجراء كيفية

)1-5(الشكل رقم

بطريقة شاربي ةختبار الصدمإالعينات القياسية الخاصة ب

الفصل الثاني

اجلانب العملي

الجانب العملي الفصل الثاني

12

(Introduction)ة ـــدمـــــــــاملق 1.2

علـى للفوالذ الكاربوني من أهم الخواص التي تؤثر بشكل مباشـر تعتبر الخواص الميكانيكية

التي تستخدم بكثـرة الذ من المواد إستخدام هكذا مواد في المجاالت الصناعية نظرا لكون الفو

مثل هياكـل البنايـات ، السـفن ، الجسـور ، في التطبيقات التي تتعرض إلى ظروف قاسية

إجراءات عديـدة مـن أجـل لذلك يتم إتخاذ. خزانات النفط وغيرها من التطبيقات الصناعية

.الحرارية تحسين الخواص الميكانيكية للفوالذ ومن ضمن هذه اإلجراءات المعامالت

ستخدمة يف البحث وادامل 2.2 امل

والذي يحتوي على نسبة إستخدام مادة الفوالذ الكاربوني متوسط الكاربونفي هذا المشروع تم

والذي تـم الحصـول ) 1-2(والموضح تركيبه الكيميائي في الجدول رقم (0.4 %)كاربون

. (X-Ray Fluorescent)عليه من خالل إختبار

)1-2(الجدول رقم

التركيب الكيميائي للفوالذ متوسط الكاربون

العنصر

(Element)

كاربونال

C

حديدال

Fe

السليكون

Si

المنغنيز

Mn

الكبريت

S

الفسفور

P

0.016 0.018 0.58 0.23 98.756 0.4 (%) المئوية النسبة

حتضري مناذج اإلختبار 3.2

النمـاذج عبـارة عـن قطـع . إختبار الصدمة بطريقة شاربي ذج تالئم نماتم تحضير أربعة

، أما الحـز فهـو بشـكل (10mm)وعرض (7.5mm)وإرتفاع (55mm)مستطيلة بطول

الشـكل رقـم .(0.25mm)ونصف قطر حـز (2mm)عمق وب (45º)مع زاوية (V)حرف

. بطريقة شاربي يوضح شكل نماذج إختبار الصدمة) 2-1(

الجانب العملي الفصل الثاني

13

(Heat Treatments) املعامالت احلرارية 4.2

عدد من المعامالت الحرارية الخاصة بعملية اإلصالد أو التقسية ستخدامإتم في هذا المشروع

دف منها هو التعرف على مدى تأثر مقاومـة الصـدمة بنـوع للفوالذ متوسط الكاربون واله

:وهذه المعامالت هي بار اإلصالد المطبق على نماذج اإلخت

تم تسخين النموذج المصنع من الفوالذ . (Hardening Treatment)معاملة اإلصالد -1

والمكوث في هذه الدرجة لمدة ساعة (870ºC)في الفرن إلى درجة حرارة متوسط الكاربون

.من الفرن وإخماده بالماء واحدة ، بعدها يتم إخراج النموذج

تم إستخدام نـوعين .(Surface Heat Treatments)رية السطحية المعامالت الحرا -2

التي تهدف إلى إصـالد سـطح الفـوالذ فقـط وهـذه من المعامالت الحرارية السطحية

:المعامالت هي

)1-2(الشكل رقم

نماذج إختبار الصدمة بطریقة شاربي

الجانب العملي الفصل الثاني

14

a- باإلصالد بالله(Flame Hardening) .الشعلة األوكسـي لهذا الغرض تإستخدم

يـتم رش المـاء بعد ذلك من أجل تسخينه ا على سطح النموذج أستيلينية التي تم تسليطه

.يبرد لكيعليه

b- الكربنة(Carburizing) . داخل صندوق وغمره بمسحوق أسـود النموذج تم وضع

وتركه في هذه الدرجة (900ºC)الكاربون وإدخاله في الفرن وتسخينه إلى درجة حرارة

.ربون داخل النموذج إلى السمك المطلوب ساعات حتى تتغلغل ذرات الكا) 4(لمدة

والمكوث لمدة ساعة واحدة فـي )870ºC(بعد ذلك تم تسخين النموذج إلى درجة حرارة

. من أجل الحصول على تركيب أكثر مرونة من القشـرة هذه الدرجة ثم التبريد في الماء

اعة واحـدة والمكوث لمدة س )760ºC(إلى درجة حرارة أما سطح النموذج فيتم تسخينه

.يعقبها التبريد في الماء للحصول على تركيب أقل هشاشة في هذه الدرجة

.يوضح الفرن الذي تمت فيه المعامالت الحرارية ) 2-2(الشكل رقم

)2-2(الشكل رقم

الفرن الذي تمت فيه المعامالت الحرارية تركيب

الجانب العملي الفصل الثاني

15

A

ER

coscos LWE

(Impact Test)إختبار الصدمة 5.2

والموضح فـي (Charpy Impact Instrument)شاربي تم إستخدام جهاز الصدمة بطريقة

المصنعة من الفوالذ واطـئ إختبار الصدمة على النماذج المحززة إلجراء) 2-2(الشكل رقم

:ويمكن حساب مقاومة الصدمة من المعادلة التالية .الكاربون

:حیث

R = مقاومة الصدمة(kj/m2) .

E = الشغل أو الطاقة.

A =لمقطع العرضي لنموذج اإلختبار مساحة ا(mm2) .

:ویمكن حساب قیمة الشغل أو الطاقة من المعادلة التالیة

:حیث

W = عرض نموذج اإلختبار(mm) .

L = طول نموذج اإلختبار(mm) .

α = زاویة تسلیط الحمل.

β = الزاویة بعد تسلیط الحمل.

.لصدمة بطریقة شاربي یوضح تركیب جھاز إختبار ا) 3-2(الشكل رقم

الجانب العملي الفصل الثاني

16

یوضح النماذج المحززة الخاص�ة بإختب�ار الص�دمة بطریق�ة ش�اربي بع�د إج�راء ) 4-2(الشكل رقم

. علیھا اإلختبار

)4-2(الشكل رقم

إجراء إختبار الصدمة عليهابعد النماذج المحززة

بدون معاملة حراریة

إصالد باللھب

إصالد بالكربنة

معاملة اإلصالد

)3-2(الشكل رقم

تركيب جهاز إختبار الصدمة بطريقة شاربي

الفصل الثالث

النتائج و املناقشة

النتائج والمناقشة : ثالثالفصل ال

(Introduction)ة ـــدمـــــــــاملق 1.3

يتم تطبيقها على المعادن والسبائك خـالل تعتبر المعامالت الحرارية من العمليات المهمة التي

مـواد والتـي أهمهـا الخـواص هو تحسين خواص هذه ال من ذلك هدفوالأو بعد تصنيعها

عند القابلية على تغيير خواصه الميكانيكية بصورة فعالة يمتلك الفوالذ الكاربوني. الميكانيكية

إجراء المعامالت الحرارية عليه والسبب يعود للتغيرات التي تحصل في بنيته خالل عمليـات

التي يجب اإلنتباه لها ميكانيكية ال ومن أبرز الخواص. التبريد والتسخين لهذا النوع من الفوالذ

عند إختيار هكذا مواد والتي تتعرض إلى أحمال ديناميكية هي خاصية مقاومة الصدمة ومـدى

. المعامالت الحراريةتأثرها ب

في هذا الفصل سوف يتم إستعراض النتائج التي تم الحصول عليها من إختبار الصدمة بطريقة

اإلصـالد ، اإلصـالد باللهـب ، (ا المعامالت الحرارية شاربي على النماذج التي أجريت له

) .اإلصالد بالكربنة

) Hardening( اإلصالد 2.3

قبل إجـراء والمصنع من الفوالذ متوسط الكاربون تبلغ قيمة مقاومة الصدمة للنموذج المحزز

وتعتبر هذه القيمة منخفضـة نسـبيا نظـرا للبنيـة (Kj/m2 23.25) المعاملة الحرارية عليه

إن مقاومة هذا الفوالذ للصدمة سوف تتحسـن . (α + Fe3C)المطيلية لهذا النوع من الفوالذ

والـذي يمثـل )1-3(وكما موضح في الشكل رقم بشكل كبير عند معاملته بمعاملة اإلصالد

هذه الزيادة يرجع إلـى تكـون طـور والسبب في تأثير معاملة اإلصالد على مقاومة الصدمة

بعد اإلخماد من درجة حرارة اإلصالد والذي يعتبر طور صلد جدا ممـا يسـبب المارتنسايت

.إرتفاع قيمة مقاومة الصدمة

هب 3.3 ) Flame Hardening( اإلصالد بالل

سطحية حيث نالحظ من الشكل رقـم تعتبر معاملة اإلصالد باللهب أحد المعامالت الحرارية ال

إرتفاع قيمـة مقاومـة تأثير اإلصالد بالشعلة األوكسي أستيلينية على مقاومة الصدمة )3-2(

النتائج والمناقشة : ثالثالفصل ال

الصدمة بعد التعرض للهب واإلخماد بالماء والسبب يعود إلى تكون طبقة مـن المارتنسـايت

قيمة مقاومة الصدمة هـي إن. على سطح النموذج أما القلب فيبقي يتمتع بدرجة من المطيلية

أقل مما تم الحصول عليه في معاملة اإلصالد والسبب يعود كما ذكرنا إلى إن التصليد يقتصر

.على الطبقة السطحية فقط

)Carburizing( بالكربنةاإلصالد 4.3

لصدمة مرتفعـة عمـا حيث تكون قيمة مقاومة اوهي من المعامالت الحرارية السطحية أيضا

تـأثير اإلصـالد الذي يمثـل ) 3-3(هي بدون معاملة حرارية وكما موضح في الشكل رقم

والسبب في هذه الزيادة في المقاومة يعود إلـى تكـون طـور بالكربنة على مقاومة الصدمة

إن قيمة .على الرغم من بقاء القلب يتمتع بقدر مناسب من المطيلية على السطح تالمارتنساي

مقاومة الصدمة هنا هي أقل أيضا من معاملة اإلصالد والسبب يعود كما ذكرنا إلى إن التصليد

.يقتصر على الطبقة السطحية فقط

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Hardening Heat Treatment

Before Heat Treatment

)1-3(الشكل رقم

تأثير معاملة اإلصالد على مقاومة الصدمة

Impa

ct S

tren

gth

(Kj/

m2)

النتائج والمناقشة : ثالثالفصل ال

21222324252627282930

12

)2-3( الشكل رقم

على مقاومة الصدمة بالشعلة األوكسي أستيلينية تأثير اإلصالد

Oxyacetylene Torch

Before Heat Treatment

Imp

act

Str

eng

th (

Kj/

m2 )

21222324252627282930

12Carburizing Treatment

Before Heat Treatment

)3-3(الشكل رقم

على مقاومة الصدمة بالكربنةتأثير اإلصالد

Impa

ct S

tren

gth

(Kj/

m2 )

النتائج والمناقشة : ثالثالفصل ال

)Conclusions( ستنتاجاتاإل 5.3

:من خالل النتائج التي تم الحصول عليها من إختبار مقاومة الصدمة نستنتج التالي

. (α + Fe3C)نتيجة لبنيته المطيليةمقاومة الصدمة للفوالذ متوسط الكاربون إنخفاض -1

نتيجة لهذا النوع من الفوالذ بعد إجراء المعامالت الحرارية له مقاومة الصدمة تحسن -2

.سايت الصلد لتكون طور المارتن

أعلى في حالة معاملة اإلصالد عما هو عليه في معاملـة مقاومة الصدمة قيمة تكون -3

نظرا لكون جميـع بنيـة الفـوالذ تتحـول إلـى اإلصالد باللهب واإلصالد بالكربنة

أما في المعاملتين األخيرتين فيقتصر اإلصالد علـى معاملة اإلصالد المارتنسايت في

.ب يمتلك درجة من المطيلية السطح مع بقاء القل

)Recommendations( تتوصياال 6.3

دراسة عملية لتأثير المعامالت الحرارية التي تم إجراءها في هذه الدراسة على إجراء -1

.البنية المجهرية للفوالذ متوسط الكاربون

دة واإلصالد بالحث الكهربـائي إستبدال عملية الكربنة واإلصالد باللهب بعمليتي النتر -2

.ودراسة مقاومة الصدمة لها

تأثير هذه األوساط من التقسية على مقاومة الصـدمة لبقيـة أنـواع الفـوالذ دراسة -3

.الكاربوني

املصادر

المصادر

21

المعـامالت الحراريـة للمعـادن والسـبائك الحديديـة “ قحطان خلف الخزرجي. د -1

، جامعة بغداد ، ”والالحديدية

المعـامالت الحراريـة “ عبد الرزاق إسماعيل خضـر . عويد زهمك الراوي ، د. د -2

. 1990وجية ، امعة التكنل، الج ”للمعادن الحديدية والالحديدية

مركـز ، الجامعة التكنلوجيـة ، ”فيزياء المعادن “ عبد الرزاق إسماعيل خضر .د -3

. 1982التعريب والنشر ، بغداد ،

جامعـة البصـرة ، ، ” والمـواد المعادن مبادئ هندسة “حسين باقر رحمة اهللا . د -4

1983 .

خواصها ومعامالتهـا وبنيتها المعادن “ طاهر الحيدري ، السيد عدنان نعمةجعفر . د -5

. 1989التعريب والنشر ، بغداد ، لجنة الجامعة التكنلوجية ،، ”الحرارية

الجامعـة ، ”مدخل لخواصها وتطبيقاتهـا ة يهندسال المواد “جعفر طاهر الحيدري . د -6

. 1990بغداد ، التكنلوجية ،