‫تاثير انخفاض درجة الحرارة على الخواص‬
‫ان انخفاض درجه حرارة المعدن لدرجه اقل من الطبٌعٌة سٌؤثر بشكل كبٌر على خواصه حٌث‬
‫ستزداد كل من الصالدة و اجهاد الخضوع في اغلب المعادن وكما سيزداد االجهاد االصصى و معامل‬
‫المرونة لكل السبائك و المعادن ‪.‬‬
‫الشكل ‪ٌ 5.31‬وضح تغٌر اجهادات الشد و الخضوع للحدٌد والنحاس والنٌكل مع انخفاض الحرارة‪3‬‬
‫المطيلية‪:‬‬
‫عند االخذ بنظر االعتبار تأثٌر انخفاض الحرارة على المطٌلٌة فان المعادن ستقسم الى مجموعتٌن‬
‫ممٌزتٌن االولى تضم المعادن التً ستبقى مطٌلٌه مع انخفاض الحرارة و االخرى هً المعادن التً ستصبح‬
‫هشة بسبب انخفاض الحرارة‬
‫ٌمكننا تحدٌد مقدار المطٌلٌة او التشوه اللدن من خالل دراسة سطح الكسر حٌث ان المعادن ذات‬
‫التركٌب ‪ FCC‬عند تبرٌدها تكسر فقط بالقص (‪ )shear‬و ٌحصل بها انخفاض تدرٌجً و مستمر للمطٌلٌه ‪3‬‬
‫بٌنما المعادن ذات التركٌب البلوري االخرى تفشل بالقص عند درجه حراره الغرفه لكن مع انخفاض درجه‬
‫الحراره فان نوع الكسر سٌتغٌر من القص (مطٌلً ) الى االنشقاق ‪( cleavage‬هش) حٌث ان تغٌر نوع‬
‫الكسر غالبا ما ٌنتج عن انخفاض حاد بالمطٌلٌه‬
‫الشكل ‪ٌ 5.31‬بٌن تاثٌر الحراره على مطٌلٌه الحدٌد و النحاس و النٌكل‬
‫ان الكسر االنشقاقً االجزاء التركٌٌه غالبا ما ٌكون مفاجئ و غٌر متوقع و عاده ٌنتج فشل هش‬
‫صادم للجزء بعد الحرب العالمٌه الثانٌه تم االهتمام بهذه المشكله بشكل كبٌر عندما فشلت اجزاء سفن‬
‫ملحومه بشكل هش (كسر هش) وبسرعة انفجارٌة حٌث انقسمت معظم السفن الى قسمٌن بالرغم من ان‬
‫صفائح الفوالذ المستخدمة فً السفن كانت مطٌلٌة فً درجات الحرارة االعتٌادٌة لكن الكسر كان هشا ً مع‬
‫القلٌل من التشوه اللدن لذا كان من الضروري دراسة التغٌر من الكسر المطٌلً الى الهش مع انخفاض‬
‫درجة الحرارة وبثبوت مركزات االجهاد وسرعة تسلٌط الحمل عن طرٌق اختبار الصدم لبار محزوز‬
‫باستخدام جهاز آٌزود او شاربً اذ نحصل من هذا االختبار على معلومات عن المتانة ‪3toughness‬‬
‫ان ميل الفوالذ للفشل بشكل هش يزداد مع ‪:‬‬
‫زٌادة مركزات االجهاد‬
‫‪35‬‬
‫زٌادة سرعة تسلٌط الحمل‬
‫‪32‬‬
‫انخفاض درجة الحرارة‬
‫‪3.‬‬
‫هذه العوامل الثالثة مترابطة ولكن انخفاض درجة الحرارة هو افضل مقٌاس لقٌاس الكسر الهش كمٌا ً‬
‫تاثير درحة الحرارة على اختبارالصدم ( ‪)notched bar‬‬
‫عند اجراء هذا االختبار على الفوالذ وبعدة بدرجات حرارٌة ورسم مخطط الطاقة الممتصة مع‬
‫درجة الحرارة سنالحظ درجة الحرارة التً ٌحصل عندها انخفاض حاد فً قٌم الصدمة نتٌجة النخفاض‬
‫درجة الحرارة وبنفس الوقت ٌتغٌر نوع الكسر من القصً التلٌفً الغالب (‪predominantly fibrous-‬‬
‫‪ )shear‬الى النوع االنشقاقً البلوري (‪ )crystalline-cleavage‬كما موضح بالمخطط ‪5.31‬‬
‫ان نقطة االنتقال ستكون شاذة ‪ erratic‬بحٌث ان تغٌرا طفٌفا بالظروف سٌؤثر بشكل كبٌر على‬
‫القٌم‪3‬‬
‫درجة حرارة االنتقال (‪ )transition temperature‬تعرف حسب المواصفات األمرٌكٌة ‪ASTM‬‬
‫بانها درجة الحرارة التً عندها ٌظهر الكسر المطٌلً بنسبة ‪ %15‬والكسر الهش بنسبة ‪ %15‬فً العٌنة‪3‬‬
‫درجة حرارة االنتقال األوطأ (االفضل) هً للفوالذ القادر على مقاومة تاثٌر الهشاشٌة بسبب‬
‫مركزات االجهاد ومعدل التحمٌل العالً ودرجة الحرارة الباردة (‪)cryogenic‬‬
‫هناك صنفين من المتغيرات يؤثران على سلوك الحديد والفوالذ في درجات الحرارة المنخفضة هما ‪:‬‬
‫العوامل الميتالورجية ‪:‬مثل التركٌب ‪ composition‬وازالة االوكسٌد ‪deoxidation‬‬
‫‪35‬‬
‫والمعاملة الحرارٌة والبنٌة المجهرٌة وظروف السطح والحجم الحبٌبً‪3‬‬
‫العوامل الميكانيكية‪ :‬مثل تركٌز االجهادات ‪ stress concentration‬ومعدل االنفعال‬
‫‪32‬‬
‫‪3strain rate‬‬
‫العوامل الميتالورجية‪:‬‬
‫من العوامل التً تؤثر على سلوك الحدٌد والفوالذ بدرجات حرارٌة واطئة هً التركٌب‬
‫‪ composition‬وازالة االوكسٌد ‪ deoxidation‬والمعاملة الحرارٌة والبنٌة المجهرٌة وظروف السطح‬
‫والحجم الحبٌبً‪3‬‬
‫فٌما ٌلً بعض عناصر السبك التً تضاف للفوالذ وتأثٌراتها ‪:‬‬
‫الكاربون‪ :‬ان زٌادة محتوى الكاربون ٌسبب انخفاض مقاومة صدمة الحز عند درجة حرارة‬
‫‪35‬‬
‫الغرفة وزٌادة درجة حرارة االنتقال كما فً الشكل التالً‬
‫كما ان الشكل الفٌزٌائً للكاربون مهم اٌضا فعند تكوٌر السمنتاٌت فانه سٌكون اقل تأثٌرا بخواص‬
‫درجات الحرارة المنخفضة‪3‬‬
‫المنغنيز ‪:‬ان محتوى المنغنٌز بنسبة اكثر من ‪ %531‬ستقلل درجة حرارة االنتقال ولكن ال‬
‫‪32‬‬
‫تغٌر شكل المنحنً‪3‬‬
‫السيليكون ‪ٌ :‬ضاف بنسبة ‪ %53.‬وٌستخدم إلزالة االوكسٌد من الفوالذ كما ٌقلل درجة‬
‫‪3.‬‬
‫حرارة االنتقال وٌحسن متانة الحز ألنه سٌنتج فوالذ نظٌف وذو حبٌبات فراٌتٌه اكثر انتظاما‪ ,‬عند اضافة‬
‫كمٌات اكبر منه (اكثر من ‪ )53.‬فسٌصبح التأثٌر عكسٌا حٌث ان نسبة ‪ %4‬منه تجعل التركٌب هش حتى‬
‫فً درجة حرارة الغرفة‪3‬‬
‫االلمنيوم ‪ٌ :‬ستخدم إلزالة األوكسٌد وٌبدو ذو تاثٌر اٌجابً على متانة الحز للفوالذ متوسط‬
‫‪34‬‬
‫الكاربون وتتحسن مقاومة الصدمة فً درجة حرارة الغرفة وتنخفض درجة حرارة االنتقال بزٌادة كمٌة‬
‫االلمنٌوم الكثر من ‪3 %535‬ان الحجم الحبٌبً الفراٌتً الناعم نسبٌا الموجود فً مسبوكة االلمنٌوم المعاملة‬
‫‪ Al-treatd cast‬والفوالذ المطاوع ‪ wrought steel‬تساهم بتحسٌن المتانة بشكل كبٌر‪3‬‬
‫ان وجود االلمنٌوم والسٌلٌكون والفنادٌوم ٌؤدي الى تصغٌر الحجم الحبٌبً الذي ٌسبب ازالة االوكسجٌن‪3‬‬
‫ان الفوالذ ذو الحبٌبات الناعمة ٌملك متانة حز اكبر من الفوالذ ذو الحبٌبات الخشنة‪3‬‬
‫درجة حرارة االنتقال تنخفض بنقصان الحجم الحبٌبً‬
‫النٌكل ‪ :‬هو عنصر السبك االكثر فعالٌة فً زٌادة مقاومة هشاشٌة الحرارة المنخفضة فً‬
‫‪31‬‬
‫الفوالذ وهو من عناصر السبك القلٌلة التً تحسن مطٌلٌة الحدٌد فً الدرجات الحرارٌة المنخفضة واضافته‬
‫للفوالذ تزٌد متانة الحرارة المنخفضة وتقلل حرارة االنتقال وتوسع مدى االنتقال الحراري ‪3‬‬
‫الشكل ‪ٌ 5.355‬بٌن تاثٌر تغٌر كل من محتوى النٌكل ودرجة الحرارة على قٌم اختبار الصدمة‬
‫لشاربً للفوالذ واطئ الكاربون ‪3‬‬
‫من المنحنٌات نالحظ ان‪:‬‬
‫‪‬‬
‫درجة حرارة انتقال الفوالذ المسقع (‪ )1020 killed steel‬هً تحت الصفر فهرنهاٌت‬
‫بقلٌل ‪3‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫الفوالذ الحاوي على ‪ٌ 2%Ni‬حتفظ بمتانه جٌدة تحت ‪-100F‬‬
‫نسبة ‪ 5%Ni‬و ‪ 3.5%‬فً الفوالذ تكون افضل ماٌمكن بٌن ‪ -100F‬و ‪-200F‬‬
‫‪ٌ 8.5%Ni‬حصل نقصان تدرٌجً للمتانة مع نقصان درجة الحرارة‬
‫‪ 13%Ni‬تنعدم درجة حرارة االنتقال وتبقى المتانة ثابتة تقرٌبا على طول االختبار‪3‬‬
‫المولبيديوم والتيتانيوم والفناديوم‪ :‬لها تاثٌر متشابه على متانة الحز اذ ان كمٌات قلٌلة منها‬
‫‪31‬‬
‫تؤدي الى رفع درجة حرارة االنتقال لكن زٌادة الكمٌة تؤدي الى انخفاض درجة حرارة االنتقال‪3‬‬
‫تاثير البنية المجهرية للفوالذ على متانة الحز في درجات الحرارة المنخفضة‪:‬‬
‫ان المارتنساٌت ٌعطً اعلى متانة حز واقل درجة حرارة انتقال مقارنة مع البنى المجهرٌة‬
‫‪‬‬
‫االخرى المعروفة للفوالذ (شكل ‪3)5.352‬‬
‫متانة الحز للمارتنساٌت تنخفض بزٌادة كمٌة الباٌناٌت ‪3‬‬
‫‪‬‬
‫االوستناٌت المتبقً له تاثٌر طفٌف على درجة حرارة االنتقال‪3‬‬
‫‪‬‬
‫كربنة او نتردة السطوح تؤدي الى تقلٌل متانة الحز للفوالذ الكاربونً والسبائكً بسبب الصالدة‬
‫وانخفاض مطٌلٌة طبقات السطح التً تقاوم االنحناء اللدن تحت احمال الصدم ‪3‬‬
‫ازالة الكاربون ٌرافقها االنحناء اللدن وتزداد متانة الحز قلٌال وتقل مقاومة الكالل العوامل‬
‫الميكانيكية ‪ :‬مثل تركٌز االجهادات ‪ stress concentration‬ومعدل االنفعال ‪3strain rate‬‬
‫ٌمكن قٌاس تركٌز االجهاد بواسط حدة الحز (‪ )sharpness of the notch‬اذ ان قطر‬
‫‪‬‬
‫الحز القلٌل ٌزٌد من تركٌز االجهاد حٌث انه ٌمٌل النتاج كسر هش عند درجات حرارٌة اعلى‪3‬‬
‫معدل االنفعال نجده من سرعة البندول الصادمة ( ‪striking velocity of the‬‬
‫‪‬‬
‫‪ )pendulum‬حٌث ان سرعة الصدم العالٌة لها نفس تاثٌر انخفاض الحرارة اذ انها تسبب كسر هش بالغ ‪3‬‬
‫افضل خواص لمتانة الحز نحصل علٌها من اختٌار الحبٌبات الناعمة‬
‫خصائص الفوالذ في درجات الحرارة الواطئة‪:‬‬
‫ان المركبات الفضائٌة والمعدات الخاصة بالعملٌات الكٌمٌائٌة ٌتطلب عملها درجات حرارة منخفضة‬
‫لذلك نحتاج الى دراسة سلوك المعادن عند حرارة (‪ ) -150‬مع االخذ بنظر االعتبار بعض االمور خاصة‬
‫من ناحٌة منطقة اللحام وتغٌر المقطع ‪3‬‬
‫تزداد مقاومة الشد والخضوع فً درجات الحرارة الواطئة وهذه من خصائص السبائك والمعادن‬
‫بشكل عام ‪3‬بعض المعادن تتمتع بمعظم او كل مطٌلٌتها ومقاومتها للصدمة عند درجات الحرارة المنخفضة‬
‫مثل النحاس والنٌكل وااللمنٌوم والسبائك االوستناٌتٌة ‪3‬‬
‫فً حالة الفوالذ المطاوع غٌر المحزز فان االستطالة والنقصان بالمساحة سٌكون جٌدا عند اقل من ‪-‬‬
‫‪100c‬‬
‫ٌمكن خفض درجة حرارة االنتقال عن طرٌق ‪::‬‬
‫‪)5‬‬
‫‪)2‬‬
‫‪).‬‬
‫‪)4‬‬
‫‪)1‬‬
‫‪)1‬‬
‫‪)1‬‬
‫تقلٌل كمٌة الكاربون الى اقل من ‪( 0.15%‬الن الكاربون صلد وهش)‬
‫تقلٌل سرعة التحمٌل (سرعة تسلٌط الحمل)ال‬
‫تقلٌل عمق الحز‬
‫زٌادة قطر الحز (‪ 6mm‬كأقل قطر )‬
‫زٌادة محتوى النٌكل الى ‪9%‬‬
‫تصغٌر الحجم الحبٌبً‬
‫زٌادة محتوى المنغنٌز اذ ٌجب ان تكون نسبة ‪ Mn/C‬اكبر من ‪21‬‬
‫عند تجلٌخ السطح بورق سنفرة خشن بدرجة ‪ 585‬فإن تسدٌد ضربة له عند درجة ‪ -100C‬سٌكون‬
‫هشا بسبب االصالد التشكٌلً للسطح الذي ٌعالج بمعاملة التخمٌر عند ‪ 650-700C‬لكل ساعة هذه المعاملة‬
‫الحرارٌة تمنع نشوء الكسر الهش للملحومات عن طرٌق ازالة االجهادات المتبقٌة ‪3‬‬
‫عندما تكون درجة الحرارة اقل من ‪ -100C‬او عندما تكون اجهادات الصدمة الجزاء محززة تعمل‬
‫بدرجات حرارٌة تحت الصفر فٌجب استخدام الفوالذ المقاوم للصدأ ‪ 18/8‬او المعادن الالحدٌدٌة‪3‬‬
‫خواص سبائك االلمنيوم عند درجات الحرارة المنخفضة‪:‬‬
‫لسبائك االلمنٌوم اهمٌة كبٌرة فً التطبٌقات التً تعمل بدرجات حرارٌة منخفضة حٌث تستعمل‬
‫بأجزاء انشائٌة تعمل بدرجات حرارٌة اقل من ‪3 -270C‬‬
‫ٌحدث تغٌرا قلٌال فً خواص معظم سبائك االلمنٌوم عند درجة حرارة تحت الصفر حٌث ٌزداد‬
‫اجهاد الخضوع واجهاد الشد بٌنما تقل االستطالة بشكل قلٌل اما مقاومة الصدمة فتبقى ثابتة لذلك ٌعد‬
‫االلمنٌوم مادة مفٌدة فً تطبٌقات درجات الحرارة الواطئة‪3‬‬
‫العائق الرئٌسً الستخدام االلمنٌوم هو االستطالة الواطئة نسبٌا مقارنة مع السبائك الحدٌدٌة‬
‫االوستناٌتٌة هذا العامل المثبط ٌؤثر على الصناعة التً تؤثر على سالمة المجتمع بشكل رئٌسً‬
‫حسب المواصفات االمرٌكٌة ‪ٌ ASTM‬جب استخدام السبائك ‪ 5083 ,5456‬الوعٌة الضغط التً‬
‫تعمل بحرارة ( ‪-195‬الى ‪ )65C‬فً هذه السبائك تزداد مقاومة الشد بنسبة( ‪ )30_40%‬وٌزداد مقاومة‬
‫الخضوع بنسبة (‪ )%55_1‬اما االستطالة فتزداد بنسبة (‪ )%555_15‬بٌن درجة حرارة الغرفة و(‪)-195‬‬
‫السبائك الطروقة التً غالبا ماتستخدم فً الدرجات الحرارٌة المنخفضة‬
‫سبٌكة االلمنٌوم (‪ )5083_O‬تستخدم بشكل واسع للتطبٌقات الباردة جدا (‪cryogenic‬‬
‫) عند تبرٌدها من حرارة الغرفة الى حرارة غلٌان النتروجٌن (‪ )-195‬تزداد مقاومة الشد القصوى بنسبة‬
‫‪ 40%‬ومقاومة الخضوع بنسبة ‪10%‬‬
‫االحتفاظ بالمتانة له اهمٌة رئٌسٌة بالنسبة للمعدات التً تعمل فً حرارة منخفضة‬
‫سبائك االلمنٌوم لٌس لها درجة حرارة انتقال من الكسر الهش الى المطٌلً لذا فال ضرورة الجراء‬
‫اختبار اٌزود او شاربً بدرجات حرارة منخفضة‬
‫سبٌكة االلمنٌوم (‪ )5083_O‬لها افضل متانة كسر مقارنة مع االنواع االخرى من سبائك‬
‫‪)5‬‬
‫االلمنٌوم وتزداد هذه المتانة بانخفاض درجة الحرارة‪3‬‬
‫سبٌكة ‪ 2219_T87‬لها افضل مقاومة ومتانة كسر فً حرارة الغرفة و (‪ )-196C‬هذا لكل‬
‫‪)2‬‬
‫السبائك التً لها قابلٌة غلى اللحام‪3‬‬
‫سبٌكة ‪ 6061_T651‬لها متانة كسر جٌدة فً درجة حرارة الغرفة و عند ‪ -196‬لكن مقاومة‬
‫‪).‬‬
‫خضوعها اقل من سبٌكة ‪2219_T87‬‬
‫سبٌكة ‪ 7039‬لها مقومة ومتانة كسر جٌدتان بالضافة الى قابلٌة اللحام فً حرارة الغرفة و‬
‫‪)4‬‬
‫(‪)-196C‬‬
‫سبٌكة ‪ 2124‬مشابهه لسبٌكة ‪2024‬لكن نقاوتها اعلى وتحتاج لعملٌات معٌنة لتحسٌن متانة‬
‫‪)1‬‬
‫الكسر كما ان خواص الشد سبٌكة ‪ 2124‬متشابهه سبٌكة ‪2124_T851‬‬
‫مقاومة الكالل‬
‫عند تسلٌط ‪ 515‬دورة كالل على عٌنات من سبائك االلمنٌوم كانت مقاومة الكالل فً درجات حرارة‬
‫واطئة اكبر من التً فً درجة حرارة الغرفة‬
‫الخالصة‬
‫الخواص المٌكانٌكٌة والفٌزٌائٌة لاللمنٌوم وسبائكه تتغٌر عند تغٌر درجة حرارة العمل من الحرارة‬
‫الباردة (‪)Cryogine‬عند حرارة ‪ -196‬الى درجات مرتفعة تصل الى ‪ 400c‬وتكون التغٌرات غٌر شدٌدة‬
‫مقارنة مع الفوالذ‬
‫الخواص الميكانيكية للنحاس وسبائكه بدرجات الحرارة المنخفضة‪:‬‬
‫ان سبائك النحاس تصبح اقوى واكثر مطٌلٌة عند انخفاض درجات الحرارة كما تحتفظ بمقاومة‬
‫صدمة ممتازة (‪ )20k‬هذه المواصفات العامة ظهرت فً ‪ %51‬من سبائك النحاس والتً تتضمن البراس‬
‫(نحاس ‪+‬زنك) والبرونز‪3‬‬
‫سبٌكة النحاس رقم ‪ 552‬مشكلة على البارد بنسبة ‪ %15‬لذلك نالحظ زٌادة المتانة وخاصة عند‬
‫انخفاض الحرارة الى ‪25‬كلفن (‪21.-‬مئوٌة) بسبب التصلٌد االنفعالً الناتج عن التشكٌل البارد‬
‫سبٌكة النحاس رقم ‪ 522‬المخمرة تزداد متانتها عند درجة ‪25‬كلفن لوجود‬
‫ان االختالف فً مقاومة الصدمة الحاصلة فً سبائك النحاس فً ظروف السحب على البارد لنسبة‬
‫‪ٌ %15‬تعلق بحجم الحبٌبات اذ ان السبائك ذات الحجم الحبٌبً الصغٌر لها مقاومة صدمة عالٌة (‪113-‬‬
‫‪ )115 ft-lb‬اما السبائك ذات الحجم الحبٌبً الصغٌر فتملك مقاومة صدم اقل (‪)57-84 ft-lb‬‬
‫سبائك النحاس المعتقة المحتوٌة على (‪ )2.5%wt‬من عناصر السبك كانت اقوى من السبائك‬
‫االخرى الداخلة فً االختبار اذ تبقى مقاومتها للصدمة عالٌة بالرغم من انخفاض مقاومتها للشد عند حرارة‬
‫(‪ )4k‬لكنها تبقى جٌدة كما تزداد االستطالة عند درجات الحرارة المنخفضة‪3‬‬
‫كل السبائك التً تم اختبارها ابدت مقاومة شد وصدم جٌدتٌن باستثناء سبٌكة (‪)Ni-Al-bronze‬التً‬
‫تكون مصبوبة بالسباكة الرملٌة حٌث تكون هشة فً درجات الحرارة المنخفضة‬
‫ان مقاومة الشد القصوى واجهاد الخضوع لمعظم السبائك ٌكون عند ‪4‬كلفن اقل مما فً درجة‪25‬‬
‫كلفن بسبب ظهور الخضوع المتقطع عند ‪4k‬‬