باختصار

يُعد الصلب ثنائي الطور (DP) من أنواع الصلب عالية القوة المتطورة (AHSS)، ويتميز ببنية دقيقة تتكون من جزر مارتنزيت صلبة موزعة ضمن مصفوفة فريت لينة. توفر هذه التركيبة الفريدة نسبة منخفضة بين حد الخضوع ومقاومة الشد (~0.6) ومعدل تصلب تشوه ابتدائي مرتفع (قيمة n)، مما يجعلها مثالية للختم المعقد في قطع السيارات التي تتطلب قابليّة التشكيل ومتانة التصادم معًا. ومع ذلك، يتطلب الختم الناجح إدارة مخاطر الارتداد الكبير وتشقق الحواف. يجب على المهندسين عادةً زيادة فجوات المكبس إلى 12–14% واستخدام أدوات أكثر صلابة مع طلاءات متقدمة مثل TiC أو CrN للتعامل مع الطنين المرتفع ومعدلات البلى.

البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية

تتمثل القيمة الهندسية لفولاذ الطور المزدوج في تركيبه المجهرى ذو الطورين المختلفين. على عكس فولاذ السبائك عالية القوة وقليلة التركيز (HSLA)، الذي يعتمد على التصلب بالترسيب، فإن فولاذ DP يستمد خصائصه من هيكل مركب: يتمثل في مصفوفة فيريتية لينة مستمرة توفر المطيلية، وتتضمن جزر مارتنزيتيّة صلبة موزعة توفر القوة. وعند تشويه المادة، يتراكم الانفعال في طور الفيريت الألين المحيط بالمارتنزيت، مما يؤدي إلى معدل تصلب تحت التشوه عالي في البداية (القيمة-n).

يؤدي هذا التركيب المجهرى إلى سلوك ميكانيكي تم تحسينه خصيصًا للتشكيل البارد. في حين أن درجات HSLA تُظهر عادةً نسبة مقاومة الخضوع إلى مقاومة الشد (YS/TS) تبلغ حوالي 0.8، فإن فولاذ DP تحتفظ بنسبة أقل بكثير تبلغ تقريبًا 0.6. تسمح هذه النسبة المنخفضة لمقاومة الخضوع ببدء التشوه اللدن في وقت مبكر، مما يسهل تشكيل أشكال معقدة قبل أن تصل المادة إلى حد مقاومتها القصوى للشد. ملاحظات الصانع أن هذه القيمة العالية لمعامل التحمل تكون واضحة بشكل خاص عند نطاقات الانفعال المنخفضة (4–6%)، مما يساعد على توزيع الانفعال بشكل موحد عبر الجزء ومنع التضييق الموضعي في بداية حركة المكبس.

تُعرَّف الدرجات التجارية الشائعة—مثل DP590 وDP780 وDP980—بواسطة قواها الشدّية الدنيا (بالميغاباسكال). ومع زيادة كسر الحجم لمادة المارتنسايت، يرتفع مقاومة الشد، لكن المطيلية تنخفض بطبيعتها. ويجب على المهندسين موازنة هذه العوامل، حيث يتم عادةً اختيار نسب أقل من المارتنسايت للأجزاء المطبوعة بالسحب العميق ونسب أعلى للس rails الهيكلية حيث يكون الأداء المضاد للتسلل هو الأهم.

تحديات الختم: الارتداد والتشقق على الحافة

الخاصية المميزة التي تجعل فولاذ DP مرغوبًا — وهي معدل التصلب العالي أثناء التشوه — تُدخل العيب التصنيعي الرئيسي المتمثل في ظاهرة الارتداد المرن (springback). نظرًا لأن المادة تتصلب بسرعة أثناء التشوه، فإن إجهاد الاسترداد المرن المخزن في القطعة يكون أعلى بكثير مقارنة بالفولاذ الطري. ويظهر هذا على شكل تقوس في جدران الجانب أو تغير في الزوايا بعد إزالة القطعة من القالب، مما يُعقّد الدقة الأبعادية اللازمة للتجميع.

للحد من ظاهرة الارتداد المرن، يستخدم مهندسو العمليات عدة استراتيجيات في تصميم القوالب. المبالغة في تقوس سطح القالب تسمح للأسطح بالاسترخاء إلى الشكل الهندسي الصحيح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تُثبت أربطة الجدران أو العناصر المتصلبة الشكل في مكانه. وتشمل تقنية أكثر تطورًا فرض إجهاد عالي في نهاية حركة الضغط لتقليل إجهادات الانضغاط المتبقية، وبالتالي "تثبيت" الشكل بشكل فعّال.

تعد تشقير الحواف وسيلة فشل حرجة أخرى، خاصة أثناء عمليات التمديد الحافة. يؤدي التفاوت في الصلادة بين الفيريت اللين والماترينش الصلب إلى تمركز الإجهاءات عند الحواف المشقولة، مما يسبب تشكيل فراغات دقيقة يمكن أن تندمج لتكوين تشقيرات. تقترح SSAB استخدام درجات متخصصة تسمى "ثنائية الطور عالية القابية على التشكيل" (DH) للهندسات التي تتطلب السحب العميق أو تمديد الحواف. تستخدم هذه الدرجات من الفولاذ عالي القوة عالي الشكلية الجيل الثالث (AHSS) هياكل دقيقة مساعدة من نوع TRIP (مع الأوستنيت المحتفظ) للحفاظ على القابية على التشكيل عند مستويات إجهاد أعلى، مما يوفر مقاومة متفوقة لتشقير الحواف مقارنة بالدرجات القياسية DP.

إرشادات تصميم الأدوات والقوالب

يتطلب ختم الفولاذ ثنائي الطور إعادة تفكر جوهرية في المعايير القياسية للأدوات المستخدمة مع الفولاذ اللين أو HSLA. أكثر التعديلات أهمية هي المسافة بين المطرق. فغالباً ما تؤدي المسافات القياسية البالغة حوالي 9٪ من سماكة المعدن إلى تشقير حاد في الحواف للصلب DP بسبب قوة القص العالية للمادة.

بيانات من تاتا ستيل يُظهر أن زيادة فتحة اللكم إلى 12–14%تحسن بشكل كبير من جودة الحافة. في إحدى دراسات الحالة، أدت زيادة الفتحة من 9% إلى 12% إلى خفض معدلات تشقق القطع من 22% إلى ما يقارب الصفر. وتغيّر هذه الفتحة الأكبر حالة الإجهاد عند حافة القطع، مما يقلل من احتمالية انتشار الشقوق المجهرية في اللوح.

كما يتسارع تآكل الأداة. يمكن للضغوط العالية الناتجة عن تشكيل فولاذ DP — والتي غالبًا ما تتجاوز 600 طن للمكونات الهيكلية — أن تسبب التصاقات وتدهورًا سريعًا في القوالب. ويجب طلاء فولاذ الأدوات بمواد سطحية صلبة وقليلة الاحتكاك مثل كاربيد التيتانيوم (TiC) أو نيتريد الكروم (CrN) لتمديد فترات الصيانة. علاوةً على ذلك، يجب أن تكون المكبس نفسه ذا صلابة كافية لمنع الانحناء تحت هذه الأحمال العالية، التي قد تؤثر بخلاف ذلك على دقة أبعاد القطعة.

بالنسبة للمصنعين الذين يواجهون هذه المتطلبات المرتفعة للمعدات، فإن التعاون مع مزوّد تصنيع متخصص يكون غالبًا هو المسار الأكثر كفاءة. تقدم شركة Shaoyi Metal Technology حلول شاملة للختم التي تسد الفجوة بين النماذج الأولية والإنتاج الضخم. وبفضل قدرات المكابس التي تصل إلى 600 طن وشهادة IATF 16949، فإنها مجهزة للتعامل مع متطلبات الطنين والدقة الصارمة الخاصة بالفولاذ عالي القوة مثل درجات DP وDH للمكونات الحرجة مثل أذرع التحكم والأطراف الفرعية.

التقسية بالتحميص والأداء النهائي

أحد المزايا الخفية للفولاذ ثنائي الطور هو تأثير "التقسية بالتحميص" (BH). ويحدث هذا الظاهرة أثناء دورة تصلب طلاء السيارات، والتي تكون عادةً عند حوالي 170°م لمدة 20 دقيقة. خلال هذه العملية الحرارية، تنتشر ذرات الكربون الحرة في البنية المجهرية للفولاذ وتثبت العيوب الانزلاقية الناتجة عن عملية الختم.

يؤدي هذا الميكانيكية إلى زيادة كبيرة في قوة الخضوع — عادةً ما ترتفع بمقدار 50 إلى 100 ميجا باسكال — دون التأثير على أبعاد القطعة. تتيح هذه الزيادة في القوة الساكنة للمهندسين العاملين في مجال السيارات "تقليل السُمك" (استخدام مواد أرق) لتخفيف وزن المركبة مع ضمان تحقيق الجزء النهائي لمعايير السلامة في حالات التصادم. ويمنح الجمع بين التصلب الناتج عن التشوه من ورشة الضغط والتصلب بالتحميص من ورشة الطلاء المكون النهائي قدرة استثنائية على امتصاص الطاقة، ما يجعل فولاذ DP الخيار القياسي لمكونات هيكل الأمان مثل الأعمدة الجانبية (B-pillars) وقضبان السقف والأعضاء العرضية.

الخلاصة: التحسين لإنتاج الفولاذ عالي القوة المتقدم (AHSS)

يمثل الفولاذ ثنائي الطور نقطة توازن حاسمة في الهندسة الحديثة للسيارات، حيث يوفر القوة الضرورية للامتثال لمتطلبات السلامة والمطيلية المطلوبة لضمان إمكانية التصنيع. وعلى الرغم من أن هذا المعدن يطرح تحديات محددة — خاصة فيما يتعلق بإدارة الانحناء العكسي وارتداء الأدوات — فإنه يمكن التغلب عليها بفعالية من خلال تصميم القوالب المستند إلى البيانات واختيار المكبس المناسب. ومن خلال احترام الفيزياء الفريدة للبنية المجهرية الفيريت-مارتنزيتي والتعديل في معاملات مثل فجوة الدق إلى النطاق الموصى به البالغ 12–14%، يمكن للمصنّعين الاستفادة الكاملة من إمكانات خفض الوزن والأداء التي يتيحها هذا المعدن المتعدد الاستخدامات.

الأسئلة الشائعة

1. كيف يختلف الفولاذ ثنائي الطور عن فولاذ HSLA؟

بينما تعتمد فواتح الفولاذ عالية القوة منخفضة السبائك (HSLA) على عناصر سبيكة دقيقة للتصلب بالترسيب، فإن فواتح الفولاذ ذات الطور المزدوج (DP) تعتمد على بنية دقيقة ثنائية الطور تتكون من البيرلايت والماتينسايت. وهذا يمنح فواتح الفولاذ ذات الطور المزدوج نسبة أقل بين حد الخضوع والشد (~0.6 مقابل 0.8 لفواتح HSLA) ومعدل تصلد أولي أعلى، مما يسمح بقابلية تشكيل أفضل عند قوى شد مكافئة.

2. ما هو التخليص الموصى به للقاطعة عند ختم فولاذ DP؟

عادةً ما تكون التخليصات القياسية المستخدمة للصلب اللين (حوالي 9٪) ضيقة جدًا بالنسبة لفولاذ DP ويمكن أن تسبب تشقق الحافة. وتشير أفضل الممارسات الصناعية إلى زيادة تخليص القاطعة إلى 12–14%من سمك المادة لتحسين جودة الحافة وعمر الأداة.

3. ما الذي يسبب ظاهرة الارتداد النابض في فولاذ الطور المزدوج؟

تحدث الارتداد الناتج عن الزنبرك بسبب ارتفاع معدل الاسترداد المرن للمادة بعد التشكيل. إن معدل التصلب العالي للصلب ثنائي الطور يعني أنه يخزن طاقة مرنة كبيرة أثناء التشوه. وعند فتح القالب، تُطلق هذه الطاقة، ما يؤدي إلى ارتداد الجزء أو انحنائه. ويجب التعويض عن ذلك من خلال زيادة التقوس أو إعادة الضرب في تصميم القالب.

4. هل يمكن لحام الصلب ثنائي الطور؟

نعم، عمومًا يتمتع الصلب ثنائي الطور بقابلية جيدة للحام، ولكن يجب أخذ المعادل الكربوني المحدد في الاعتبار. بينما يمكن لحام الدرجات الأقل قوة (DP590) بسهولة باستخدام اللحام النقطي، فقد تتطلب الدرجات الأعلى قوة (DP980 فأكثر) تعديلات على معايير اللحام، مثل زيادة قوة القطب أو استخدام جداول نبضات محددة، لمنع حدوث كسور هشة في منطقة اللحام المتأثرة حراريًا.