من ماذا يتكون معدن سكة الحديد؟

إن معدن القضبان، المعروف عمومًا باسم فولاذ قضبان القطارات، هو نوع خاص من الفولاذ ضمن المنتجات المعدنية يُستخدم بشكل أساسي في إنشاء خطوط السكك الحديدية. تتحمل القضبان وزن القطار وحمله الديناميكي. ويتعرض سطحها للتآكل، كما يتعرض رأسها للصدمات. كما تتعرض القضبان لضغوط انحناء كبيرة. وتؤدي الضغوط المعقدة والاستخدام طويل الأمد إلى حدوث أضرار في القضبان.

الأضرار الرئيسية التي تلحق بمعدن خطوط السكك الحديدية

التآكل الجانبي للخيط العلوي والانضغاط الذي يتعرض له الخيط السفلي.
يحدث التآكل الناتج عن الموجات بسبب عدم كفاية مقاومة الانثناء.
تنتج الكسور الهشة، والتشقق، وسقوط الكتل، وتشقق رؤوس القضبان، وشقوق اللحام عن انخفاض الصلابة والليونة.

وبالتالي، فإن المتطلبات الأساسية لفولاذ السكك الحديدية تشمل: مقاومة التآكل، ومقاومة الانضغاط، ومقاومة الكسر الهش، ومقاومة الإجهاد، وقابلية اللحام الجيدة.

المواد النموذجية المستخدمة في صناعة قضبان السكك الحديدية

وفقًا لنوع الفولاذ، فإن مادة القضبان المستخدمة في سكة حديديمكن تقسيمها إلى ثلاثة أنواع:

الفولاذ الكربوني

الفولاذ الكربوني هو سكة حديدية مصنوعة من الحديد الخام الطبيعي الذي تم صهره ودكّه. ويستخدم بشكل أساسي عناصر الكربون والمنغنيز الموجودة في الخام لزيادة متانة السكة. يتكون فولاذ سكك الحديد الكربوني العادي من 0.40%-0.80% من الكربون والمنغنيز أقل من 1.30%-1.4%.

الفولاذ السبائكي

السكك الحديدية المصنوعة من الفولاذ السبائكي هي سكك حديدية يتم صهرها ودرفلتها بعد إضافة كميات مناسبة من العناصر السبائكية، مثل الفاناديوم والتيتانيوم والكروم والقصدير، إلى خام الحديد الأصلي. وتتميز هذه السكك الحديدية بمستويات أعلى من القوة والمتانة مقارنة بالسكك الحديدية الكربونية.

الفولاذ المعالج حرارياً

الفولاذ المعالج حرارياً هو سكة فولاذية يتم تشكيلها عن طريق تسخين السكة الكربونية أو السكة المصنوعة من السبائك المدرفلة على الساخن والتحكم في عملية تبريدها. وتتميز البنية البرليتية للسكة المعالجة حرارياً بأنها أكثر دقة من تلك الموجودة في السكة المدرفلة على الساخن، مما ينتج عنه قوة وصلابة أعلى. يحتوي القضيب المقوى بعد المعالجة الحرارية على طبقة تصحيح تصلب عند رأس القضيب، مما يحسن خصائصه الميكانيكية بشكل كبير بحيث يمكن إطالة عمر خدمة القضيب.

التركيب الكيميائي لفولاذ سكك الحديد

لا.	عنصر	الوظيفة
1	C	تحسين قوة القضيب وصلابته ومقاومته للتآكل. يتراوح محتوى الكربون في القضبان المحلية بين 0.651٪ و0.821٪. وعندما يكون محتوى الكربون مرتفعًا نسبيًا، يصبح الفولاذ هشًا، وينخفض مؤشر مرونته بشكل ملحوظ. وفي الوقت نفسه، سيزيد ذلك من احتمالية ظهور بقع بيضاء في الفولاذ.
2	نعم	يسهل تفاعله مع الأكسدة ويمكن أن يلعب دورًا في إزالة الفقاعات من المعدن. يحتوي الفولاذ على كمية مناسبة من السيليكون، مما يمكن أن يحسن صلابة الفولاذ ومقاومته للتآكل. عادةً ما يكون محتوى فولاذ السكك الحديدية المحلية 0.159-0.91٪، لكن المحتوى الزائد سيجعل الفولاذ صلبًا وهشًا، كما أنه من السهل أن تتشكل مسام في اللحام.
3	من	وهو عنصر مفيد يمكنه تحسين قوة الفولاذ ومقاومته للتآكل وزيادة صلابته. كما يمكنه إزالة شوائب أكسيد الحديد وكبريتيد الحديد الضارة الموجودة في الفولاذ. يتم التحكم في محتوى المنغنيز عمومًا بين 0.6% و 1.54%. يُطلق على الفولاذ الذي يحتوي على نسبة من المنغنيز تزيد عن 1.2% اسم الفولاذ المتوسط المنغنيز، وتتميز مقاومته للتآكل بأنها عالية جدًا.
4	النحاس	إنه عنصر مفيد. يحتوي الفولاذ على كمية قليلة من مركبات النحاس، والتي يمكن أن تحسن من مقاومة الفولاذ للتعب والتآكل. يتراوح محتوى النحاس في القضبان الفولاذية المحلية عمومًا بين 0.10% و 0.40%. إذا لم تكن عملية درفلة القضبان المحتوية على النحاس جيدة، فستظهر شقوق تشبه شكل السمكة على سطح القضيب
5	P	إنه عنصر ضار. ويكمن الخطر الأكبر للفوسفيد في أنه يقلل من مرونة الفولاذ وصلابته. فخاصة في درجات الحرارة المنخفضة، تزداد هشاشة الفولاذ في البرد، مما يؤدي بسهولة إلى كسر القضبان، ولذلك يتم التحكم في نسبة وجوده بحيث لا تتجاوز 0.041٪.
6	S	الكبريت عنصر ضار. وغالبًا ما يتبقى في الفولاذ على شكل حبيبات. وعند درفلة القضيب، يتم درفلة هذه الحبيبات مع الفولاذ لتشكيل صفائح، مما يتسبب في انفصال الطبقات أو حدوث شقوق طولية في القضيب. ويتم التحكم في نسبة الكبريت بحيث لا تزيد عن 0.051٪.

العناصر الكيميائية الرئيسية ووظائفها في القضبان باستثناء الحديد

الخصائص الميكانيكية لمعدن سكك الحديد

القوة

قدرة السكة على مقاومة التشوه والتلف تحت تأثير الحمل. وغالبًا ما يتم التعبير عنها من خلال حدود القوة، وحدود الخضوع، ومؤشرات أخرى. ويشير حد القوة (قوة الشد) إلى قدرة المادة المعدنية على مقاومة حمل الشد والضغط الأقصى دون أن تتعرض للتلف. يشير حد الخضوع (قوة الخضوع) إلى الإجهاد الذي يمكن أن تنتج عنه المادة المعدنية تشوهًا بلاستيكيًا كبيرًا دون زيادة الحمل. ووحدة القياس هي ميجا باسكال (Mpa).

المرونة

تتعرض المادة المعدنية لتشوه كبير دون أن تتضرر تحت تأثير الحمل، وتستطيع الحفاظ على الشكل المشوه بعد رفع الحمل. وغالبًا ما يُعبَّر عن ذلك من خلال الاستطالة والانكماش. الاستطالة هي النسبة المئوية التي تمثل نسبة الطول المقاس بعد كسر العينة إلى الطول المقاس الأصلي. انكماش المقطع هو النسبة المئوية لنسبة انخفاض مساحة الكسر في العينة إلى مساحة الإنثالبي الأصلية.

الصلابة

قدرة المادة المعدنية على مقاومة انضغاط جسم (مادة) آخر أكثر صلابة على سطحها. ووفقًا لطرق القياس المختلفة، يمكن تقسيمها إلى صلابة برينل (HB) وصلابة روكويل (HRC).

وقد أثبتت التجربة وجود علاقة معينة بين الصلابة والقوة، يمكن تقديرها تقريبياً استناداً إلى قيمة صلابة برينل.

احسب مقاومة الشد للمادة. على سبيل المثال، الفولاذ منخفض الكربون 6b ≈ 0.36HB، والفولاذ عالي الكربون 6b ≈ 0.34HB.

المرونة

قدرة المواد المعدنية على مقاومة أحمال الصدم دون أن تتعرض للتلف. يمكن قياس صلابة المواد المعدنية من خلال اختبار الصدم، وتُعبر عنها بقيمة صلابة الصدم αk بالكيلوجول لكل متر².

مقاومة التعب

تتصدع المادة تحت تأثير الأحمال المتناوبة. تُقاس قدرة المواد المعدنية على مقاومة الإجهاد بـ«قوة الإجهاد». وقوة الإجهاد هي أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله مادة معدنية تحت تأثير أحمال متناوبة متكررة دون أن تتعرض للكسر.