ثلاثة أرباع صلابة عالية: الخصائص الرئيسية والتطبيقات في معالجة الفولاذ

التعريف والمفهوم الأساسي

تزنر الصلب "ثلاثة أرباع صلبة" يشير إلى مستوى معين من العمل البارد أو تقوية الإجهاد المطبق على الصلب أو المعادن الأخرى، مما يؤدي إلى تحقيق حوالي 75% من أقصى صلابة يمكن تحقيقها من خلال العمل البارد. هذا التعيين يشير إلى مادة تم تصفية أو سحبها لتقليل سماكتها أو مساحتها المقطعية بمقدار معين، عادة حوالي 21-25%، مما يؤدي إلى زيادة القوة والصلابة على حساب اللدونة.

تزنر الصلب "ثلاثة أرباع صلبة" يحتل موقعاً وسطاً في طيف تسميات التزنر، يقع بين الصلب "نصف صلب" والصلب "صلب كامل". إنه يمثل تسوية متوازنة بعناية بين القوة والقابلية للتشكيل، مما يجعله ذا قيمة للتطبيقات التي تتطلب قوة جيدة دون التضحية الكاملة بالعمل.

في المصطلحات المعدنية، يعد هذا التعيين جزءاً من نظام معياري يقيس درجة تقوية الإجهاد في المعادن، خاصة في المنتجات المسطحة المصفحة والأسلاك. يوفر النظام للمهندسين خصائص ميكانيكية يمكن توقعها، مما يمكّن من اختيار دقيق للمواد للتطبيقات المحددة التي تتطلب قوة متوسطة مع قابلية تشكيل محدودة.

الطبيعة الفيزيائية والأساس النظري

الآلية الفيزيائية

على المستوى المجهرهي، تؤدي حالة "ثلاثة أرباع صلبة" إلى إدخال وتكاثر التشوهات داخل الشبكة البلورية للمعدن. يخلق العمل البارد كثافة عالية من التشوهات التي تعيق حركة بعضها البعض، مما يتطلب إجهاد أعلى للتسبب في مزيد من التشويه.

تشمل آلية تقوية الإجهاد التفاعل بين التشوهات وميزات المجهرية الأخرى مثل الحدود الحبيبية، والترسبات، وذرات الحَلُول. مع زيادة كثافة التشوهات نتيجة العمل البارد، تقل المسافة الحرة المتوسطة لحركة التشوهات، مما يتطلب إجهاداً أعلى للاستمرار في التشوه البلاستيكي.

في مادة "ثلاثة أرباع صلبة"، تصل كثافة التشوهات عادةً إلى حوالي 10¹² إلى 10¹³ تشوه لكل سنتيمتر مربع، مما ينشئ شبكة معقدة تعزز المادة بشكل كبير مع الاحتفاظ ببعض القدرة على مزيد من التشوه.

النماذج النظرية

النموذج النظري الأساسي الذي يصف تقوية الإجهاد هو علاقة تايلور، التي تربط بين إجهاد التدفق وكثافة التشوهات. يثبت هذا النموذج أن الزيادة في قوة الخضوع تتناسب مع الجذر التربيعي لكثافة التشوهات، معبراً عنها بـ $\Delta\tau = \alpha Gb\sqrt{\rho}$، حيث $\tau$ هو إجهاد القص، و $G$ هو معامل القص، و $b$ هو متجه برجر، و $\rho$ هو كثافة التشوهات.

تطورت فهم تقوية الإجهاد من الملاحظات التجريبية المبكرة من قبل علماء المعادن في القرن التاسع عشر إلى نظريات أكثر تعقيداً تعتمد على التشوهات تم تطويرها في منتصف القرن العشرين من قبل تايلور، وأوروان، وآخرين. أقامت هذه النظريات العلاقة الأساسية بين التشوه البلاستيكي، حركة التشوهات، وتقوية المادة.

تدمج الأساليب الحديثة نماذج بلاستيكية بلورية والمحاكاة الحاسوبية للتنبؤ بسلوك تقوية الإجهاد عبر اتجاهات بلورية مختلفة وظروف تحميل معقدة، مما يوفر توقعات أكثر دقة لمواد "ثلاثة أرباع صلبة" مع هياكل مجهرية متنوعة.

أسس علوم المواد

ترتبط حالة "ثلاثة أرباع صلبة" بشكل مباشر ببنية البلورات من خلال تفاعل التشوهات مع الطائرات والاتجاهات البلورية. في الفولاذات مكعبية مركزية للأجسام (BCC)، يحدث الانزلاق بشكل أساسي على طائرات {110}، بينما تظهر المعادن مكعبية مركزية للوجه (FCC) الانزلاق على طائرات {111}، مما يؤثر على كيفية تقدم تقوية الإجهاد.

تلعب حدود الحبوب دوراً حاسماً في تطوير خصائص "ثلاثة أرباع صلبة" من خلال العمل كحواجز لحركة التشوهات. تعزز أحجام الحبوب الأصغر من تأثير التقوية الناتج عن العمل البارد من خلال توفير المزيد من مساحة حدود الحبوب لكل وحدة حجم، وفقاً لعلاقة هول-بتش.

ترتبط حالة التزنر ارتباطًا جذريًا بمبادئ علوم المواد لتقوية العمل، والتعافي، وإعادة البلورة. تمثل "ثلاثة أرباع صلبة" حالة حيث حدث تقوية العمل بشكل كبير دون الوصول إلى النقطة التي تعوض فيها عمليات التعافي الديناميكي آثار التقوية بشكل كبير.

التعبير الرياضي وطرق الحساب

معادلة التعريف الأساسية

يمكن قياس درجة العمل البارد في حالة "ثلاثة أرباع صلبة" باستخدام المعادلة:

$$\% \text{ العمل البارد} = \left(\frac{A_0 - A_f}{A_0}\right) \times 100\%$$

حيث $A_0$ هو مساحة المقطع العرضي الأولية و $A_f$ هي مساحة المقطع العرضي النهائية بعد العمل البارد. بالنسبة لـ "ثلاثة أرباع صلبة"، يتراوح هذا عادةً من 21% إلى 25%.

معادلات حسابية ذات صلة

يمكن تقريب العلاقة بين الصلابة والعمل البارد بواسطة:

$$H = H_0 + K(\% \text{ العمل البارد})^n$$

حيث $H$ هو الصلابة النهائية، و $H_0$ هو الصلابة الأولية، و $K$ هو ثابت معين للمادة، و $n$ هو أس exponent التقوية الناتجة عن الإجهاد، وعادة ما يكون بين 0.2 و 0.5 لمعظم الفولاذات.

يمكن تقدير زيادة قوة الشد باستخدام:

$$\sigma_f = \sigma_0 + \alpha \cdot \sqrt{\rho} = \sigma_0 + \beta \cdot (\% \text{ العمل البارد})^{1/2}$$

حيث $\sigma_f$ هي القوة النهائية، و $\sigma_0$ هي القوة الأولية، و $\rho$ هي كثافة التشوهات، و $\alpha$ و $\beta$ هما ثوابت مادية.

الشروط المطبقة والقيود

تكون هذه المعادلات صالحة بشكل عام بالنسبة لنسب العمل البارد التي تقل عن 50%، حيث complicate العوامل الإضافية مثل تطوير الأنسجة والتغيرات المجهرية العلاقات.

تفترض النماذج تشوه متجانس عبر المادة، مما قد لا يكون صحيحًا للأشكال الهندسية المعقدة أو عمليات العمل البارد غير المتجانسة.

تكون هذه العلاقات حساسة لدرجة الحرارة وتفترض تشوه في درجة حرارة الغرفة؛ يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى بداية عمليات التعافي التي تقلل من تأثير التقوية الناتج عن العمل البارد.

طرق القياس والتوصيف

مواصفات الاختبار القياسية

ASTM E18: طرق اختبار قياسية لصلابة روكويل للمواد المعدنية - تغطي الطريقة الأساسية لاختبار صلابة المواد "ثلاثة أرباع صلبة".

ASTM E8/E8M: طرق اختبار قياسية لاختبار الشد للمواد المعدنية - توفر إجراءات لتحديد الخصائص الشدية للمواد "ثلاثة أرباع صلبة".

ISO 6892-1: المواد المعدنية — اختبار الشد — طريقة الاختبار في درجة حرارة الغرفة - تنشئ معايير دولية لاختبار الشد القابلة للتطبيق على المواد "ثلاثة أرباع صلبة".

ASTM E140: جداول تحويل صلابة القياسية للمعادن - يسمح بالتحويل بين مقاييس الصلابة المختلفة لمقارنة مواصفات "ثلاثة أرباع صلبة".

معدات ومبادئ الاختبار

تستخدم اختبارات الصلابة عادةً مقاييس صلابة روكويل (غالبًا ما تستخدم مقياس B للسبائك الأكثر ليونة أو مقياس C للفولاذ الأكثر صلابة)، والتي تقيس عمق الاختراق لمؤشر تحت حمل محدد.

تقيس آلات اختبار الشد مع مقياس التمدد علاقات الإجهاد والانفعال، قوة الخضوع، قوة الشد، والتمديد، مما يوفر بيانات شاملة حول الخصائص الميكانيكية للمواد "ثلاثة أرباع صلبة".

تتيح المجاهر الضوئية والإلكترونية تحقيق وصف مجهرًا لمكونات المواد لتحديد العلاقة بين الخصائص الميكانيكية وتركيب الحبوب، وترتيب التشوهات، وميزات مجهرية أخرى.

متطلبات العينة

تتبع عينات الشد القياسية عادةً أبعاد ASTM E8 بأطوال قياس 50 مللي متر ومساحات مقطع عرضي مناسبة لسماكة المادة، مع الاهتمام الجودة الحافة.

تتطلب عينات اختبارات الصلابة أسطحًا مسطحة ومرتبة خالية من التآكل، الأكسدة، أو فقد الكربون، مع متطلبات حد أدنى للسماكة التي لا تقل عن 10 أضعاف عمق الخدش.

يجب أن تمثل عينات المادة الكتلية، متجنبين الظواهر الحدي أو المناطق ذات التاريخ المعالج غير المعتاد.

معلمات الاختبار

عادةً ما يتم إجراء الاختبارات في درجة حرارة الغرفة (23 ± 5 درجة مئوية) تحت ظروف رطوبة مضبوطة لضمان القابلية للتكرار.

تكون معدلات إجهاد الاختبار المنطقي موحدة، عادةً بين 0.001 و 0.008 لكل دقيقة في المنطقة المرنة و 0.05 إلى 0.5 لكل دقيقة في المنطقة البلاستيكية.

تتطلب القياسات المتعددة في مواقع مختلفة احتساب التغيرات المحتملة في الخصائص عبر المادة.

معالجة البيانات

تتم معالجة البيانات الأولية من اختبارات الشد لتوليد منحنيات إجهاد-انفعال هندسية، يتم من خلالها تحديد قوة الخضوع، قوة الشد، والتمديد.

عادةً ما تشمل التحليلات الإحصائية حساب القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، وفترات الثقة من عدة عينات اختبار.

غالبًا ما يتم تحويل قيم الصلابة بين مقاييس مختلفة (روكويل، برينيل، فيكرز) باستخدام جداول تحويل معيارية في ASTM E140.

نطاقات القيم النموذجية

تصنيف الفولاذ	نطاق القيم النموذجية	ظروف الاختبار	المعيار المرجعي
ورق فولاذ منخفض الكربون	روكويل B 85-95، قوة الشد 450-550 ميغاباسكال	درجة حرارة الغرفة، جو قياسي	ASTM A109
الفولاذ المقاوم للصدأ 301	روكويل C 32-37، قوة الشد 1100-1300 ميغاباسكال	درجة حرارة الغرفة، جو قياسي	ASTM A666
سلك فولاذي نابض	روكويل C 40-45، قوة الشد 1400-1600 ميغاباسكال	درجة حرارة الغرفة، جو قياسي	ASTM A228
سبائك النحاس C26000	روكويل B 90-95، قوة الشد 550-650 ميغاباسكال	درجة حرارة الغرفة، جو قياسي	ASTM B36

تؤدي التفاوتات داخل كل تصنيف عادةً إلى اختلافات طفيفة في التركيب الكيميائي، حجم الحبوب، ونسبة العمل البارد الدقيقة المطبقة أثناء المعالجة.

تعمل هذه القيم كإرشادات لاختيار المواد، مع إمكانية اختلاف الخصائص الفعلية بناءً على عمليات التصنيع المحددة وتركيبات السبيكة الدقيقة.

تظهر اتجاهات عامة أن الصلب بكميات أعلى من الكربون والسبائك يحقق قيم أعلى من القوة والصلابة في حالة "ثلاثة أرباع صلبة" مقارنة بالفولاذ منخفض الكربون أو الفولاذ الكربوني العادي.

تحليل تطبيقات الهندسة

اعتبارات التصميم

يميل المهندسون إلى تطبيق عوامل أمان تتراوح من 1.5 إلى 2.5 عند التصميم بمواد "ثلاثة أرباع صلبة"، مع الأخذ في الاعتبار التغيرات المحتملة في الخصائص وظروف الخدمة.

توازن قرارات اختيار المواد بين زيادة قوة حالة "ثلاثة أرباع صلبة" مقابل تقليل القابلية للتشكيل، وهو أمر مهم خصوصًا في التطبيقات التي تتطلب كلاً من القوة وعمليات تشكيل محدودة.

يجب تقييم أداء التعب بشكل دقيق، حيث عادة ما تظهر المواد "ثلاثة أرباع صلبة" حساسية أعلى لفتحات التآكل وحدود تعب أقل مقارنةً بالحالات المعالجة حراريًا أو المؤمنة.

Areas التطبيق الرئيسية

تستفيد المكونات السيارات مثل المشابك والتركيبات والدعامات من دمج قوة و قابلية تشكيل "ثلاثة أرباع صلبة"، مما يسمح بعمليات الانحناء البسيطة مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.

تستخدم الموصلات الكهربائية والأطراف سبائك النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ "ثلاثة أرباع صلبة" لتوفير الخصائص اللازمة للارتدادات وقوة الإدراج مع السماح بتشكيل محدود أثناء التجميع.

تستخدم الأجهزة الدقيقة والأجهزة الطبية المواد "ثلاثة أرباع صلبة" لمكونات تتطلب استقرارًا أبعادياً، قوة متوسطة، وبعض درجة من المرونة دون هشاشة المواد الصلبة بالكامل.

المقايضات في الأداء

تظهر العلاقة العكسية بين القوة واللدونة في المواد "ثلاثة أرباع صلبة"، حيث تأتي الزيادة في القوة على حساب تقليل استطالة (عادةً 5-15% مقارنة بـ 30-40% في الحالة المعالجة حراريًا).

تنخفض قابلية التشكيل بشكل كبير مقارنةً بالحالات المعالجة حراريًا أو "نصف صلبة"، مما يحد من عمليات التشكيل المعقدة ولكن لا يزال يسمح بانحناءات بسيطة وتشويه معتدل.

يجب على المهندسين تحقيق التوازن بين مقاومة التآكل والقوة في الفولاذ المقاوم للصدأ، حيث يمكن أن تزيد كثافة التشوه العالية في حالة "ثلاثة أرباع صلبة" من احتمال تعرضها لصدأ الإجهاد في ظروف معينة.

تحليل الفشل

يمثل صدأ الإجهاد شكلًا شائعًا من الفشل في الفولاذ المقاوم للصدأ "ثلاثة أرباع صلبة" المعرض لبيئات غنية بالكلور، حيث تبدأ الشقوق عند عيوب السطح وتنتشر على طول حدود الحبيبة.

تشمل آلية الفشل عادةً تآكل موضعي في المواقع عالية الطاقة مثل نطاقات الانزلاق وحدود الحبوب، مع تكوين إجهادات متبقية أو مطبقة تدفع انتشار الشقوق.

تشمل استراتيجيات التخفيف علاج المرتجعات، إدخال إجهاد ضغط سطحي من خلال الانفجار النفاث، أو اختيار تزنرات بديلة في البيئات المناخية الشديدة.

العوامل المؤثرة وطرق السيطرة

تأثير التركيب الكيميائي

يؤثر محتوى الكربون بشكل كبير على سلوك تقوية الإجهاد، حيث تحقق الفولاذات عالية الكربون زيادات أكبر في الصلابة أثناء العمل البارد إلى حالة "ثلاثة أرباع صلبة".

تؤثر نسب النيكل والكروم في الفولاذ المقاوم للصدأ على معدلات تقوية العمل، حيث تُظهر الفولاذات الأوستنيتية (مثل 304، 316) تقوية أكثر وضوحًا مقارنةً بالفئات الفيريتية.

يمكن أن تقلل العناصر الدقيقة مثل الفوسفور والكبريت من اللدونة في حالة "ثلاثة أرباع صلبة"، مما يتطلب السيطرة الدقيقة للمحافظة على متطلبات الحد الأدنى من القابلية للتشكيل.

تأثير المجهرية

تعزز أحجام الحبوب الأولية الأصغر من تأثير التقوية الناتجة عن العمل البارد إلى حالة "ثلاثة أرباع صلبة" من خلال توفير المزيد من مساحة حدود الحبوب لعرقلة حركة التشوهات.

تؤثر توزيع الطور في الفولاذات متعددة الطور بشكل كبير على سلوك التقوية، حيث يتحول الأوستنيت المحتفظ إلى مارتنسيت خلال العمل البارد، مما يساهم في مزيد من التقوية.

تعمل الشوائب والعيوب كنقاط تركيز للإجهاد في المواد "ثلاثة أرباع صلبة"، مما يقلل من اللدونة وأداء التعب بشكل أكثر حدة مقارنةً بحالات التزنر الأكثر ليونة.

تأثير المعالجة

يمكن أن تؤدي خطوات إعادة التسخين الوسيطة قبل العمل البارد النهائي إلى تحسين بنية الحبوب وضمان استقرار الخصائص النهائية.

يخلق اتجاه الدرفلة خصائص غير متجانسة في مواد الصفائح، حيث يتمتع المواد "ثلاثة أرباع صلبة" عادةً بقوة أعلى ولدونة أقل في الاتجاه العرضي مقارنةً باتجاه الدرفلة.

تؤثر معدلات التبريد بعد المعالجة على الهيكل المجهرى الابتدائي قبل العمل البارد، مما يؤثر على توزيع الخصائص النهائية في حالة "ثلاثة أرباع صلبة".

العوامل البيئية

يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسهيل الاسترخاء وإعادة جزء من حالة "ثلاثة أرباع صلبة"، مما يقلل من القوة بمرور الوقت في التطبيقات ذات الحرارة العالية.

تزداد قابلية الهشاشة بالهيدروجين مع العمل البارد، مما يجعل الفولاذات "ثلاثة أرباع صلبة" عرضة في البيئات التي تحتوي على الهيدروجين.

يمكن أن تتسارع تحميلات الدورات في البيئات التآكلية بدء الشقوق التعب في المواد "ثلاثة أرباع صلبة" نظرًا لحالة الإجهاد الداخلي العالية وكثافة التشوهات.

طرق التحسين

يمكن أن يؤدي تطبيق طريقة تمرير الجلد (الدرفلة الباردة الخفيفة) بعد الوصول إلى حالة "ثلاثة أرباع صلبة" الأساسية إلى تحسين الجودة السطحية مع الحفاظ على الخصائص الميكانيكية الأساسية.

يمكن أن تقلل علاجات التحرير من الإجهاد عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة إعادة التبلور من الضغوط المتبقية دون التأثير بشكل كبير على القوة.

يمكن أن تعمل الهياكل المتدرجة التي تختلف بدرجات العمل البارد عبر السماكة على تحسين الصلابة السطحية مع الحفاظ على المتانة الأساسية في التطبيقات المتخصصة.

مصطلحات ومعايير ذات صلة

المصطلحات ذات الصلة

يشير تزنر "صلب كامل" إلى درجة أعلى من العمل البارد (حوالي 29-33%)، مما يؤدي إلى زيادة القوة ولكن بتقليل القابلية للتشكيل مقارنةً بـ "ثلاثة أرباع صلبة".

يشير تزنر "صندوق نابض" إلى حالة أكثر صرامة تعرض للعمل البارد (عادةً >50% تقليل)، تستخدم بشكل أساسي للمواد التي تتطلب حدود مرونة عالية ومرونة.

تصف "الدرفلة السطحية" عملية الدرفلة الباردة الخفيفة (عادةً <5% تقليل) المطبقة على المواد المعالجة لتقليل التغييرات بشكل كبير في الخصائص الميكانيكية.

يصف "تأثير باوشينجر" الظاهرة حيث يقلل التشوه السابق في اتجاه ما من قوة الخضوع عند عكس الحمل، وهو موضوع ذو صلة خاصة بعمليات التشكيل باستخدام مواد "ثلاثة أرباع صلبة".

المعايير الرئيسية

يضع معيار ASTM A109/A109M متطلبات لفائف الصلب منخفض الكربون المجلفن بأطياف تزنر متنوعة، بما في ذلك "ثلاثة أرباع صلبة"، محدداً التركيب الكيميائي، والخصائص الميكانيكية، والتفاوتات الأبعاد.

يضع SAE J403 تصنيفات قياسية للفولاذات الكربونية، بما في ذلك تلك المعالجة عادةً إلى حالة "ثلاثة أرباع صلبة"، مقدماً نطاقات التركيب والتطبيقات النموذجية.

توفر EN 10151 المعايير الأوروبية لشرائط الفولاذ المقاوم للصدأ للنابض، بما في ذلك المواصفات لمختلف الحالات المعالجة التي تعادل "ثلاثة أرباع صلبة".

اتجاهات التطور

يجري تطوير فولاذات عالية القوة مع هياكل مجهرية مُخصصة لتحقيق خصائص تعادل "ثلاثة أرباع صلبة" مع تحسين قابلية التشكيل من خلال تحولات الطور المسيطر عليها.

تظهر تقنيات التقييم غير التدميري باستخدام الطرق فوق الصوتية والكهرومغناطيسية لتحديد مستويات العمل البارد وتوزيع الخصائص بشكل أكثر دقة.

تتقدم نمذجة الحوسبة التي تدمج البلاستيكية البلورية وتطور الميكروبات نحو توقعات أكثر دقة لخصائص "ثلاثة أرباع صلبة" استناداً إلى معلمات المعالجة، مما يمكّن من التحكم في الخصائص بشكل أكثر دقة.