Твердость на три четверти: Основные свойства и применение в сталеплавлении

Определение и основные концепции

Третье-частичное твердоотпускание (Three-Quarter Hard Temper) относится к определенному уровню холодной обработки или упрочнения металлов, в результате которого достигается примерно 75% максимально возможной твердости, достигаемой холодной обработкой. Эта маркировка означает, что материал был холоднокатан или вытянут с целью уменьшения толщины или поперечного сечения на определенную величину, обычно около 21-25%, что повышает прочность и твердость за счет снижения пластичности.

Третье-частичное твердоотпускание занимает промежуточное положение в спектре обозначений твердости, расположившись между полутвердым и полностью твердым состояниями. Оно представляет собой тщательно сбалансированное компромиссное решение между прочностью и формуемостью, делая его ценным для приложений, требующих хорошей прочности без полного ухудшения обрабатываемости.

В металлургии эта маркировка является частью стандартизованной системы, которая количественно определяет степень упрочнения за счет деформации в металлах, особенно в листовых изделиях и проводах. Эта система обеспечивает инженерам предсказуемые механические свойства, позволяя точно выбирать материал для конкретных целей, когда требуется умеренная прочность в сочетании с ограниченной формуемостью.

Физическая природа и теоретические основы

Физический механизм

На микроstructурном уровне, Третье-частичное твердоотпускание возникает в результате введения и умножения дислокаций в кристаллическую решетку металла. Холодная обработка создает высокую плотность дислокаций, мешающих их взаимному движению, что требует большего напряжения для дальнейшей деформации.

Механизм упрочнения за счет деформации включает взаимодействие между дислокациями и другими микроструктурными особенностями, такими как границы зерен, преципитаты и атомы растворителя. По мере увеличения плотности дислокаций с помощью холодной обработки, средняя длина свободного пробега дислокаций уменьшается, что требует большего приложенного напряжения для продолжения пластической деформации.

В материале с Третьим-частичным твердоотпусканием плотность дислокаций обычно достигает примерно 10¹² — 10¹³ дислокаций на квадратный сантиметр, создавая сложную сеть, которая значительно укрепляет материал, при этом сохраняя некоторую способность к дальнейшей деформации.

Теоретические модели

Основной теоретической моделью, описывающей упрочнение за счет деформации, является зависимость Тейлора, которая связывает сдвиговое напряжение с плотностью дислокаций. Эта модель устанавливает, что прирост предела текучести пропорционален квадратному корню из плотности дислокаций, выражается как $\Delta\tau = \alpha Gb\sqrt{\rho}$, где $\tau$ — сдвиговое напряжение, $G$ — сдвиговая модуля, $b$ — вектор Бургера, а $\rho$ — плотность дислокаций.

Понимание упрочнения за счет деформации развилось от ранних эмпирических наблюдений металлургами 19 века до более сложных теорий на базе дислокаций, разработанных в середине 20 века. Эти теории установили фундаментальную связь между пластической деформацией, движением дислокаций и упрочнением материала.

Современные подходы включают модели кристаллической пластичности и вычислительные симуляции для прогнозирования поведения упрочнения при различных кристаллографических ориентациях и сложных условиях нагружения, обеспечивая более точные предсказания для материалов с Третьим-частичным твердоотпусканием и различной микроstructурой.

Основы материаловедения

Третье-частичное твердоотпускание напрямую связано с кристаллической структурой через взаимодействие дислокаций с кристаллографическими плоскостями и направлениями. Например, в ферритных сталях скольжение происходит в основном по {110} плоскостям, а в фацетных металлах — по {111} плоскостям, что влияет на прогрессирование упрочнения.

Границы зерен играют ключевую роль в развитии свойства Третьего-частичного твердоотпускания, выступая в роли барьеров для движения дислокаций. Мелкие зерна усиливают эффект упрочнения за счет холодной обработки за счет большего площади границ зерен на единицу объема, что соответствует закону Холла-Петча.

Режим твердоотпускания в корне связан с принципами материаловедения, такими как упрочнение за счет деформации, восстановление и рекристаллизация. Третье-частичное твердоотпускание представляет собой состояние, при котором произошло значительное упрочнение за счет деформации, но не достигнута точка, в которой динамическое восстановление значительно ослабляет эффект упрочнения.

Математические выражения и методы расчетов

Основная формула определения

Степень холодной обработки в Третьем-частичном твердоотпускании можно количественно определить по формуле:

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

где $A_0$ — исходная площадь поперечного сечения, а $A_f$ — площадь после холодной обработки. Для Третьего-частичного твердоотпускания это обычно составляет 21-25%.

Связанные формулы расчетов

Зависимость твердости от степени холодной обработки можно аппроксимировать следующим образом:

$$H = H_0 + K(\% \text{ Cold Work})^n$$

где $H$ — конечная твердость, $H_0$ — начальная твердость, $K$ — материал-направленная постоянная, а $n$ — показатель упрочнения за счет деформации, обычно в диапазоне 0,2–0,5 для большинства сталей.

Повышение прочности при растяжении оценивается с помощью формулы:

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

где $\sigma_f$ — конечное сопротивление, $\sigma_0$ — исходное сопротивление, $\rho$ — плотность дислокаций, а $\alpha$ и $\beta$ — постоянные материала.

Применимые условия и ограничения

Эти формулы обычно применимы для процентов холодной обработки ниже 50%, поскольку при более высоких значениях усложняются связи, связанные с развитием текстуры и микроструктурными изменениями.

Модели предполагают однородную деформацию по всему объему материала, что может быть недействительным для сложных геометрий или неоднородных процессов холодной обработки.

Эти зависимости чувствительны к температуре и предполагают деформацию при комнатной температуре; повышение температуры может инициировать процессы восстановления, снижающие упрочнение за счет обработки.

Методы измерения и характеристика

Стандартные испытательные стандарты

ASTM E18: Стандартные методы испытаний твердости по Роквеллу для металлических материалов — покрывает основные методы определения твердости для Третьего-частичного твердоотпускания.

ASTM E8/E8M: Стандартные методы испытаний на растяжение металлических материалов — содержит процедуры определения характеристик растяжения для Третьего-частичного твердоотпускания.

ISO 6892-1: Металлические материалы — Испытание на растяжение — Метод испытания при комнатной температуре — устанавливает международные стандарты для испытаний на растяжение для Третьего-частичного твердоотпускания.

ASTM E140: Таблицы преобразования твердости для металлов — позволяют переводить значения между различными шкалами твердости для сравнения характеристик Третьего-частичного твердоотпускания.

Испытательное оборудование и принципы

Испытания твердости обычно проводят с помощью приборов по Роквеллу (часто используют шкалу B для мягких сплавов или C для твердых сталей), которые измеряют глубину проникновения индентатора под заданной нагрузкой.

Испытательные машины на растяжение с растяжками измеряют зависимость напряжения от деформации, предел текучести, сопротивление растяжению и удлинение, что обеспечивает комплексные данные о механических свойствах Третьего-частичного твердоотпускания.

Оптические и электронные микроскопы позволяют микроstructурное исследование для корреляции механических свойств с морфологией зерен, порядком расположения дислокаций и другими микроструктурными особенностями.

Требования к образцам

Стандартные образцы на растяжение обычно соответствуют размерам ASTM E8 с длиной межугажных участков около 50 мм и соответствующей толщиной, с вниманием к качеству кромок.

Образцы для твердомерных испытаний должны иметь плоскую, параллельную поверхность без окалины, окислений или деградации поверхности, минимальная толщина — не менее 10-кратной глубины indentation.

Образцы должны быть репрезентативны для всей партии материала, избегая эффектов краевых зон или участков с необычной историей обработки.

Параметры испытаний

Испытания обычно проводят при комнатной температуре (23 ± 5°C) в контролируемых условиях влажности для обеспечения воспроизводимости.

Скорость деформации при испытании на растяжение стандартизирована, обычно в диапазоне 0,001–0,008 за минуту в elastic-режиме и 0,05–0,5 за минуту — в пластическом режиме.

Для учета возможных вариаций свойств в различных участках требуется проведение нескольких измерений.

Обработка данных

Исходные данные растяжения обрабатываются для построения инженерных кривых «напряжение — деформация», по которым определяют предел текучести, сопротивление растяжению и удлинение.

Статистический анализ включает вычисление средних значений, стандартных отклонений и доверительных интервалов для нескольких образцов.

Значения твердости обычно переводят между шкалами (Роквелл, Бринелль, Виккерс) с помощью стандартизованных таблиц преобразования в ASTM E140.

Типичные диапазоны значений

Класс стали	Диапазон типичных значений	Испытательные условия	Референс-стандарт
Лист низкоуглеродистой стали	Роквелл B 85-95, Прочность растяжения 450-550 МПа	Комнатная температура, стандартная атмосфера	ASTM A109
Нержавеющая сталь 301	Роквелл C 32-37, Прочность растяжения 1100-1300 МПа	Комнатная температура, стандартная атмосфера	ASTM A666
Пружинная сталь	Роквелл C 40-45, Прочность растяжения 1400-1600 МПа	Комнатная температура, стандартная атмосфера	ASTM A228
Медный сплав C26000	Роквелл B 90-95, Прочность растяжения 550-650 МПа	Комнатная температура, стандартная атмосфера	ASTM B36

Вариации внутри каждого класса обычно вызваны незначительными различиями в химическом составе, размере зерен и точном проценте холодной обработки, применяемой при обработке.

Эти значения служат ориентиром для выбора материала, при этом фактические свойства могут варьировать в зависимости от конкретных производственных процессов и состава сплавов.

Общая тенденция показывает, что стали с более высоким содержанием углерода и легирующих элементов достигают более высокой прочности и твердости при условии Третьего-частичного твердоотпускания по сравнению со сплавами с низким содержанием углерода или классическими углеродистыми сталями.

Анализ инженерных применений

Конструкторские соображения

Инженеры обычно используют коэффициенты запаса 1,5–2,5 при проектировании с использованием материалов Третьего-частичного твердоотпускания, учитывая потенциальные вариации свойств и условия эксплуатации.

Решения по выбору материалов балансируют между повышенной прочностью и сниженной формуемостью, особенно в приложениях, требующих как прочности, так и возможности небольшого формования.

Механизм усталости должен тщательно оцениваться, так как материалы Третьего-частичного твердоотпускания часто проявляют большую чувствительность к незначительным насквозным дефектам и потенциально сниженную границу усталости по сравнению с отпусканными или нормализованными условиями.

Ключевые области применения

Автомобильные компоненты, такие как зажимы, кронштейны и армирующие элементы, выигрывают от сочетания высокой прочности и ограниченной формуемости благодаря свойствам Третьего-частичного твердоотпускания, что позволяет выполнять простые операции изгиба при сохранении структурной целостности.

Электрические соединители и клеммы используют Третьего-частичного твердоотпускания медные сплавы и нержавеющие стали, обеспечивая необходимые свойства возврата и вставочного усилия при ограниченном формовании при сборке.

Точные приборы и медицинские изделия используют Третьего-частичного твердоотпускания для компонентов, требующих стабильности размеров, умеренной прочности и некоторой эластичности без хрупкости полностью закаленных материалов.

Обмен характеристиками

Прочность и пластичность проявляют обратную зависимость в материалах Третьего-частичного твердоотпускания: увеличение прочности происходит за счет снижения удлинения (обычно 5–15% по сравнению с 30–40% в отпущенных условиях).

Формуемость значительно снижается по сравнению с отпущенными или Полутвердыми состояниями, что ограничивает сложные операции формования, но позволяет выполнять простые изгибы и умеренное деформирование.

Инженеры должны балансировать антикоррозийные свойства и прочность у нержавеющих сталей, поскольку высокая плотность дислокаций в Третьем-частичном состоянии может увеличивать вероятность коррозии при внутреннем напряженном состоянии в некоторых условиях эксплуатации.

Анализ отказов

Распределенная коррозия и его проявление при критических условиях экспозиции к хлористым средам способствует развитию механизмов трещиностойкости в нержавеющих сталях Третьего-частичного твердоотпускания, так как трещины инициируются на поверхности в местах дефектов и распространяются по границам зерен.

Механизм отказа обычно связан с локализованной коррозией в зонах высокой энергии, таких как скольжения и границы зерен, в сочетании с остаточным или приложенным растягивающим напряжением, вызывающим рост трещин.

Стратегии снижения риска включают термическую разрядку, создание остаточного сжатия поверхности посредством шлифовки или выбор других режимов обработки в суровых коррозионных средах.

Факторы влияния и методы контроля

Влияние химического состава

Содержание углерода значительно влияет на поведение упрочнения за счет деформации, поскольку высокоуглеродистые стали достигают более существенного увеличения твердости при холодной обработке до Третьего-частичного состояния.

Никель и хром в нержавеющих сталях влияют на скорости упрочнения за счет деформации, причем аустенитные нержавеющие стали (например, 304, 316) проявляют более выраженное упрочнение по сравнению с ферритными марками.

Мелкие следовые элементы, такие как фосфор и сера, могут снижать пластичность в Третьем-частичном состоянии, что требует строгого контроля для поддержания минимальных требований к формуемости.

Влияние микроструктуры

Мелкие исходные зерна усиливают эффект упрочнения за счет холодной обработки до Третьего-частичного состояния за счет увеличения площади границ зерен, препятствующих движению дислокаций.

Распределение фаз в многофазных сталях значительно влияет на упрочнение, особенно при трансформации удерживаемогоustenита в мартенсит при холодной обработке, что способствует дополнительному упрочнению.

Включения и дефекты действуют как концентрационные точки напряжения в материалах Третьего-частичного твердоотпускания, значительно уменьшая пластичность и усталость по сравнению с более мягкими режимами.

Влияние процессов

Промежуточные этапы термической обработки перед окончательной холодной обработкой до Третьего-частичного состояния позволяют оптимизировать микроструктуру зерен и обеспечивают стабильные свойства при финальной обработке.

Направление прокатки создает анизотропию свойств, при этом материалы Третьего-частичного твердоотпускания обычно показывают более высокую прочность и меньшую пластичность в поперечном направлении по сравнению с направлением прокатки.

Температуры охлаждения после отпуска влияют на исходную микроструктуру перед холодной обработкой, что влияет на конечное распределение свойств в Третьем-частичном состоянии.

Влияние окружающей среды

Повышенные температуры могут вызывать релаксацию напряжений и частичное восстановление в материалах Третьего-частичного твердоотпускания, что может снизить прочность со временем при эксплуатации при высоких температурах.

Уязвимость к водородной хрупкости возрастает при холодной обработке, что делает материалы Третьего-частичного твердоотпускания потенциально уязвимыми в средах с содержанием водорода.

Циклические нагрузки в коррозионных средах могут ускорять возникновение усталостных трещин в материалах Третьего-частичного твердоотпускания из-за высокого внутреннего напряженного состояния и плотности дислокаций.

Методы улучшения

Контролируемое покрытие поверхности (легкое холодное прокатка) после достижения условия Третьего-частичного твердоотпускания может улучшить качество поверхности при сохранении внутренних механических свойств.

Обработка релаксации при температурах ниже температуры рекристаллизации снижает остаточные напряжения без значительного снижения прочности.

Градиентные структуры с разными степенями холодной обработки по толщине позволяют оптимизировать твердость поверхности и сохранять жесткость сердцевины в специализированных приложениях.

Связанные термины и стандарты

Связанные термины

Полностью твердое твердоотпускание (Full Hard Temper) предполагает более высокий уровень холодной обработки (примерно 29-33%), с которым достигается большая прочность при меньшей формуемости по сравнению с Третьим-частичным твердоотпусканием.

Пружинное твердое (Spring Temper) обозначает еще более жесткую обработку (обычно более 50% деформации), используемую для материалов, требующих высоких упругих границ и устойчивости.

Поверхностное прокатка (Skin Rolling) — легкий процесс холодной прокатки (обычно менее 5%) применяемый к уже закаленным материалам для улучшения поверхности или плоскости без существенного изменения механических свойств.

Эффект Бошингера (Bauschinger Effect) описывает явление, при котором предварительная деформация в одном направлении снижает предел текучести при обратной нагрузке, что особенно актуально при формовании материалов Третьего-частичного твердоотпускания.

Основные стандарты

Стандарт ASTM A109/A109M устанавливает требования к холоднокатаной углеродистой стали с различными обозначениями твердости, включая Третье-частичное, с конкретными требованиями к химическому составу, механическим свойствам и размерным допускам.

SAE J403 определяет стандарты классификации углеродистых сталей, включая те, которые обрабатываются до состояния Третьего-частичного, с диапазонами состава и типичными областями применения.

EN 10151 — европейский стандарт для ленты из нержавеющей стали для пружин, включающий спецификации для различных условий холодной обработки, эквивалентных Третьему-частичному.

Тенденции развития

Разрабатываются усовершенствованные высокопрочные стали с специально настроенными микроструктурами, достигающие свойств, эквивалентных Третьему-частичному, с улучшенной формуемостью благодаря контролю фазовых превращений.

Появляются методы неразрушающего контроля, такие как ультразвуковые и электромагнитные, для более точной оценки уровня холодной обработки и распределения свойств.

Моделирование с использованием кристаллической пластичности и микроструктурной эволюции развивается для более точного предсказания свойств Третьего-частичного на основе параметров обработки, что позволяет более точно контролировать свойства.