Quarter Hard (Độ cứng số 3): Độ cứng cân bằng để tạo hình kim loại

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Quarter Hard (No. 3 Temper) đề cập đến mức độ gia công nguội cụ thể được áp dụng cho thép hoặc các kim loại khác, dẫn đến độ cứng và độ bền tăng vừa phải so với trạng thái ủ. Chỉ định ủ này cho biết vật liệu đã trải qua quá trình giảm độ dày khoảng 10-20% thông qua các hoạt động cán nguội hoặc kéo, đạt được các đặc tính cơ học trung gian giữa trạng thái ủ hoàn toàn (mềm) và trạng thái cứng hoàn toàn.

Trong khoa học vật liệu và kỹ thuật, các ký hiệu về độ cứng cung cấp các tham chiếu chuẩn hóa cho mức độ làm cứng khi gia công và các đặc tính cơ học thu được. Quarter Hard thể hiện sự cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền vừa phải trong khi vẫn duy trì độ dẻo hợp lý.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, điều kiện tôi luyện tạo thành hệ thống phân loại cơ bản cho kim loại gia công nguội. Điều kiện cứng một phần tư chiếm một vị trí cụ thể trong phổ tôi luyện, cung cấp các đặc tính cơ học có thể dự đoán được mà các nhà luyện kim và kỹ sư có thể chỉ định một cách đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi cứng một phần tư là kết quả của việc đưa vào và nhân lên các vị trí sai lệch trong mạng tinh thể của kim loại. Làm nguội tạo ra các khuyết tật tuyến tính này cản trở chuyển động sai lệch tiếp theo, do đó làm tăng khả năng chống biến dạng của vật liệu.

Trạng thái Quarter Hard biểu thị mật độ trật khớp vừa phải—cao hơn vật liệu ủ nhưng thấp hơn vật liệu ủ nửa cứng hoặc ủ toàn cứng. Cấu trúc trật khớp được kiểm soát này tạo ra rào cản hiệu quả đối với biến dạng dẻo trong khi vẫn duy trì đủ tính di động cho các hoạt động tạo hình vừa phải.

Cơ chế làm cứng biến dạng liên quan đến cả sự vướng víu sai lệch và sự tương tác của các sai lệch với ranh giới hạt, chất kết tủa và các đặc điểm cấu trúc vi mô khác. Những tương tác này tạo ra một cấu trúc vi mô được gia cố với hành vi cơ học có thể dự đoán được.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình tôi luyện Quarter Hard là mô hình làm cứng biến dạng (làm cứng khi làm việc), liên hệ ứng suất chảy với mật độ sai lệch thông qua mối quan hệ Taylor. Mô hình này giải thích cách đưa sai lệch có kiểm soát vào thông qua quá trình làm nguội làm tăng cường độ chịu lực.

Theo truyền thống, hiểu biết về điều kiện nhiệt độ đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm vào đầu thế kỷ 20 thành các mô hình định lượng vào những năm 1950. Lý thuyết trật khớp của Taylor và mối quan hệ Hall-Petch đã cung cấp nền tảng lý thuyết để giải thích những thay đổi về tính chất cơ học được quan sát thấy ở kim loại gia công nguội.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các mô hình dẻo tinh thể và mô phỏng động lực học trật khớp để dự đoán hành vi cơ học chính xác hơn. Các mô hình tiên tiến này tính đến sự phát triển kết cấu, hiệu ứng ranh giới hạt và sự phụ thuộc vào đường biến dạng ảnh hưởng đến các đặc tính cuối cùng của vật liệu Quarter Hard.

Cơ sở khoa học vật liệu

Độ cứng của Quarter Hard liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể thông qua tương tác lệch vị trí với hệ thống trượt. Trong thép lập phương tâm khối (BCC), các lệch vị trí tương tác khác với trong kim loại lập phương tâm mặt (FCC), dẫn đến các hành vi làm cứng khác nhau cho cùng một tỷ lệ khử.

Các ranh giới hạt trong vật liệu Quarter Hard đóng vai trò vừa là nguồn sai lệch vừa là rào cản. Quá trình gia công nguội vừa phải liên quan đến tính chất này thường kéo dài các hạt theo hướng cán mà không làm giảm đáng kể kích thước hạt, tạo ra một cấu trúc vi mô đặc trưng có các đặc tính định hướng.

Điều kiện nhiệt độ này minh họa cho nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về mối quan hệ cấu trúc-tính chất. Việc sửa đổi có kiểm soát cấu trúc vi mô thông qua các quá trình biến dạng trực tiếp xác định các tính chất cơ học, chứng minh cách xử lý ảnh hưởng đến cấu trúc, từ đó xác định các tính chất.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Mối quan hệ giữa quá trình khử nguội và độ cứng đối với thép tôi cứng có thể được biểu thị như sau:

$$H = H_0 + K\sqrt{r}$$

Trong đó $H$ biểu thị độ cứng cuối cùng, $H_0$ là độ cứng ban đầu trong điều kiện ủ, $K$ là hằng số riêng của vật liệu và $r$ là tỷ lệ phần trăm giảm độ dày.

Công thức tính toán liên quan

Độ bền tăng lên do làm việc nguội có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$\sigma_y = \sigma_0 + \alpha G b \sqrt{\rho}$$

Trong đó $\sigma_y$ là giới hạn chảy sau khi làm việc nguội, $\sigma_0$ là giới hạn chảy ban đầu, $\alpha$ là hằng số (thường là 0,3-0,5), $G$ là mô đun cắt, $b$ là vectơ Burgers và $\rho$ là mật độ sai lệch.

Tỷ lệ phần trăm giảm để đạt được trạng thái cứng cáp Quarter Hard có thể được tính như sau:

$$r = \frac{t_0 - t_f}{t_0} \lần 100\%$$

Trong đó $r$ là phần trăm giảm, $t_0$ là độ dày ban đầu và $t_f$ là độ dày cuối cùng. Đối với Quarter Hard, $r$ thường nằm trong khoảng từ 10-20%.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu áp dụng cho kim loại và hợp kim một pha có cấu trúc vi mô tương đối đơn giản. Vật liệu nhiều pha có thể biểu hiện hành vi phức tạp hơn đòi hỏi phải có mô hình được sửa đổi.

Mối quan hệ tuyến tính giữa độ cứng và căn bậc hai của tỷ lệ khử trở nên kém chính xác hơn ở mức khử rất cao (>50%) khi hiệu ứng bão hòa trở nên đáng kể.

Các mô hình này giả định sự biến dạng đồng đều trên toàn bộ vật liệu và không tính đến nồng độ biến dạng cục bộ, phân bố ứng suất dư hoặc hiệu ứng cạnh có thể xảy ra trong quá trình xử lý công nghiệp.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E18: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại—bao gồm phương pháp thử nghiệm độ cứng chính cho vật liệu cứng một phần tư.

ASTM E8/E8M: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để thử độ bền kéo của vật liệu kim loại—cung cấp các quy trình để xác định các đặc tính kéo xác nhận trạng thái cứng một phần tư.

ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng—thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế để xác minh tính chất kéo.

ASTM E140: Bảng chuyển đổi độ cứng tiêu chuẩn cho kim loại—cho phép chuyển đổi giữa các thang độ cứng khác nhau để báo cáo thống nhất.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng Rockwell (thường sử dụng thang B cho hợp kim mềm hơn và thang C cho thép cứng hơn) tác dụng tải trọng chuẩn thông qua đầu ấn để đo khả năng chống đâm xuyên của vật liệu.

Máy kiểm tra độ bền kéo có máy đo độ giãn dài đo mối quan hệ ứng suất-biến dạng, cung cấp giá trị giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài đặc trưng cho trạng thái cứng một phần tư.

Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) kiểm tra cấu trúc hạt và kiểu biến dạng để xác minh các đặc điểm vi cấu trúc đặc trưng của thép cứng Quarter Hard.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường tuân theo kích thước ASTM E8 với chiều dài đo là 50mm và diện tích mặt cắt ngang phù hợp với độ dày vật liệu.

Mẫu thử độ cứng cần có bề mặt phẳng, song song với yêu cầu về độ dày tối thiểu (thường >1mm) và hỗ trợ đầy đủ để tránh biến dạng trong quá trình thử nghiệm.

Chuẩn bị bề mặt bao gồm việc loại bỏ lớp cặn, lớp oxit và các vùng bị khử cacbon, sau đó đánh bóng thích hợp để đảm bảo độ cứng được đo chính xác.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát để đảm bảo khả năng tái tạo.

Các thử nghiệm kéo đối với vật liệu cứng Quarter Hard sử dụng tốc độ biến dạng chuẩn hóa (thường là 0,001-0,005 in/in/phút trong vùng đàn hồi) để giảm thiểu các tác động của độ nhạy tốc độ biến dạng.

Các thông số thử độ cứng bao gồm thời gian dừng chuẩn hóa (thường là 10-15 giây) và khoảng cách cụ thể từ các cạnh và giữa các vết lõm (tối thiểu gấp 3-4 lần đường kính vết lõm).

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực-biến dạng thô từ các thử nghiệm kéo trải qua quá trình chuyển đổi ứng suất-biến dạng kỹ thuật, với giới hạn chảy thường được xác định bằng phương pháp bù trừ 0,2%.

Phân tích thống kê thường bao gồm việc tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều điểm kiểm tra (tối thiểu 3-5 vị trí) để đảm bảo kết quả mang tính đại diện.

Việc chuyển đổi độ cứng giữa các thang đo (ví dụ: Rockwell sang Brinell hoặc Vickers) tuân theo các bảng chuẩn trong ASTM E140, với ký hiệu phù hợp của phương pháp thử nghiệm ban đầu.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1008-1010)	70-85 HRB, 140-170 MPa YS	Nhiệt độ phòng, giảm 15%	Tiêu chuẩn ASTM A109
Thép không gỉ 304	85-95 HRB, 515-690 MPa YS	Nhiệt độ phòng, giảm 12%	Tiêu chuẩn ASTMA666
Hợp kim đồng C26000 (Đồng thau hộp mực)	65-75 HRB, 380-450 MPa YS	Nhiệt độ phòng, giảm 11%	Tiêu chuẩn ASTM B36
Đồng Phốt pho C51000	75-85 HRB, 450-550 MPa YS	Nhiệt độ phòng, giảm 13%	Tiêu chuẩn ASTMB103

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt nhỏ về thành phần, sự khác biệt về kích thước hạt và việc kiểm soát chính xác tỷ lệ khử trong quá trình chế biến.

Các giá trị này đóng vai trò là mục tiêu thông số kỹ thuật chứ không phải là giới hạn tuyệt đối, với các ứng dụng thực tế thường yêu cầu thử nghiệm xác minh để đảm bảo tính phù hợp cho các trường hợp sử dụng cụ thể.

Xu hướng nhất quán trên các vật liệu khác nhau cho thấy rằng quá trình tôi cứng Quarter Hard thường mang lại 40-60% độ bền tối đa có thể đạt được thông qua quá trình gia công nguội trong khi vẫn giữ được 60-70% độ dẻo ban đầu.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường áp dụng hệ số an toàn từ 1,5-2,0 khi thiết kế bằng vật liệu Quarter Hard để tính đến tính biến đổi của vật liệu, tác động của môi trường và khả năng tập trung ứng suất.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường ưu tiên phương pháp tôi cứng Quarter Hard khi cần độ bền vừa phải mà không ảnh hưởng đến khả năng tạo hình, đặc biệt là đối với các bộ phận yêu cầu thao tác tạo hình thứ cấp.

Tính toán thiết kế phải tính đến các đặc tính định hướng (dị hướng) phát sinh từ quá trình gia công nguội, trong đó độ bền thường cao hơn theo hướng cán so với theo hướng ngang.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp ô tô sử dụng rộng rãi thép không gỉ Quarter Hard và thép cacbon thấp cho các thành phần trang trí, giá đỡ và gia cố kết cấu đòi hỏi độ bền vừa phải kết hợp với khả năng tạo hình tốt.

Sản xuất thiết bị điện tử dựa vào hợp kim đồng Quarter Hard cho các đầu nối, thiết bị đầu cuối và khung chì phải cân bằng độ dẫn điện với độ bền cơ học đủ để chịu được các hoạt động lắp ráp.

Sản xuất thiết bị y tế sử dụng thép không gỉ Quarter Hard cho các bộ phận yêu cầu độ bền vừa phải với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, chẳng hạn như các bộ phận dụng cụ phẫu thuật và vỏ thiết bị cấy ghép.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền và độ dẻo thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong vật liệu gia công nguội, trong đó nhiệt độ Quarter Hard thể hiện sự thỏa hiệp cân bằng, hy sinh một phần độ dẻo để cải thiện độ bền ở mức vừa phải.

Khả năng chống mỏi thường được cải thiện khi tôi cứng một phần tư so với vật liệu ủ, nhưng điều này phải đánh đổi bằng độ nhạy khía tăng lên, điều này phải được xem xét trong các ứng dụng tải tuần hoàn.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa khả năng tạo hình và yêu cầu về độ bền, vì vật liệu Quarter Hard vẫn giữ được độ dẻo cần thiết cho các hoạt động tạo hình vừa phải nhưng không thể chịu được biến dạng nghiêm trọng mà không bị nứt.

Phân tích lỗi

Nứt do ăn mòn ứng suất là một dạng hỏng hóc phổ biến ở thép không gỉ Quarter Hard tiếp xúc với môi trường clorua, với sự lan truyền vết nứt theo đường ứng suất dư cao nhất từ ​​quá trình làm nguội.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu từ các khuyết tật hoặc tạp chất trên bề mặt, nơi ứng suất tập trung kết hợp với độ dẻo giảm của cấu trúc gia công nguội, tạo ra các vị trí hạt nứt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm các biện pháp xử lý giảm căng thẳng, lớp phủ bảo vệ hoặc lựa chọn các biện pháp thay thế dựa trên mức độ nghiêm trọng của việc tiếp xúc với môi trường và mức độ căng thẳng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ làm cứng khi làm việc, thép có hàm lượng carbon cao hơn sẽ phát triển các đặc tính cứng một phần tư với độ khử thấp hơn so với thép có hàm lượng carbon thấp.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể làm giảm độ dẻo ở trạng thái cứng một phần tư, có khả năng dẫn đến nứt trong quá trình tạo hình nếu có quá nhiều.

Tối ưu hóa thành phần thường tập trung vào việc cân bằng các nguyên tố tăng cường dung dịch rắn (Mn, Si) với các nguyên tố thúc đẩy quá trình tinh chỉnh hạt (Nb, V) để đạt được các đặc tính cứng đồng đều.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường tạo ra độ bền cao hơn trong điều kiện cứng một phần tư do diện tích ranh giới hạt tăng lên, cản trở chuyển động sai lệch.

Sự phân bố pha trong thép đa pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi làm cứng khi làm việc, với cấu trúc ferit-pearlit phát triển các đặc tính cứng khác nhau so với cấu trúc martensitic hoặc austenitic.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò như chất tập trung ứng suất có thể làm giảm độ dẻo ở trạng thái cứng một phần tư, khiến độ sạch trở nên đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng yêu cầu các hoạt động tạo hình thứ cấp.

Xử lý ảnh hưởng

Các phương pháp xử lý ủ trước khi làm nguội có tác động đáng kể đến tính chất Quarter Hard cuối cùng, với cấu trúc kết tinh hoàn toàn mang lại khả năng làm cứng khi làm việc đồng nhất và có thể dự đoán được hơn.

Quá trình cán hoặc kéo ảnh hưởng đến sự phát triển kết cấu, với các đường biến dạng khác nhau dẫn đến tính chất cơ học khác nhau ngay cả ở tỷ lệ khử giống hệt nhau.

Tốc độ làm mát giữa các lần cán ảnh hưởng đến quá trình phục hồi, trong đó làm mát chậm hơn cho phép sắp xếp lại một số vị trí sai lệch có thể làm giảm quá trình làm cứng hiệu quả đối với một tỷ lệ giảm nhất định.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm lợi thế về độ bền của vật liệu Quarter Hard thông qua các quá trình phục hồi và kết tinh lại, với những thay đổi đáng kể về tính chất có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hơn khoảng 0,4 lần nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối.

Môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình nứt do ăn mòn ứng suất trong vật liệu cứng Quarter Hard do sự kết hợp của ứng suất dư từ quá trình gia công nguội và độ dẻo giảm.

Biến động nhiệt độ theo chu kỳ có thể dẫn đến những thay đổi tính chất dần dần thông qua chuyển động lệch vị trí được kích hoạt bởi nhiệt, có khả năng làm giảm lợi thế về độ bền của thép tôi Quarter Hard theo thời gian.

Phương pháp cải tiến

Quá trình tinh chế hạt thông qua xử lý nhiệt cơ học có kiểm soát trước khi gia công nguội cuối cùng giúp tăng cường cả độ bền và độ dẻo ở trạng thái cứng một phần tư thông qua cơ chế gia cố Hall-Petch.

Việc kiểm soát độ dày chính xác trong quá trình cán đảm bảo tỷ lệ giảm đồng đều, mang lại các tính chất cơ học đồng đều hơn trên toàn bộ vật liệu.

Xử lý giảm ứng suất ở nhiệt độ vừa phải (thường là 200-300°C) có thể làm giảm nồng độ ứng suất còn lại mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền đạt được thông qua quá trình gia công nguội.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Hệ số làm cứng biến dạng (giá trị n) định lượng khả năng làm cứng của vật liệu, trong đó vật liệu cứng một phần tư thường thể hiện giá trị n trung gian giữa trạng thái ủ và trạng thái cứng hoàn toàn.

Độ đàn hồi trở lại là hiện tượng phục hồi đàn hồi xảy ra sau khi biến dạng, hiện tượng này rõ rệt hơn ở vật liệu cứng so với điều kiện ủ do có giới hạn chảy cao hơn.

Tính chất định hướng (dị hướng) mô tả sự thay đổi tính chất cơ học theo hướng, điều này trở nên rõ rệt hơn ở vật liệu cứng một phần tư do hạt kéo dài và kết cấu phát triển trong quá trình gia công nguội.

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này làm nổi bật cách mà quá trình tôi cứng một phần tư thể hiện một điểm cụ thể trong chuỗi các hiệu ứng của quá trình gia công nguội trên vật liệu kim loại.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A109/A109M chuẩn hóa các yêu cầu đối với dải thép cacbon cán nguội, bao gồm các ký hiệu tôi cứng một phần tư và các yêu cầu về tính chất cơ học tương ứng.

SAE J403 thiết lập các yêu cầu về thành phần hóa học đối với thép cacbon có thể được xử lý đến trạng thái cứng hoàn toàn, đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu cho các ứng dụng kỹ thuật nói chung và ô tô.

JIS G4305 cung cấp các tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật Bản cho các tấm và lá thép không gỉ cán nguội, với các quy định cụ thể cho vật liệu cứng một phần tư (nhiệt độ số 3) được sử dụng trong sản xuất tại Châu Á.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các mô hình dự đoán kết nối các thông số vi cấu trúc với các đặc tính của Quarter Hard, cho phép kiểm soát chính xác hơn các quy trình gia công nguội thông qua kỹ thuật vật liệu tính toán.

Các công nghệ thử nghiệm không phá hủy mới nổi, bao gồm các phương pháp siêu âm tiên tiến và kỹ thuật điện từ, cung cấp khả năng cải tiến để xác minh các đặc tính của Quarter Hard mà không cần lấy mẫu phá hủy.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm các hệ thống điều khiển quy trình tinh vi hơn, có thể điều chỉnh các thông số cán nguội theo thời gian thực dựa trên việc giám sát liên tục các đặc tính cơ học, đảm bảo các đặc tính Quarter Hard nhất quán hơn.