Three-Quarter Hard Temper: Các tính chất và ứng dụng chính trong chế biến thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Three-Quarter Hard Temper đề cập đến mức độ cụ thể của quá trình làm nguội hoặc làm cứng biến dạng được áp dụng cho thép hoặc các kim loại khác, tạo ra khoảng 75% độ cứng tối đa có thể đạt được thông qua quá trình làm nguội. Chỉ định về độ cứng này chỉ ra một vật liệu đã được cán nguội hoặc kéo để giảm độ dày hoặc diện tích mặt cắt ngang của nó theo một lượng cụ thể, thường là khoảng 21-25%, dẫn đến tăng độ bền và độ cứng với cái giá phải trả là độ dẻo.

Three-Quarter Hard Temper chiếm vị trí trung gian trong phổ các chỉ định về độ cứng, nằm giữa các điều kiện Half Hard và Full Hard. Nó đại diện cho sự cân bằng cẩn thận giữa độ bền và khả năng tạo hình, làm cho nó có giá trị đối với các ứng dụng đòi hỏi độ bền tốt mà không phải hy sinh hoàn toàn khả năng gia công.

Theo thuật ngữ luyện kim, chỉ định về độ tôi này là một phần của hệ thống chuẩn hóa định lượng mức độ cứng hóa do biến dạng trong kim loại, đặc biệt là trong các sản phẩm cán phẳng và dây. Hệ thống cung cấp cho các kỹ sư các đặc tính cơ học có thể dự đoán được, cho phép lựa chọn vật liệu chính xác cho các ứng dụng cụ thể khi cần độ bền vừa phải kết hợp với khả năng định hình hạn chế.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, Three-Quarter Hard Temper 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 mật độ cao các vị trí sai lệch cản trở chuyển động của nhau, đòi hỏi ứng suất cao hơn để gây ra biến dạng hơn nữa.

Cơ chế làm cứng biến dạng liên quan đến sự tương tác giữa các vị trí sai lệch và các đặc điểm cấu trúc vi mô khác như ranh giới hạt, chất kết tủa và các nguyên tử chất tan. Khi mật độ vị trí sai lệch tăng lên khi làm việc lạnh, đường đi tự do trung bình cho chuyển động vị trí sai lệch giảm xuống, đòi hỏi ứng suất cao hơn để biến dạng dẻo tiếp tục.

Trong vật liệu cứng Three-Quarter, mật độ sai lệch thường đạt khoảng 10¹² đến 10¹³ sai lệch trên một centimet vuông, tạo ra một mạng lưới phức tạp giúp vật liệu được gia cố đáng kể trong khi vẫn duy trì một số khả năng biến dạng thêm.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả sự cứng hóa biến dạng là mối quan hệ Taylor, liên hệ ứng suất chảy với mật độ trật khớp. Mô hình này thiết lập rằng sự gia tăng cường độ chịu kéo tỷ lệ thuận với căn bậc hai của mật độ trật khớp, được biểu thị là $\Delta\tau = \alpha Gb\sqrt{\rho}$, trong đó $\tau$ là ứng suất cắt, $G$ là mô đun cắt, $b$ là vectơ Burgers và $\rho$ là mật độ trật khớp.

Hiểu biết về sự cứng hóa do biến dạng phát triển từ những quan sát thực nghiệm ban đầu của các nhà luyện kim vào thế kỷ 19 đến các lý thuyết dựa trên sự sai lệch tinh vi hơn được phát triển vào giữa thế kỷ 20 bởi Taylor, Orowan và những người khác. Các lý thuyết này thiết lập mối quan hệ cơ bản giữa biến dạng dẻo, chuyển động sai lệch và sự gia cường vật liệu.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các mô hình dẻo tinh thể và mô phỏng tính toán để dự đoán hành vi làm cứng biến dạng trên các hướng tinh thể khác nhau và các điều kiện tải phức tạp, cung cấp các dự đoán chính xác hơn cho vật liệu cứng ba phần tư với nhiều cấu trúc vi mô khác nhau.

Cơ sở khoa học vật liệu

Độ cứng ba phần tư liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể thông qua sự tương tác của các vị trí sai lệch với các mặt phẳng và hướng tinh thể. Trong thép lập phương tâm khối (BCC), sự trượt xảy ra chủ yếu trên các mặt phẳng {110}, trong khi kim loại lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện sự trượt trên các mặt phẳng {111}, ảnh hưởng đến cách tiến triển của quá trình tôi cứng ứng suất.

Ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển các đặc tính Three-Quarter Hard bằng cách hoạt động như rào cản đối với chuyển động trật khớp. Kích thước hạt mịn hơn tăng cường hiệu ứng gia cường của quá trình gia công nguội bằng cách cung cấp nhiều diện tích ranh giới hạt hơn trên một đơn vị thể tích, theo mối quan hệ Hall-Petch.

Trạng thái tôi luyện về cơ bản kết nối với các nguyên tắc khoa học vật liệu về làm cứng, phục hồi và tái kết tinh. Three-Quarter Hard biểu thị trạng thái mà quá trình làm cứng đáng kể đã xảy ra mà không đạt đến điểm mà các quá trình phục hồi động bù đắp đáng kể các hiệu ứng gia cường.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Mức độ gia công nguội trong chế độ tôi cứng ba phần tư có thể được định lượng bằng công thức:

$$\% \text{ Công việc nguội} = \left(\frac{A_0 - A_f}{A_0}\right) \times 100\%$$

Trong đó $A_0$ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu và $A_f$ là diện tích mặt cắt ngang cuối cùng sau khi gia công nguội. Đối với Three-Quarter Hard Temper, thông thường dao động từ 21% đến 25%.

Công thức tính toán liên quan

Mối quan hệ giữa độ cứng và gia công nguội có thể được ước tính như sau:

$$H = H_0 + K(\% \text{ Gia công nguội})^n$$

Trong đó $H$ là độ cứng cuối cùng, $H_0$ là độ cứng ban đầu, $K$ là hằng số riêng của vật liệu và $n$ là số mũ độ cứng biến dạng, thường nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,5 đối với hầu hết các loại thép.

Sự gia tăng độ bền kéo có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

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

Trong đó $\sigma_f$ là cường độ cuối cùng, $\sigma_0$ là cường độ ban đầu, $\rho$ là mật độ sai lệch, và $\alpha$ và $\beta$ là hằng số vật liệu.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với tỷ lệ gia công nguội dưới 50%, ngoài ra, các yếu tố bổ sung như phát triển kết cấu và thay đổi cấu trúc vi mô sẽ làm phức tạp thêm mối quan hệ.

Các mô hình giả định sự biến dạng đồng nhất trên toàn bộ vật liệu, điều này có thể không đúng đối với hình dạng phức tạp hoặc quy trình gia công nguội không đồng nhất.

Những mối quan hệ này nhạy cảm với nhiệt độ và giả định sự biến dạng ở nhiệt độ phòng; nhiệt độ cao có thể kích hoạt các quá trình phục hồi làm giảm hiệu ứng gia cường của quá trình gia công nguội.

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 ba 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 tính chất kéo của vật liệu cứng ba 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 về thử kéo áp dụng cho vật liệu cứng ba phần tư.

ASTM E140: Bảng chuyển đổi độ cứng tiêu chuẩn cho kim loại - Cho phép chuyển đổi giữa các thang độ cứng khác nhau để so sánh các thông số kỹ thuật cứng ba phần tư.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kiểm tra độ cứng thường sử dụng máy kiểm tra độ cứng Rockwell (thường sử dụng thang B cho hợp kim mềm hơn hoặc thang C cho thép cứng hơn) để đo độ sâu đâm xuyên của đầu ấn dưới tải trọng cụ thể.

Máy kiểm tra độ bền kéo có máy đo độ giãn dài đo mối quan hệ ứng suất-biến dạng, giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài, cung cấp dữ liệu toàn diện về đặc tính cơ học cho vật liệu cứng Three-Quarter.

Kính hiển vi quang học và điện tử cho phép phân tích đặc điểm cấu trúc vi mô để so sánh các tính chất cơ học với cấu trúc hạt, sự sắp xếp vị trí và các đặc điểm cấu trúc vi mô khác.

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, chú ý cẩn thận đến chất lượng cạnh.

Mẫu thử độ cứng yêu cầu bề mặt phẳng, song song, không có cặn, oxit hoặc lớp khử cacbon, với yêu cầu về độ dày tối thiểu ít nhất gấp 10 lần độ sâu vết lõm.

Mẫu vật phải đại diện cho vật liệu khối, tránh các hiệu ứng cạnh hoặc khu vực có lịch sử xử lý không điển hình.

Thông số thử nghiệm

Việc 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.

Tốc độ biến dạng khi thử kéo được chuẩn hóa, thường nằm trong khoảng 0,001 đến 0,008 mỗi phút ở vùng đàn hồi và 0,05 đến 0,5 mỗi phút ở vùng dẻo.

Cần thực hiện nhiều phép đo ở nhiều vị trí khác nhau để tính đến những thay đổi tiềm ẩn về tính chất của vật liệu.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu thô từ các thử nghiệm kéo được xử lý để tạo ra các đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật, từ đó xác định được giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài.

Phân tích thống kê thường bao gồm việc tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy từ nhiều mẫu thử nghiệm.

Giá trị độ cứng thường được chuyển đổi giữa các thang đo khác nhau (Rockwell, Brinell, Vickers) bằng cách sử dụng bảng chuyển đổi chuẩn hóa trong ASTM E140.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Tấm thép cacbon thấp	Rockwell B 85-95, Cường độ kéo 450-550 MPa	Nhiệt độ phòng, không khí chuẩn	Tiêu chuẩn ASTM A109
Thép không gỉ 301	Rockwell C 32-37, Độ bền kéo 1100-1300 MPa	Nhiệt độ phòng, không khí chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA666
Dây thép lò xo	Rockwell C 40-45, Độ bền kéo 1400-1600 MPa	Nhiệt độ phòng, không khí chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA228
Hợp kim đồng C26000	Rockwell B 90-95, Độ bền kéo 550-650 MPa	Nhiệt độ phòng, không khí chuẩn	Tiêu chuẩn ASTM B36

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là do sự khác biệt nhỏ về thành phần hóa học, kích thước hạt và tỷ lệ gia công nguội chính xác được áp dụng trong quá trình chế biến.

Những giá trị này đóng vai trò hướng dẫn lựa chọn vật liệu, trong khi các đặc tính thực tế có thể thay đổi tùy theo quy trình cụ thể của nhà sản xuất và thành phần hợp kim chính xác.

Xu hướng chung cho thấy thép có hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn đạt được độ bền và độ cứng cao hơn ở trạng thái cứng ba phần tư so với thép có hàm lượng cacbon thấp hoặc thép cacbon thông thường.

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 đến 2,5 khi thiết kế bằng vật liệu cứng Three-Quarter, có tính đến các biến thể tính chất tiềm ẩn và điều kiện dịch vụ.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng giữa độ bền tăng lên của thép Three-Quarter Hard với khả năng tạo hình giảm, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi cả độ bền và hoạt động tạo hình hạn chế.

Hiệu suất chịu mỏi phải được đánh giá cẩn thận vì vật liệu Three-Quarter Hard thường có độ nhạy khía cao hơn và có khả năng giảm giới hạn chịu mỏi so với điều kiện ủ hoặc chuẩn hóa.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các bộ phận ô tô như kẹp, giá đỡ và chi tiết gia cố được hưởng lợi từ sự kết hợp giữa độ bền và khả năng định hình hạn chế của vật liệu Three-Quarter Hard, cho phép thực hiện các thao tác uốn đơn giản trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Các đầu nối và thiết bị đầu cuối điện sử dụng hợp kim đồng cứng ba phần tư và thép không gỉ để cung cấp các đặc tính đàn hồi và lực chèn cần thiết trong khi vẫn cho phép định hình hạn chế trong quá trình lắp ráp.

Các dụng cụ y tế và thiết bị chính xác sử dụng vật liệu cứng ba phần tư cho các thành phần yêu cầu độ ổn định về kích thước, độ bền vừa phải và một số mức độ đàn hồi mà không giòn như vật liệu cứng hoàn toàn.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền và độ dẻo thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong vật liệu cứng ba phần tư, trong đó độ bền tăng lên phải trả giá bằng độ giãn dài giảm (thường là 5-15% so với 30-40% trong điều kiện ủ).

Khả năng tạo hình giảm đáng kể so với điều kiện ủ hoặc nửa cứng, hạn chế các hoạt động tạo hình phức tạp nhưng vẫn cho phép uốn cong đơn giản và biến dạng vừa phải.

Các kỹ sư phải cân bằng khả năng chống ăn mòn với độ bền của thép không gỉ, vì mật độ sai lệch cao trong điều kiện cứng ba phần tư có thể làm tăng khả năng xảy ra nứt ăn mòn ứng suất trong một số môi trường nhất định.

Phân tích lỗi

Nứt do ăn mòn ứng suất là một dạng hỏng hóc phổ biến ở thép không gỉ Three-Quarter Hard tiếp xúc với môi trường clorua, với các vết nứt bắt đầu ở các khuyết tật bề mặt và lan rộng dọc theo ranh giới hạt.

Cơ chế hỏng hóc thường liên quan đến sự ăn mòn cục bộ tại các vị trí có năng lượng cao như dải trượt và ranh giới hạt, kết hợp với ứng suất kéo dư hoặc ứng suất kéo được áp dụng dẫn đến sự lan truyền vết nứt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm xử lý giảm ứng suất, tạo ứng suất nén bề mặt thông qua phun bi hoặc lựa chọn các phương pháp xử lý thay thế trong môi trường ăn mòn nghiêm trọng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tôi cứng do ứng suất, thép có hàm lượng cacbon cao hơn sẽ đạt độ cứng lớn hơn trong quá trình gia công nguội đến trạng thái cứng Ba phần tư.

Niken và crom trong thép không gỉ ảnh hưởng đến tốc độ làm cứng, trong đó thép không gỉ austenit (ví dụ: 304, 316) cho thấy độ bền rõ rệt hơn so với thép không gỉ ferritic.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể làm giảm độ dẻo ở trạng thái Ba phần tư cứng, đòi hỏi phải kiểm soát cẩn thận để duy trì các yêu cầu tối thiểu về khả năng tạo hình.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn làm tăng hiệu ứng gia cường của quá trình gia công nguội đến trạng thái cứng Ba phần tư bằng cách cung cấp nhiều diện tích ranh giới hạt hơn để ngăn cản chuyển động sai lệch.

Sự phân bố pha trong thép đa pha ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tôi cứng, với austenit giữ lại chuyển thành martensit trong quá trình làm nguội, góp phần tăng cường độ bền.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là chất tập trung ứng suất trong vật liệu cứng ba phần tư, có khả năng làm giảm độ dẻo và hiệu suất chịu mỏi nghiêm trọng hơn so với điều kiện tôi luyện mềm hơn.

Xử lý ảnh hưởng

Các bước ủ trung gian trước khi xử lý nguội cuối cùng đến trạng thái cứng ba phần tư có thể tối ưu hóa cấu trúc hạt và đảm bảo các tính chất cuối cùng đồng nhất.

Hướng cán tạo ra tính chất dị hướng trong vật liệu dạng tấm, trong đó vật liệu cứng ba phần tư thường có độ bền cao hơn và độ dẻo thấp hơn theo hướng ngang so với hướng cán.

Tốc độ làm nguội sau khi ủ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô ban đầu trước khi làm nguội, ảnh hưởng đến sự phân bố tính chất cuối cùng trong điều kiện cứng ba phần tư.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng giảm ứng suất và phục hồi một phần ở vật liệu cứng Three-Quarter, có khả năng làm giảm độ bền theo thời gian trong các ứng dụng nhiệt độ cao.

Khả năng giòn do hydro tăng lên khi gia công nguội, khiến thép Three-Quarter Hard có khả năng dễ bị giòn trong môi trường chứa hydro.

Tải trọng tuần hoàn trong môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình nứt mỏi trong vật liệu cứng ba phần tư do trạng thái ứng suất bên trong cao và mật độ sai lệch.

Phương pháp cải tiến

Việc cán nguội nhẹ (lăn cán mỏng) sau khi đạt được trạng thái cứng Ba Phần Tư cơ bản có thể cải thiện độ hoàn thiện bề mặt trong khi vẫn duy trì các đặc tính cơ học cốt lõi.

Xử lý giảm ứng suất ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại có thể làm giảm ứng suất dư mà không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền.

Cấu trúc gradient với các mức độ gia công nguội khác nhau theo độ dày có thể tối ưu hóa độ cứng bề mặt trong khi vẫn duy trì độ bền lõi trong các ứng dụng chuyên biệt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Full Hard Temper chỉ mức độ xử lý nguội cao hơn (khoảng 29-33%), tạo ra độ bền lớn hơn nhưng khả năng tạo hình thấp hơn so với Three-Quarter Hard.

Spring Temper là trạng thái gia công nguội khắc nghiệt hơn (thường giảm >50%), chủ yếu được sử dụng cho các vật liệu đòi hỏi giới hạn đàn hồi và khả năng phục hồi cao.

Cán da là quá trình cán nguội nhẹ (thường giảm <5%) được áp dụng cho các vật liệu đã cứng để cải thiện độ hoàn thiện bề mặt hoặc độ phẳng mà không làm thay đổi đáng kể các đặc tính cơ học.

Hiệu ứng Bauschinger mô tả hiện tượng trong đó biến dạng trước đó theo một hướng làm giảm cường độ chịu kéo khi tải trọng bị đảo ngược, đặc biệt liên quan đến các hoạt động tạo hình với vật liệu cứng ba phần tư.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A109/A109M chuẩn hóa các yêu cầu đối với dải thép cacbon cán nguội với nhiều ký hiệu nhiệt độ khác nhau bao gồm Three-Quarter Hard, chỉ định thành phần hóa học, tính chất cơ học và dung sai kích thước.

SAE J403 thiết lập các phân loại tiêu chuẩn cho thép cacbon, bao gồm cả những loại thép thường được xử lý ở trạng thái cứng Ba phần tư, cung cấp các phạm vi thành phần và ứng dụng điển hình.

EN 10151 đưa ra các tiêu chuẩn Châu Âu cho dải thép không gỉ dùng cho lò xo, bao gồm các thông số kỹ thuật cho nhiều điều kiện gia công nguội khác nhau tương đương với độ cứng ba phần tư.

Xu hướng phát triển

Thép cường độ cao tiên tiến với cấu trúc vi mô được thiết kế riêng đang được phát triển để đạt được các tính chất tương đương với độ cứng ba phần tư với khả năng tạo hình được cải thiện thông qua quá trình chuyển đổi pha được kiểm soát.

Các kỹ thuật đánh giá không phá hủy sử dụng phương pháp siêu âm và điện từ đang nổi lên để mô tả chính xác hơn mức độ làm việc lạnh và phân bố tính chất.

Mô hình tính toán kết hợp tính dẻo của tinh thể và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô đang hướng tới khả năng dự đoán chính xác hơn các tính chất cứng ba phần tư từ các thông số xử lý, cho phép kiểm soát tính chất chính xác hơn.