ظروف المعالجة الحرارية والتقسية لسبائك CNC
ظروف التقسية لسبائك CNC: صلادة الفولاذ بعد التقسية وحسب الحرارة، و6061-O حتى T651، و7075-T73 و17-4PH من H900 حتى H1150 مع حدود NACE.
الفولاذ الكربوني وفولاذ السبائك — عمليات المعالجة الحرارية والصلادة النموذجية
| العملية | ما الذي تفعله | الصلادة النموذجية | التطبيق النموذجي | المواصفة الحاكمة |
|---|---|---|---|---|
| Annealing | تسخين فوق الحرارة الحرجة أو بالقرب منها، ثم تبريد بطيء جدًا داخل الفرن لتليين المادة وإزالة الإجهاد | 160–217 HB (grade-dependent) | مخزون التشغيل، والتشكيل البارد، وإزالة الإجهاد قبل إعادة التقسية | GB/T 16923; ASTM A29; SAE J412 |
| Normalizing | تسخين بمقدار 30–50 °C فوق Ac3/Acm، ثم تبريد في الهواء الساكن لتنعيم الحبيبات وتجانس التركيب | 187–300 HB (grade-dependent) | المطروقات الكبيرة، والأجزاء الإنشائية التي يُخشى فيها تشوّه التبريد | GB/T 16923; ASTM A29 |
| Quenching + tempering | التحويل إلى Austenite، ثم التبريد إلى المارتنسيت في الماء أو الزيت، ثم إعادة التسخين دون Ac1 لإزالة الإجهاد وضبط الصلادة | 24–57 HRC (depends on tempering temperature) | أجزاء هندسية نهائية: الأعمدة والتروس والمثبتات | GB/T 16924; ASTM A29 |
| Quench and high temper (Q&T) | تبريد يتبعه تقسية عالية الحرارة عند 500–650 °C، ينتج سوربيتًا مقسّى بأفضل توازن بين المقاومة والمتانة | 28–34 HRC (common supply band) | قضبان الوصل، والمسامير، والتروس، والأعمدة تحت أحمال متناوبة | GB/T 16924; GB/T 7232 |
ما الصلادة المتوقعة من فولاذ 1045 الملدَّن مقابل المطبَّع؟
الفولاذ 1045 الملدَّن يقع عند نحو 160–200 HB (163 HB نموذجية للمُدحرج حارًا)، بينما يبلغ 1045 المطبَّع نحو 187 HB مع مقاومة شد 640 MPa — فالتطبيع يقايض جزءًا من قابلية التشغيل ببنية أقوى وأكثر تجانسًا.
| الحالة | مقاومة الشد (MPa) | حد الإجهاد (MPa) | الاستطالة (%) | الصلادة | المصدر |
|---|---|---|---|---|---|
| Hot-rolled / annealed | 565 (typical hot-rolled) | 310 | 16 | 163 HB; annealed band 160–200 HB | S21 / S22 / S5 |
| Normalized | 640 | 410 | 22 | 187 HB | S6 / S5 |
| Quenched and tempered | — | — | — | 220–290 HB | S5 |
| As-quenched (water, surface) | — | — | — | 55–60 HRC | S5 |
| Flame / induction hardened (surface) | — | — | — | 55–58 HRC, case depth 1.5–5 mm | S5 |
ما الصلادة التي يُسلَّم بها 4140 في حالة الصلابة المسبقة؟
يصل 4140 الصلب مسبقًا عند 28–34 HRC؛ أما المعالجة الحرارية القياسية المقسّاة عند 540 °C فتصل عند 28–32 HRC ومقاومة شد 1,000–1,100 MPa. يمنح الكروم والموليبدdenum 4140 قابلية تصلب أفضل بكثير من 1045، فيحتفظ بصلادته المقسّاة في المقاطع الأكبر — تحقّق من القضبان الكبيرة في تقرير اختبار المصنع، لأن الصلادة تنخفض مع حجم المقطع.
| الحالة / حرارة التقسية | مقاومة الشد (MPa) | حد الإجهاد (MPa) | الاستطالة (%) | الصلادة | المصدر |
|---|---|---|---|---|---|
| Annealed | ~655 | ~415 | 25 | 197–217 HB | S4 |
| Normalized | ~1,020 | ~650 | 17 | 250–300 HB | S4 |
| As-quenched (oil) | — | — | — | 55–60 HRC | S4 |
| Q&T at 205 °C | ~2,000 | ~1,600 | 8 | 52–57 HRC | S4 |
| Q&T at 315 °C | ~1,700 | ~1,450 | 10 | 45–50 HRC | S4 |
| Q&T at 425 °C | ~1,400 | ~1,250 | 12 | 38–42 HRC | S4 |
| Q&T at 540 °C (standard HT) | 1,000–1,100 | 850–950 | 18 | 28–32 HRC | S4 |
| Q&T at 650 °C (high ductility) | ~850 | ~700 | 22 | 24–28 HRC | S4 |
| Pre-hardened as-supplied | — | — | — | 28–34 HRC | S4 |
ما صلابة الفولاذ مباشرة بعد التبريد وقبل التقسية؟
يبلغ كلٌّ من 1045 (تبريد بالماء) و4140 (تبريد بالزيت) نحو 55–60 HRC بعد التبريد — لكن ذلك المارتنسيت غير المقسّى هشّ جدًا للتشغيل، لذلك تُقسَّى كل قطعة مبرَّدة عائدًا إلى صلادة التشغيل قبل الاستخدام.
| الفولاذ | وسط التبريد | بعد التبريد (HRC) | صلادة التشغيل بعد التقسية | ملاحظة |
|---|---|---|---|---|
| 1045 | Water | 55–60 | 220–290 HB (Q&T) | فولاذ كربوني سطحي التصلب؛ ويليّن قلبه في المقاطع الكبيرة |
| 4140 | Oil | 55–60 | 28–32 HRC (tempered at 540 °C) | سبيكة Cr-Mo عميقة التصلب؛ اخترها للمقاطع الأكبر |
ماذا يعني التبريد والتقسية ولماذا يُحدَّد في المواصفات؟
يعني التبريد والتقسية التبريد حتى المارتنسيت ثم إعادة التسخين دون الحرارة الحرجة؛ والتبريد مع التقسية العالية (500–650 °C) ينتج سوربيتًا مقسّى — عادةً 28–32 HRC — وهو أفضل توازن بين المقاومة والمتانة للأعمدة والتروس. والتقسية دائمًا تقايض الصلادة بالمتانة: فالفولاذ 4140 نفسه الذي يخرج من التبريد عند 55–60 HRC يتراوح بين 52–57 HRC وصولًا إلى 24–28 HRC مع ارتفاع حرارة التقسية من 205 °C إلى 650 °C.
| الفولاذ | نطاق التوريد Q&T | بعد التبريد فقط | لماذا نُقسّي |
|---|---|---|---|
| 1045 | 220–290 HB | 55–60 HRC (water) | المارتنسيت غير المقسّى يتشقق أثناء التشغيل؛ والتقسية تستعيد المتانة مقابل تكلفة صلادة محكومة |
| 4140 | 28–34 HRC pre-hard | 55–60 HRC (oil) | التقسية العالية عند 500–650 °C تُكوّن سوربيتًا مقسّى — وهي الحالة التي تُحدَّد بها الأعمدة والتروس |
كم أقوى 6061-T6 مقارنةً بـ 6061-O؟
يبلغ 6061-T6 مقاومة شد 310 MPa (45 ksi) مقابل 125 MPa (18 ksi) للـ 6061-O — أي نحو 2.5× — مع حد إجهاد 276 مقابل 55 MPa وصلادة 95 مقابل 30 HB؛ والمعالجة الحرارية، لا إضافة العناصر السبكية، هي التي تُنتج الفرق كله. وتقع الحدود الدنيا القياسية بجانب القيم النموذجية: يجب أن يبلغ 6061-T6 في الصفيحة واللوح مقاومة شد 290 MPa (42 ksi) وحد إجهاد 240 MPa (35 ksi)، بينما 310/276 MPa قيم نموذجية.
| السبيكة والتقسية | مقاومة الشد، MPa (ksi) | حد الإجهاد، MPa (ksi) | الاستطالة (%) | الصلادة (HB) | المصدر |
|---|---|---|---|---|---|
| 6061-O | 125 (18) | 55 (8) | 25–27 | 30 | S7 / S8 |
| 6061-T4 / T451 | 240 (35) | 145 (21) | 22 | 65 | S7 / S8 |
| 6061-T6 / T651 | 310 (45) | 276 (40) | 12–15 | 95 | S7 / S8 |
هل 6061-T651 أقوى من 6061-T6؟
لا — كلاهما مقاومة شد 310 MPa (45 ksi) وحد إجهاد 276 MPa. يضيف T651 شدًا دائمًا بنسبة 1–3% بعد التبريد لإزالة إجهاد التبريد، فيحافظ على أبعاد أدق أثناء التشغيل؛ ولهذا تبدأ أعمال الألواح والبانهات من مخزون T651.
| التقسية | العملية | الفرق الميكانيكي | المواصفة الحاكمة | المصدر |
|---|---|---|---|---|
| O | تلدين كامل — تسخين وتبريد بطيء حتى أنعم حالة | أدنى مقاومة وأعلى قابلية تشكيل | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S19 / S7 |
| T4 | معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم طبيعي في درجة حرارة الغرفة | مقاومة متوسطة، ولا تزال قابلة للتشكيل | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T6 | معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم صناعي حتى ذروة المقاومة | أعلى مقاومة لهذه السبيكة | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T651 | T6 مع شد 1–3% لإزالة الإجهاد قبل التقادم | مقاومة تعادل T6؛ واستقرار أبعاد أفضل أثناء التشغيل | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S7 / S24 |
| T73 | معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم زائد في معالجة على خطوتين | مقاومة أقل من T6؛ ومقاومة أفضل بكثير للتآكل الإجهادي؛ أساسًا من سلسلة 7xxx | AMS 4078; ASTM B209; GB/T 3880 | S9 / S2 |
ما تقسية T73 ومتى ينبغي اختيارها؟
T73 هي تقسية زائدة على خطوتين اختيرت لمقاومة التآكل الإجهادي في قطع الطيران. وتأتي مقاومة 7075-T73 على أساسين منشورين محفوظين في صفّين منفصلين — القيمة النموذجية في ASM Handbook وهي 505 MPa ومواصفة الألواح ASTM B209 وهي 460–475 MPa — ولا يُتوسَّط بينهما أبدًا. ولا يُورَد 6061 بحالة T73، ولهذا تحمل الأرقام سبيكة 7075.
| الأساس المنطبق | مقاومة الشد (MPa) | حد الإجهاد (MPa) | الاستطالة (%) | الصلادة | المصدر |
|---|---|---|---|---|---|
| 7075-T73 — ASM Handbook typical (bar / forging reference) | 505 | 435 | 13 | — | S1 / S2 |
| 7075-T73 — ASTM B209 / AMS 4078 plate, by thickness (spec) | 460–475 | 385–390 | 5–8 | 126–140 HB | S9 |
| 7075-T6 — typical, for comparison | 572 (83 ksi) | 503 (73 ksi) | — | — | S7 |
ما أقوى حالة تقادم قياسية لـ 17-4PH؟
H900، المُقادَمة عند 482 °C (900 °F) لمدة 1 ساعة، تعطي حدًا أدنى لمقاومة الشد 1,310 MPa (190 ksi) وحد إجهاد 1,170 MPa (170 ksi) وصلادة لا تقل عن 40 HRC — وهي نهاية أعلى مقاومة وأدنى متانة بين الحالات القياسية الثلاث. وجميع القيم هي حدود دنيا في مواصفة القضبان وفق ASTM A564 / AMS 5643.
| الحالة | حرارة التقادم / الزمن | أدنى مقاومة شد، MPa (ksi) | أدنى حد إجهاد، MPa (ksi) | أدنى استطالة (%) | الصلادة | اختبار Charpy بأخدود V (ft-lb) | المصدر |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| H900 | 482 °C (900 °F) / 1 h | 1,310 (190) | 1,170 (170) | 10 | ≥40 HRC (typical 44) | 10–15 (low) | S3 / S23 |
| H1025 | 552 °C (1,025 °F) / 4 h | 1,070 (155) | 1,000 (145) | 12 | ≥35 HRC (typical 38) | 35–45 (moderate) | S3 / S23 |
| H1150 | 621 °C (1,150 °F) / 4 h | 930 (135) | 725 (105) | 16 | 28–33 HRC (typical 33) | 60–80 (high) | S3 / S23 |
أي حالة من حالات 17-4PH تقدم أعلى متانة؟
H1150، المُقادَمة عند 621 °C، تحافظ على حد أدنى لمقاومة الشد 930 MPa (135 ksi) مع استطالة 16% وصلادة 28–33 HRC — وهي أعلى متانة Charpy بين الحالات الثلاث. ومن H900 إلى H1150 تنخفض مقاومة الشد بنحو 30% وحد الإجهاد بنحو 38%، بينما ترتفع الاستطالة من 10% إلى 16%: فرتفاع حرارة التقادم يُخشِّن الترسبات الغنية بالنحاس ويقايض المقاومة بالمتانة. وقيم Charpy نطاقات ممثلة طولية وتتغيّر مع شكل المنتج وتوجهه.
| الحالة | اختبار Charpy بأخدود V (ft-lb) | الاستطالة (%) | الصلادة | الأنسب لـ |
|---|---|---|---|---|
| H900 | 10–15 (low) | 10 | ≥40 HRC | الأجزاء الأعلى مقاومة التي لا تتعرض لصدمات أو لتبريد عميق |
| H1025 | 35–45 (moderate) | 12 | ≥35 HRC | حالة التوازن العامة |
| H1150 | 60–80 (high) | 16 | 28–33 HRC | الأجزاء المتعرضة للصدمات والتبريد العميق؛ وكذلك الخيار المطابق لـ NACE |
هل يمكن استخدام 17-4PH في خدمة الغاز الحمضي وفق NACE؟
لا تتأهل سوى H1150 — أو H1025 مع التحقق لكل دفعة من أن الصلادة الفعلية تبقى عند 33 HRC أو أقل — وفق NACE MR0175 / ISO 15156-3؛ أما H900 بحد أدنى 40 HRC فلا تتأهل. والقاعدة مبنية على الصلادة: فالخدمة الحمضية تحدّ الصلادة عند 33 HRC.
| الحالة | صلادة المواصفة | حالة NACE MR0175 | ملاحظة |
|---|---|---|---|
| H900 | ≥40 HRC (typical 44) | Not qualified | يتجاوز حد 33 HRC الخاص بالخدمة الحمضية بفارق كبير |
| H1025 | ≥35 HRC (typical 38) | Conditional | فقط مع التحقق لكل دفعة من أن الصلادة الفعلية تبقى عند 33 HRC أو أقل |
| H1150 | 28–33 HRC (typical 33) | Compliant | الخيار القياسي للخدمة الحمضية |
كيفية استخدام هذه الأرقام
- القيم المعلَّمة بـ min هي حدود دنيا من المواصفة الحاكمة (ASTM / AMS)؛ والقيم غير المعلَّمة نموذجية وتتغيّر مع شكل المنتج وحجم المقطع وممارسات الفرن — فصمّم وفق المواصفة الحاكمة وتقرير اختبار المصنع.
- تنخفض صلادة الفولاذ مع حجم المقطع (أثر الكتلة): فنطاق 4140 الصلب مسبقًا 28–34 HRC ينطبق على مقطع التسليم، لذا تحقّق من المقاطع الكبيرة في تقرير اختبار المصنع بدلًا من افتراض قيمة الكتالوج.
- معاملات معالجة حرارية ممثلة: معالجة 6061 بالذوبان عند 530 °C مع تبريد بالماء، وتقادم T6 الصناعي عند 160 °C لنحو 18 h أو عند 177 °C لنحو 8 h، والتلدين إلى O عند 413 °C؛ وتقادم 7075-T73 على خطوتين 110 °C لمدة 8 h ثم 175 °C لمدة 8 h، بعد معالجة بالذوبان عند 475 °C لمدة 90 min و3 أيام تقادم طبيعي.
- حالات 17-4PH هي أصل واحد معالَج بالذوبان (الحالة A بعد التبريد من نحو 1040 °C) يُقادَم عند حرارت مختلفة — ورقم H هو حرارة التقادم بوحدة °F. وتستخدم القضبان ASTM A564/A564M، والألواح والصفائح ASTM A693، وقطع الطيران AMS 5643/5604؛ والنسخة الصينية 05Cr17Ni4Cu4Nb مدرجة في GB/T 1220.
- المارتنسيت المبرّد غير المقسّى (55–60 HRC في فولاذي المرساة كليهما) خطر على التشغيل والطحن، لا حالة تسليم — اطلب الفولاذ بحالة ملدَّنة أو مطبَّعة أو مبرَّدة ومقسّاة ودع معالج الحرارة يتولى الباقي.
الأسئلة الشائعة
الفولاذ 1045 الملدَّن نحو 160–200 HB (163 HB نموذجية)، بينما يبلغ 1045 المطبَّع نحو 187 HB مع مقاومة شد 640 MPa.
الـ 4140 الصلب مسبقًا عادةً 28–34 HRC؛ والمعالجة الحرارية القياسية المقسّاة عند 540 °C تصل عند 28–32 HRC ومقاومة شد 1,000–1,100 MPa.
يبلغ كلٌّ من 1045 (تبريد بالماء) و4140 (تبريد بالزيت) نحو 55–60 HRC بعد التبريد، لكن المارتنسيت غير المقسّى هشّ جدًا للتشغيل.
تبريد مع تقسية عالية الحرارة عند 500–650 °C لتكوين سوربيت مقسّى، عادةً 28–32 HRC — أفضل توازن بين المقاومة والمتانة للأعمدة والتروس.
يبلغ 6061-T6 مقاومة شد 310 MPa (45 ksi) مقابل 125 MPa (18 ksi) للـ 6061-O — أي نحو 2.5× المقاومة.
لا — كلاهما مقاومة شد 310 MPa (45 ksi) وحد إجهاد 276 MPa؛ ويضيف T651 شدًا بنسبة 1–3% لإزالة الإجهاد، فيحافظ على أبعاد أدق أثناء التشغيل.
تقسية زائدة على خطوتين: تعطي 7075-T73 مقاومة شد 505 MPa وفق ASM Handbook (460–475 MPa للألواح وفق ASTM B209)، وتُختار لمقاومة التآكل الإجهادي.
H900، مُقادَمة عند 482 °C لمدة 1 ساعة: حد أدنى 1,310 MPa (190 ksi) مقاومة شد وصلادة لا تقل عن 40 HRC — مع أدنى متانة بين الحالات الثلاث.
H1150، مُقادَمة عند 621 °C: مقاومة شد 930 MPa (135 ksi) مع استطالة 16% وصلادة 28–33 HRC، وهي أعلى متانة Charpy بين الحالات الثلاث.
لا تتأهل سوى H1150 أو H1025 المتحقق منها لكل دفعة بحد أقصى 33 HRC وفق NACE MR0175؛ أما H900 بحد أدنى 40 HRC فلا تتأهل.
المعايير والمصادر
- S1 — ASM Metals Handbook، المجلد 2 (الخواص والاختيار: السبائك غير الحديدية)، الطبعة 10: القيم النموذجية لـ 7075-T73
- S2 — دراسة محكَّمة للمطروقات AA7075 (PMC): تسلسل تقادم T73 وقيم ASM المرجعية
- S3 — JN Alloys، المعالجة الحرارية لـ 17-4PH: بيانات الحالات H900 / H1025 / H1150 (مُدقَّقة مقابل الحدود الدنيا لـ ASTM A564)
- S4 — Nifty Alloys، المعالجة الحرارية لفولاذ 4140: مخطط التقسية حسب الحرارة
- S5 — بيانات درجة 1045 من steelstandart: صلادة الحالة الملدَّنة، وحالة Q&T، وصلادة المبرَّدة
- S6 — ورقة مصنع منشورة، قضيب فولاذ كربوني 1045 متوسط المقاومة الشد، خصائص مطبَّعة
- S7 — Tech Steel، خصائص 6061 (UNS A96061): القيم النموذجية لكل حالة تقسية ومقارنة 7075-T6
- S8 — Weltstahl، ورقة بيانات الألومنيوم 6061: القيم النموذجية للخصائص الميكانيكية
- S9 — بيانات صفائح وألواح 7075-T73 / T7351: الخصائص الميكانيكية حسب السماكة (على أساس ASTM B209)
- S14 — ISO 2107، تصنيفات تقسية الألومنيوم (وGB/T 16475 هي النسخة الصينية)؛ S15 — تصنيفات الألومنيوم من AZoM؛ S19 — GB/T 16475؛ S24 — دليل تقسية الألومنيوم (ممارسة شد T651)
- S21 / S22 — بيانات حالة التلدين لفولاذ 1045 (The World Material؛ بيانات مصنع SAE 1045)؛ S23 — ورقة حقائق سريعة لسبيكة 17-4PH: نطاقات الصلادة وCharpy
- تحمل المواصفات الحاكمة الحدود الدنيا المحورية: ASTM A564/A564M، ASTM A693، ASTM B209/B221، AMS 4078/5643/5604، ISO 2107، SAE J412، GB/T 16923، GB/T 16924، GB/T 7232، GB/T 1220، NACE MR0175 / ISO 15156-3
- استُبعد MatWeb (robots.txt يحجب الوصول الآلي)؛ وتحمل أوراق بيانات الموزّعين أعمدة القيم النموذجية فقط، بينما تستند الحدود الدنيا للمواصفة إلى الأصل ASTM / AMS / GB
الصفحات ذات الصلة
- /ar/wiki/reference/hardness-conversion/ — Sibling quick table: convert between HB, HRC and HV hardness scales
- /ar/wiki/reference/cutting-parameters/ — Sibling quick table: cutting speeds and feeds to run once the heat-treatment condition is fixed
- /ar/wiki/reference/material-density/ — Sibling quick table: density for weight and material cost estimates