الرئيسية / ويكي / جداول المراجع / ظروف المعالجة الحرارية والتقسية لسبائك CNC

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

العمليةما الذي تفعلهالصلادة النموذجيةالتطبيق النموذجيالمواصفة الحاكمة
Annealingتسخين فوق الحرارة الحرجة أو بالقرب منها، ثم تبريد بطيء جدًا داخل الفرن لتليين المادة وإزالة الإجهاد160–217 HB (grade-dependent)مخزون التشغيل، والتشكيل البارد، وإزالة الإجهاد قبل إعادة التقسيةGB/T 16923; ASTM A29; SAE J412
Normalizingتسخين بمقدار 30–50 °C فوق Ac3/Acm، ثم تبريد في الهواء الساكن لتنعيم الحبيبات وتجانس التركيب187–300 HB (grade-dependent)المطروقات الكبيرة، والأجزاء الإنشائية التي يُخشى فيها تشوّه التبريدGB/T 16923; ASTM A29
Quenching + temperingالتحويل إلى Austenite، ثم التبريد إلى المارتنسيت في الماء أو الزيت، ثم إعادة التسخين دون Ac1 لإزالة الإجهاد وضبط الصلادة24–57 HRC (depends on tempering temperature)أجزاء هندسية نهائية: الأعمدة والتروس والمثبتاتGB/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 والمتانة28–34 HRC (common supply band)قضبان الوصل، والمسامير، والتروس، والأعمدة تحت أحمال متناوبةGB/T 16924; GB/T 7232
كيفية قراءة هذا الجدول. تتغيّر القيم النموذجية مع الدرجة وحجم المقطع وممارسات الفرن؛ فصمّم وفق المواصفة الحاكمة وتقرير اختبار المصنع. ويعني مصطلح «التبريد والتقسية» (Q&T) على الرسومات تبريدًا يتبعه تقسية عالية الحرارة عند نحو 500–650 °C — وهو اسم مركّب لا عملية منفصلة. أما المارتنسيت المبرّد غير المقسّى فهشّ ولا يُستخدم في التشغيل.

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.

الحالةمقاومة الشد (MPa)حد الإجهاد (MPa)الاستطالة (%)الصلادةالمصدر
Hot-rolled / annealed565 (typical hot-rolled)31016163 HB; annealed band 160–200 HBS21 / S22 / S5
Normalized64041022187 HBS6 / S5
Quenched and tempered———220–290 HBS5
As-quenched (water, surface)———55–60 HRCS5
Flame / induction hardened (surface)———55–58 HRC, case depth 1.5–5 mmS5

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 التقسيةمقاومة الشد (MPa)حد الإجهاد (MPa)الاستطالة (%)الصلادةالمصدر
Annealed~655~41525197–217 HBS4
Normalized~1,020~65017250–300 HBS4
As-quenched (oil)———55–60 HRCS4
Q&T at 205 °C~2,000~1,600852–57 HRCS4
Q&T at 315 °C~1,700~1,4501045–50 HRCS4
Q&T at 425 °C~1,400~1,2501238–42 HRCS4
Q&T at 540 °C (standard HT)1,000–1,100850–9501828–32 HRCS4
Q&T at 650 °C (high ductility)~850~7002224–28 HRCS4
Pre-hardened as-supplied———28–34 HRCS4

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.

الفولاذوسط التبريدبعد التبريد (HRC)صلادة التشغيل بعد التقسيةملاحظة
1045Water55–60220–290 HB (Q&T)فولاذ كربوني سطحي التصلب؛ ويليّن قلبه في المقاطع الكبيرة
4140Oil55–6028–32 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.

الفولاذنطاق التوريد Q&Tبعد التبريد فقطلماذا نُقسّي
1045220–290 HB55–60 HRC (water)المارتنسيت غير المقسّى يتشقق أثناء التشغيل؛ والتقسية تستعيد المتانة مقابل تكلفة صلادة محكومة
414028–34 HRC pre-hard55–60 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 والتقسيةمقاومة الشد، MPa (ksi)حد الإجهاد، MPa (ksi)الاستطالة (%)الصلادة (HB)المصدر
6061-O125 (18)55 (8)25–2730S7 / S8
6061-T4 / T451240 (35)145 (21)2265S7 / S8
6061-T6 / T651310 (45)276 (40)12–1595S7 / 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.

التقسيةالعمليةالفرق الميكانيكيالمواصفة الحاكمةالمصدر
Oتلدين كامل — تسخين وتبريد بطيء حتى أنعم حالةأدنى مقاومة وأعلى قابلية تشكيلISO 2107; ASTM B209/B221S14 / S19 / S7
T4معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم طبيعي في درجة حرارة الغرفةمقاومة متوسطة، ولا تزال قابلة للتشكيلISO 2107; ASTM B209/B221S14 / S15 / S7
T6معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم صناعي حتى ذروة المقاومةأعلى مقاومة لهذه السبيكةISO 2107; ASTM B209/B221S14 / S15 / S7
T651‏T6 مع شد 1–3% لإزالة الإجهاد قبل التقادممقاومة تعادل T6؛ واستقرار أبعاد أفضل أثناء التشغيلISO 2107; ASTM B209/B221S14 / S7 / S24
T73معالجة حرارية بالذوبان، ثم تقادم زائد في معالجة على خطوتينمقاومة أقل من T6؛ ومقاومة أفضل بكثير للتآكل الإجهادي؛ أساسًا من سلسلة 7xxxAMS 4078; ASTM B209; GB/T 3880S9 / 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 المنطبقمقاومة الشد (MPa)حد الإجهاد (MPa)الاستطالة (%)الصلادةالمصدر
7075-T73 — ASM Handbook typical (bar / forging reference)50543513—S1 / S2
7075-T73 — ASTM B209 / AMS 4078 plate, by thickness (spec)460–475385–3905–8126–140 HBS9
7075-T6 — typical, for comparison572 (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.

الحالةحرارة التقادم / الزمنأدنى مقاومة شد، MPa (ksi)أدنى حد إجهاد، MPa (ksi)أدنى استطالة (%)الصلادةاختبار Charpy بأخدود V (ft-lb)المصدر
H900482 °C (900 °F) / 1 h1,310 (190)1,170 (170)10≥40 HRC (typical 44)10–15 (low)S3 / S23
H1025552 °C (1,025 °F) / 4 h1,070 (155)1,000 (145)12≥35 HRC (typical 38)35–45 (moderate)S3 / S23
H1150621 °C (1,150 °F) / 4 h930 (135)725 (105)1628–33 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.

الحالةاختبار Charpy بأخدود V (ft-lb)الاستطالة (%)الصلادةالأنسب لـ
H90010–15 (low)10≥40 HRCالأجزاء الأعلى مقاومة التي لا تتعرض لصدمات أو لتبريد عميق
H102535–45 (moderate)12≥35 HRCحالة التوازن العامة
H115060–80 (high)1628–33 HRCالأجزاء 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.

الحالةصلادة المواصفةحالة NACE MR0175ملاحظة
H900≥40 HRC (typical 44)Not qualifiedيتجاوز حد 33 HRC الخاص بالخدمة الحمضية بفارق كبير
H1025≥35 HRC (typical 38)Conditionalفقط مع التحقق لكل دفعة من أن الصلادة الفعلية تبقى عند 33 HRC أو أقل
H115028–33 HRC (typical 33)Compliantالخيار 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

ما الصلادة المتوقعة من فولاذ 1045 الملدَّن مقابل المطبَّع؟
الفولاذ 1045 الملدَّن نحو 160–200 HB (‏163 HB نموذجية)، بينما يبلغ 1045 المطبَّع نحو 187 HB مع مقاومة شد 640 MPa.
ما الصلادة التي يُسلَّم بها 4140 في حالة الصلابة المسبقة المبرَّدة والمقسّاة؟
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.
ما صلابة الفولاذ مباشرة بعد التبريد وقبل التقسية؟
يبلغ كلٌّ من 1045 (تبريد بالماء) و4140 (تبريد بالزيت) نحو 55–60 HRC بعد التبريد، لكن المارتنسيت غير المقسّى هشّ جدًا للتشغيل.
ماذا يعني التبريد والتقسية ولماذا يُحدَّد في المواصفات؟
تبريد مع تقسية عالية الحرارة عند 500–650 °C لتكوين سوربيت مقسّى، عادةً 28–32 HRC — أفضل توازن بين المقاومة والمتانة للأعمدة 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× المقاومة.
هل 6061-T651 أقوى من 6061-T6؟
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.
ما تقسية T73 ومتى ينبغي اختيارها؟
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.
ما أقوى حالة تقادم قياسية لـ 17-4PH؟
‏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.
أي حالة من حالات 17-4PH تقدم أعلى متانة للأجزاء المتعرضة للصدمات أو التبريد العميق؟
‏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.
هل يمكن استخدام 17-4PH في خدمة الغاز الحمضي وفق NACE؟
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

تنزيل هذا الجدول