Термообработка и состояния (темперы) сплавов для обработки на станках с ЧПУ
Состояния (темперы) сплавов для ЧПУ: твёрдость сталей после закалки и отпуска по температуре отпуска, от 6061-O до T651, 7075-T73 и 17-4PH от H900 до H1150 с ограничениями NACE.
Углеродистая и легированная сталь — процессы термообработки и типичная твёрдость
| Процесс | Что делает | Типичная твёрдость | Типичное применение | Действующий стандарт |
|---|---|---|---|---|
| Annealing | Нагрев выше или до критической температуры, затем очень медленное охлаждение в печи для смягчения и снятия напряжений | 160–217 HB (grade-dependent) | Заготовки под механическую обработку, холодная штамповка, снятие напряжений перед повторным упрочнением | GB/T 16923; ASTM A29; SAE J412 |
| Normalizing | Нагрев на 30–50 °C выше Ac3/Acm, затем охлаждение на неподвижном воздухе для измельчения зерна и выравнивания структуры | 187–300 HB (grade-dependent) | Крупные поковки, детали конструкций, где закалка рискует вызвать коробление | GB/T 16923; ASTM A29 |
| Quenching + tempering | Аустенизация, закалка до мартенсита в воде или масле, затем повторный нагрев ниже Ac1 для снятия напряжений и подстройки твёрдости | 24–57 HRC (depends on tempering temperature) | Готовые детали машиностроения: валы, шестерни, крепёж | GB/T 16924; ASTM A29 |
| Quench and high temper (Q&T) | Закалка с последующим высоким отпуском при 500–650 °C, дающая отпущенный сорбит с наилучшим балансом прочности и вязкости | 28–34 HRC (common supply band) | Шатуны, болты, шестерни, валы под знакопеременной нагрузкой | GB/T 16924; GB/T 7232 |
Какая твёрдость ожидается у стали 1045 в отожжённом и нормализованном состояниях?
Отожжённая 1045 лежит около 160–200 HB (163 HB типично для горячекатаной), тогда как нормализованная 1045 достигает около 187 HB при прочности 640 MPa — нормализация отдаёт часть обрабатываемости ради более прочной и однородной структуры.
| Состояние | Прочность (MPa) | Предел текучести (MPa) | Удлинение (%) | Твёрдость | Источник |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Какую твёрдость имеет сталь 4140 в предзакалённом состоянии поставки?
Предварительно закалённая 4140 приходит с 28–34 HRC; стандартная термообработка с отпуском при 540 °C даёт 28–32 HRC и прочность 1,000–1,100 MPa. Хром и молибден дают 4140 куда лучшую прокаливаемость, чем у 1045, поэтому она сохраняет отпущенную твёрдость в больших сечениях — крупные прутки проверяйте по сертификату завода, потому что твёрдость падает с сечением.
| Состояние / температура отпуска | Прочность (MPa) | Предел текучести (MPa) | Удлинение (%) | Твёрдость | Источник |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Какова твёрдость стали сразу после закалки, до отпуска?
И 1045 (закалка в воде), и 4140 (закалка в масле) достигают около 55–60 HRC сразу после закалки — но эта неотпущенная мартенситная структура слишком хрупкая для эксплуатации, поэтому каждую закалённую деталь отпускают до рабочей твёрдости перед использованием.
| Сталь | Закалочная среда | Сразу после закалки (HRC) | Отпущенная рабочая твёрдость | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| 1045 | Water | 55–60 | 220–290 HB (Q&T) | Малопрокаливающаяся углеродистая сталь; сердцевина в крупных сечениях размягчается |
| 4140 | Oil | 55–60 | 28–32 HRC (tempered at 540 °C) | Cr-Mo сталь с глубокой прокаливаемостью; выбирайте её для больших сечений |
Что такое закалка с отпуском и почему это указывают?
Закалка с отпуском означает закалку до мартенсита с последующим повторным нагревом ниже критической температуры; закалка и высокий отпуск (500–650 °C) даёт отпущенный сорбит — обычно 28–32 HRC — наилучший баланс прочности и вязкости для валов и шестерён. Отпуск всегда меняет твёрдость на вязкость: та же 4140, выходящая из закалки с 55–60 HRC, проходит диапазон от 52–57 HRC до 24–28 HRC по мере роста температуры отпуска от 205 °C до 650 °C.
| Сталь | Диапазон поставки Q&T | Только после закалки | Зачем отпуск |
|---|---|---|---|
| 1045 | 220–290 HB | 55–60 HRC (water) | Неотпущенный мартенсит растрескивается в эксплуатации; отпуск возвращает вязкость ценой контролируемой потери твёрдости |
| 4140 | 28–34 HRC pre-hard | 55–60 HRC (oil) | Высокий отпуск при 500–650 °C образует отпущенный сорбит — то состояние, в котором специфицируют валы и шестерни |
Насколько 6061-T6 прочнее, чем 6061-O?
6061-T6 достигает 310 MPa (45 ksi) прочности против 125 MPa (18 ksi) у 6061-O — примерно в 2.5 раза — при пределе текучести 276 против 55 MPa и твёрдости 95 против 30 HB; всю разницу даёт термообработка, а не легирование. Стандартные минимумы стоят рядом с типичными значениями: лист и плита 6061-T6 должны достигать 290 MPa (42 ksi) прочности и 240 MPa (35 ksi) текучести, тогда как 310/276 MPa — типичные значения.
| Сплав и состояние (темпер) | Прочность, MPa (ksi) | Текучесть, MPa (ksi) | Удлинение (%) | Твёрдость (HB) | Источник |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
6061-T651 прочнее, чем 6061-T6?
Нет — обе дают 310 MPa (45 ksi) прочности и 276 MPa текучести. T651 добавляет 1–3% остаточного растяжения после закалки для снятия закалочных напряжений, поэтому точнее держит размеры при механообработке; вот почему работа с плитами и панелями начинается с заготовки T651.
| Состояние (темпер) | Процесс | Разница в механических свойствах | Действующий стандарт | Источник |
|---|---|---|---|---|
| O | Полностью отожжённое — нагрев и медленное охлаждение до самого мягкого состояния | Минимальная прочность, максимальная формуемость | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S19 / S7 |
| T4 | Закалка на твёрдый раствор, затем естественное старение при комнатной температуре | Умеренная прочность, всё ещё формуемое | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T6 | Закалка на твёрдый раствор, затем искусственное старение до пикового состояния | Максимальная прочность для сплава | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S15 / S7 |
| T651 | T6 плюс растяжение на 1–3% для снятия напряжений перед старением | Прочность равна T6; лучшая размерная стабильность при механообработке | ISO 2107; ASTM B209/B221 | S14 / S7 / S24 |
| T73 | Закалка на твёрдый раствор, затем перестаривание в двухступенчатом режиме | Прочность ниже, чем T6; значительно лучше стойкость к коррозионному растрескиванию; в основном серия 7xxx | AMS 4078; ASTM B209; GB/T 3880 | S9 / S2 |
Что такое состояние T73 и когда его выбирать?
T73 — перестаренное двухступенчатое состояние, выбираемое ради стойкости к коррозионному растрескиванию в авиационных деталях. Прочность 7075-T73 публикуется на двух базисах, сохранённых отдельными строками — типичное значение ASM Handbook 505 MPa и спецификация плиты ASTM B209 460–475 MPa — и эти два никогда не усредняются. 6061 в состоянии T73 не поставляется, поэтому цифры несёт 7075.
| Действующий базис | Прочность (MPa) | Предел текучести (MPa) | Удлинение (%) | Твёрдость | Источник |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Какое самое прочное стандартное состояние старения у 17-4PH?
H900, старение при 482 °C (900 °F) в течение 1 часа, даёт минимум 1,310 MPa (190 ksi) прочности, 1,170 MPa (170 ksi) текучести и не менее 40 HRC — самый прочный и наименее вязкий конец из трёх стандартных состояний. Все значения — минимумы спецификации на пруток по ASTM A564 / AMS 5643.
| Состояние | Температура / время старения | Прочность мин., MPa (ksi) | Текучесть мин., MPa (ksi) | Удлинение мин. (%) | Твёрдость | Ударная вязкость по Шарпи (ft-lb) | Источник |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Какое состояние 17-4PH даёт наивысшую вязкость?
H1150, старение при 621 °C, сохраняет минимум 930 MPa (135 ksi) прочности при 16% удлинения и 28–33 HRC — наивысшую ударную вязкость по Шарпи из трёх. От H900 к H1150 прочность падает примерно на 30%, текучесть примерно на 38%, а удлинение растёт с 10% до 16%: более высокая температура старения укрупняет медные выделения и меняет прочность на вязкость. Значения по Шарпи — представительные продольные диапазоны, они меняются с формой изделия и направлением вырезки.
| Состояние | Ударная вязкость по Шарпи (ft-lb) | Удлинение (%) | Твёрдость | Лучше всего для |
|---|---|---|---|---|
| H900 | 10–15 (low) | 10 | ≥40 HRC | Самые прочные детали без ударных и криогенных нагрузок |
| H1025 | 35–45 (moderate) | 12 | ≥35 HRC | Универсальное сбалансированное состояние |
| H1150 | 60–80 (high) | 16 | 28–33 HRC | Детали под ударные и криогенные нагрузки; также выбор, соответствующий NACE |
Можно ли применять 17-4PH в сероводородной среде по NACE?
Только H1150 — либо H1025 с проверкой по каждой плавке, что фактическая твёрдость не выше 33 HRC — проходит по NACE MR0175 / ISO 15156-3; H900 с минимумом 40 HRC не проходит. Правило определяется твёрдостью: сероводородная служба ограничивает твёрдость 33 HRC.
| Состояние | Твёрдость по спецификации | Статус по NACE MR0175 | Примечание |
|---|---|---|---|
| H900 | ≥40 HRC (typical 44) | Not qualified | Существенно превышает лимит 33 HRC для сероводородной службы |
| H1025 | ≥35 HRC (typical 38) | Conditional | Только с проверкой по каждой плавке, что фактическая твёрдость не выше 33 HRC |
| H1150 | 28–33 HRC (typical 33) | Compliant | Стандартный выбор для сероводородной службы |
Как использовать эти числа
- Значения с пометкой «мин.» — минимумы спецификации из действующего стандарта (ASTM / AMS); значения без пометки типичные и меняются с формой изделия, сечением и практикой печи — проектируйте по действующей спецификации и сертификату завода.
- Твёрдость стали падает с сечением (масс-эффект): предзакалённая 4140 28–34 HRC относится к поставленному размеру прутка, поэтому большие сечения проверяйте по сертификату завода, а не по каталогу.
- Представительные режимы термообработки: закалка на раствор 6061 — 530 °C, охлаждение в воде; искусственное старение T6 — 160 °C около 18 h или 177 °C около 8 h; отжиг в O при 413 °C; двухступенчатое старение 7075-T73 — 110 °C 8 h плюс 175 °C 8 h после закалки на раствор при 475 °C 90 min и 3 суток естественного старения.
- Состояния 17-4PH — одна исходная закалка на раствор (состояние A после охлаждения с около 1040 °C) с разным старением: число H — это температура старения в °F. Пруток — ASTM A564/A564M, плита и лист — ASTM A693, авиадетали — AMS 5643/5604; китайский аналог 05Cr17Ni4Cu4Nb — GB/T 1220.
- Закалённый, но неотпущенный мартенсит (55–60 HRC в обеих опорных сталях) — это опасность при механообработке и шлифовке, а не состояние поставки: заказывайте сталь в отожженном, нормализованном или закалённо-отпущенном состоянии, остальное пусть делает термоцех.
Часто задаваемые вопросы
Отожжённая 1045 — около 160–200 HB (163 HB типично), нормализованная 1045 достигает около 187 HB при прочности 640 MPa.
Предзакалённая 4140 обычно 28–34 HRC; стандартная термообработка с отпуском при 540 °C даёт 28–32 HRC и прочность 1,000–1,100 MPa.
И 1045 (закалка в воде), и 4140 (закалка в масле) достигают около 55–60 HRC после закалки, но неотпущенный мартенсит слишком хрупок для эксплуатации.
Закалка плюс высокий отпуск при 500–650 °C с образованием отпущенного сорбита, обычно 28–32 HRC — наилучший баланс прочности и вязкости для валов и шестерён.
6061-T6 достигает 310 MPa (45 ksi) прочности против 125 MPa (18 ksi) у 6061-O — примерно в 2.5 раза прочнее.
Нет — обе дают 310 MPa (45 ksi) прочности и 276 MPa текучести; T651 добавляет растяжение на 1–3% для снятия напряжений, поэтому точнее держит размеры при механообработке.
Перестаренное двухступенчатое состояние: 7075-T73 даёт 505 MPa прочности по ASM Handbook (460–475 MPa для плиты по ASTM B209), выбирается ради стойкости к коррозионному растрескиванию.
H900, старение при 482 °C в течение 1 часа: минимум 1,310 MPa (190 ksi) прочности и не менее 40 HRC — с наименьшей вязкостью из трёх.
H1150, старение при 621 °C: 930 MPa (135 ksi) прочности при 16% удлинения и 28–33 HRC, наивысшая ударная вязкость по Шарпи из трёх.
Только H1150, либо H1025 с проверкой по плавке при максимуме 33 HRC, проходит по NACE MR0175; H900 с минимумом 40 HRC не проходит.
Стандарты и источники
- S1 — ASM Metals Handbook, Vol. 2 (Properties and Selection: Nonferrous Alloys), 10-е изд.: типичные значения 7075-T73
- S2 — рецензируемое исследование штамповок AA7075 (PMC): последовательность старения T73 и эталонные значения ASM
- S3 — JN Alloys, термообработка 17-4PH: данные состояний H900 / H1025 / H1150 (сверено с минимумами ASTM A564)
- S4 — Nifty Alloys, термообработка стали 4140: диаграмма отпуска по температуре
- S5 — данные марки steelstandart для 1045: твёрдость в отожженном, Q&T и свежезакалённом состояниях
- S6 — опубликованный заводской лист, пруток 1045 среднепрочной углеродистой стали, свойства в нормализованном состоянии
- S7 — Tech Steel, свойства 6061 (UNS A96061): типичные значения по темперам и сравнение с 7075-T6
- S8 — Weltstahl, паспорт алюминия 6061: типичные механические свойства
- S9 — данные листа и плиты 7075-T73 / T7351: механические свойства по толщине (базис ASTM B209)
- S14 — ISO 2107, обозначения темперов алюминия (китайский аналог GB/T 16475); S15 — классификации алюминия AZoM; S19 — GB/T 16475; S24 — руководство по темперам (практика растяжения T651)
- S21 / S22 — данные отожжённого состояния 1045 (The World Material; заводские данные SAE 1045); S23 — краткая справка Alloy 17-4PH: диапазоны твёрдости и по Шарпи
- Действующие стандарты несут несущие минимумы: 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
- MatWeb исключён (robots.txt блокирует автоматический доступ); паспорта дистрибьюторов содержат только колонки типичных значений, тогда как минимумы спецификаций ссылаются на оригиналы ASTM / AMS / GB
Связанные страницы
- /ru/wiki/reference/hardness-conversion/ — Sibling quick table: convert between HB, HRC and HV hardness scales
- /ru/wiki/reference/cutting-parameters/ — Sibling quick table: cutting speeds and feeds to run once the heat-treatment condition is fixed
- /ru/wiki/reference/material-density/ — Sibling quick table: density for weight and material cost estimates