Vui lòng cung cấp nội dung cụ thể cần dịch để tôi hỗ trợ bạn chính xác.

1. Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Biến dạng là một phép đo không có đơn vị định lượng sự biến dạng tương đối của vật liệu khi chịu ứng suất tác dụng. Nó biểu thị sự thay đổi hình học về hình dạng hoặc kích thước của một vật thể so với cấu hình ban đầu của nó. Trong ngành công nghiệp thép, biến dạng là một tham số cơ bản được sử dụng để mô tả hành vi của vật liệu trong quá trình sản xuất và điều kiện sử dụng. Nó đóng vai trò là một chỉ báo quan trọng về khả năng chịu biến dạng của vật liệu trước khi hỏng và cung cấp thông tin cần thiết về hành vi đàn hồi và dẻo. Hiểu được biến dạng là rất quan trọng để dự đoán hiệu suất vật liệu, thiết kế các thành phần có đặc tính cơ học phù hợp và phân tích cơ chế hỏng. Khái niệm biến dạng hình thành nền tảng của các mối quan hệ ứng suất-biến dạng chi phối hành vi của vật liệu trong các điều kiện tải khác nhau, khiến nó trở thành một tham số không thể thiếu trong khoa học vật liệu, kỹ thuật cơ khí và phân tích kết cấu.

2. Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi mô, biến dạng biểu hiện dưới dạng những thay đổi trong khoảng cách giữa các nguyên tử và sự sắp xếp nguyên tử bên trong mạng tinh thể thép. Khi các lực bên ngoài tác dụng, các nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của chúng, tạo ra sự biến dạng mạng. Trong vùng đàn hồi, những sự dịch chuyển này có thể đảo ngược, với các nguyên tử trở về vị trí ban đầu của chúng khi tải trọng được loại bỏ. Vượt quá giới hạn đàn hồi, biến dạng vĩnh viễn xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau bao gồm chuyển động sai lệch, song tinh và kích hoạt mặt phẳng trượt. Sai lệch, là các khuyết tật đường trong cấu trúc tinh thể, lan truyền qua mạng dưới ứng suất đủ lớn, tạo ra biến dạng vĩnh viễn. Trong thép đa tinh thể, ranh giới hạt hoạt động như những chướng ngại vật đối với chuyển động sai lệch, góp phần gây ra hiện tượng cứng hóa do biến dạng.

Mô hình lý thuyết

Một số khuôn khổ lý thuyết mô tả hành vi biến dạng, bao gồm lý thuyết đàn hồi tuyến tính, lý thuyết dẻo và các mô hình đàn hồi nhớt. Mô hình đàn hồi tuyến tính áp dụng cho các biến dạng nhỏ và tuân theo định luật Hooke, trong khi các lý thuyết dẻo như tiêu chuẩn chảy dẻo von Mises và tiêu chuẩn chảy dẻo Tresca mô tả hành vi vượt quá giới hạn đàn hồi. Các mô hình cấu thành như phương trình Ramberg-Osgood và Johnson-Cook kết hợp độ nhạy tốc độ biến dạng và các hiệu ứng nhiệt cho các điều kiện tải động. Các mô hình dẻo tinh thể tính đến bản chất dị hướng của biến dạng trong vật liệu tinh thể bằng cách xem xét các hệ thống trượt và hướng của chúng.

Cơ sở khoa học vật liệu

Cấu trúc vi mô của thép về cơ bản quyết định phản ứng biến dạng của nó. Các yếu tố bao gồm kích thước hạt, thành phần pha, phân bố kết tủa và mật độ sai lệch đều ảnh hưởng đến hành vi biến dạng. Thép hạt mịn thường thể hiện độ bền kéo cao hơn nhưng độ giãn dài đồng đều thấp hơn so với các biến thể hạt thô. Các hạt pha thứ hai và kết tủa hoạt động như những trở ngại đối với chuyển động sai lệch, ảnh hưởng đến quá trình làm cứng biến dạng. Thép martensitic cho thấy độ giãn dài đồng đều hạn chế nhưng độ bền cao, trong khi thép ferritic và austenitic thường thể hiện độ dẻo và khả năng làm cứng cao hơn. Kết cấu (hướng tinh thể ưa thích) tạo ra phản ứng biến dạng dị hướng trong các sản phẩm thép đã qua xử lý.

3. Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Định nghĩa cơ bản

Biến dạng kỹ thuật ($\varepsilon$) được định nghĩa là tỷ lệ thay đổi kích thước so với kích thước ban đầu:

$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0}$

trong đó $\Delta L$ là sự thay đổi về chiều dài và $L_0$ là chiều dài ban đầu.

Biến dạng thực ($\varepsilon_t$) giải thích cho những thay đổi liên tục về kích thước trong quá trình biến dạng:

$\varepsilon_t = \ln\left(\frac{L}{L_0}\right) = \ln(1+\varepsilon)$

Đối với điều kiện tải đa trục, biến dạng trở thành tenxơ bậc hai với các thành phần:

$\varepsilon_{ij} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j} + \frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)$

trong đó $u_i$ biểu diễn các thành phần dịch chuyển và $x_j$ biểu diễn tọa độ không gian.

Công thức tính toán liên quan

Mật độ năng lượng biến dạng ($U$) được tính như sau:

$U = \int_0^{\varepsilon} \sigma d\varepsilon$

Đối với biến dạng đàn hồi, mối quan hệ với ứng suất tuân theo định luật Hooke:

$\varepsilon = \frac{\sigma}{E}$

trong đó $E$ là mô đun đàn hồi.

Tỷ số Poisson ($\nu$) liên hệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc:

$\nu = -\frac{\varepsilon_{ngang}} {\varepsilon_{trục}} $

Điều kiện và hạn chế áp dụng

Các công thức này có phạm vi ứng dụng cụ thể. Các phép tính gần đúng về biến dạng kỹ thuật chỉ có giá trị đối với các biến dạng nhỏ (thường là <0,1 hoặc 10%), ngoài ra, các công thức biến dạng thực sự trở nên cần thiết. Định luật Hooke chỉ áp dụng trong chế độ đàn hồi. Đối với các biến dạng lớn, lý thuyết biến dạng hữu hạn phải được sử dụng thay vì lý thuyết biến dạng vô cùng nhỏ. Tính dị hướng của vật liệu, hiệu ứng tốc độ biến dạng và sự phụ thuộc vào nhiệt độ không được các công thức cơ bản này nắm bắt và đòi hỏi các mô hình cấu thành phức tạp hơn.

4. Phương pháp đo lường và đặc tính

Tiêu chuẩn thử nghiệm thông số kỹ thuật

Đo biến dạng trong thép được quản lý bởi một số tiêu chuẩn quốc tế, bao gồm ASTM E8/E8M để thử nghiệm kéo vật liệu kim loại, ISO 6892 để thử nghiệm kéo ở nhiệt độ môi trường và ASTM E9 để thử nghiệm nén. Đối với phép đo biến dạng động, ASTM E1820 cung cấp các hướng dẫn để xác định độ dẻo dai gãy dưới các tốc độ biến dạng khác nhau. Đo biến dạng dưới tải trọng tuần hoàn tuân theo ASTM E606 để thử nghiệm mỏi chu kỳ thấp và ASTM E466 để thử nghiệm mỏi chu kỳ cao. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao, ASTM E21 và ISO 783 phác thảo các quy trình để thử nghiệm kéo ở nhiệt độ cao và đo độ rão.

Thiết bị thử nghiệm và nguyên tắc

Thiết bị đo biến dạng phổ biến bao gồm máy đo độ giãn dài cơ học, máy đo độ giãn dài điện trở, hệ thống tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) và máy đo độ giãn dài laser. Máy đo độ giãn dài cơ học tiếp xúc vật lý với mẫu vật và đo độ dịch chuyển giữa hai điểm cố định. Máy đo độ giãn dài hoạt động bằng cách thay đổi điện trở theo tỷ lệ với biến dạng được áp dụng và được liên kết trực tiếp với mẫu vật. Hệ thống DIC theo dõi các mẫu bề mặt để tính toán phân phối biến dạng toàn trường mà không cần tiếp xúc vật lý. Đối với các sự kiện động, chụp ảnh tốc độ cao kết hợp với cảm biến DIC hoặc cảm biến áp điện cung cấp dữ liệu biến dạng phân giải theo thời gian. Đối với đặc tính vi mô, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) có thể phát hiện ra những thay đổi vi cấu trúc do biến dạng gây ra.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có hình dạng hình chữ nhật hoặc hình trụ với chiều dài đo và kích thước mặt cắt ngang được chỉ định. Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm loại bỏ lớp gỉ, lớp cacbon hóa hoặc các vết gia công có thể ảnh hưởng đến phép đo. Đối với việc lắp đặt máy đo ứng suất, bề mặt phải được làm sạch, mài mòn và xử lý bằng chất kết dính thích hợp. Các phép đo DIC yêu cầu các mẫu có hoa văn đốm tương phản cao được áp dụng cho bề mặt. Hướng mẫu so với hướng cán phải được ghi lại đối với các vật liệu dị hướng và các dấu hiệu chiều dài đo phải được áp dụng chính xác theo các tiêu chuẩn có liên quan.

Các thông số thử nghiệm

Các điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn bao gồm tốc độ biến dạng được kiểm soát (thường là 0,001-0,008 mỗi phút đối với thử nghiệm bán tĩnh), nhiệt độ (thường là 10-35°C đối với thử nghiệm nhiệt độ phòng) và kiểm soát độ ẩm. Các điều kiện tải trước, thời gian giữ và quy trình dỡ tải phải được chuẩn hóa. Đối với thử nghiệm nhiệt độ cao, thường yêu cầu độ đồng đều nhiệt độ trong phạm vi ±3°C dọc theo chiều dài đo. Phải giảm thiểu các biến thể tốc độ thử nghiệm, đặc biệt là trong quá trình xác định năng suất, trong đó tốc độ khoảng 0,002 mỗi phút là phổ biến.

Xử lý dữ liệu

Xử lý dữ liệu thô bao gồm lọc nhiễu, hiệu chỉnh để máy tuân thủ và chuyển đổi các phép đo dịch chuyển thành giá trị biến dạng. Biến dạng thực được tính toán từ biến dạng kỹ thuật bằng cách sử dụng các phép chuyển đổi logarit. Đối với các đường cong ứng suất-biến dạng, các thông số chính được trích xuất bao gồm: giới hạn chảy (sử dụng phương pháp bù trừ 0,2%), độ bền kéo cực đại, độ giãn dài đồng đều, độ giãn dài tổng thể và số mũ làm cứng biến dạng. Phân tích thống kê thường yêu cầu nhiều mẫu (thường là 3-5) để thiết lập khả năng lặp lại. Các kỹ thuật tiên tiến như lập bản đồ biến dạng từ dữ liệu DIC cung cấp thông tin phân phối không gian thay vì các giá trị đơn lẻ.

5. Phạm vi giá trị điển hình

6. Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các cân nhắc về biến dạng là tối quan trọng trong thiết kế kết cấu và cơ khí liên quan đến các thành phần thép. Các kỹ sư phải tính đến cả chế độ biến dạng đàn hồi và dẻo khi thiết kế các kết cấu chịu lực. Các yếu tố an toàn thường giới hạn ứng suất vận hành để duy trì biến dạng trong vùng đàn hồi, với biến dạng cho phép thiết kế điển hình là 0,001-0,002 cho các ứng dụng kết cấu. Trong các hoạt động tạo hình, giới hạn khả năng tạo hình vật liệu được xác định bằng sơ đồ giới hạn tạo hình lập bản đồ các kết hợp biến dạng an toàn. Các ứng dụng quan trọng về độ mỏi phải xem xét biên độ biến dạng và hiệu ứng biến dạng trung bình, đặc biệt là trong các kết cấu chịu tải trọng tuần hoàn. Độ nhạy của tốc độ biến dạng trở nên quan trọng trong các tình huống va chạm, trong đó quá trình làm cứng biến dạng động có thể làm thay đổi đáng kể phản ứng của vật liệu.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất ô tô, ứng suất được kiểm soát trong quá trình tạo hình tấm kim loại cho phép tạo hình dạng thành phần phức tạp trong khi ngăn ngừa tình trạng mỏng và gãy. Các mô hình dự đoán sử dụng tiêu chí dựa trên ứng suất giúp tối ưu hóa quy trình tạo hình và thiết kế công cụ. Trong kỹ thuật kết cấu, các phương pháp thiết kế dựa trên ứng suất cho các ứng dụng địa chấn cho phép các tòa nhà và cầu hấp thụ năng lượng thông qua biến dạng dẻo được kiểm soát trong quá trình động đất. Kỹ thuật đường ống sử dụng tiêu chí thiết kế dựa trên ứng suất cho các công trình lắp đặt trong vùng đất đóng băng vĩnh cửu hoặc vùng địa chấn, nơi chuyển động của mặt đất gây ra ứng suất đáng kể. Trong sản xuất chính xác, quản lý ứng suất dư thông qua xử lý nhiệt và gia công cơ học đảm bảo tính ổn định về kích thước của các thành phần trong quá trình sử dụng.

Đánh đổi hiệu suất

Khả năng chịu biến dạng thường đánh đổi với độ bền trong các quyết định lựa chọn vật liệu. Thép có độ bền cao hơn thường có độ giãn dài đồng đều và độ giãn dài tổng thể giảm so với các biến thể có độ bền thấp hơn. Làm cứng khi làm việc (làm cứng khi biến dạng) cải thiện độ bền kéo nhưng làm giảm khả năng tạo hình sau đó. Độ nhạy của tốc độ biến dạng tạo ra những thách thức trong thiết kế khi các thành phần phải hoạt động trong cả điều kiện tải tĩnh và tải động. Lão hóa do biến dạng ở một số loại thép cải thiện độ bền kéo nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai và độ dẻo khi va đập. Tác động của nhiệt độ lên phản ứng biến dạng cần được cân nhắc cẩn thận trong các ứng dụng trải qua chu kỳ nhiệt hoặc cực trị.

Phân tích lỗi

Các chế độ hỏng liên quan đến biến dạng bao gồm gãy dẻo từ quá trình hình thành hạt rỗng và hợp nhất ở mức biến dạng cao, định vị biến dạng dẫn đến mất ổn định thắt cổ chai và mỏi chu kỳ thấp do tích tụ biến dạng dẻo. Nồng độ biến dạng tại các điểm gián đoạn hình học, khía và khuyết tật đóng vai trò là các vị trí bắt đầu hỏng hóc phổ biến. Độ giòn do hydro tăng theo biến dạng dẻo trong thép cường độ cao. Biến dạng pha gây ra có thể xảy ra trong thép austenit không bền, có khả năng dẫn đến những thay đổi tính chất không mong muốn. Lão hóa biến dạng gây mất độ dẻo tạm thời và tăng điểm giới hạn chảy trong thép cacbon sau khi biến dạng dẻo, có khả năng góp phần gây ra hiện tượng nứt chậm.

7. Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Thành phần hóa học ảnh hưởng

Hàm lượng cacbon về cơ bản ảnh hưởng đến hành vi ứng suất, với việc tăng cacbon thường làm giảm độ giãn dài tổng thể trong khi tăng độ bền và khả năng làm việc cứng. Mangan cải thiện tốc độ làm việc cứng thông qua việc gia cường dung dịch rắn trong khi vẫn duy trì độ dẻo tốt. Silic làm tăng giới hạn chảy và giới hạn đàn hồi nhưng có thể làm giảm độ giãn dài tổng thể. Phốt pho và lưu huỳnh thường có hại cho độ dẻo và nên được giảm thiểu đối với các ứng dụng yêu cầu khả năng ứng suất cao. Các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi, titan và vanadi tạo thành các chất kết tủa mịn hạn chế chuyển động sai lệch, làm tăng độ bền chảy nhưng có khả năng làm giảm độ giãn dài đồng đều. Các chiến lược hợp kim cho thép TRIP (Độ dẻo do biến dạng) sử dụng cacbon, mangan và silic để ổn định austenit giữ lại, cho phép làm cứng ứng suất do biến dạng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ảnh hưởng đáng kể đến hành vi biến dạng, với các hạt mịn hơn làm tăng giới hạn chảy theo mối quan hệ Hall-Petch nhưng có khả năng làm giảm độ giãn dài đồng đều. Phân bố pha trong thép đa pha quyết định phân chia biến dạng—các pha mềm hơn như ferit chịu được nhiều biến dạng hơn các pha cứng hơn như martensite. Làm cứng kết tủa hạn chế chuyển động sai lệch, làm tăng giới hạn chảy trong khi có khả năng làm giảm độ dẻo. Kết cấu tinh thể từ quá trình xử lý tạo ra phản ứng biến dạng dị hướng, với khả năng biến dạng thường khác nhau giữa các hướng cán, ngang và độ dày. Mật độ sai lệch ảnh hưởng đến hành vi làm cứng biến dạng, với mật độ sai lệch ban đầu cao hơn thường dẫn đến tốc độ làm cứng thấp hơn.

Xử lý ảnh hưởng

Các thông số cán nóng ảnh hưởng đến quá trình kết tinh lại austenit và các sản phẩm biến đổi tiếp theo, ảnh hưởng đến các đặc tính ứng suất cuối cùng. Cán nguội tạo ra quá trình làm cứng và kết cấu tinh thể, tạo ra phản ứng ứng suất dị hướng. Các điều kiện ủ xác định khả năng phục hồi, kết tinh lại và sự phát triển của hạt, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ứng suất. Tốc độ làm nguội được kiểm soát sau khi cán nóng cho phép các quá trình biến đổi pha cụ thể và tinh chỉnh cấu trúc vi mô giúp tối ưu hóa các kết hợp độ bền-độ dẻo. Quá trình khử cacbon bề mặt có thể tạo ra các vùng cục bộ có các hành vi ứng suất khác nhau. Ứng suất dư từ các quy trình sản xuất làm thay đổi sự phân bố ứng suất hiệu quả khi chịu tải.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hành vi biến dạng, với nhiệt độ tăng thường làm tăng độ dẻo nhưng làm giảm độ bền cho đến khi đạt đến nhiệt độ kết tinh lại. Nhiệt độ đông lạnh thường làm giảm độ dẻo trong khi làm tăng độ bền ở hầu hết các loại thép. Tiếp xúc với hydro có thể làm giảm đáng kể độ dẻo thông qua các cơ chế giòn hydro, đặc biệt là ở các loại thép có độ bền cao. Môi trường ăn mòn có thể gây ra nứt ăn mòn ứng suất dưới tác động biến dạng đồng thời và tấn công hóa học. Độ nhạy tốc độ biến dạng tăng ở nhiệt độ cao và tốc độ biến dạng rất cao, với quá trình lão hóa biến dạng động xảy ra ở các chế độ tốc độ biến dạng-nhiệt độ cụ thể.

Phương pháp cải tiến

Quá trình tinh chế hạt thông qua quá trình xử lý nhiệt cơ học được kiểm soát cải thiện cả độ bền và độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì độ dẻo hợp lý. Làm cứng kết tủa với các hạt nano cung cấp độ bền trong khi vẫn duy trì khả năng chịu ứng suất thích hợp. Các cơ chế TRIP (Độ dẻo do biến đổi) và TWIP (Độ dẻo do kết tinh) cho phép kết hợp độ bền và độ dẻo đặc biệt thông qua các cấu trúc vi mô siêu bền được kiểm soát. Các phương pháp xử lý biến đổi Bainitic tạo ra các cấu trúc vi mô ở quy mô nhỏ với khả năng chịu ứng suất tuyệt vời so với mức độ bền của chúng. Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm cacbon tạo ra ứng suất bề mặt nén có lợi giúp tăng cường khả năng chống mỏi và khả năng chịu ứng suất biểu kiến.

8. Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Đường cong ứng suất-biến dạng biểu thị mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng và biến dạng kết quả, được đặc trưng bởi vùng đàn hồi, điểm giới hạn chảy, vùng biến dạng cứng và vùng thắt cổ chai. Biến dạng đàn hồi mô tả biến dạng có thể phục hồi xảy ra bên dưới điểm giới hạn chảy. Biến dạng dẻo đề cập đến biến dạng vĩnh viễn vượt quá giới hạn đàn hồi. Biến dạng cứng (biến dạng làm việc cứng) mô tả khả năng chống biến dạng tăng lên khi biến dạng dẻo tăng. Tốc độ biến dạng định lượng sự phụ thuộc thời gian của biến dạng, được thể hiện dưới dạng thay đổi biến dạng trên một đơn vị thời gian. Năng lượng biến dạng biểu thị năng lượng được lưu trữ trong vật liệu thông qua biến dạng đàn hồi. Tỷ lệ Poisson liên hệ sự co ngang với sự giãn dài theo chiều dọc dưới ứng suất đơn trục.

Tiêu chuẩn chính

ASTM E8/E8M "Phương pháp thử tiêu chuẩn để thử độ bền kéo của vật liệu kim loại" thiết lập các quy trình để xác định giới hạn chảy, độ bền kéo, độ giãn dài và giảm diện tích dưới lực kéo đơn trục. ISO 6892 "Vật liệu kim loại — Thử độ bền kéo" cung cấp các phương pháp được quốc tế hài hòa để xác định các tính chất cơ học dưới tải kéo. ASTM E646 "Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định số mũ làm cứng biến dạng kéo (giá trị n) của vật liệu tấm kim loại" chuẩn hóa các quy trình để xác định số mũ làm cứng biến dạng quan trọng đối với các hoạt động tạo hình tấm kim loại. ASTM E1820 "Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo độ bền gãy" kết hợp các phép đo biến dạng để xác định các thông số gãy quan trọng. SAE J2340 "Phân loại và tính chất của thép tấm ô tô chống móp, cường độ cao và siêu cường độ" định nghĩa các yêu cầu về tính chất dựa trên biến dạng cho các ứng dụng ô tô.

Xu hướng phát triển

Các kỹ thuật đo biến dạng tiên tiến đang phát triển theo hướng các phương pháp tại chỗ, thời gian thực có khả năng nắm bắt các biến thể biến dạng cục bộ ở nhiều thang đo. Tương quan hình ảnh kỹ thuật số ngày càng được tích hợp với các hệ thống giám sát quy trình để phản hồi biến dạng theo thời gian thực trong quá trình sản xuất. Các phương pháp tính toán đang tiến triển để dự đoán hiện tượng cục bộ biến dạng thông qua tính dẻo của tinh thể và các phương pháp mô hình hóa đa thang đo. Các phương pháp thiết kế dựa trên biến dạng đang thay thế các phương pháp dựa trên ứng suất truyền thống cho các ứng dụng quan trọng đòi hỏi kiểm soát biến dạng chính xác hơn. Các mô hình làm cứng biến dạng phụ thuộc vào cấu trúc vi mô đang được phát triển để nắm bắt tốt hơn các hành vi vật liệu phức tạp trong thép cường độ cao tiên tiến. Các thiết kế thép tăng cường biến dạng mới khai thác hiện tượng biến đổi và kết tinh để đạt được sự kết hợp chưa từng có về độ bền và độ dẻo. Các kỹ thuật đánh giá không phá hủy đang nổi lên để đánh giá lịch sử biến dạng tích lũy trong các thành phần đang hoạt động mà không cần phải tháo dỡ hoặc phá hủy.