Cán nóng: Quy trình tạo hình thép cơ bản và ứng dụng của nó

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Cán nóng là một quá trình gia công kim loại liên quan đến việc biến dạng dẻo thép ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại của nó, thường là từ 900°C đến 1200°C. Quá trình nhiệt cơ học này đồng thời định hình thép và tinh chỉnh cấu trúc vi mô của nó, tạo ra sự kết hợp đặc trưng của các tính chất cơ học và bề mặt hoàn thiện. Cán nóng là một trong những hoạt động tạo hình chính cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp thép, đóng vai trò là liên kết quan trọng giữa thép đúc và các sản phẩm hoàn thiện hoặc bán thành phẩm.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, cán nóng đóng vai trò then chốt vì nó biến đổi cấu trúc dạng cây của thép đúc thành cấu trúc vi mô đồng nhất hơn, được rèn với các đặc tính cơ học được cải thiện. Quy trình này tận dụng tính dẻo tăng cường của thép ở nhiệt độ cao để đạt được biến dạng đáng kể với yêu cầu lực tương đối thấp so với các quy trình gia công nguội.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, cán nóng minh họa mối quan hệ phức tạp giữa quá trình gia công, cấu trúc và tính chất. Nó chứng minh cách biến dạng được kiểm soát ở các chế độ nhiệt độ cụ thể có thể thao túng các đặc điểm cấu trúc vi mô như kích thước hạt, kết cấu và phân bố pha để thiết kế các đặc tính vật liệu mong muốn cho các ứng dụng hạ nguồn.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, cán nóng gây ra biến dạng dẻo đáng kể thông qua chuyển động lệch trong mạng tinh thể của thép. Nhiệt độ cao cung cấp đủ năng lượng nhiệt để lệch vượt qua các rào cản thông qua các quá trình được kích hoạt bằng nhiệt như trượt ngang và leo. Đồng thời, các quá trình phục hồi động và kết tinh lại xảy ra, trong đó các hạt không biến dạng mới hình thành và phát triển, tiêu thụ cấu trúc bị biến dạng.

Biến dạng và kết tinh lại đồng thời dẫn đến tinh chế hạt, phá vỡ các hạt hình cột thô đặc trưng của cấu trúc đúc thành các hạt đồng trục mịn hơn. Sự biến đổi này xảy ra thông qua các cơ chế phục hồi động, kết tinh lại động và kết tinh lại siêu động, tùy thuộc vào các điều kiện biến dạng cụ thể và thành phần thép.

Động học kết tủa cũng được tăng tốc trong quá trình cán nóng, cho phép hình thành có kiểm soát các kết tủa hợp kim hóa nhỏ có thể ghim ranh giới hạt và sự sai lệch. Cơ chế tăng cường kết tủa này góp phần đáng kể vào các tính chất cơ học cuối cùng của các sản phẩm thép cán nóng.

Mô hình lý thuyết

Khung lý thuyết chính mô tả cán nóng dựa trên các mô hình gia công cơ nhiệt tích hợp lý thuyết biến dạng dẻo với động học kết tinh lại. Tham số Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$) đóng vai trò là tham số cơ bản, kết hợp tốc độ biến dạng ($\dot{\varepsilon}$), nhiệt độ biến dạng ($T$), năng lượng hoạt hóa ($Q$) và hằng số khí ($R$) để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô.

Hiểu biết lịch sử về cán nóng đã phát triển từ kiến ​​thức thủ công thực nghiệm thành các nguyên tắc khoa học vào đầu thế kỷ 20. Những tiến bộ đáng kể đã diễn ra vào những năm 1960 và 1970 với sự phát triển của các phương pháp cán có kiểm soát dựa trên các lý thuyết kết tinh lại và kết tủa.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cho cơ học biến dạng, máy tự động tế bào và mô hình trường pha cho quá trình tiến hóa vi cấu trúc, và khuôn khổ kỹ thuật vật liệu tính toán tích hợp (ICME) liên kết các thông số xử lý với các đặc tính cuối cùng thông qua mô hình đa tỷ lệ.

Cơ sở khoa học vật liệu

Cán nóng ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc tinh thể của thép bằng cách tạo ra kết cấu tinh thể học—hướng ưu tiên của mạng tinh thể—tạo ra các tính chất cơ học dị hướng. Quá trình này cũng ảnh hưởng đến các đặc điểm ranh giới hạt, biến đổi các ranh giới góc cao ngẫu nhiên thành các cấu hình chuyên biệt hơn ảnh hưởng đến hành vi cơ học.

Sự tiến hóa về cấu trúc vi mô trong quá trình cán nóng phụ thuộc vào năng lượng đứt gãy xếp chồng, quyết định mức độ dễ trượt ngang và leo của các vị trí sai lệch. Trong các vật liệu có năng lượng đứt gãy xếp chồng thấp, quá trình kết tinh lại động chiếm ưu thế, trong khi các vật liệu có năng lượng đứt gãy xếp chồng cao chủ yếu trải qua quá trình phục hồi động.

Cán nóng minh họa mối quan hệ giữa chế biến-cấu trúc-tính chất là cốt lõi của khoa học vật liệu. Biến dạng được kiểm soát ở nhiệt độ cao thiết lập một cấu trúc vi mô cụ thể (kích thước hạt, phân bố pha, mật độ sai lệch) xác định trực tiếp các tính chất cơ học (độ bền, độ dẻo, độ dai) của sản phẩm cuối cùng.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Phương trình cơ bản chi phối biến dạng trong quá trình cán nóng là phương trình ứng suất chảy:

$$\sigma = K \varepsilon^n \dot{\varepsilon}^m \exp(Q/RT)$$

Ở đâu:
- $\sigma$ biểu thị ứng suất chảy (MPa)
- $K$ là hệ số cường độ (hằng số phụ thuộc vào vật liệu)
- $\varepsilon$ là biến dạng thực sự
- $n$ là số mũ làm cứng biến dạng
- $\dot{\varepsilon}$ là tốc độ biến dạng (s⁻¹)
- $m$ là số mũ độ nhạy tốc độ biến dạng
- $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho biến dạng (J/mol)
- $R$ là hằng số khí phổ biến (8,314 J/mol·K)
- $T$ là nhiệt độ tuyệt đối (K)

Công thức tính toán liên quan

Lực lăn có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$F = w \cdot L \cdot \bar{p}$$

Ở đâu:
- $F$ là lực lăn (N)
- $w$ là chiều rộng của phôi (mm)
- $L$ là chiều dài dự kiến ​​của tiếp xúc (mm)
- $\bar{p}$ là áp suất lăn trung bình (MPa)

Độ giảm độ dày trong quá trình cán nóng được thể hiện như sau:

$$d = h_0 - h_1$$

Ở đâu:
- $d$ là độ mớn nước (mm)
- $h_0$ là độ dày đầu vào (mm)
- $h_1$ là độ dày đầu ra (mm)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại của loại thép cụ thể, thường là 0,6 lần nhiệt độ nóng chảy tính theo Kelvin. Dưới nhiệt độ này, các cơ chế biến dạng khác nhau chiếm ưu thế.

Các mô hình giả định sự biến dạng đồng nhất và phân bố nhiệt độ, điều này có thể không đúng đối với hình học phức tạp hoặc quá trình cán tốc độ cao, nơi mà quá trình gia nhiệt đoạn nhiệt trở nên đáng kể. Các hiệu ứng cạnh và biến thiên ma sát trên vết cắn cán cũng được đơn giản hóa.

Hầu hết các mô hình toán học đều giả định các điều kiện trạng thái ổn định và bỏ qua các hiện tượng tạm thời trong quá trình tăng tốc, giảm tốc hoặc thay đổi thước đo của máy nghiền. Ngoài ra, các mô hình này thường yêu cầu các hệ số thực nghiệm được xác định thông qua hiệu chuẩn thử nghiệm cho các loại thép cụ thể.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM A1018: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép, tấm và dải, cuộn dày, cán nóng, cacbon, thương mại, kéo, kết cấu, hợp kim thấp cường độ cao, hợp kim thấp cường độ cao với khả năng định hình được cải thiện và cường độ cực cao
• ISO 3574: Tấm thép cacbon cán nguội chất lượng thương mại và kéo
• ASTM E8/E8M: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để thử nghiệm độ căng của vật liệu kim loại
• ASTM E45: Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định hàm lượng tạp chất của thép

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Các đặc tính của thép cán nóng thường được đánh giá bằng máy thử vạn năng được trang bị máy đo độ giãn dài để đo mối quan hệ ứng suất-biến dạng. Các máy này áp dụng lực kéo hoặc nén được kiểm soát trong khi đo chính xác độ dịch chuyển và tải trọng.

Đặc tính cấu trúc vi mô thường sử dụng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) để phân tích kích thước hạt, phân bố pha và kết cấu tinh thể. Các kỹ thuật này dựa trên các nguyên tắc phản xạ ánh sáng, tương tác điện tử với vật chất và các mẫu nhiễu xạ.

Đặc tính nâng cao có thể bao gồm kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để xác định các đặc điểm ở thang độ nano, nhiễu xạ tia X (XRD) để đo ứng suất dư và chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử để lập bản đồ hóa học chính xác ở độ phân giải nguyên tử.

Yêu cầu mẫu

Mẫu kéo tiêu chuẩn tuân theo thông số kỹ thuật ASTM E8/E8M, thường có chiều dài đo là 50mm và kích thước mặt cắt ngang tỷ lệ với độ dày của tấm. Đối với tấm dày, mẫu tròn có đường kính 12,5mm là phổ biến.

Chuẩn bị bề mặt để thử nghiệm cơ học đòi hỏi phải gia công cẩn thận để tránh tạo ra ứng suất dư hoặc vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt. Đối với kiểm tra kim loại học, mẫu phải được cắt, lắp, mài, đánh bóng đến độ bóng gương và khắc bằng thuốc thử thích hợp (thường là dung dịch nital 2-5%).

Mẫu phải được lấy từ các vị trí chuẩn hóa bên trong sản phẩm cán nóng, tính đến các biến thể tiềm ẩn giữa vùng cạnh và vùng trung tâm, và phải được định hướng chính xác so với hướng cán.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra độ bền kéo tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) và độ ẩm tương đối dưới 90%. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, thử nghiệm có thể được thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc điều kiện đông lạnh.

Tốc độ biến dạng để thử nghiệm độ bền kéo của thép cán nóng thường nằm trong khoảng từ 0,001 đến 0,008 s⁻¹ như được chỉ định trong ASTM E8. Thử nghiệm va đập (Charpy) được tiến hành ở nhiệt độ chỉ định, thường bao gồm nhiệt độ phòng và nhiệt độ dưới 0 để xác định quá trình chuyển đổi từ dẻo sang giòn.

Các thông số thử độ cứng bao gồm thời gian áp dụng tải trọng (thường là 10-15 giây), loại đầu ấn (Brinell, Rockwell hoặc Vickers) và cường độ tải trọng (thường là 3000 kgf đối với thử nghiệm Brinell đối với thép cán nóng).

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực-biến dạng thô từ các thử nghiệm kéo được chuyển đổi thành các đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật bằng cách chia lực cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu và biến dạng cho chiều dài đo ban đầu. Các giá trị ứng suất-biến dạng thực được tính toán bằng cách sử dụng các kích thước tức thời.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy từ nhiều mẫu. Đối với kiểm soát chất lượng sản xuất, các phương pháp kiểm soát quy trình thống kê (SPC) theo dõi các biến động về đặc tính theo thời gian.

Giá trị tính chất cuối cùng được xác định theo các định nghĩa tiêu chuẩn: giới hạn chảy ở độ lệch 0,2%, giới hạn bền kéo cực đại ở tải trọng tối đa và độ giãn dài khi gãy được đo giữa các vạch chia độ.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (YS/UTS, MPa)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1010)	180-280 / 320-420	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM A1018
Thép HSLA (ASTM A572 Gr.50)	350-450 / 450-550	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM A1018
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	350-450 / 580-680	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM A1018
Thép Silic (Điện)	280-350 / 380-480	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTMA876

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu xuất phát từ sự khác biệt về hàm lượng carbon, các nguyên tố hợp kim vi mô, nhiệt độ hoàn thiện và tốc độ làm nguội. Hàm lượng carbon cao hơn thường làm tăng độ bền trong khi làm giảm độ dẻo trong mỗi lớp.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn lựa chọn vật liệu, với các đặc tính thực tế cần được xác minh thông qua thử nghiệm cho các ứng dụng quan trọng. Các kỹ sư thiết kế nên xem xét giới hạn dưới của phạm vi cường độ cho thiết kế bảo thủ trừ khi dữ liệu thống kê hỗ trợ các giá trị cao hơn.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo, với các loại thép có độ bền cao hơn thể hiện giá trị độ giãn dài thấp hơn. Mối quan hệ này tuân theo nguyên tắc luyện kim chung rằng các cơ chế tăng cường độ bền (kết tủa, tinh chế hạt) thường làm giảm độ dẻo.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp các đặc tính của thép cán nóng vào các tính toán thiết kế bằng cách sử dụng các hệ số an toàn thích hợp, thường là 1,5-2,0 cho cường độ chịu kéo trong các ứng dụng kết cấu. Các yếu tố này tính đến các biến thể đặc tính vật liệu, sự không chắc chắn về tải trọng và các cơ chế xuống cấp tiềm ẩn.

Khi thiết kế bằng thép cán nóng, phải xem xét các đặc tính định hướng (dị hướng) vì độ bền và độ dẻo thường khác nhau giữa các hướng cán và hướng ngang. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thành phần chịu trạng thái ứng suất đa trục.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng các đặc tính cơ học với khả năng định hình, khả năng hàn và cân nhắc về chi phí. Các sản phẩm cán nóng thường có lợi thế về chi phí và khả năng hàn tốt nhưng có thể có hạn chế về độ hoàn thiện bề mặt và dung sai kích thước so với các sản phẩm thay thế cán nguội.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành xây dựng sử dụng rộng rãi các hình dạng kết cấu cán nóng (dầm chữ I, kênh, góc) để xây dựng khung, cầu và các dự án cơ sở hạ tầng. Các ứng dụng này tận dụng tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao và hiệu quả về chi phí của thép cán nóng.

Sản xuất ô tô là một lĩnh vực ứng dụng chính khác, sử dụng tấm cán nóng cho các thành phần khung gầm, bánh xe và gia cố kết cấu. Các ứng dụng này đòi hỏi các đặc tính cơ học nhất quán kết hợp với khả năng định hình và hàn tốt.

Các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng bao gồm thép đường ống, bình chịu áp lực và các công trình ngoài khơi, trong đó các tấm cán nóng cung cấp sự kết hợp cần thiết giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn để đảm bảo an toàn và độ bền trong môi trường dịch vụ khắc nghiệt.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền và khả năng tạo hình thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong thép cán nóng. Các loại thép có độ bền cao hơn đạt được thông qua hàm lượng cacbon tăng hoặc hợp kim hóa vi mô thường cho thấy khả năng tạo hình giảm, đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận đối với các thành phần đòi hỏi cả độ bền và các hoạt động tạo hình phức tạp.

Độ bền và độ cứng là một sự đánh đổi phổ biến khác. Tăng độ cứng để chống mài mòn thường làm giảm độ bền va đập, tạo ra thách thức cho các ứng dụng tiếp xúc với cả điều kiện mài mòn và tải va đập.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua thiết kế hợp kim cẩn thận, các hoạt động cán có kiểm soát và đôi khi là xử lý nhiệt sau khi cán. Các kỹ thuật xử lý kiểm soát nhiệt cơ học hiện đại (TMCP) giải quyết cụ thể các sự đánh đổi này bằng cách tối ưu hóa cấu trúc vi mô.

Phân tích lỗi

Hỏng do mỏi là một chế độ hỏng phổ biến trong các thành phần cán nóng chịu tải theo chu kỳ. Nó thường bắt đầu ở các điểm tập trung ứng suất, khuyết tật bề mặt hoặc tạp chất, tiến triển qua giai đoạn bắt đầu nứt, phát triển vết nứt ổn định và giai đoạn gãy cuối cùng.

Nứt do hydro gây ra có thể xảy ra ở thép cán nóng cường độ cao tiếp xúc với môi trường chứa hydro. Cơ chế này liên quan đến sự khuếch tán hydro đến các vùng chịu ứng suất cao, gây ra hiện tượng giòn cục bộ và hình thành vết nứt sau đó.

Những rủi ro hỏng hóc này có thể được giảm thiểu thông qua việc cải thiện độ sạch của thép, giảm thiểu khuyết tật bề mặt, thiết kế phù hợp để giảm tập trung ứng suất và trong một số trường hợp, xử lý nhiệt sau khi cán để tối ưu hóa cấu trúc vi mô và giảm ứng suất dư.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon về cơ bản quyết định độ bền và độ cứng của thép cán nóng, với mỗi lần tăng 0,1% thường làm tăng độ bền kéo lên 50-80 MPa trong khi làm giảm độ dẻo. Tỷ lệ cacbon-mangan được kiểm soát cẩn thận để cân bằng độ bền, độ dẻo dai và khả năng hàn.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của thép cán nóng ngay cả ở nồng độ thấp. Phốt pho làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo dai, trong khi lưu huỳnh tạo thành tạp chất mangan sulfua có thể tạo ra tính chất cơ học dị hướng.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm hợp kim vi mô với lượng bổ sung nhỏ (0,01-0,1%) niobi, titan hoặc vanadi để tạo thành chất kết tủa mịn giúp kiểm soát quá trình kết tinh lại austenit và sự phát triển của hạt trong quá trình cán nóng, tăng cường cả độ bền và độ dẻo dai.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ảnh hưởng mạnh đến các tính chất cơ học theo mối quan hệ Hall-Petch, trong đó giới hạn chảy tăng theo tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của đường kính hạt. Các thông số cán nóng thường được thiết kế riêng để đạt được độ tinh chế hạt.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, với ferit cung cấp độ dẻo, peclit đóng góp độ bền và bainit cung cấp sự cân bằng trung gian. Tỷ lệ tương đối của các pha này được kiểm soát thông qua nhiệt độ hoàn thiện và tốc độ làm mát.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và là nơi có khả năng bắt đầu vết nứt, làm giảm khả năng chống mỏi và độ bền. Các phương pháp làm sạch thép hiện đại giảm thiểu hàm lượng tạp chất thông qua quá trình khử khí chân không, xử lý canxi và đông đặc có kiểm soát.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt, đặc biệt là chuẩn hóa sau khi cán nóng, có thể thay đổi đáng kể các tính chất bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt và đồng nhất hóa cấu trúc vi mô. Quá trình này thường làm tăng độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì mức độ bền hợp lý.

Các thông số làm việc cơ học, đặc biệt là tỷ lệ khử trên mỗi lần đi qua và khử tổng thể, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tinh chế hạt và phát triển kết cấu. Tỷ lệ khử cao hơn thường tạo ra cấu trúc hạt mịn hơn và kết cấu tinh thể mạnh hơn.

Tốc độ làm mát sau các lần cán cuối cùng quyết định quan trọng đến hành vi biến đổi pha. Làm mát nhanh có thể tạo ra các vi cấu trúc ferit bainit hoặc hình kim với sự kết hợp độ bền-độ dai được tăng cường so với làm mát bằng không khí thông thường tạo ra các cấu trúc ferit-pearlit.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của thép cán nóng, với độ bền kéo thường giảm 10-15% khi nhiệt độ tăng từ nhiệt độ phòng đến 300°C. Độ nhạy nhiệt độ này phải được xem xét đối với các thành phần hoạt động ở nhiệt độ cao.

Môi trường ăn mòn có thể làm giảm tính chất cơ học thông qua nhiều cơ chế khác nhau bao gồm giòn do hydro, nứt do ăn mòn ứng suất và ăn mòn nói chung. Thép chịu thời tiết cán nóng có chứa đồng và crom có ​​khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt hơn.

Các tác động môi trường phụ thuộc vào thời gian bao gồm lão hóa biến dạng, trong đó các nguyên tử xen kẽ (cacbon, nitơ) dần dần di chuyển đến các vị trí sai lệch, làm tăng độ bền kéo nhưng làm giảm độ dẻo. Hiện tượng này đặc biệt liên quan đến thép cacbon thấp cán nóng được lưu trữ trong thời gian dài.

Phương pháp cải tiến

Hợp kim vi mô là phương pháp luyện kim mạnh mẽ để tăng cường các đặc tính của thép cán nóng thông qua quá trình gia cường kết tủa và tinh chế hạt. Các chất bổ sung nhỏ niobi, titan hoặc vanadi tạo thành cacbua và nitrua kiểm soát quá trình kết tinh lại và sự phát triển của hạt.

Cán có kiểm soát kết hợp với làm mát tăng tốc (xử lý có kiểm soát nhiệt cơ học) cung cấp một phương pháp tiếp cận dựa trên xử lý để cải thiện tính chất. Kỹ thuật này quản lý chính xác nhiệt độ biến dạng, độ biến dạng và tốc độ làm mát để tối ưu hóa cấu trúc vi mô.

Những cân nhắc về thiết kế có thể tối ưu hóa hiệu suất bao gồm việc căn chỉnh đúng hướng tải với hướng lăn để có độ bền tối đa, giảm thiểu sự tập trung ứng suất và chỉ định các điều kiện bề mặt thích hợp để giảm thiểu sự xuất hiện vết nứt do mỏi.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Gia công kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) là kỹ thuật cán nóng tiên tiến kiểm soát chính xác nhiệt độ biến dạng, độ biến dạng và tốc độ làm mát để đạt được cấu trúc vi mô và tính chất cơ học tối ưu mà không cần xử lý nhiệt tiếp theo.

Cán có kiểm soát là phương pháp cán nóng trong đó nhiệt độ biến dạng và lịch trình khử được quản lý cẩn thận để kiểm soát quá trình kết tinh lại và chuyển đổi austenit, tạo ra cấu trúc hạt tinh tế hơn và cải thiện các tính chất cơ học.

Kết tinh lại là quá trình hình thành các hạt mới, không bị biến dạng trong cấu trúc vi mô bị biến dạng, xảy ra theo chiều động trong quá trình cán nóng hoặc theo chiều tĩnh trong quá trình ủ tiếp theo, ảnh hưởng cơ bản đến kích thước và kết cấu hạt cuối cùng.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh có mối liên hệ với nhau của công nghệ cán nóng hiện đại, thể hiện sự phát triển từ công nghệ cán nóng thông thường sang các phương pháp tinh vi hơn, giúp kiểm soát tốt hơn cấu trúc vi mô và tính chất.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1018/A1018M là tiêu chuẩn quốc tế chính quy định các yêu cầu đối với thép tấm và thép dải hợp kim thấp cường độ cao và cacbon cán nóng dạng cuộn, bao gồm thành phần hóa học, tính chất cơ học và dung sai kích thước.

EN 10025 là tiêu chuẩn châu Âu dành cho các sản phẩm thép kết cấu cán nóng, với các bộ phận khác nhau bao gồm nhiều loại thép và điều kiện giao hàng khác nhau, bao gồm điều kiện chuẩn hóa, cán nhiệt cơ và cán nguyên bản.

Các tiêu chuẩn này khác nhau về hệ thống phân loại, yêu cầu về tính chất và phương pháp thử nghiệm. Các tiêu chuẩn ASTM thường chỉ định các giá trị tính chất tối thiểu với phạm vi thành phần rộng hơn, trong khi các tiêu chuẩn EN thường cung cấp các giới hạn thành phần hẹp hơn với cả giá trị tính chất tối thiểu và tối đa.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào thép cán nóng có độ bền cực cao với khả năng định hình được cải thiện thông qua kỹ thuật vi cấu trúc tiên tiến, bao gồm vi cấu trúc đa pha và kỹ thuật ổn định austenit giữ lại.

Các công nghệ mới nổi bao gồm giám sát cấu trúc vi mô trực tuyến bằng kỹ thuật điện từ hoặc siêu âm, cho phép điều chỉnh các thông số cán theo thời gian thực dựa trên phản ứng thực tế của vật liệu thay vì theo lịch trình được xác định trước.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tăng cường tích hợp mô hình tính toán với kiểm soát quy trình, cho phép dự đoán và kiểm soát chính xác quá trình tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình cán nóng. Phương pháp này hứa hẹn các đặc tính nhất quán hơn, giảm sự phân tán đặc tính và tối ưu hóa hơn nữa sự cân bằng độ bền-dẻo.