Làm việc nóng: Biến đổi thép ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Gia công nóng là quá trình tạo hình kim loại được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại của vật liệu, thường ở mức 50-60% điểm nóng chảy trên thang nhiệt độ tuyệt đối. Quá trình gia công ở nhiệt độ cao này làm giảm đáng kể lực cần thiết để biến dạng kim loại đồng thời cho phép phục hồi động và kết tinh lại xảy ra trong quá trình biến dạng.

Gia công nóng là phương pháp sản xuất cơ bản trong ngành thép, cho phép sản xuất các thành phần kết cấu lớn với các đặc tính cơ học được cải thiện. Quá trình này biến đổi cấu trúc đúc thô, dạng cây và thường tách biệt thành cấu trúc rèn với các hạt mịn hơn, đồng đều hơn.

Trong ngành luyện kim, gia công nóng đóng vai trò quan trọng giữa quá trình luyện thép chính và các bước xử lý tiếp theo, đóng vai trò là phương pháp chính để phá vỡ các cấu trúc đúc và tạo nền tảng cho các hoạt động gia công nguội, xử lý nhiệt và hoàn thiện tiếp theo.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, gia công nóng liên quan đến việc tạo ra và di chuyển các vị trí sai lệch trong toàn bộ mạng tinh thể của thép. Nhiệt độ cao cung cấp đủ năng lượng nhiệt để các nguyên tử khuếch tán nhanh chóng, cho phép các vị trí sai lệch leo lên và trượt ngang qua các chướng ngại vật thay vì tích tụ.

Khi biến dạng tiến triển, các vùng có mật độ trật khớp cao tạo thành các hạt phụ cuối cùng phát triển thành các hạt mới không biến dạng thông qua quá trình kết tinh lại động. Sự hình thành liên tục của các hạt mới này ngăn cản quá trình làm cứng quá mức và duy trì độ dẻo của vật liệu trong suốt quá trình tạo hình.

Nhiệt độ cao cũng cho phép các quá trình kiểm soát khuếch tán có thể hòa tan chất kết tủa, giảm sự phân tách hóa học và chữa lành các khuyết tật bên trong như lỗ xốp hoặc lỗ co ngót có trong cấu trúc đúc.

Mô hình lý thuyết

Tham số Zener-Hollomon ($Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$) đóng vai trò là mô hình lý thuyết chính cho quá trình gia công nóng, liên quan đến tốc độ biến dạng ($\dot{\varepsilon}$), nhiệt độ biến dạng ($T$), năng lượng hoạt hóa ($Q$) và hằng số khí ($R$). Tham số này nắm bắt hiệu quả các tác động kết hợp của nhiệt độ và tốc độ biến dạng lên hành vi biến dạng.

Sự hiểu biết về gia công nóng đã phát triển đáng kể từ các phương pháp tiếp cận thực nghiệm ban đầu trong ngành gia công kim loại cổ đại cho đến các nghiên cứu khoa học vào đầu thế kỷ 20. Công trình quan trọng của Zener, Hollomon và Sellars đã thiết lập nên khuôn khổ xử lý nhiệt cơ học tiếp tục hướng dẫn thực hành hiện đại.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm các phương trình cấu thành như phương trình kiểu Arrhenius, mô hình Johnson-Cook và nhiều mô hình ứng suất dòng chảy khác nhau nhằm mục đích dự đoán hành vi vật liệu trong các điều kiện làm việc nóng khác nhau.

Cơ sở khoa học vật liệu

Làm nóng ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể bằng cách phá vỡ các hạt hình trụ đúc sẵn và thúc đẩy sự hình thành các hạt đẳng trục thông qua quá trình kết tinh lại. Các ranh giới hạt trở nên nhiều hơn và phân bố đồng đều, tăng cường các đặc tính vật liệu tổng thể.

Quá trình này làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt, giảm sự phân tách, phá vỡ các thanh dầm tạp chất và phân phối các hạt pha thứ hai đồng đều hơn. Những thay đổi này cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và tính đẳng hướng.

Các nguyên lý cơ bản của cơ học khuếch tán, cơ học trật khớp và động học chuyển pha chi phối hành vi làm việc nóng, khiến nó trở thành ví dụ điển hình về cách xử lý nhiệt cơ học có thể được sử dụng để thiết kế các tính chất vật liệu.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Ứng suất chảy trong quá trình gia công nóng có thể được biểu thị như sau:

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

Trong đó $\sigma$ là ứng suất chảy, $K$ là hằng số vật liệu, $\dot{\varepsilon}$ là tốc độ biến dạng, $m$ là độ nhạy tốc độ biến dạng, $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho biến dạng nóng, $R$ là hằng số khí và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Công thức tính toán liên quan

Tham số Zener-Hollomon liên quan đến nhiệt độ và hiệu ứng tốc độ biến dạng:

$$Z = \dot{\varepsilon} \exp(Q/RT)$$

Kích thước hạt thu được từ quá trình gia công nóng có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$d = AZ^{-n}$$

Trong đó $d$ là kích thước hạt kết tinh lại, $A$ là hằng số vật liệu và $n$ là số mũ kích thước hạt (thường là 0,15-0,25 đối với thép).

Các công thức này giúp các nhà luyện kim dự đoán hành vi vật liệu trong quá trình gia công nóng công nghiệp và thiết kế các thông số xử lý phù hợp.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình này thường có giá trị khi quá trình xử lý diễn ra ở nhiệt độ trên nhiệt độ kết tinh lại nhưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ gây ra quá trình oxy hóa quá mức hoặc bắt đầu nóng chảy (thường là 0,5-0,85 điểm nóng chảy theo thang đo tuyệt đối).

Các phương trình giả định biến dạng đồng nhất và có thể không dự đoán chính xác hành vi gần bề mặt, cạnh hoặc ở những vùng có độ dốc biến dạng nghiêm trọng hoặc gia nhiệt cục bộ.

Hầu hết các mô hình làm việc nóng đều giả định biến dạng ở trạng thái ổn định và có thể không nắm bắt được các hành vi tạm thời trong quá trình biến dạng ban đầu hoặc những thay đổi về đường biến dạng thường gặp trong các quy trình công nghiệp.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E209: Thực hành tiêu chuẩn cho các thử nghiệm nén vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao với tốc độ gia nhiệt thông thường hoặc nhanh và tốc độ biến dạng. Tiêu chuẩn này bao gồm các quy trình xác định ứng suất chảy trong quá trình nén nóng.

ISO 6892-2: Vật liệu kim loại - Thử nghiệm kéo ở nhiệt độ cao. Tiêu chuẩn này cung cấp các phương pháp đánh giá các đặc tính kéo trong điều kiện làm việc nóng.

ASTM E1269: Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định nhiệt dung riêng bằng phép đo nhiệt lượng quét vi sai. Phương pháp này giúp xác định các đặc tính nhiệt liên quan đến gia công nóng.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Các máy mô phỏng nhiệt cơ học Gleeble thường được sử dụng để mô phỏng các điều kiện làm việc nóng trong công nghiệp trong môi trường phòng thí nghiệm. Các hệ thống này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác nhiệt độ, độ biến dạng và tốc độ biến dạng trong khi đo phản ứng lực.

Máy thử xoắn nóng áp dụng biến dạng xoắn ở nhiệt độ cao, cho phép tạo ra các biến dạng lớn mà không gặp phải các biến chứng về ma sát hoặc uốn cong như trong các thử nghiệm nén.

Đặc tính nâng cao thường sử dụng nhiễu xạ tia X synchrotron tại chỗ hoặc nhiễu xạ neutron để quan sát sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình làm việc nóng mô phỏng.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử nén nóng tiêu chuẩn thường có hình trụ với tỷ lệ chiều cao trên đường kính từ 1,5:1 đến 2:1, với kích thước đường kính từ 10-15mm.

Việc chuẩn bị bề mặt phải đảm bảo tính song song giữa các mặt chịu nén và không có khuyết tật bề mặt có thể gây nứt trong quá trình thử nghiệm.

Mẫu vật phải không bị ảnh hưởng bởi lịch sử biến dạng trước đó trừ khi nghiên cứu cụ thể quá trình xử lý nhiều giai đoạn và phải thể hiện được thành phần và cấu trúc của vật liệu khối.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ thử nghiệm thường dao động từ ngay trên mức kết tinh lại (khoảng 0,5Tm) đến dưới mức nóng chảy ban đầu (khoảng 0,85Tm), đối với thép cacbon có nghĩa là khoảng 900-1250°C.

Tốc độ biến dạng trong thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thường nằm trong khoảng từ 0,001 đến 100 giây⁻¹, với các quy trình công nghiệp thường hoạt động trong khoảng từ 0,1 đến 50 giây⁻¹.

Môi trường bảo vệ hoặc điều kiện chân không thường được yêu cầu để ngăn ngừa quá trình oxy hóa hoặc khử cacbon quá mức trong quá trình thử nghiệm ở nhiệt độ cao.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực-biến dạng được chuyển đổi thành đường cong ứng suất-biến dạng thực bằng cách sử dụng các mối quan hệ chuẩn có tính đến sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang trong quá trình biến dạng.

Nhiều thử nghiệm ở nhiệt độ và tốc độ biến dạng khác nhau được phân tích để phát triển các phương trình cấu thành mô tả hành vi vật liệu trong các điều kiện xử lý.

Dữ liệu đường cong dòng chảy thường được khớp với các mô hình cấu thành bằng cách sử dụng phương pháp phân tích hồi quy hoặc mạng nơ-ron để trích xuất hằng số vật liệu nhằm mô phỏng quy trình.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi nhiệt độ làm việc điển hình (°C)	Phạm vi ứng suất dòng chảy điển hình (MPa)	Tốc độ biến dạng được khuyến nghị (s⁻¹)	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1020)	900-1200	50-150	0,1-10	Tiêu chuẩn ASTM A1011
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	850-1150	80-200	0,1-5	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép không gỉ (304)	950-1200	100-250	0,01-1	Tiêu chuẩn ASTMA240
Thép công cụ (H13)	1050-1200	150-300	0,01-0,5	Tiêu chuẩn ASTMA681

Giá trị ứng suất dòng chảy thay đổi đáng kể theo nhiệt độ, nhiệt độ cao hơn thường dẫn đến ứng suất dòng chảy thấp hơn trong mỗi phạm vi phân loại.

Cửa sổ xử lý thu hẹp lại đối với các hợp kim có hàm lượng cacbon hoặc hợp kim cao hơn do nhiệt độ rắn thấp hơn và hành vi kết tủa phức tạp hơn.

Có một xu hướng rõ ràng là ứng suất chảy cao hơn và cửa sổ xử lý hẹp hơn khi hàm lượng hợp kim tăng lên, đòi hỏi thiết bị mạnh hơn và kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến ứng suất dòng chảy phụ thuộc vào nhiệt độ khi tính toán kích thước thiết bị cho các hoạt động làm việc nóng, thường thiết kế cho tải trọng cực đại với hệ số an toàn là 1,3-1,5.

Hành vi dòng chảy vật liệu trong quá trình gia công nóng ảnh hưởng đến thiết kế khuôn, cần cân nhắc đến kiểu dòng chảy kim loại, quá trình lấp đầy khuôn và khả năng hình thành khuyết tật tiềm ẩn, đòi hỏi phải mô phỏng và xác nhận cẩn thận.

Khả năng gia công nóng thường trở thành yếu tố hạn chế trong việc lựa chọn vật liệu cho các bộ phận cần tạo hình đáng kể, đôi khi đòi hỏi phải đánh đổi giữa các đặc tính dịch vụ lý tưởng và tính khả thi trong sản xuất.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Cán nóng là quy trình gia công nóng có khối lượng lớn nhất, sản xuất hơn 1,8 tỷ tấn thép mỗi năm trên toàn thế giới phục vụ cho các ứng dụng xây dựng, ô tô và sản xuất nói chung.

Các quy trình rèn sử dụng phương pháp gia công nóng để sản xuất các thành phần quan trọng cho ngành hàng không vũ trụ, ô tô và phát điện, nơi tính toàn vẹn cao và tính chất định hướng là điều cần thiết.

Quá trình đùn và sản xuất ống/ống dẫn dựa vào phương pháp gia công nóng để tạo ra các sản phẩm dài có mặt cắt ngang đồng đều và cấu trúc vi mô được kiểm soát cho các ứng dụng dầu khí, xây dựng và vận tải.

Đánh đổi hiệu suất

Gia công nóng giúp cải thiện độ dẻo của vật liệu nhưng thường làm giảm chất lượng bề mặt do quá trình oxy hóa, thoát cacbon và khả năng hình thành khuyết tật ở nhiệt độ cao.

Trong khi nhiệt độ cao làm giảm lực tạo hình cần thiết, chúng cũng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, tăng tốc độ mài mòn dụng cụ và có thể thúc đẩy sự phát triển của hạt không mong muốn nếu quá trình làm mát không được kiểm soát đúng cách.

Việc tối ưu hóa các thông số làm việc nóng thường liên quan đến việc cân bằng năng suất (ưu tiên nhiệt độ cao hơn và tốc độ nhanh hơn) với khả năng kiểm soát cấu trúc vi mô (ưu tiên nhiệt độ thấp hơn và tốc độ biến dạng vừa phải hơn).

Phân tích lỗi

Hiện tượng nứt bề mặt trong quá trình gia công nóng thường là kết quả của tốc độ biến dạng quá mức ở nhiệt độ gần mức thấp của phạm vi gia công nóng, đặc biệt là trong các hợp kim có độ dẻo nóng hạn chế.

Nứt bên trong hoặc hình thành lỗ rỗng có thể xảy ra do trạng thái ứng suất kéo trong quá trình biến dạng, đặc biệt là ở những vật liệu có tạp chất có điểm nóng chảy thấp hoặc vùng tách biệt.

Những rủi ro hỏng hóc này có thể được giảm thiểu thông qua việc kiểm soát nhiệt độ cẩn thận, lập lịch trình xử lý thích hợp để hạn chế biến dạng trên mỗi lần xử lý và các phương pháp luyện kim để cải thiện độ dẻo nóng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hành vi làm việc nóng, với mức carbon cao hơn thường làm giảm phạm vi nhiệt độ làm việc và tăng ứng suất chảy ở nhiệt độ tương đương.

Các nguyên tố còn sót lại như lưu huỳnh, phốt pho và đồng có thể làm giảm đáng kể khả năng gia công nóng bằng cách hình thành các pha có điểm nóng chảy thấp tại ranh giới hạt, thúc đẩy quá trình nứt và giòn khi nóng.

Các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi, titan và vanadi có thể được sử dụng một cách chiến lược để kiểm soát quá trình kết tinh lại và sự phát triển của hạt trong quá trình gia công nóng thông qua hiệu ứng kết tủa.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu ảnh hưởng đến hành vi làm việc nóng, với cấu trúc ban đầu mịn hơn thường mang lại khả năng làm việc tốt hơn và biến dạng đồng đều hơn.

Sự phân bố pha đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là trong thép nhiều pha, trong đó lượng tương đối và hình thái của ferit, austenit hoặc cacbua ảnh hưởng đến hành vi chảy.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là những tạp chất vẫn ở trạng thái rắn ở nhiệt độ làm việc, có thể hoạt động như chất tập trung ứng suất và gây nứt trong quá trình biến dạng.

Xử lý ảnh hưởng

Tốc độ gia nhiệt và thời gian ngâm trước khi biến dạng ảnh hưởng đến tính đồng nhất của nhiệt độ và độ hòa tan của kết tủa, tác động trực tiếp đến khả năng làm việc.

Trình tự biến dạng, bao gồm độ biến dạng trên mỗi lần gia công, thời gian giữa các lần gia công và độ giảm tổng thể, kiểm soát sự cân bằng giữa cơ chế làm cứng khi gia công và cơ chế làm mềm động.

Tốc độ làm nguội sau khi gia công nóng quyết định quá trình kết tinh lại có tiếp tục tĩnh tại hay không và ảnh hưởng đến quá trình kết tủa, cuối cùng ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến quá trình làm lạnh khuôn và sự thay đổi nhiệt độ bên trong phôi, đặc biệt quan trọng đối với các thành phần lớn hoặc các phần mỏng.

Độ ẩm và điều kiện khí quyển ảnh hưởng đến tốc độ oxy hóa và hình thành cặn, có thể ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác về kích thước.

Hiệu quả của chất bôi trơn thay đổi theo nhiệt độ, tác động đến ma sát, dòng chảy kim loại và độ mài mòn khuôn trong quá trình làm việc ở nhiệt độ cao.

Phương pháp cải tiến

Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) kết hợp biến dạng và làm mát được kiểm soát cẩn thận để tối ưu hóa cả khả năng gia công trong quá trình xử lý và cấu trúc vi mô cuối cùng.

Quá trình giám sát tiên tiến sử dụng hình ảnh nhiệt, cảm biến tải và phép đo kích thước cho phép điều chỉnh các thông số quy trình theo thời gian thực để phù hợp với những thay đổi về vật liệu.

Mô phỏng máy tính sử dụng phân tích phần tử hữu hạn với các mô hình vi cấu trúc tích hợp cho phép tối ưu hóa quy trình trước khi thử nghiệm vật lý, giảm thời gian và chi phí phát triển.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Kết tinh động là quá trình hình thành các hạt mới, không bị biến dạng trong quá trình biến dạng ở nhiệt độ cao, một cơ chế vi cấu trúc quan trọng cho phép gia công nóng.

Xử lý nhiệt cơ bao gồm lĩnh vực rộng hơn về biến dạng có kiểm soát và xử lý nhiệt để thiết kế cấu trúc vi mô và tính chất.

Khả năng gia công nóng mô tả khả năng vật liệu biến dạng ở nhiệt độ cao mà không phát triển khuyết tật, xét đến cả các yếu tố vật liệu nội tại và các điều kiện quy trình.

Các thuật ngữ này cùng nhau mô tả các hiện tượng luyện kim tạo nên và là kết quả của các hoạt động gia công nóng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1109: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép, dải, cacbon, cán nóng đưa ra các yêu cầu đối với các sản phẩm thép cán nóng.

ISO 4990: Đúc thép - Yêu cầu chung về giao hàng kỹ thuật bao gồm các hướng dẫn về gia công nóng thép đúc.

EN 10025: Sản phẩm thép kết cấu cán nóng quy định các yêu cầu của Châu Âu đối với các sản phẩm thép kết cấu cán nóng.

Các tiêu chuẩn khác nhau thường khác nhau về khuyến nghị nhiệt độ cụ thể và tiêu chí chất lượng đối với các sản phẩm gia công nóng.

Xu hướng phát triển

Các kỹ thuật phân tích đặc tính tại chỗ tiên tiến sử dụng bức xạ synchrotron và nhiễu xạ neutron cho phép quan sát thời gian thực quá trình tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình gia công nóng.

Các mô hình tính toán kết hợp trí tuệ nhân tạo và máy học đang cải thiện độ chính xác của dự đoán cho các quy trình gia công nóng phức tạp trên nhiều thành phần thép khác nhau.

Các quy trình xử lý kết hợp giữa gia công nóng với các kỹ thuật mới như biến dạng dẻo mạnh hoặc đông đặc nhanh đang mở rộng phạm vi tính chất có thể đạt được cho các sản phẩm thép đặc biệt.