Giảm ứng suất trong thép: Loại bỏ ứng suất dư để đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Giảm ứng suất là một quá trình xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại và hợp kim để giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư bên trong tích tụ trong quá trình sản xuất như đúc, tạo hình, gia công, hàn hoặc làm nguội. Quá trình này bao gồm việc nung nóng vật liệu đến nhiệt độ dưới điểm biến đổi quan trọng của nó, giữ ở nhiệt độ đó trong một thời gian xác định, sau đó làm nguội chậm để giảm thiểu sự phát triển của ứng suất mới.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, việc giảm ứng suất là rất quan trọng đối với độ ổn định kích thước, ngăn ngừa biến dạng và giảm nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất hoặc hỏng sớm trong quá trình sử dụng. Quá trình này thường không dẫn đến những thay đổi đáng kể đối với cấu trúc vi mô hoặc tính chất cơ học của vật liệu, phân biệt nó với các phương pháp xử lý nhiệt khác như ủ hoặc chuẩn hóa.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, giảm ứng suất chiếm vị trí quan trọng giữa các quy trình sản xuất chính và triển khai sản phẩm cuối cùng. Đây là bước kiểm soát chất lượng quan trọng đảm bảo tính toàn vẹn và hiệu suất lâu dài của các thành phần thép, đặc biệt là những thành phần có hình dạng phức tạp hoặc những thành phần phải chịu các hoạt động gia công chính xác.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, sự giải tỏa ứng suất xảy ra thông qua chuyển động trật khớp được kích hoạt bởi nhiệt và sự sắp xếp lại bên trong mạng tinh thể. Ứng suất dư tồn tại dưới dạng năng lượng biến dạng đàn hồi được lưu trữ trong cấu trúc tinh thể bị biến dạng của kim loại. Khi cung cấp đủ năng lượng nhiệt, các nguyên tử sẽ có được tính di động, cho phép các trật khớp leo lên và lướt.

Tính di động nguyên tử tăng lên này cho phép vật liệu trải qua biến dạng dẻo cục bộ tại các điểm tập trung ứng suất. Quá trình này tạo điều kiện cho việc phân phối lại ứng suất bên trong thông qua quá trình hủy vị trí, đa giác hóa (hình thành các hạt phụ) và các quá trình phục hồi hạn chế. Tuy nhiên, không giống như quá trình kết tinh lại, quá trình giảm ứng suất duy trì cấu trúc hạt ban đầu trong khi giảm năng lượng biến dạng bên trong.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả sự giải tỏa ứng suất dựa trên hoạt hóa nhiệt và tuân theo phương trình Arrhenius cho các quá trình tốc độ. Mô hình này liên hệ tốc độ giải tỏa ứng suất với nhiệt độ, năng lượng hoạt hóa và thời gian theo các nguyên tắc nhiệt động lực học và động học khuếch tán trạng thái rắn.

Theo truyền thống, hiểu biết về giải tỏa ứng suất đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm vào đầu thế kỷ 20 thành các mô hình tinh vi hơn vào những năm 1950. Các nghiên cứu ban đầu của các nhà nghiên cứu như Zener và Wert đã xác lập mối liên hệ giữa ma sát bên trong và sự giãn nở ứng suất trong kim loại.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán phân bố ứng suất dư và sự tiến triển của chúng trong quá trình xử lý nhiệt. Các mô hình nhớt đàn hồi và nhớt dẻo cũng được sử dụng để mô tả bản chất phụ thuộc thời gian của sự giãn ứng suất, đặc biệt đối với hình học phức tạp và phân bố nhiệt độ không đồng đều.

Cơ sở khoa học vật liệu

Giảm ứng suất có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể, với các cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) như trong thép ferritic thường thể hiện giảm ứng suất nhanh hơn so với các cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) được tìm thấy trong thép austenit. Các ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng vì chúng có thể hoạt động như cả nguồn và nơi chứa các sai lệch trong quá trình giảm ứng suất.

Cấu trúc vi mô của vật liệu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giảm ứng suất. Cấu trúc hạt mịn hơn thường tạo điều kiện giảm ứng suất nhanh hơn do diện tích ranh giới hạt lớn hơn có sẵn cho chuyển động trật khớp. Các hạt kết tủa và pha thứ hai có thể cản trở hoặc tăng cường giảm ứng suất tùy thuộc vào kích thước, sự phân bố và tính nhất quán của chúng với ma trận.

Quá trình này về cơ bản kết nối với các nguyên tắc phục hồi trong khoa học vật liệu, thể hiện sự phục hồi một phần các tính chất vật lý bị thay đổi do biến dạng dẻo, mà không tái tạo hoàn toàn cấu trúc vi mô xảy ra trong quá trình kết tinh lại.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Phương trình cơ bản mô tả sự giãn nở ứng suất trong quá trình giải phóng ứng suất tuân theo mô hình động học bậc nhất:

$$\sigma(t) = \sigma_0 \exp(-kt)$$

Trong đó $\sigma(t)$ là ứng suất dư tại thời điểm $t$, $\sigma_0$ là ứng suất dư ban đầu và $k$ là hằng số tốc độ giãn nở tuân theo mối quan hệ Arrhenius.

Công thức tính toán liên quan

Hằng số tốc độ thư giãn $k$ có thể được biểu thị bằng phương trình Arrhenius:

$$k = A \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Trong đó $A$ là hệ số tiền mũ, $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho cơ chế giảm ứng suất, $R$ là hằng số khí phổ quát và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Tham số Larson-Miller (LMP) thường được sử dụng để dự đoán hiệu quả giảm ứng suất trên các kết hợp thời gian-nhiệt độ khác nhau:

$$\text{LMP} = T(C + \log t)$$

Trong đó T là nhiệt độ (tính bằng Kelvin), t là thời gian (tính bằng giờ) và C là hằng số riêng của vật liệu, thường bằng khoảng 20 đối với nhiều loại thép.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này thường có giá trị đối với nhiệt độ từ 0,3 đến 0,5 nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (tính bằng Kelvin). Dưới phạm vi này, tính di động của nguyên tử không đủ để giảm ứng suất đáng kể, trong khi trên phạm vi này, có thể xảy ra những thay đổi về cấu trúc vi mô.

Các mô hình giả định sự phân bố nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ thành phần, điều này có thể không đúng đối với hình học lớn hoặc phức tạp. Chúng cũng giả định rằng vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, điều này có thể không áp dụng cho các vật liệu được gia công nhiều hoặc có kết cấu.

Các công thức này thường không tính đến các chuyển đổi pha hoặc phản ứng kết tủa có thể xảy ra đồng thời với quá trình giảm ứng suất ở một số nhiệt độ nhất định, có khả năng dẫn đến dự đoán không chính xác trong những trường hợp như vậy.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E1928: Thực hành tiêu chuẩn để ước tính ứng suất chu vi dư gần đúng trong ống thẳng có thành mỏng. Tiêu chuẩn này bao gồm các phương pháp đo ứng suất dư trước và sau khi giảm ứng suất.

ISO 6892: Vật liệu kim loại - Thử nghiệm kéo. Mặc dù không dành riêng cho việc giảm ứng suất, tiêu chuẩn này được sử dụng để đánh giá các đặc tính cơ học có thể bị ảnh hưởng bởi ứng suất dư.

ASTM E837: Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định ứng suất dư bằng phương pháp đo ứng suất khoan lỗ. Phương pháp này định lượng ứng suất dư ở các độ sâu khác nhau trong vật liệu.

SAE J784: Đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ tia X. Tiêu chuẩn này nêu chi tiết các quy trình đo ứng suất dư bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) đo những thay đổi khoảng cách mạng nguyên tử do ứng suất dư gây ra. Kỹ thuật này không phá hủy và cung cấp phép đo ứng suất bề mặt dựa trên định luật nhiễu xạ của Bragg.

Hệ thống đo ứng suất khoan lỗ bao gồm việc khoan một lỗ nhỏ trên vật liệu và đo độ giảm ứng suất thu được bằng máy đo ứng suất chính xác. Sau đó, ứng suất đo được được chuyển thành ứng suất bằng lý thuyết đàn hồi.

Thiết bị nhiễu xạ neutron cung cấp khả năng thâm nhập sâu hơn XRD, cho phép lập bản đồ ba chiều các ứng suất dư trên toàn bộ thành phần. Kỹ thuật này sử dụng các nguyên lý tương tự như XRD nhưng sử dụng neutron thay vì tia X.

Thiết bị kiểm tra siêu âm đo những thay đổi nhỏ trong vận tốc sóng âm do ứng suất dư gây ra. Phương pháp này dựa trên hiệu ứng acoustoelastic, trong đó sự lan truyền sóng đàn hồi bị ảnh hưởng bởi trạng thái ứng suất của vật liệu.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn để đo ứng suất dư thường yêu cầu bề mặt phẳng, sạch với kích thước tối thiểu là 10mm × 10mm đối với kỹ thuật XRD. Độ nhám bề mặt thường phải nhỏ hơn 0,8 μm Ra để có phép đo chính xác.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm việc vệ sinh cẩn thận để loại bỏ chất gây ô nhiễm mà không gây thêm ứng suất. Có thể cần phải khắc hóa học để loại bỏ bất kỳ lớp bề mặt nào bị ảnh hưởng về mặt cơ học có thể ảnh hưởng đến phép đo.

Đối với phương pháp khoan lỗ, độ dày mẫu phải bằng ít nhất 1,5 lần đường kính lỗ để tránh ảnh hưởng của độ dày và vật liệu phải dẫn điện để gắn máy đo ứng suất.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) với độ ẩm tương đối dưới 70% để ngăn ngừa tác động của môi trường lên thiết bị đo.

Đối với đánh giá giảm ứng suất động, tốc độ gia nhiệt thường được kiểm soát ở mức 50-200°C/giờ, với tốc độ làm mát không vượt quá 100°C/giờ để ngăn ngừa sự xuất hiện của ứng suất nhiệt mới.

Thời gian giữ ở nhiệt độ giảm ứng suất được chuẩn hóa dựa trên độ dày của mặt cắt, thường là 1 giờ cho mỗi 25 mm độ dày, với thời gian tối thiểu là 1 giờ đối với các mặt cắt mỏng.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm đo độ dịch chuyển đỉnh nhiễu xạ (đối với XRD), độ giãn biến dạng (đối với khoan lỗ) hoặc thay đổi vận tốc sóng (đối với phương pháp siêu âm). Các phép đo thô này được chuyển đổi thành giá trị ứng suất bằng cách sử dụng các mối quan hệ toán học phù hợp.

Các phương pháp thống kê thường bao gồm nhiều phép đo ở các vị trí và hướng khác nhau để tính đến tính dị hướng ứng suất. Độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy được tính toán để thiết lập độ tin cậy của phép đo.

Giá trị cuối cùng thường được trình bày dưới dạng ứng suất chính và hướng của chúng, hoặc dưới dạng ứng suất tương đương von Mises để so sánh với cường độ chịu kéo của vật liệu. Có thể thực hiện hồ sơ độ sâu để mô tả các gradient ứng suất từ ​​bề mặt đến bên trong.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Giảm ứng suất dư)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon (1020, 1045)	Giảm 70-85%	550-650°C, 1 giờ cho độ dày 25mm	Tiêu chuẩn ASTM A1033
Thép hợp kim thấp (4140, 4340)	Giảm 65-80%	580-680°C, 2 giờ cho độ dày 25mm	SAE J1268
Thép công cụ (H13, D2)	Giảm 60-75%	650-700°C, 2-4 giờ	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép không gỉ (304, 316)	Giảm 50-70%	850-950°C, 1-3 giờ	Tiêu chuẩn ASTMA484

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép phần lớn phụ thuộc vào lịch sử xử lý trước đó, với vật liệu gia công nguội thường cho thấy khả năng giảm ứng suất lớn hơn so với vật liệu gia công nóng hoặc chuẩn hóa. Độ dày của tiết diện cũng đóng vai trò quan trọng, với các tiết diện dày hơn cần thời gian dài hơn để đạt được khả năng giảm ứng suất tương đương.

Các giá trị này nên được hiểu là hướng dẫn chung chứ không phải là tiêu chuẩn tuyệt đối. Hiệu quả của việc giảm ứng suất nên được xác minh thông qua thử nghiệm thích hợp cho các ứng dụng quan trọng, đặc biệt là khi độ ổn định kích thước là rất quan trọng.

Trong các loại thép khác nhau, hàm lượng hợp kim cao hơn thường tương quan với hiệu quả giảm ứng suất thấp hơn ở nhiệt độ tương đương, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để đạt được kết quả tương tự.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường kết hợp các yêu cầu giảm ứng suất vào kế hoạch quy trình sản xuất dựa trên độ phức tạp về hình học của linh kiện và tính quan trọng của dịch vụ. Đối với các linh kiện chính xác, giảm ứng suất thường được thực hiện giữa các hoạt động gia công thô và hoàn thiện.

Các hệ số an toàn cho ứng suất dư thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5, với các giá trị cao hơn được sử dụng cho các ứng dụng quan trọng, trong đó sự cố có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng. Các yếu tố này tính đến sự không chắc chắn trong phân phối ứng suất và các hiệu ứng tập trung ứng suất tiềm ẩn.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường xem xét đến yêu cầu giảm ứng suất, trong đó một số thiết kế ưu tiên vật liệu có thể giảm ứng suất hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn để giảm thiểu rủi ro biến dạng và giảm chi phí năng lượng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong ngành công nghiệp bình chịu áp suất, việc giảm ứng suất là rất quan trọng để ngăn ngừa nứt do ăn mòn ứng suất và đảm bảo độ ổn định về kích thước. Quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất ASME yêu cầu giảm ứng suất cho một số loại bình và độ dày nhất định để đảm bảo an toàn vận hành.

Các thành phần hàng không vũ trụ, đặc biệt là bánh đáp và các thành phần cấu trúc, cần được giảm ứng suất cẩn thận để ngăn ngừa hỏng hóc do mỏi sớm. Các yêu cầu an toàn cao trong lĩnh vực này đòi hỏi phải có tài liệu và xác nhận kỹ lưỡng các quy trình giảm ứng suất.

Trong các ứng dụng gia công như khuôn, khuôn đúc và đồ gá, việc giảm ứng suất đảm bảo tính ổn định về kích thước trong quá trình gia công và sử dụng sau đó. Nếu không giảm ứng suất thích hợp, các công cụ có thể cong vênh trong quá trình sản xuất hoặc trong giai đoạn đầu sử dụng, dẫn đến các vấn đề về chất lượng ở các bộ phận được sản xuất.

Đánh đổi hiệu suất

Giảm ứng suất thường xung đột với yêu cầu về độ cứng, vì nhiệt độ cần thiết để giảm ứng suất hiệu quả cũng có thể làm mềm thép đã tôi. Các kỹ sư phải cân bằng nhu cầu giảm ứng suất với tổn thất độ cứng có thể chấp nhận được.

Độ dẻo dai và giảm ứng suất là một sự đánh đổi khác, đặc biệt là trong thép tôi và thép ram, nơi nhiệt độ giảm ứng suất có thể chồng chéo với phạm vi ram. Các thông số quy trình phải được lựa chọn cẩn thận để đạt được mức giảm ứng suất thích hợp mà không ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học.

Các kỹ sư thường cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách sử dụng nhiều bước xử lý nhiệt hoặc bằng cách lựa chọn các vật liệu thay thế mang lại độ ổn định tốt hơn trong quá trình giảm ứng suất. Trong một số trường hợp, các kỹ thuật giảm ứng suất cục bộ có thể được sử dụng để bảo toàn các đặc tính quan trọng ở các vùng cụ thể.

Phân tích lỗi

Nứt ăn mòn ứng suất là một chế độ hỏng hóc phổ biến liên quan đến việc giảm ứng suất không đủ, đặc biệt là trong thép không gỉ austenit tiếp xúc với môi trường clorua. Sự kết hợp của ứng suất dư kéo và môi trường ăn mòn dẫn đến sự khởi đầu và lan truyền vết nứt dọc theo ranh giới hạt.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu bằng sự ăn mòn cục bộ tại các khuyết tật bề mặt, sau đó là sự khởi đầu của vết nứt vuông góc với hướng ứng suất chính. Khi các vết nứt lan rộng, chúng làm giảm diện tích chịu tải hiệu quả cho đến khi xảy ra sự cố thảm khốc đột ngột.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm giảm ứng suất triệt để hơn, phun bi để tạo ra ứng suất bề mặt nén hoặc sửa đổi thiết kế để giảm nồng độ ứng suất. Các vật liệu thay thế có khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất tốt hơn cũng có thể được xem xét cho các môi trường khắc nghiệt.

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 yêu cầu giảm ứng suất, với thép có hàm lượng carbon cao hơn thường yêu cầu nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để giảm ứng suất tương đương. Điều này là do tác động của carbon lên quá trình phục hồi và di chuyển trật khớp.

Các nguyên tố hợp kim như crom, molypden và vanadi tạo thành cacbua cản trở chuyển động trật khớp, đòi hỏi nhiệt độ giải phóng ứng suất cao hơn. Các nguyên tố này có thể tăng năng lượng hoạt hóa để giải phóng ứng suất lên 15-30%.

Các phương pháp tối ưu hóa thành phần bao gồm việc giảm thiểu các nguyên tố tạo thành cacbua ổn định khi việc giảm ứng suất là rất quan trọng hoặc ngược lại, thêm các nguyên tố như vậy khi độ ổn định về kích thước trong quá trình tiếp xúc nhiệt tiếp theo quan trọng hơn hiệu quả giảm ứng suất.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường tạo điều kiện cho việc giảm ứng suất nhanh hơn do diện tích ranh giới hạt lớn hơn có sẵn cho chuyển động trật khớp và hủy diệt. Giảm kích thước hạt từ ASTM 5 xuống ASTM 8 có thể cải thiện hiệu quả giảm ứng suất lên 10-15%.

Phân bố pha ảnh hưởng mạnh đến hành vi giảm ứng suất, với các cấu trúc ferritic-pearlitic thường cho thấy hiệu quả giảm ứng suất cao hơn các cấu trúc martensitic ở nhiệt độ tương đương. Sự khác biệt này phát sinh từ mật độ sai lệch cao hơn và biến dạng bên trong martensit.

Các tạp chất và khuyết tật không phải kim loại có thể hoạt động như chất tập trung ứng suất chống lại sự giải phóng ứng suất hoàn toàn. Thép sạch hơn với hàm lượng tạp chất thấp hơn thường cho thấy sự giảm ứng suất đồng đều và hoàn toàn hơn trong quá trình xử lý nhiệt.

Xử lý ảnh hưởng

Lịch sử xử lý nhiệt trước đây ảnh hưởng đáng kể đến yêu cầu giảm ứng suất. Các cấu trúc chuẩn hóa thường phản ứng tốt hơn với việc giảm ứng suất so với các cấu trúc đã tôi và ram, có thể yêu cầu nhiệt độ cao hơn có nguy cơ làm giảm các đặc tính cơ học.

Các quy trình gia công nguội như kéo, cán hoặc tạo hình tạo ra ứng suất dư theo hướng có thể yêu cầu các thông số giảm ứng suất mạnh hơn. Mức độ gia công nguội có thể làm tăng thời gian giảm ứng suất cần thiết lên 25-50%.

Tốc độ làm mát trong quá trình giảm ứng suất là rất quan trọng, với tốc độ khuyến nghị thường dưới 100°C mỗi giờ trong phạm vi nhiệt độ quan trọng để ngăn ngừa sự xuất hiện của ứng suất nhiệt mới. Làm mát bằng lò thường được ưa chuộng hơn làm mát bằng không khí để có kết quả tối ưu.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của các thành phần chịu ứng suất dư. Vật liệu vận hành ở nhiệt độ cao có thể bị giảm ứng suất trong quá trình sử dụng, có khả năng dẫn đến thay đổi kích thước hoặc biến dạng trong quá trình sử dụng.

Môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh đáng kể sự hỏng hóc ở các thành phần chịu ứng suất dư thông qua các cơ chế như nứt ăn mòn ứng suất. Độ ẩm, tiếp xúc với muối và bầu không khí công nghiệp đều làm tăng tầm quan trọng của việc giảm ứng suất triệt để.

Các hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian bao gồm sự giãn ứng suất trong quá trình sử dụng, có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ vừa phải trong thời gian dài. Các thành phần được thiết kế để sử dụng trong nhiều thập kỷ có thể cần phải giảm ứng suất ban đầu kỹ lưỡng hơn để tính đến hiện tượng này.

Phương pháp cải tiến

Giảm ứng suất rung là một phương pháp luyện kim thay thế sử dụng rung động cộng hưởng để phân phối lại ứng suất bên trong. Mặc dù kém hiệu quả hơn so với phương pháp nhiệt đối với các phần dày, nhưng nó mang lại lợi thế cho các cấu trúc lớn, nơi giảm ứng suất nhiệt là không khả thi.

Các quy trình làm mát từng bước có thể tăng cường hiệu quả giảm ứng suất bằng cách giữ ở nhiều mức nhiệt độ ổn định trong quá trình làm mát. Phương pháp này cho phép giảm ứng suất trên các ngưỡng năng lượng hoạt hóa khác nhau liên quan đến các đặc điểm vi cấu trúc khác nhau.

Những cân nhắc về thiết kế có thể tối ưu hóa hiệu suất bao gồm tránh các góc nhọn và thay đổi mặt cắt đột ngột làm tập trung ứng suất, kết hợp các thiết kế đối xứng cân bằng ứng suất dư và chỉ định các dung sai gia công thích hợp để thích ứng với biến dạng tiềm ẩn trong quá trình giảm ứng suất.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ là quá trình xử lý nhiệt liên quan đến việc giảm ứng suất nhưng được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn để tạo ra sự kết tinh lại và những thay đổi đáng kể về cấu trúc vi mô. Không giống như giảm ứng suất, ủ thường nhằm mục đích làm mềm vật liệu và tăng độ dẻo.

Làm nguội là một quá trình xử lý nhiệt khác thường bị nhầm lẫn với giảm ứng suất. Trong khi cả hai đều liên quan đến việc gia nhiệt dưới nhiệt độ tới hạn, thì làm nguội đặc biệt nhằm mục đích sửa đổi cấu trúc vi mô của thép đã tôi để cải thiện độ dẻo dai, trong khi giảm ứng suất là lợi ích thứ cấp.

Ứng suất dư là ứng suất vẫn còn trong vật liệu sau khi quá trình sản xuất hoặc lực bên ngoài bị loại bỏ. Những ứng suất bên trong tự cân bằng này tồn tại mà không cần tải bên ngoài và là mục tiêu chính của các phương pháp xử lý giảm ứng suất.

Nứt giảm ứng suất xảy ra khi một số loại thép hợp kim được nung nóng đến phạm vi nhiệt độ giảm ứng suất, gây ra nứt giữa các hạt do sự kết tủa của các cacbua dọc theo ranh giới hạt. Hiện tượng này thể hiện hạn chế của việc giảm ứng suất thông thường trong các vật liệu dễ bị ảnh hưởng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1033 cung cấp hướng dẫn toàn diện về xử lý nhiệt giảm ứng suất cho các sản phẩm đúc và hàn bằng thép cacbon và thép hợp kim thấp. Tiêu chuẩn này chỉ định phạm vi nhiệt độ, thời gian giữ và tốc độ làm nguội dựa trên thành phần vật liệu và độ dày của mặt cắt.

EN 13445 (Tiêu chuẩn bình chịu áp suất châu Âu) bao gồm các yêu cầu chi tiết về việc giảm ứng suất cho thiết bị chịu áp suất, bao gồm các phương pháp thay thế và tiêu chí miễn trừ dựa trên độ dày vật liệu và ứng suất thiết kế.

AWS D1.1 (Quy định hàn kết cấu - Thép) chỉ định các yêu cầu giảm ứng suất cho các kết cấu hàn, đặc biệt đối với các phần dày hoặc mối nối cố định có khả năng chịu ứng suất dư cao.

Các tiêu chuẩn này khác nhau chủ yếu ở cách tiếp cận để xác định khi nào thì bắt buộc phải giảm ứng suất so với khi nào thì khuyến nghị. Các mã ASME có xu hướng có nhiều yêu cầu mang tính quy định hơn dựa trên độ dày vật liệu, trong khi các tiêu chuẩn Châu Âu thường cho phép đưa ra nhiều phán đoán kỹ thuật hơn dựa trên phân tích ứng suất.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các quy trình giảm ứng suất tiết kiệm năng lượng hơn, bao gồm các phương pháp gia nhiệt cảm ứng có thể giảm ứng suất cục bộ mà không cần làm nóng toàn bộ các thành phần. Các phương pháp này có thể giảm mức tiêu thụ năng lượng từ 40-60% so với các phương pháp lò nung thông thường.

Các công nghệ mới nổi bao gồm giảm ứng suất siêu âm, sử dụng năng lượng cơ học tần số cao để tăng cường khả năng di chuyển trật khớp ở nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp nhiệt thông thường. Kỹ thuật này cho thấy triển vọng đối với các vật liệu nhạy cảm với tiếp xúc nhiệt.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm các mô hình tính toán tinh vi hơn có thể dự đoán sự tiến triển của ứng suất dư trong quá trình sản xuất và giải phóng ứng suất sau đó, cho phép tối ưu hóa quy trình trước khi sản xuất vật lý. Các mô hình này sẽ kết hợp các thông số vi cấu trúc và động học chuyển pha để cải thiện độ chính xác.