Giảm căng thẳng: Tăng cường độ ổn định và hiệu suất của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Stress Relieve Temper là một quy trình xử lý nhiệt được kiểm soát áp dụng cho thép và các hợp kim kim loại khác để giảm hoặc loại bỏ ứng suất dư bên trong mà không làm thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô hoặc tính chất cơ học của vật liệu. Quy trình này bao gồm việc nung nóng vật liệu đến nhiệt độ cụ thể dưới nhiệt độ biến đổi tới hạn thấp hơn, giữ ở nhiệt độ đó trong thời gian xác định trước, sau đó làm nguội ở tốc độ được kiểm soát.

Mục đích chính của quá trình tôi luyện giảm ứng suất là giảm thiểu sự biến dạng, nứt và thay đổi kích thước có thể xảy ra trong các hoạt động sản xuất tiếp theo hoặc trong suốt vòng đời sử dụng của linh kiện. Nó đóng vai trò là bước trung gian hoặc bước cuối cùng quan trọng trong chuỗi xử lý nhiệt của nhiều sản phẩm thép.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, quá trình tôi luyện giảm ứng suất chiếm vị trí quan trọng giữa quá trình ủ và quá trình tôi luyện. Không giống như quá trình ủ hoàn toàn, quá trình này không tìm cách làm mềm đáng kể vật liệu hoặc kết tinh lại hoàn toàn cấu trúc vi mô. Thay vào đó, nó cung cấp một phương pháp cân bằng để duy trì các đặc tính cơ học trong khi giảm ứng suất bên trong có hại.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi luyện giảm ứng suất hoạt động bằng cách cung cấp đủ năng lượng nhiệt để cho phép tính di động nguyên tử hạn chế mà không gây ra biến đổi pha. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ khuếch tán nguyên tử, cho phép các vị trí sai lệch tự sắp xếp lại và hủy diệt một phần.

Ứng suất bên trong thép phát sinh từ quá trình làm mát không đồng đều, chuyển đổi pha hoặc biến dạng cơ học tạo ra sự biến dạng mạng tinh thể. Những biến dạng này biểu thị năng lượng đàn hồi được lưu trữ. Trong quá trình giải phóng ứng suất, các nguyên tử di chuyển những khoảng cách ngắn đến các vị trí có năng lượng thấp hơn, làm giảm năng lượng biến dạng tổng thể trong mạng tinh thể.

Quá trình này cũng thúc đẩy quá trình phục hồi hạn chế của cấu trúc gia công nguội thông qua chuyển động lệch, đa giác hóa và hình thành hạt phụ. Tuy nhiên, quá trình này thường xảy ra dưới nhiệt độ kết tinh lại, do đó bảo toàn phần lớn cấu trúc vi mô hiện có.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả sự giảm ứng suất dựa trên các quá trình khuếch tán được kích hoạt nhiệt theo hành vi kiểu Arrhenius. Tốc độ giảm ứng suất có thể được thể hiện bằng phương trình Zener-Wert-Avrami, liên hệ sự giảm ứng suất với thời gian và nhiệt độ.

Theo truyền thống, hiểu biết về việc giảm 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. Những người thợ rèn và thợ kim loại đầu tiên nhận ra rằng việc nung nóng các thành phần kim loại làm giảm xu hướng cong vênh của chúng, mặc dù họ không hiểu rõ lý do tại sao.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các mô hình tính toán có thể dự đoán sự giải phóng ứng suất dựa trên các thông số thời gian-nhiệt độ, trong khi các phương pháp xử lý tiên tiến hơn sẽ xem xét động lực sai lệch cụ thể và sự di chuyển của khuyết điểm xảy ra trong quá trình này.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình tôi luyện giảm ứng suất tương tác trực tiếp với cấu trúc tinh thể bằng cách cho phép các vị trí sai lệch leo lên và trượt ngang dễ dàng hơn ở nhiệt độ cao. Tại ranh giới hạt, quá trình này cho phép nới lỏng hạn chế các vùng ranh giới nơi thường xảy ra sự tập trung ứng suất do định hướng sai lệch về tinh thể.

Cấu trúc vi mô quyết định phần lớn hiệu quả của việc giảm ứng suất. Vật liệu có cấu trúc hạt mịn thường giảm ứng suất nhanh hơn vật liệu hạt thô do diện tích ranh giới hạt lớn hơn có sẵn để hấp thụ và hủy bỏ sự sai lệch.

Quá trình này kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về khuếch tán, lý thuyết trật khớp và cơ chế phục hồi. Nó thể hiện ứng dụng thực tế của các nguyên lý động học trong đó thời gian và nhiệt độ được cân bằng để đạt được kết quả luyện kim cụ thể.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Quá trình giải tỏa căng thẳng tuân theo mối quan hệ suy giảm theo cấp số nhân:

$$\sigma_r = \sigma_i \cdot e^{-kt}$$

Ở đâu:
- $\sigma_r$ là ứng suất dư sau khi xử lý
- $\sigma_i$ là ứng suất dư ban đầu
- $k$ là hằng số tốc độ giải phóng ứng suất
- $t$ là thời gian xử lý

Công thức tính toán liên quan

Hằng số tốc độ giải phóng ứng suất tuân theo phương trình Arrhenius:

$$k = A \cdot e^{-\frac{Q}{RT}} $$

Ở đâu:
- $A$ là hệ số tần số
- $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho cơ chế giải tỏa ứng suất
- $R$ là hằng số khí phổ biến
- $T$ là nhiệt độ tuyệt đối

Tham số Larson-Miller (LMP) thường được sử dụng để xác định các kết hợp thời gian-nhiệt độ tương đương:

$$LMP = T(C + \log t)$$

Ở đâu:
- $T$ là nhiệt độ tuyệt đối
- $C$ là hằng số đặc trưng của vật liệu (thường là 20 đối với thép)
- $t$ là thời gian tính bằng giờ

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với nhiệt độ từ 30-80% nhiệt độ nóng chảy (tính bằng Kelvin) của vật liệu. Dưới phạm vi này, sự khuếch tán trở nên quá chậm để giảm ứng suất hiệu quả.

Các mô hình giả định tốc độ gia nhiệt và làm mát đồng đều và kém chính xác hơn đối với các hình học phức tạp có độ dày thay đổi đáng kể. Chúng cũng giả định rằng không có sự biến đổi pha nào xảy ra trong quá trình này.

Các mối quan hệ toán học này dựa trên giả định rằng quá trình giải phóng ứng suất tuân theo động học bậc nhất, đây là sự đơn giản hóa của các quá trình luyện kim thực tế xảy ra đồng thời.

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
• ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng
• ASTM E837: Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định ứng suất dư bằng phương pháp đo ứng suất khoan lỗ
• ASTM E915: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác minh sự căn chỉnh của thiết bị nhiễu xạ tia X để đo ứng suất dư

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 không phá hủy này phát hiện sự dịch chuyển do ứng suất gây ra trong các đỉnh nhiễu xạ theo định luật Bragg.

Phương pháp đo ứng suất khoan lỗ bao gồm việc khoan một lỗ nhỏ trên bề mặt vật liệu và đo độ giảm ứng suất kết quả bằng máy đo ứng suất chính xác. Kỹ thuật bán phá hủy này cung cấp hồ sơ độ sâu của ứng suất dư.

Các kỹ thuật nhiễu xạ neutron tiên tiến cho phép thâm nhập sâu hơn XRD, cho phép đo ứng suất dư trên các phần dày hơn mà không làm hỏng mẫu vật.

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.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm việc vệ sinh cẩn thận và đôi khi đánh bóng bằng điện để loại bỏ mọi ứng suất do gia công có thể làm sai lệch phép đo.

Đối với phương pháp khoan lỗ, bề mặt phải phù hợp với lắp đặt hoa thị đo ứng suất, thường yêu cầu diện tích phẳng ít nhất là 20mm × 20mm với độ nhám bề mặt thích hợp (Ra < 3,2μm).

Thông số thử nghiệm

Các phép đo thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát để ngăn ngừa tác động giãn nở vì nhiệt hoặc sự can thiệp của môi trường.

Đối với phương pháp XRD, tốc độ quét thường là 0,05-0,1° mỗi giây với bước nhảy là 0,02-0,05° để đảm bảo độ phân giải đỉnh thích hợp.

Các thông số quan trọng đối với phương pháp khoan lỗ bao gồm tốc độ khoan (thường là 20.000-400.000 vòng/phút), tốc độ tiến dao (0,1-0,2 mm/phút) và các bước tăng dần độ sâu (0,05-0,1 mm).

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm đo vị trí đỉnh nhiễu xạ hoặc phản ứng của máy đo ứng suất theo nhiều hướng khác nhau để xác định tenxơ ứng suất.

Các phương pháp thống kê bao gồm phương pháp lắp bình phương nhỏ nhất của đồ thị $\sin^2\psi$ cho dữ liệu XRD và tính toán phương pháp tích phân cho dữ liệu khoan lỗ.

Giá trị ứng suất dư cuối cùng được tính toán bằng cách áp dụng lý thuyết đàn hồi vào các biến dạng được đo, đòi hỏi phải có kiến ​​thức chính xác về hằng số đàn hồi của vật liệu.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	550-650°C trong 1-2 giờ	Làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTM A1033
Thép Cacbon Trung Bình (1045, 4140)	580-680°C trong 1-4 giờ	Làm mát chậm	SAE J1268
Thép công cụ (H13, D2)	480-650°C trong 2-4 giờ	Kiểm soát làm mát 20-40°C/giờ	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép không gỉ (304, 316)	250-400°C trong 1-2 giờ	Làm mát bằng không khí	Tiêu chuẩn ASTMA380

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu phụ thuộc vào độ dày của phần, với phần dày hơn cần thời gian ngâm lâu hơn để đảm bảo nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ thành phần.

Trong các ứng dụng thực tế, các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu có thể cần điều chỉnh dựa trên hình dạng linh kiện cụ thể, lịch sử xử lý trước đó và các đặc tính cuối cùng cần thiết.

Một xu hướng đáng chú ý trong các loại thép là hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn thường đòi hỏi nhiệt độ giải phóng ứng suất thấp hơn để tránh các hiệu ứng tôi luyện hoặc chuyển pha không mong muốn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến các yêu cầu giảm ứng suất ngay từ đầu quá trình thiết kế, đặc biệt đối với các thành phần có hình dạng phức tạp hoặc độ dày tiết diện khác nhau có thể bị biến dạng trong quá trình xử lý.

Các hệ số an toàn thường được áp dụng khi thiết kế các thành phần cần giảm ứng suất nằm trong khoảng từ 1,25-1,5 để tính đến các biến thể tiềm ẩn trong mức ứng suất dư và tác động của chúng đến tuổi thọ chịu mỏi.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường xem xét đến khả năng xử lý giảm ứng suất, trong khi thép hợp kim cao thường đòi hỏi khả năng kiểm soát nhiệt độ chính xác hơn và thời gian xử lý lâu hơn so với thép cacbon thông thường.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các thành phần kết cấu hàn trong thiết bị hạng nặng và cơ sở hạ tầng là lĩnh vực ứng dụng quan trọng, trong đó quá trình tôi luyện giảm ứng suất giúp ngăn ngừa biến dạng và nứt tại các mối hàn khi chịu tải trọng làm việc.

Các thành phần gia công chính xác cho ứng dụng hàng không vũ trụ cần được giảm ứng suất để duy trì độ ổn định về kích thước trong quá trình sử dụng, trong khi chu kỳ nhiệt và tải trọng cơ học có thể gây ra biến dạng do ứng suất.

Các bộ phận truyền động ô tô được hưởng lợi từ quá trình tôi luyện giảm ứng suất để tăng cường khả năng chống mỏi và độ ổn định về kích thước, đặc biệt đối với các bộ phận chịu tải tuần hoàn như trục khuỷu và thanh truyền.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Quá trình giảm ứng suất thường xung đột với các yêu cầu về độ cứng tối đa, vì nhiệt độ cần thiết để giảm ứng suất hiệu quả cũng có thể làm giảm độ cứng của thép đã được tôi và ram trước đó.

Độ dẻo dai và khả năng giảm ứng suất thể hiện mối quan hệ tích cực, vì việc giảm ứng suất bên trong thường cải thiện khả năng chống va đập, mặc dù nhiệt độ giảm ứng suất quá mức có thể làm giảm độ bền.

Các kỹ sư thường cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách lựa chọn nhiệt độ giảm ứng suất trung gian giúp giảm ứng suất thích hợp đồng thời giảm thiểu mất độ bền.

Phân tích lỗi

Nứt do ăn mòn ứng suất là một dạng hỏng hóc phổ biến liên quan đến việc giảm ứng suất không đủ, trong đó ứng suất kéo dư kết hợp với môi trường ăn mòn gây ra và lan rộng các vết nứt.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu từ các khuyết tật bề mặt hoặc các hố ăn mòn đóng vai trò là bộ tập trung ứng suất, với sự lan truyền vết nứt theo các đường liên hạt khi có ứng suất dư.

Quá trình tôi luyện giảm ứng suất thích hợp sẽ làm giảm những rủi ro này bằng cách giảm thành phần ứng suất kéo xuống dưới ngưỡng cần thiết để bắt đầu nứt, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

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, trong đó thép có hàm lượng carbon cao hơn thường cần nhiệt độ thấp hơn để tránh những thay đổi vi cấu trúc không mong muốn.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể phân tách thành ranh giới hạt trong quá trình giảm ứng suất, có khả năng làm giảm độ dẻo dai nếu nhiệt độ quá cao hoặc tốc độ làm mát quá chậm.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các nguyên tố hợp kim thúc đẩy khả năng làm cứng với các nguyên tố tăng cường phản ứng tôi luyện, đảm bảo giảm ứng suất hiệu quả mà không làm mềm quá mức.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Cấu trúc hạt mịn thường phản ứng nhanh hơn với phương pháp xử lý giảm ứng suất do diện tích ranh giới hạt lớn hơn có sẵn để di chuyển và tiêu hủy sự sai lệch.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả giảm ứng suất, với các cấu trúc vi mô đa pha thường đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh các chuyển đổi pha không mong muốn.

Các tạp chất và khuyết tật có thể hoạt động như những chất tập trung ứng suất vẫn gây ra vấn đề ngay cả sau khi giảm ứng suất, nhấn mạnh tầm quan trọng của quy trình sản xuất thép sạch đối với các ứng dụng quan trọng.

Xử lý ảnh hưởng

Lịch sử xử lý nhiệt trước đó quyết định cấu trúc vi mô ban đầu và trạng thái ứng suất, với các cấu trúc được làm nguội có ứng suất dư cao hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ.

Các quy trình gia công nguội như kéo, cán hoặc tạo hình tạo ra ứng suất dư theo hướng có thể cần nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để giải phóng hiệu quả.

Tốc độ làm mát sau khi xử lý giảm ứng suất phải được kiểm soát để ngăn ngừa sự tái xuất hiện ứng suất nhiệt, trong khi làm mát bằng lò thường được ưu tiên cho các phần dày hoặc hình học phức tạp.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ dịch vụ tăng cao có thể gây ra hiện tượng giảm ứng suất thêm theo thời gian, có khả năng dẫn đến thay đổi kích thước nếu không được tính đến trong quá trình xử lý ban đầu.

Môi trường ăn mòn làm tăng tốc tác động có hại của ứng suất dư, khiến việc giảm ứng suất thích hợp trở nên đặc biệt quan trọng đối với các bộ phận tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Sự giãn nở theo thời gian của ứng suất dư có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng trong một số vật liệu, mặc dù tốc độ này thường không đáng kể đối với các thành phần thép trừ khi chịu tải trọng tuần hoàn.

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 mà không cần xử lý nhiệt, mặc dù hiệu quả của nó bị hạn chế so với các phương pháp nhiệt.

Các quy trình tôi luyện kép có thể tăng cường giải phóng ứng suất bằng cách cho phép giãn nở hoàn toàn hơn trong chu kỳ tôi luyện thứ hai, đặc biệt có lợi cho thép dụng cụ hợp kim cao.

Việc tối ưu hóa thiết kế thông qua độ dày mặt cắt đồng đều và chuyển tiếp dần dần giúp giảm sự tập trung ứng suất, bổ sung cho các phương pháp xử lý giảm ứng suất để cải thiện hiệu suất của linh kiện.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Tôi luyện là một quá trình xử lý nhiệt rộng hơn giúp giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai cho thép đã được tôi luyện trước đó, trong đó giảm ứng suất là một trong những tác dụng có lợi của nó.

Ứng suất dư là ứng suất vẫn còn trong vật liệu sau khi quá trình sản xuất, lực bên ngoài hoặc chênh lệch nhiệt độ đã được loại bỏ, mà quá trình tôi giảm ứng suất nhằm mục đích giảm bớt.

Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) tập trung giải quyết vấn đề giảm ứng suất trong các kết cấu hàn để ngăn ngừa biến dạng và nứt ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt và kim loại hàn.

Quá trình giảm ứng suất khác với quá trình ủ ở chỗ nó hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn và thời gian ngắn hơn, bảo toàn nhiều hơn độ bền của vật liệu trong khi vẫn giảm ứng suất bên trong.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1033 cung cấp thông lệ tiêu chuẩn để đo lường định lượng hiệu ứng giảm ứng suất trong thép cacbon và thép hợp kim thấp, bao gồm phạm vi nhiệt độ khuyến nghị và thời gian giữ.

EN 13445-4 (Tiêu chuẩn Châu Âu cho bình chịu áp suất không nung) quy định các yêu cầu giảm ứng suất cho thiết bị chịu áp suất, đặc biệt chú trọng đến kết cấu hàn.

AWS D1.1 (Quy định hàn kết cấu - Thép) và ASME BPVC Phần VIII có cách tiếp cận khác nhau đối với các yêu cầu giảm ứng suất, trong đó AWS D1.1 tập trung vào các ứng dụng kết cấu còn ASME BPVC Phần VIII tập trung vào các bình chịu áp suất.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại đang khám phá các phương pháp giảm căng thẳng nhanh bằng cách sử dụng nhiệt cảm ứng hoặc điều trị bằng laser tại chỗ để giảm thời gian xử lý và mức tiêu thụ năng lượng.

Các công nghệ mới nổi trong mô hình hóa tính toán cho phép dự đoán chính xác hơn sự phát triển và giảm ứng suất dư, giúp tối ưu hóa các thông số xử lý nhiệt cho các thành phần phức tạp.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ tập trung vào việc kết hợp giải tỏa ứng suất với các biện pháp cải thiện tính chất khác trong một lần xử lý, có khả năng thông qua quá trình làm cứng bằng lượng mưa có kiểm soát trong chu kỳ giải tỏa ứng suất.