Ứng suất làm mát trong thép: Hình thành cấu trúc vi mô và tác động đến tính chất

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Ứng suất làm nguội trong thép là ứng suất dư bên trong được tạo ra trong quá trình làm nguội sau khi xử lý nhiệt như tôi, ủ hoặc gia công nóng. Những ứng suất này phát sinh do sự chênh lệch nhiệt độ không đồng đều và sự co ngót khác biệt trong cấu trúc vi mô khi thép nguội từ nhiệt độ cao xuống nhiệt độ môi trường.

Ở cấp độ nguyên tử và tinh thể học, ứng suất làm mát bắt nguồn từ sự giãn nở và co lại do nhiệt dị hướng của các pha hoặc thành phần vi cấu trúc khác nhau. Sự thay đổi trong các thông số mạng, chuyển đổi pha và tính không đồng nhất của vi cấu trúc gây ra các biến dạng cục bộ. Các biến dạng này, khi bị hạn chế bởi các đặc điểm vật liệu hoặc vi cấu trúc xung quanh, tạo ra ứng suất bên trong.

Trong bối cảnh của ngành luyện kim thép và khoa học vật liệu, ứng suất làm nguội có ý nghĩa quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến sự phát triển của các đặc điểm cấu trúc vi mô, phân bố ứng suất dư và cuối cùng là các tính chất cơ học như độ bền, độ dẻo dai và tuổi thọ mỏi. Hiểu biết và kiểm soát đúng các ứng suất này là điều cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc và hiệu suất của các thành phần thép.

Bản chất vật lý và đặc điểm

Cấu trúc tinh thể

Ứng suất làm mát có liên quan mật thiết đến các đặc điểm tinh thể học của các cấu trúc vi mô thép. Thép chủ yếu bao gồm các pha ferit lập phương tâm khối (BCC) (α-Fe) và austenit lập phương tâm mặt (FCC) (γ-Fe), cùng với nhiều loại cacbua và các pha hợp kim khác.

Trong quá trình làm mát, các biến đổi pha liên quan đến những thay đổi về cấu trúc mạng và các thông số. Ví dụ, austenit (FCC) với tham số mạng xấp xỉ 0,36 nm biến đổi thành ferit (BCC) với tham số mạng khác (~0,286 nm). Những biến đổi này liên quan đến những thay đổi về thể tích và biến dạng mạng, gây ra các ứng suất bên trong.

Định hướng tinh thể học cũng ảnh hưởng đến sự phát triển ứng suất. Ví dụ, mối quan hệ định hướng giữa pha gốc và pha biến đổi, chẳng hạn như mối quan hệ Kurdjumov–Sachs hoặc Nishiyama–Wassermann, xác định cách các ứng suất được điều chỉnh ở cấp độ nguyên tử. Hệ số giãn nở nhiệt dị hướng dọc theo các hướng tinh thể học khác nhau góp phần vào sự co lại khác biệt, dẫn đến ứng suất cục bộ.

Đặc điểm hình thái

Các đặc điểm cấu trúc vi mô liên quan đến ứng suất làm mát bao gồm ranh giới hạt, giao diện pha và tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô như tạp chất hoặc chất kết tủa. Các đặc điểm này ảnh hưởng đến cách phân phối và giải tỏa ứng suất bên trong.

Kích thước của các thành phần cấu trúc vi mô thay đổi rất nhiều—từ các cacbua có kích thước nanomet đến các hạt có kích thước micromet. Ví dụ, các thanh thép martensitic thường có chiều rộng từ 0,2 đến 2 micromet, với hình thái của chúng ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất.

Hình dạng và phân bố là rất quan trọng; các pha kéo dài hoặc dạng tấm, chẳng hạn như bó bainit hoặc thanh martensit, có thể tạo ra các trường ứng suất dị hướng. Các đặc điểm này thường xuất hiện dưới dạng các vùng tương phản riêng biệt dưới kính hiển vi, với các ứng suất dư biểu hiện dưới dạng biến dạng hoặc trật khớp gần giao diện.

Tính chất vật lý

Ứng suất làm mát ảnh hưởng đến một số tính chất vật lý của thép. Ứng suất dư có thể làm thay đổi mật độ một chút do sự biến dạng mạng, mặc dù tác động là tối thiểu. Chúng cũng có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện, vì mật độ lệch tăng lên ở các vùng chịu ứng suất.

Tính chất từ ​​bị ảnh hưởng vì ứng suất bên trong ảnh hưởng đến cấu trúc miền từ, đặc biệt là trong thép sắt từ. Độ dẫn nhiệt có thể bị ảnh hưởng cục bộ do tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô và các khuyết tật do ứng suất gây ra.

So với các cấu trúc vi mô không chịu ứng suất, thép chịu ứng suất làm mát đáng kể thường biểu hiện mật độ sai lệch tăng, trường biến dạng dư và biến dạng cấu trúc vi mô, có thể được phát hiện thông qua nhiều kỹ thuật đặc tính khác nhau.

Cơ chế hình thành và động học

Cơ sở nhiệt động lực học

Nguồn gốc nhiệt động lực học của ứng suất làm mát nằm ở sự khác biệt năng lượng tự do liên quan đến chuyển đổi pha và co nhiệt. Khi thép nguội đi, hệ thống tìm cách giảm thiểu năng lượng tự do bằng cách chuyển đổi pha hoặc giảm ứng suất.

Sự thay đổi thể tích trong quá trình chuyển đổi pha, chẳng hạn như austenite thành martensite hoặc bainite, liên quan đến những thay đổi năng lượng tự do thể tích tạo ra các ứng suất bên trong. Các ứng suất này bị hạn chế bởi các pha lân cận hoặc ma trận xung quanh, dẫn đến ứng suất dư.

Biểu đồ pha, chẳng hạn như biểu đồ pha Fe-C, minh họa các vùng ổn định của nhiều pha khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Việc vượt qua ranh giới pha trong quá trình làm mát sẽ kích hoạt các biến đổi liên quan đến sự biến dạng mạng tinh thể và thay đổi thể tích, góp phần vào sự phát triển ứng suất bên trong.

Động học hình thành

Động học của quá trình hình thành ứng suất làm mát phụ thuộc vào tốc độ hình thành và phát triển của các pha, cũng như tốc độ thay đổi nhiệt độ. Làm mát nhanh, chẳng hạn như làm nguội, ngăn chặn các chuyển đổi cân bằng, dẫn đến ứng suất bên trong cao do sự phát triển pha không đồng đều.

Sự hình thành hạt nhân của martensite xảy ra gần như ngay lập tức khi đạt đến nhiệt độ bắt đầu của martensite (Ms), với sự phát triển được thúc đẩy bởi các biến đổi cắt. Sự hình thành nhanh chóng của martensite liên quan đến sự biến dạng mạng tinh thể đáng kể (~0,2% giãn nở thể tích), gây ra ứng suất dư cao.

Động học tăng trưởng được kiểm soát bởi tốc độ khuếch tán, tính di động của giao diện và độ dốc nhiệt độ. Làm mát chậm cho phép thư giãn ứng suất thông qua biến dạng dẻo hoặc điều chỉnh pha, trong khi làm mát nhanh giữ lại ứng suất bên trong cấu trúc vi mô.

Các bước kiểm soát tốc độ bao gồm khuếch tán nguyên tử, chuyển động trật khớp và di chuyển ranh giới pha. Năng lượng hoạt hóa liên quan đến các quá trình này ảnh hưởng đến cường độ và sự phân bố của ứng suất làm mát.

Các yếu tố ảnh hưởng

Thành phần hợp kim ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển ứng suất làm mát. Các nguyên tố như cacbon, mangan và hợp kim bổ sung ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha và biên độ thay đổi thể tích.

Các thông số xử lý như tốc độ làm mát, độ dốc nhiệt độ và thời gian giữ là rất quan trọng. Ví dụ, làm nguội nhanh từ nhiệt độ cao gây ra độ dốc nhiệt cao, làm tăng cường độ ứng suất.

Các cấu trúc vi mô có từ trước, chẳng hạn như kích thước hạt austenit trước đó hoặc biến dạng trước đó, ảnh hưởng đến cách ứng suất phát triển và được giải tỏa. Các cấu trúc vi mô hạt mịn có xu hướng phân bổ ứng suất đồng đều hơn, làm giảm nồng độ cục bộ.

Các yếu tố khác bao gồm sự hiện diện của độ xốp còn sót lại, tạp chất và các nguyên tố hợp kim vi mô, có thể hoạt động như chất tập trung ứng suất hoặc tạo điều kiện cho quá trình giãn ứng suất.

Mô hình toán học và mối quan hệ định lượng

Các phương trình chính

Độ lớn của ứng suất làm mát dư (σ) có thể được ước tính gần đúng bằng lý thuyết đàn hồi:

$$\sigma = E \times \varepsilon $$

Ở đâu:

• $E$ là mô đun đàn hồi của pha hoặc cấu trúc vi mô,

• ( (\varepsilon) ) là biến dạng gây ra bởi sự co nhiệt hoặc chuyển pha.

Biến dạng nhiệt ( \varepsilon_{th} ) do thay đổi nhiệt độ ( \Delta T ) là:

$$\varepsilon_{th} = \alpha \times \Delta T $$

Ở đâu:

• ( \alpha ) là hệ số giãn nở vì nhiệt, thay đổi theo pha và nhiệt độ.

Khi những ràng buộc ngăn cản sự co lại tự do, ứng suất bên trong sẽ phát triển như sau:

$$\sigma = E \lần \alpha \lần \Delta T $$

Đối với các biến dạng do chuyển đổi pha gây ra, biến dạng chuyển đổi ( \varepsilon_{trans} ) được xem xét:

$$\sigma_{trans} = E \lần \varepsilon_{trans} $$

Các phương trình này được áp dụng trong các mô hình phần tử hữu hạn để ước tính sự phân bố ứng suất dư trong các cấu trúc vi mô phức tạp.

Mô hình dự đoán

Các mô hình tính toán, chẳng hạn như phân tích phần tử hữu hạn (FEA), mô phỏng các gradient nhiệt và động học chuyển pha để dự đoán ứng suất dư. Các mô hình trường pha kết hợp các tham số nhiệt động lực học và động học để mô phỏng sự tiến hóa của cấu trúc vi mô và sự phát triển ứng suất.

Các phương pháp mô hình hóa đa thang đo kết hợp mô phỏng nguyên tử với cơ học liên tục để nắm bắt sự khởi đầu và giãn nở của ứng suất làm mát ở các thang độ dài khác nhau.

Những hạn chế bao gồm các giả định về hành vi đàn hồi, các điều kiện biên đơn giản hóa và sự không chắc chắn trong các thông số vật liệu ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Mặc dù vậy, các mô hình vẫn cung cấp những hiểu biết có giá trị về sự tiến hóa ứng suất trong quá trình làm mát.

Phương pháp phân tích định lượng

Kim loại học sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để đo ứng suất dư thông qua sự dịch chuyển của các đỉnh nhiễu xạ. Phương pháp sin²ψ liên hệ vị trí đỉnh nhiễu xạ với ứng suất bên trong.

Khúc xạ tán xạ ngược electron (EBSD) cung cấp bản đồ định hướng và phép đo biến dạng ở quy mô vi mô. Các kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) phân tích biến dạng bề mặt để suy ra phân bố ứng suất bên trong.

Phân tích thống kê các đặc điểm cấu trúc vi mô, chẳng hạn như kích thước và phân phối pha, hỗ trợ trong việc liên hệ cấu trúc vi mô với mức ứng suất dư. Phần mềm phân tích hình ảnh định lượng các thông số cấu trúc vi mô, cho phép mô tả đặc điểm cấu trúc vi mô định lượng.

Kỹ thuật đặc trưng

Phương pháp kính hiển vi

Kính hiển vi quang học cho thấy các đặc điểm ở cấp độ vĩ mô và vi mô như ranh giới hạt, giao diện pha và ứng suất vĩ mô biểu hiện dưới dạng biến dạng. Chuẩn bị mẫu bao gồm đánh bóng và khắc để tăng độ tương phản.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao về các đặc điểm cấu trúc vi mô, bao gồm các thanh martensitic, carbide và tạp chất. Hình ảnh điện tử tán xạ ngược làm nổi bật sự khác biệt về thành phần ảnh hưởng đến vị trí ứng suất.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép hình dung các cấu trúc sai lệch, biến dạng vi mô và biến dạng mạng ở độ phân giải nguyên tử, có mối tương quan trực tiếp với ứng suất dư.

Kỹ thuật nhiễu xạ

Khúc xạ tia X (XRD) là kỹ thuật chính để đo ứng suất dư. Nó phát hiện sự dịch chuyển trong các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với các biến dạng mạng. Phương pháp sin²ψ cho phép phân tích ứng suất định lượng.

Khúc xạ electron trong TEM cung cấp thông tin tinh thể học cục bộ và lập bản đồ biến dạng ở thang nanomet.

Khúc xạ neutron cung cấp phép đo ứng suất dư khối do độ thâm nhập cao, phù hợp với các mẫu lớn hoặc dày.

Đặc điểm nâng cao

Các kỹ thuật có độ phân giải cao như nhiễu xạ tia X synchrotron cho phép đo ứng suất tại chỗ trong các chu kỳ nhiệt, nắm bắt sự phát triển ứng suất một cách linh hoạt.

Các phương pháp mô tả đặc điểm ba chiều, chẳng hạn như EBSD 3D hoặc chụp cắt lớp vi tính tia X, giúp hình dung sự phân bố không gian của các đặc điểm cấu trúc vi mô và ứng suất liên quan.

Phương pháp nanoindentation kết hợp với lập bản đồ ứng suất đánh giá các tính chất cơ học cục bộ chịu ảnh hưởng bởi ứng suất dư.

Tác động đến tính chất của thép

Tài sản bị ảnh hưởng	Bản chất của ảnh hưởng	Mối quan hệ định lượng	Các yếu tố kiểm soát
Độ bền kéo	Ứng suất dư có thể tăng hoặc giảm cường độ biểu kiến ​​tùy thuộc vào bản chất và sự phân bố của chúng	Ứng suất dư nén thường làm tăng khả năng chịu tải; ứng suất dư kéo có xu hướng làm giảm khả năng chịu tải	Độ lớn của ứng suất bên trong, tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô, phân bố pha
Cuộc sống mệt mỏi	Ứng suất kéo dư đẩy nhanh quá trình hình thành và lan truyền vết nứt; ứng suất nén cải thiện khả năng chống mỏi	Tuổi thọ mỏi $N_f$ tương quan nghịch với độ lớn ứng suất dư kéo ( \sigma_{res} )	Độ lớn và sự phân bố của ứng suất dư, bề mặt hoàn thiện, cấu trúc vi mô
Độ bền	Ứng suất kéo dư cao có thể thúc đẩy sự lan truyền vết nứt, làm giảm độ dẻo dai	Độ bền gãy $K_{IC}$ giảm khi ứng suất kéo dư tăng	Cường độ ứng suất, đặc điểm cấu trúc vi mô, tương tác đường nứt
Chống ăn mòn	Ứng suất dư ảnh hưởng đến hành vi điện hóa; ứng suất kéo có thể thúc đẩy nứt ăn mòn ứng suất	Tốc độ ăn mòn $R_c$ tăng theo ứng suất kéo dư	Cường độ ứng suất, tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô, các yếu tố môi trường

Về mặt luyện kim, ứng suất kéo dư tạo ra các vết nứt nhỏ và tạo điều kiện cho vết nứt bắt đầu, làm giảm độ mỏi và khả năng chống gãy. Ngược lại, ứng suất nén có thể cản trở việc mở và lan truyền vết nứt. Kiểm soát cấu trúc vi mô thông qua xử lý nhiệt và gia công cơ học nhằm mục đích tối ưu hóa các cấu hình ứng suất dư để tăng cường tính chất mong muốn.

Tương tác với các đặc điểm cấu trúc vi mô khác

Các giai đoạn cùng tồn tại

Ứng suất làm mát thường cùng tồn tại với các thành phần vi cấu trúc như martensite, bainite, ferrite và carbide. Các pha này có hệ số giãn nở nhiệt và biến dạng biến dạng khác nhau, ảnh hưởng đến tương tác ứng suất.

Các ranh giới pha, chẳng hạn như giao diện martensite-austenit, có thể hoạt động như các chất tập trung ứng suất hoặc nguồn làm giãn ứng suất. Các vùng tương tác có thể phát triển các vùng ứng suất cao cục bộ, ảnh hưởng đến độ ổn định của cấu trúc vi mô.

Mối quan hệ chuyển đổi

Ứng suất làm nguội có liên quan chặt chẽ đến các chuyển đổi pha. Ví dụ, sự hình thành nhanh chóng của martensit trong quá trình làm nguội liên quan đến sự giãn nở thể tích và cắt, tạo ra ứng suất bên trong cao.

Các chuyển đổi như hình thành bainit hoặc perlit liên quan đến các quá trình kiểm soát khuếch tán với những thay đổi về thể tích đi kèm, ảnh hưởng đến sự phát triển ứng suất dư.

Những cân nhắc về tính siêu ổn định là rất quan trọng; một số pha nhất định có thể làm giảm ứng suất dư theo thời gian thông qua các quá trình như tôi luyện hoặc phục hồi, làm thay đổi trạng thái ứng suất của cấu trúc vi mô.

Hiệu ứng tổng hợp

Trong thép nhiều pha, ứng suất làm mát góp phần vào hành vi tổng hợp chung. Ví dụ, trong thép hai pha, pha ferit mềm hơn có thể chịu được một số ứng suất, trong khi martensite cứng hơn chịu hầu hết tải trọng.

Phân số thể tích và sự phân bố các pha ảnh hưởng đến sự phân chia tải trọng và các đặc tính cơ học kết quả. Các pha phân bố đồng đều có xu hướng tạo ra các cấu hình ứng suất dư thuận lợi hơn, nâng cao hiệu suất.

Kiểm soát trong chế biến thép

Kiểm soát thành phần

Các nguyên tố hợp kim như cacbon, mangan, niken và các chất bổ sung hợp kim vi mô ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha và biên độ thay đổi thể tích, do đó ảnh hưởng đến sự phát triển ứng suất dư.

Ví dụ, việc tăng hàm lượng carbon làm tăng nhiệt độ Ms, dẫn đến hình thành nhiều martensite hơn và ứng suất liên quan cao hơn. Hợp kim vi mô với niobi hoặc vanadi có thể tinh chỉnh kích thước hạt và giảm nồng độ ứng suất.

Việc tối ưu hóa thành phần trong phạm vi cụ thể đảm bảo chuyển đổi pha được kiểm soát và giảm thiểu ứng suất dư.

Xử lý nhiệt

Các giao thức xử lý nhiệt được thiết kế để kiểm soát tốc độ làm mát và độ dốc nhiệt độ. Việc làm nguội từ nhiệt độ austenit hóa phải được quản lý cẩn thận để cân bằng độ cứng và mức ứng suất dư.

Làm mát có kiểm soát, chẳng hạn như tôi luyện hoặc ủ, cho phép giảm ứng suất. Ví dụ, làm mát chậm làm giảm độ dốc nhiệt, giảm ứng suất bên trong.

Các phạm vi nhiệt độ quan trọng, chẳng hạn như nhiệt độ Ms và Mf (lớp hoàn thiện martensit), được nhắm mục tiêu để kiểm soát hành vi chuyển đổi pha và ứng suất liên quan.

Hồ sơ thời gian-nhiệt độ được tối ưu hóa để thúc đẩy sự ổn định của cấu trúc vi mô đồng thời giảm thiểu ứng suất dư, thường thông qua xử lý nhiệt nhiều giai đoạn.

Xử lý cơ khí

Các quá trình biến dạng như cán, rèn hoặc phun bi ảnh hưởng đến các cấu hình ứng suất dư. Làm việc nguội tạo ra mật độ sai lệch và ứng suất nén ở bề mặt, có thể có lợi cho khả năng chống mỏi.

Sự kết tinh lại và phục hồi trong quá trình ủ có thể làm giảm ứng suất bên trong tích tụ trong quá trình biến dạng trước đó. Các chuyển đổi pha do ứng suất gây ra, chẳng hạn như chuyển đổi martensitic trong quá trình biến dạng, cũng tạo ra ứng suất bên trong.

Các thông số quy trình như tốc độ biến dạng, nhiệt độ và chế độ biến dạng được điều chỉnh để kiểm soát sự phát triển và phân phối ứng suất làm mát.

Chiến lược thiết kế quy trình

Các phương pháp tiếp cận công nghiệp bao gồm triển khai các hệ thống làm mát có kiểm soát, chẳng hạn như làm mát nhanh hoặc bể tôi có kiểm soát, để quản lý sự thay đổi nhiệt độ.

Các kỹ thuật cảm biến như cặp nhiệt điện và nhiệt ảnh hồng ngoại theo dõi hồ sơ nhiệt độ theo thời gian thực, cho phép điều chỉnh để giảm thiểu ứng suất dư không mong muốn.

Các phương pháp xử lý sau khi chế biến, chẳng hạn như ủ hoặc ram giảm ứng suất, được sử dụng để giảm ứng suất dư có hại trong khi vẫn bảo toàn các đặc tính cấu trúc vi mô.

Đảm bảo chất lượng bao gồm các kỹ thuật đo ứng suất dư và phân tích cấu trúc vi mô để xác minh rằng các mục tiêu xử lý đã được đáp ứng.

Ý nghĩa và ứng dụng công nghiệp

Các loại thép chính

Ứng suất làm nguội rất quan trọng trong thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA), thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) và thép công cụ, trong đó độ ổn định về cấu trúc vi mô và hiệu suất cơ học phụ thuộc vào khả năng kiểm soát ứng suất dư.

Ví dụ, thép martensitic được sử dụng trong các công cụ cắt hoặc thành phần cấu trúc đòi hỏi cấu hình ứng suất dư được tối ưu hóa để cân bằng độ cứng và độ dẻo dai.

Trong thép đường ống, ứng suất dư ảnh hưởng đến khả năng nứt và độ bền lâu dài, khiến việc quản lý chúng trở nên cần thiết.

Ví dụ ứng dụng

Trong sản xuất ô tô, thép hai pha với ứng suất dư được kiểm soát cho thấy tuổi thọ mỏi và khả năng chịu va đập được cải thiện. Các chiến lược xử lý nhiệt và làm mát thích hợp tối ưu hóa cấu trúc vi mô và phân phối ứng suất dư.

Trong ngành hàng không vũ trụ, thép hiệu suất cao phải trải qua quá trình làm nguội nhanh để đạt được cấu trúc vi mô mong muốn, với ứng suất dư được quản lý cẩn thận để tránh biến dạng hoặc nứt.

Các nghiên cứu điển hình chứng minh rằng kỹ thuật vi cấu trúc, bao gồm kiểm soát ứng suất dư, giúp tăng khả năng chống mài mòn, tuổi thọ chịu mỏi và tính toàn vẹn của cấu trúc trong các ứng dụng quan trọng.

Những cân nhắc về kinh tế

Việc đạt được các cấu trúc vi mô mong muốn với ứng suất dư được kiểm soát liên quan đến chi phí liên quan đến xử lý nhiệt chuyên dụng, dụng cụ và giám sát quy trình. Tuy nhiên, những khoản đầu tư này dẫn đến tuổi thọ linh kiện dài hơn, giảm bảo trì và cải thiện độ an toàn.

Việc tối ưu hóa cấu trúc vi mô có thể giảm nhu cầu sửa chữa hoặc thay thế sau xử lý tốn kém, mang lại lợi ích kinh tế trong suốt vòng đời của linh kiện.

Sự cân bằng giữa chi phí xử lý và cải thiện tính chất được cân nhắc cẩn thận để tối đa hóa giá trị trong sản xuất thép.

Sự phát triển lịch sử của sự hiểu biết

Phát hiện và đặc điểm ban đầu

Việc nhận biết ứng suất dư trong thép có từ những nghiên cứu luyện kim đầu tiên vào thế kỷ 19, với những quan sát ban đầu liên quan đến sự biến dạng do quá trình tôi.

Các nhà nghiên cứu ban đầu xác định rằng làm mát nhanh gây ra cong vênh và nứt, quy những hiện tượng này cho ứng suất bên trong. Sự ra đời của kính hiển vi và kỹ thuật nhiễu xạ vào thế kỷ 20 cho phép mô tả chính xác hơn.

Sự phát triển của phương pháp nhiễu xạ tia X vào những năm 1950 đã cung cấp các phép đo ứng suất dư định lượng, giúp hiểu rõ hơn về nguồn gốc và tác động của chúng.

Thuật ngữ Tiến hóa

Ban đầu được gọi là "ứng suất dập tắt", thuật ngữ này đã phát triển thành "ứng suất dư" để bao hàm ứng suất còn lại sau quá trình sản xuất.

Khái niệm "ứng suất làm mát" đặc biệt nhấn mạnh vai trò của sự co nhiệt và chuyển đổi pha trong quá trình làm mát. Những nỗ lực chuẩn hóa đã dẫn đến thuật ngữ thống nhất trong các tài liệu luyện kim.

Các truyền thống khác nhau, chẳng hạn như cơ học so với luyện kim, đôi khi sử dụng các thuật ngữ khác nhau, nhưng sự đồng thuận hiện đại ủng hộ "ứng suất dư" hoặc "ứng suất làm mát" để rõ ràng hơn.

Phát triển Khung khái niệm

Các mô hình lý thuyết đã chuyển từ các phép tính gần đúng thuần túy đàn hồi sang bao gồm tính dẻo, biến dạng chuyển pha và tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô.

Sự ra đời của mô hình phần tử hữu hạn vào cuối thế kỷ 20 cho phép mô phỏng chi tiết sự phát triển ứng suất trong quá trình làm mát, tích hợp nhiệt động lực học, động học và cơ học.

Những tiến bộ gần đây kết hợp các phép đo tại chỗ và mô hình đa tỷ lệ, giúp hiểu rõ hơn về cách các đặc điểm vi cấu trúc ảnh hưởng đến sự tiến hóa ứng suất dư.

Nghiên cứu hiện tại và hướng đi trong tương lai

Biên giới nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tìm hiểu sự tương tác giữa cấu trúc vi mô, chuyển đổi pha và ứng suất dư ở quy mô nano và vi mô.

Những câu hỏi chưa được giải đáp bao gồm tính ổn định lâu dài của ứng suất dư trong điều kiện sử dụng và ảnh hưởng của chúng đến sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình vận hành.

Các cuộc điều tra mới nổi đang khám phá tác động của các nguyên tố hợp kim mới và các kỹ thuật xử lý, chẳng hạn như sản xuất bồi đắp, đối với sự phát triển ứng suất dư.

Thiết kế thép tiên tiến

Các loại thép cải tiến tận dụng kỹ thuật vi cấu trúc để tối ưu hóa các cấu hình ứng suất dư nhằm nâng cao hiệu suất. Ví dụ, thép tôi và thép phân vùng nhằm mục đích cân bằng ứng suất dư với độ dẻo dai.

Các phương pháp thiết kế vi cấu trúc bao gồm phân bố pha được kiểm soát, vi cấu trúc theo độ dốc và biến dạng biến đổi tùy chỉnh để cải thiện khả năng chống mỏi và gãy.

Nghiên cứu nhằm mục đích phát triển các loại thép có khả năng quản lý ứng suất dư nội tại, giảm sự phụ thuộc vào các phương pháp xử lý sau gia công.

Tiến bộ tính toán

Những tiến bộ trong mô hình hóa đa thang đo, kết hợp mô phỏng nguyên tử với cơ học liên tục, cho phép dự đoán chính xác hơn về ứng suất dư trong các chu kỳ nhiệt phức tạp.

Thuật toán học máy phân tích các tập dữ liệu lớn về các đặc điểm cấu trúc vi mô và phép đo ứng suất dư để xác định các thông số chính ảnh hưởng đến sự phát triển ứng suất.

Các hệ thống điều khiển quy trình do AI điều khiển đang được phát triển để tối ưu hóa các giao thức làm mát theo thời gian thực, giảm thiểu ứng suất dư không mong muốn và cải thiện tính nhất quán của cấu trúc vi mô.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về ứng suất làm nguội trong thép, tích hợp các nguyên lý khoa học, chi tiết cấu trúc vi mô, phương pháp mô tả đặc điểm và ý nghĩa thực tế đối với quá trình gia công và ứng dụng thép.