Biểu đồ pha trong luyện kim thép: Cấu trúc vi mô, tính chất và chế biến

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Biểu đồ pha là một biểu diễn đồ họa mô tả trạng thái cân bằng của một hệ vật liệu theo các biến số như nhiệt độ, áp suất và thành phần. Trong luyện kim, đặc biệt là trong khoa học thép, nó lập bản đồ các pha ổn định và bán ổn định có ở nhiều điều kiện khác nhau, cung cấp những hiểu biết quan trọng về độ ổn định pha, các con đường chuyển đổi và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô.

Ở cấp độ nguyên tử, sơ đồ pha phản ánh các nguyên lý nhiệt động lực học chi phối năng lượng tự do của các pha khác nhau. Mỗi pha tương ứng với một sự sắp xếp cụ thể của các nguyên tử, được đặc trưng bởi các cấu trúc tinh thể, thành phần và độ ổn định nhiệt động lực học riêng biệt. Sơ đồ bao gồm sự cân bằng năng lượng tự do Gibbs giữa các pha, chỉ ra pha nào được ưu tiên về mặt nhiệt động lực học trong các điều kiện nhất định.

Trong luyện kim thép, sơ đồ pha đóng vai trò là công cụ nền tảng để thiết kế phương pháp xử lý nhiệt, thành phần hợp kim và lộ trình xử lý. Chúng cho phép các kỹ sư và nhà khoa học dự đoán các chuyển đổi pha, kiểm soát sự phát triển cấu trúc vi mô và tối ưu hóa các đặc tính cơ học. Do đó, sơ đồ pha củng cố khuôn khổ khoa học của khoa học vật liệu, kết nối nhiệt động lực học, động học và kỹ thuật vi cấu trúc.

Bản chất vật lý và đặc điểm

Cấu trúc tinh thể

Các pha được biểu diễn trong sơ đồ pha thép có cấu trúc tinh thể được xác định rõ ràng. Ví dụ, pha austenit (γ-Fe) thể hiện mạng lập phương tâm mặt (FCC) với tham số mạng xấp xỉ 0,36 nm ở nhiệt độ phòng, mặc dù nó thay đổi tùy theo thành phần và nhiệt độ. Ferrite (α-Fe) có cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) với tham số mạng gần 0,286 nm.

Các pha carbide như cementite (Fe₃C) có cấu trúc tinh thể trực thoi, đặc trưng bởi sự sắp xếp nguyên tử cụ thể mang lại độ cứng và độ giòn. Martensite, được hình thành thông qua quá trình làm nguội nhanh, là pha tứ giác tâm khối (BCT) siêu bão hòa, với mạng BCC bị biến dạng do các khe hở cacbon.

Các mối quan hệ định hướng tinh thể, chẳng hạn như Kurdjumov–Sachs hoặc Nishiyama–Wassermann, mô tả sự sắp xếp định hướng giữa pha gốc và pha biến đổi, ảnh hưởng đến động học biến đổi và cấu trúc vi mô kết quả.

Đặc điểm hình thái

Về mặt vi cấu trúc, các pha trong thép thể hiện nhiều hình thái khác nhau. Austenit xuất hiện như một ma trận austenit đồng nhất ở nhiệt độ cao. Khi làm nguội, nó biến đổi thành nhiều cấu trúc vi mô khác nhau như ferit, peclit, bainit hoặc martensite, mỗi cấu trúc có hình dạng và kích thước đặc trưng.

Ferrite thường biểu hiện dưới dạng các hạt đẳng trục có kích thước từ vài micromet đến vài milimét, với hình dạng đa giác hoặc hình cầu dưới kính hiển vi quang học. Pearlite xuất hiện dưới dạng các phiến ferrite và cementite xen kẽ, với khoảng cách giữa các phiến ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học.

Bainite hình thành dưới dạng cấu trúc hình kim hoặc hình lông vũ, thường trong phạm vi vài micromet, với hình thái ba chiều phức tạp. Martensite xuất hiện dưới dạng các thanh giống như kim hoặc dạng tấm, với mật độ lệch vị trí cao và hình thái thanh hoặc dạng tấm đặc trưng có thể quan sát được dưới kính hiển vi điện tử quét.

Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của các pha trong thép có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc vi mô của chúng. Ferrite, tương đối mềm và dẻo, có độ cứng thấp (~100 HV) và độ dẫn điện cao. Cementite cứng và giòn, có độ cứng cao (~700 HV) và độ dẫn điện thấp.

Austenit không có từ tính và thể hiện độ dẻo dai và độ bền cao ở nhiệt độ cao. Martensite, do quá bão hòa cacbon và mật độ lệch vị trí cao, có độ cứng cao (~600-700 HV), độ bền và độ giòn.

Tính chất từ ​​tính khác nhau: ferit là sắt từ, trong khi austenit là thuận từ ở nhiệt độ phòng. Độ dẫn nhiệt thường cao hơn ở ferit so với ở cementit hoặc martensite, ảnh hưởng đến hành vi xử lý nhiệt.

Cơ chế hình thành và động học

Cơ sở nhiệt động lực học

Sự hình thành các pha trong thép được điều chỉnh bởi các nguyên lý nhiệt động lực học, chủ yếu là giảm thiểu năng lượng tự do Gibbs (G). Để một pha ổn định, G của nó phải thấp hơn G của các pha cạnh tranh ở nhiệt độ và thành phần nhất định.

Các vùng ổn định pha được xác định bởi ranh giới pha trên sơ đồ pha, tại đó năng lượng tự do của hai pha bằng nhau. Do đó, sơ đồ pha biểu diễn quỹ tích của các điều kiện cân bằng, tại đó nhiều pha cùng tồn tại hoặc chuyển đổi thành nhau.

Biểu đồ pha phản ánh trạng thái cân bằng pha, chẳng hạn như phản ứng eutectoid (γ → α + Fe₃C) ở 727°C trong thép dưới eutectoid và các phản ứng peritectoid hoặc bất biến, rất quan trọng đối với việc kiểm soát cấu trúc vi mô.

Động học hình thành

Trong khi nhiệt động lực học chỉ ra pha nào ổn định, động học xác định tốc độ hình thành các pha này. Sự hình thành hạt nhân liên quan đến sự hình thành các hạt nhân ổn định của pha mới trong pha mẹ, vượt qua rào cản năng lượng chịu ảnh hưởng bởi năng lượng giao diện và sự thay đổi năng lượng tự do thể tích.

Sự phát triển liên quan đến sự khuếch tán nguyên tử, phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ cao hơn đẩy nhanh sự khuếch tán, thúc đẩy sự phát triển pha nhanh hơn, nhưng cũng có thể ủng hộ sự hình thành các cấu trúc vi mô cân bằng.

Các bước kiểm soát tốc độ bao gồm khuếch tán nguyên tử, tần số hạt nhân và tính di động của giao diện. Các rào cản năng lượng hoạt hóa, thường nằm trong khoảng 100–300 kJ/mol, ảnh hưởng đến động học của các chuyển đổi pha.

Các yếu tố ảnh hưởng

Các nguyên tố hợp kim như cacbon, mangan, crom và niken ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành pha. Ví dụ, cacbon ổn định cementit và martensite, trong khi mangan mở rộng vùng ổn định austenit.

Các thông số xử lý như tốc độ làm nguội, tốc độ gia nhiệt và thời gian giữ ảnh hưởng quan trọng đến sự phát triển pha. Làm nguội nhanh thúc đẩy sự hình thành martensite, trong khi làm nguội chậm thúc đẩy sự hình thành peclit hoặc ferit.

Các cấu trúc vi mô tồn tại trước đó, chẳng hạn như kích thước hạt austenit trước đó, ảnh hưởng đến các vị trí hình thành hạt và con đường chuyển đổi, tác động đến sự phân bố pha và hình thái.

Mô hình toán học và mối quan hệ định lượng

Các phương trình chính

Tính ổn định nhiệt động lực học của các pha có thể được mô tả bằng phương trình năng lượng tự do Gibbs:

[ G = H - TS ]

trong đó $G$ là năng lượng tự do Gibbs, $H$ là enthalpy, $T$ là nhiệt độ và $S$ là entropy.

Ranh giới pha giữa hai pha (ví dụ α và γ) được xác định bởi sự bằng nhau về năng lượng tự do của chúng:

$$G_\alpha(T, C) = G_\gamma(T, C) $$

trong đó $C$ là thành phần.

Quy tắc đòn bẩy định lượng các phân số pha trong vùng hai pha:

$$f_\alpha = \frac{C_\gamma - C_0}{C_\gamma - C_\alpha} $$

trong đó $C_0$ là thành phần tổng thể và ( C_\alpha ), ( C_\gamma ) là thành phần của các pha tương ứng.

Tốc độ hình thành hạt nhân ((I)) có thể được biểu thị như sau:

$$I = I_0 \exp \left( -\frac{\Delta G^*}{kT} \right) $$

trong đó $I_0$ là hệ số tiền mũ, ( \Delta G^* ) là rào cản năng lượng tự do quan trọng, ( k ) là hằng số Boltzmann và $T$ là nhiệt độ.

Mô hình dự đoán

Các công cụ tính toán như CALPHAD (TÍNH TOÁN Biểu đồ Pha) tích hợp cơ sở dữ liệu nhiệt động lực học để dự đoán độ ổn định và chuyển đổi pha trên nhiều thành phần và nhiệt độ khác nhau.

Các mô hình trường pha mô phỏng sự tiến hóa của cấu trúc vi mô bằng cách giải các phương trình vi phân liên hợp mô tả chuyển động ranh giới pha, sự khuếch tán và năng lượng giao diện, cho phép dự đoán hình thái và động học của cấu trúc vi mô.

Mô phỏng động lực học phân tử và Monte Carlo động học cung cấp những hiểu biết sâu sắc về nguyên tử trong quá trình hình thành và phát triển pha, mặc dù ứng dụng của chúng vào các cấu trúc vi mô thép khối vẫn đòi hỏi nhiều tính toán.

Phương pháp phân tích định lượng

Kính hiển vi quang học kết hợp với phần mềm phân tích hình ảnh cho phép đo kích thước pha, hình dạng và phân phối. Các kỹ thuật như xử lý hình ảnh kỹ thuật số tự động tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích thống kê các thông số cấu trúc vi mô.

Khúc xạ tán xạ điện tử (EBSD) cung cấp dữ liệu định hướng tinh thể, cho phép định lượng các thành phần pha, kích thước hạt và mối quan hệ định hướng.

Các thuật toán phân tích hình ảnh có thể tính toán các thông số như khoảng cách giữa các phiến trong perlit hoặc chiều rộng thanh trong martensit, liên hệ cấu trúc vi mô với các tính chất cơ học.

Kỹ thuật đặc trưng

Phương pháp kính hiển vi

Kính hiển vi quang học, sau khi chuẩn bị mẫu thích hợp bao gồm mài, đánh bóng và khắc, sẽ cho thấy các đặc điểm ở cấp độ vĩ mô và vi mô như ranh giới hạt, ranh giới pha và thành phần vi mô.

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 hình thái pha, địa hình bề mặt và bề mặt gãy.

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép chụp ảnh ở cấp độ nguyên tử, phát hiện các cấu trúc lệch pha, giao diện pha và kết tủa ở cấp độ nano, rất cần thiết để hiểu các cơ chế biến đổi.

Chuẩn bị mẫu cho TEM bao gồm việc làm mỏng mẫu đến mức trong suốt về mặt electron, thường thông qua phương pháp nghiền ion hoặc đánh bóng điện hóa.

Kỹ thuật nhiễu xạ

Khúc xạ tia X (XRD) xác định các pha tinh thể thông qua các mẫu nhiễu xạ đặc trưng của chúng, cung cấp khả năng nhận dạng pha, các thông số mạng và phân tích ứng suất dư.

Khúc xạ electron trong TEM cung cấp thông tin tinh thể cục bộ, hữu ích cho việc phân tích các chuyển đổi pha tại các vị trí vi cấu trúc cụ thể.

Khúc xạ neutron, với khả năng thâm nhập sâu, có thể phân tích thành phần pha khối và ứng suất dư trong các thành phần thép lớn.

Đặc điểm nâng cao

Các kỹ thuật có độ phân giải cao như chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) cho phép lập bản đồ thành phần ba chiều ở độ phân giải gần nguyên tử, cho thấy sự phân bố nguyên tố trong các pha.

Kính hiển vi tại chỗ, chẳng hạn như các giai đoạn gia nhiệt trong SEM hoặc TEM, cho phép quan sát thời gian thực các quá trình chuyển đổi pha, hình thành hạt và phát triển trong điều kiện nhiệt được kiểm soát.

Các phương pháp mô tả đặc điểm 3D như cắt lớp nối tiếp hoặc chụp cắt lớp chùm ion hội tụ (FIB) tái tạo cấu trúc vi mô theo ba chiều, cung cấp cái nhìn toàn diện về hình thái và phân bố pha.

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 cứng	Tăng lên do hình thành các pha cứng như martensit hoặc xêmentit	Độ cứng martensitic có thể đạt tới 600–700 HV; độ cứng perlit thay đổi theo khoảng cách giữa các phiến	Loại cấu trúc vi mô, phân số pha và hình thái
Độ dẻo	Nói chung giảm khi có sự hiện diện của pha giòn	Độ giãn dài khi kéo giảm từ ~40% trong thép ferritic xuống <10% trong thép martensitic	Phân bố pha, kích thước hạt và đặc điểm giao diện pha
Độ bền	Giảm bởi các pha thô hoặc giòn; cải thiện bởi các cấu trúc vi mô mềm dẻo, mịn	Năng lượng va chạm Charpy thay đổi rất nhiều; perlite mịn hoặc martensit tôi luyện tăng cường độ dẻo dai	Tinh chỉnh cấu trúc vi mô, loại pha và lịch sử xử lý nhiệt
Chống ăn mòn	Có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần và phân bố pha	Các pha austenit có khả năng chống ăn mòn tốt hơn; cementit có thể thúc đẩy ăn mòn cục bộ	Hóa học pha, phân bố và tính đồng nhất của cấu trúc vi mô

Các tính chất chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm nội tại của pha và sự phân bố của chúng trong cấu trúc vi mô. Ví dụ, mật độ lệch vị trí cao của martensite mang lại sức mạnh nhưng làm giảm độ dẻo, trong khi perlit mịn cân bằng sức mạnh và độ dai.

Kiểm soát cấu trúc vi mô thông qua xử lý nhiệt và hợp kim cho phép tối ưu hóa các đặc tính này cho các ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như dụng cụ chống mài mòn hoặc thép kết cấu dẻo.

Tương tác với các đặc điểm cấu trúc vi mô khác

Các giai đoạn cùng tồn tại

Trong các cấu trúc vi mô của thép, các pha như ferit, xêmentit, martensite, bainit và austenit giữ lại thường cùng tồn tại. Sự hình thành của chúng được chi phối bởi nhiệt động lực học và động học, với một số pha cạnh tranh với các vị trí hình thành hạt nhân.

Ví dụ, trong thép peclit, ferit và xêmentit hình thành xen kẽ, tạo thành cấu trúc dạng phiến. Ranh giới pha giữa các thành phần này ảnh hưởng đến tính chất cơ học và hành vi ăn mòn.

Các vùng tương tác, chẳng hạn như giao diện cementit-ferit, có thể hoạt động như vị trí bắt đầu nứt hoặc cản trở chuyển động sai lệch, ảnh hưởng đến độ dẻo dai và độ bền.

Mối quan hệ chuyển đổi

Cấu trúc vi mô này thường là kết quả của các con đường biến đổi cụ thể. Ví dụ, austenit biến đổi thành perlit trong quá trình làm nguội chậm, liên quan đến sự phát triển dạng phiến hợp tác. Làm nguội nhanh biến đổi austenit thành martensite thông qua quá trình không khuếch tán, bị chi phối bởi lực cắt.

Các cấu trúc tiền thân như ranh giới hạt austenit ảnh hưởng đến các chuyển đổi pha tiếp theo. Các pha siêu bền, chẳng hạn như austenit giữ lại trong thép bainit, có thể chuyển thành martensite dưới ứng suất hoặc làm mát thêm, ảnh hưởng đến hiệu suất cơ học.

Hiệu ứng tổng hợp

Thép đa pha tận dụng tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô để đạt được các đặc tính mong muốn. Ví dụ, thép hai pha kết hợp ferit mềm với martensite cứng, tạo ra sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

Phân số thể tích và sự phân bố của các pha xác định sự phân chia tải trọng, với các pha cứng hơn chịu ứng suất cao hơn. Các pha mịn, phân bố đồng đều tăng cường độ bền và độ dẻo dai, trong khi sự phân bố thô hoặc không đồng đều có thể gây ra sự tập trung ứng suất.

Kiểm soát trong chế biến thép

Kiểm soát thành phần

Các nguyên tố hợp kim được sử dụng một cách chiến lược để tác động đến độ ổn định của pha. Ví dụ, hàm lượng cacbon rất quan trọng: hàm lượng cacbon thấp (<0,03%) có lợi cho ferit, trong khi hàm lượng cacbon cao hơn (>0,1%) thúc đẩy sự hình thành cementit và martensite.

Hợp kim vi mô với niobi, vanadi hoặc titan làm tinh chỉnh kích thước hạt và thúc đẩy kết tủa cacbua/nitrit ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi pha và độ ổn định của cấu trúc vi mô.

Việc điều chỉnh thành phần tổng thể cho phép điều chỉnh sơ đồ pha để ưu tiên các cấu trúc vi mô mong muốn, chẳng hạn như bainit hoặc martensite tôi luyện, cho các ứng dụng cụ thể.

Xử lý nhiệt

Các giao thức xử lý nhiệt được thiết kế dựa trên hiểu biết về biểu đồ pha. Quá trình austenit hóa liên quan đến việc nung thép đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bắt đầu austenit (Aₛ) và kết thúc $A_f$, thường là từ 800°C đến 950°C.

Tốc độ làm nguội được kiểm soát quyết định cấu trúc vi mô: làm nguội chậm (~0,1°C/giây) tạo ra perlit; làm nguội vừa phải (~10°C/giây) tạo ra bainit; làm nguội nhanh (~100°C/giây) tạo ra martensit.

Quá trình tôi luyện bao gồm việc nung lại thép đã tôi ở nhiệt độ từ 150°C đến 700°C để giảm ứng suất và biến martensite bán bền thành martensite tôi luyện có độ dẻo dai được cải thiện.

Xử lý cơ khí

Các quá trình biến dạng như cán, rèn hoặc đùn ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô bằng cách tạo ra biến dạng, có thể thúc đẩy quá trình kết tinh động hoặc chuyển đổi pha.

Sự chuyển đổi martensitic do ứng suất có thể xảy ra trong thép austenitic không ổn định trong quá trình biến dạng, tăng cường độ bền thông qua tính dẻo do biến đổi (hiệu ứng TRIP).

Quá trình phục hồi và kết tinh lại trong quá trình gia công nóng sẽ tinh chỉnh kích thước hạt và ảnh hưởng đến các vị trí hình thành pha, cho phép điều chỉnh cấu trúc vi mô.

Chiến lược thiết kế quy trình

Kiểm soát quy trình công nghiệp bao gồm giám sát nhiệt độ chính xác, điều chỉnh tốc độ làm mát và điều chỉnh thành phần hợp kim. Cảm biến và cặp nhiệt điện cho phép phản hồi theo thời gian thực để tối ưu hóa quy trình.

Các kỹ thuật tiên tiến như biểu đồ chuyển đổi làm mát liên tục (CCT) hướng dẫn lịch trình xử lý nhiệt để đạt được cấu trúc vi mô mục tiêu.

Đảm bảo chất lượng bao gồm đặc tính vi cấu trúc, thử nghiệm độ cứng và phân tích pha để xác minh các mục tiêu vi cấu trúc được đáp ứng.

Ý nghĩa và ứng dụng công nghiệp

Các loại thép chính

Các cấu trúc vi mô được mô tả bằng sơ đồ pha là trọng tâm của nhiều loại thép. Ví dụ:

• Thép không gỉ austenit (ví dụ: 304, 316) dựa vào austenit ổn định để có khả năng chống ăn mòn và độ dẻo.
• Thép hợp kim thấp cường độ cao (HSLA) sử dụng cấu trúc vi mô bainit hoặc martensitic tôi luyện để tăng độ bền và độ dẻo dai.
• Thép công cụ phụ thuộc vào cacbua và martensit để có độ cứng và khả năng chống mài mòn.

Việc hiểu được độ ổn định pha sẽ hướng dẫn quá trình phát triển các loại này, đảm bảo đáp ứng được các tiêu chí về hiệu suất.

Ví dụ ứng dụng

• Tấm thân xe ô tô được hưởng lợi từ thép hai pha với ferit và martensit, mang lại tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao.
• Dụng cụ cắt sử dụng các cấu trúc vi mô martensitic để tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn.
• Các thành phần cấu trúc sử dụng các cấu trúc vi mô được chuẩn hóa hoặc tôi luyện để có độ bền và độ dẻo dai.

Các nghiên cứu điển hình chứng minh rằng tối ưu hóa cấu trúc vi mô thông qua xử lý theo sơ đồ pha giúp nâng cao hiệu suất, độ bền và độ an toàn.

Những cân nhắc về kinh tế

Để đạt được cấu trúc vi mô mong muốn cần phải có chi phí liên quan đến hợp kim chính xác, xử lý nhiệt được kiểm soát và thiết bị xử lý tiên tiến. Tuy nhiên, những cải tiến về hiệu suất thu được thường biện minh cho những khoản đầu tư này.

Kiểm soát cấu trúc vi mô có thể giảm lãng phí vật liệu, cải thiện tuổi thọ và cho phép thiết kế nhẹ, mang lại lợi ích kinh tế thông qua việc nâng cao hiệu quả và giảm bảo trì.

Sự đánh đổi bao gồm việc cân bằng chi phí xử lý với các yêu cầu về tính chất, với thông tin chi tiết về sơ đồ pha cho phép thiết kế vi cấu trúc tiết kiệm chi phí.

Sự phát triển lịch sử của sự hiểu biết

Phát hiện và đặc điểm ban đầu

Khái niệm về biểu đồ pha bắt nguồn từ cuối thế kỷ 19, với những người tiên phong như Gibbs và van der Waals thiết lập các nguyên lý nhiệt động lực học. Các biểu đồ pha luyện kim ban đầu cho thép được phát triển thông qua các đường cong làm mát thử nghiệm và các quan sát về cấu trúc vi mô.

Biểu đồ pha Fe-C được xây dựng lần đầu tiên vào đầu thế kỷ 20, cung cấp hiểu biết cơ bản về sự hình thành cementite và pearlite. Những tiến bộ trong kính hiển vi và nhiệt động lực học đã tinh chỉnh các biểu đồ này trong những thập kỷ tiếp theo.

Thuật ngữ Tiến hóa

Ban đầu, các pha được mô tả theo cách mô tả, chẳng hạn như "pearlite" hoặc "cementite". Theo thời gian, danh pháp chuẩn hóa đã xuất hiện, phù hợp với phân loại tinh thể học và nhiệt động lực học.

Sự phát triển của sơ đồ Fe-C nhị phân dẫn đến sự ra đời của các thuật ngữ như thép "hypoeutectoid" và "hypereutectoid", phản ánh phạm vi thành phần. Thuật ngữ hiện đại kết hợp các pha bán ổn định, chẳng hạn như austenit giữ lại và các thành phần vi mô phức tạp.

Phát triển Khung khái niệm

Sự hiểu biết về các biến đổi pha phát triển từ các quan sát thực nghiệm đến mô hình nhiệt động lực học. Việc giới thiệu phương pháp CALPHAD vào những năm 1970 cho phép tính toán nhiệt động lực học toàn diện, cải thiện độ chính xác của sơ đồ pha.

Mô hình chuyển từ sơ đồ tĩnh sang mô hình trường pha động, đa thành phần, tích hợp động học và tiến hóa vi cấu trúc. Cách tiếp cận toàn diện này đã nâng cao khả năng dự đoán của sơ đồ pha trong quá trình chế biến thép.

Nghiên cứu hiện tại và hướng đi trong tương lai

Biên giới nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc mở rộng khái niệm biểu đồ pha sang thép đa thành phần, bao gồm hợp kim có entropy cao, khi biểu đồ nhị phân truyền thống không còn hiệu quả.

Những câu hỏi chưa được giải đáp bao gồm tính ổn định của các pha bán ổn định, chẳng hạn như austenit giữ lại, và cơ chế biến đổi của chúng trong điều kiện sử dụng.

Các nghiên cứu gần đây sử dụng máy gia tốc synchrotron tại chỗ và nhiễu xạ neutron để quan sát các chuyển đổi pha theo thời gian thực, giúp tăng cường hiểu biết về các con đường chuyển đổi.

Thiết kế thép tiên tiến

Thép cải tiến tận dụng kỹ thuật vi cấu trúc được hướng dẫn bởi hiểu biết về sơ đồ pha. Ví dụ bao gồm thép dẻo cảm ứng chuyển đổi (TRIP), trong đó austenit giữ lại biến đổi dưới ứng suất để cải thiện độ dẻo.

Thép có cấu trúc nano với các pha tinh chế nhằm đạt được độ bền và độ dẻo dai cực cao. Thép hợp kim siêu nhỏ với các kết tủa cacbua và nitrit được thiết kế riêng minh họa cho việc kiểm soát cấu trúc vi mô để cải thiện các đặc tính cụ thể.

Tiến bộ tính toán

Mô hình đa thang tích hợp các tính toán nhiệt động lực học với mô phỏng động học để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô chính xác hơn. Các thuật toán học máy phân tích các tập dữ liệu lớn để xác định các tham số xử lý tối ưu cho phân phối pha mong muốn.

Các phương pháp tiếp cận dựa trên AI giúp sàng lọc nhanh chóng các thành phần hợp kim và lịch trình xử lý nhiệt, đẩy nhanh chu kỳ phát triển và cho phép thiết kế vi cấu trúc tùy chỉnh.

---

Bài viết toàn diện này cung cấp hiểu biết sâu sắc về khái niệm sơ đồ pha trong luyện kim thép, tích hợp các nguyên lý khoa học, đặc điểm vi cấu trúc, cơ chế hình thành, phương pháp mô hình hóa, kỹ thuật mô tả đặc điểm, ý nghĩa của tính chất, tương tác với các đặc điểm vi cấu trúc khác, kiểm soát quá trình, tính liên quan trong công nghiệp, sự phát triển lịch sử và hướng nghiên cứu trong tương lai.