Bộ cố định: Biến dạng không thể đảo ngược trong sản xuất và thiết kế thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Biến dạng vĩnh cửu là biến dạng dư còn lại trong vật liệu sau khi ứng suất tác dụng được loại bỏ. Biến dạng này biểu thị biến dạng dẻo không phục hồi được xảy ra khi vật liệu chịu ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi hoặc điểm chảy. Tính chất này là cơ bản trong kỹ thuật vật liệu vì nó xác định ranh giới giữa hành vi đàn hồi và dẻo, xác định xem một thành phần có trở lại kích thước ban đầu sau khi chịu tải hay không.

Trong luyện kim, biến dạng cố định đóng vai trò là thông số quan trọng để đánh giá hiệu suất vật liệu trong các ứng dụng kết cấu. Nó phân biệt giữa biến dạng đàn hồi tạm thời và biến dạng dẻo cố định, cung cấp cho các kỹ sư thông tin cần thiết về hành vi của vật liệu dưới tải. Hiểu được biến dạng cố định là rất quan trọng để dự đoán tuổi thọ của linh kiện, thiết lập biên độ an toàn và xác định các thông số thiết kế phù hợp.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, sự định hình vĩnh viễn xảy ra do sự chuyển động và nhân lên của các sai lệch trong mạng tinh thể. Khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy, các sai lệch bắt đầu di chuyển dọc theo các mặt phẳng trượt, gây ra sự dịch chuyển vĩnh viễn các nguyên tử khỏi vị trí ban đầu của chúng. Chuyển động sai lệch này tạo ra các dải trượt và dẫn đến biến dạng không thể đảo ngược.

Trong vật liệu thép, sức đề kháng với chuyển động trật khớp quyết định sự khởi đầu của quá trình đông cứng vĩnh viễn. Nhiều cơ chế gia cường khác nhau—chẳng hạn như gia cường dung dịch rắn, làm cứng kết tủa và làm cứng làm việc—làm tăng sức đề kháng này bằng cách cản trở chuyển động trật khớp. Sự tương tác giữa các trật khớp và các chướng ngại vật như ranh giới hạt, kết tủa và các trật khớp khác chi phối sức đề kháng của vật liệu đối với biến dạng vĩnh viễn.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình biến dạng vĩnh cửu là lý thuyết biến dạng dẻo, xây dựng dựa trên khái niệm tiêu chuẩn về độ chảy. Tiêu chuẩn chảy von Mises thường được sử dụng, nêu rằng quá trình chảy bắt đầu khi ứng suất lệch thứ hai bất biến đạt đến giá trị tới hạn. Mô hình này dự đoán hiệu quả sự khởi đầu của quá trình biến dạng vĩnh cửu trong các vật liệu dẻo như thép.

Theo truyền thống, hiểu biết về tập hợp vĩnh cửu phát triển từ các thử nghiệm căng thẳng đơn giản do những người tiên phong như Robert Hooke và Thomas Young thực hiện, những người đã thiết lập nền tảng của lý thuyết đàn hồi. Sau đó, các nhà nghiên cứu như Ludwig Prandtl và Richard von Mises đã phát triển các mô hình tinh vi hơn kết hợp các khái niệm về tính dẻo của tinh thể.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau bao gồm tiêu chuẩn Tresca (lý thuyết ứng suất cắt cực đại) và nhiều mô hình làm cứng biến dạng khác nhau giải thích cho phản ứng thay đổi của vật liệu sau khi chảy dẻo. Mỗi mô hình đều có lợi thế cho các điều kiện tải cụ thể hoặc hành vi của vật liệu.

Cơ sở khoa học vật liệu

Sự đông đặc vĩnh cửu có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể, với thép lập phương tâm khối (BCC) thường cho thấy hành vi đông đặc vĩnh cửu khác với thép lập phương tâm mặt (FCC). Các ranh giới hạt đóng vai trò như rào cản đối với chuyển động trật khớp, với các cấu trúc hạt mịn hơn thường cho thấy khả năng chống biến dạng vĩnh cửu cao hơn.

Cấu trúc vi mô của thép—bao gồm phân bố pha, kích thước và phân bố kết tủa, và hàm lượng tạp chất—ảnh hưởng đáng kể đến hành vi đông kết vĩnh cửu. Các cấu trúc martensitic thường cho thấy khả năng chống đông kết vĩnh cửu cao hơn các cấu trúc ferritic hoặc austenitic do mật độ sai lệch và trường ứng suất bên trong cao hơn.

Tính chất này kết nối với các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản bao gồm làm cứng biến dạng, phục hồi và kết tinh lại. Sự cân bằng giữa các quá trình này xác định cách vật liệu phản ứng với tải vượt quá giới hạn đàn hồi của nó và mức độ biến dạng vĩnh viễn vẫn còn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tập hợp cố định ($\varepsilon_p$) được định nghĩa về mặt toán học như sau:

$$\varepsilon_p = \varepsilon_t - \varepsilon_e$$

Ở đâu:
- $\varepsilon_p$ là tập hợp cố định (biến dạng dẻo)
- $\varepsilon_t$ là tổng biến dạng trải qua trong quá trình tải
- $\varepsilon_e$ là biến dạng đàn hồi phục hồi khi dỡ tải

Công thức tính toán liên quan

Bộ cố định cũng có thể liên quan đến căng thẳng bằng cách sử dụng mối quan hệ Ramberg-Osgood:

$$\varepsilon = \frac{\sigma}{E} + \alpha\left(\frac{\sigma}{E}\right)^n$$

Ở đâu:
- $\varepsilon$ là tổng biến dạng
- $\sigma$ là ứng suất được áp dụng
- $E$ là môđun Young
- $\alpha$ là hằng số vật liệu
- $n$ là số mũ làm cứng biến dạng

Đối với tải trọng tuần hoàn, sự tích tụ tập hợp vĩnh viễn có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng:

$$\varepsilon_p(N) = \varepsilon_{p1} \cdot N^b$$

Ở đâu:
- $\varepsilon_p(N)$ là tập hợp vĩnh viễn tích lũy sau N chu kỳ
- $\varepsilon_{p1}$ là tập hợp cố định sau chu kỳ đầu tiên
- $b$ là số mũ phụ thuộc vào vật liệu
- $N$ là số chu kỳ tải

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với vật liệu đồng nhất, đẳng hướng trong điều kiện tải đơn trục. Chúng giả định nhiệt độ không đổi và tốc độ biến dạng tương đối thấp, tránh các hiệu ứng động.

Các mô hình có những hạn chế khi áp dụng cho các tình huống tải phức tạp, vật liệu có tính dị hướng cao hoặc điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt. Ngoài ra, các công thức này thường giả định hành vi vật liệu liên tục mà không tính đến các hiện tượng cục bộ như dải Lüders hoặc chảy dẻo không liên tục.

Hầu hết các mô hình toán học cho tập hợp vĩnh cửu đều giả định các biến dạng nhỏ (thường nhỏ hơn 5-10%) và bị phá vỡ ở các biến dạng lớn khi tính phi tuyến tính hình học trở nên đáng kể.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E8/E8M: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để thử nghiệm độ căng của vật liệu kim loại
• ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phần 1: Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng
• ASTM E646: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn cho các số mũ độ cứng kéo căng của vật liệu tấm kim loại
• JIS Z 2241: Vật liệu kim loại - Thử kéo - Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng

Mỗi tiêu chuẩn đều cung cấp các quy trình cụ thể để xác định mối quan hệ ứng suất-biến dạng, bao gồm các phương pháp đo độ biến dạng vĩnh viễn sau khi tải đến mức ứng suất cụ thể.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử vạn năng được trang bị máy đo độ giãn dài là thiết bị chính để đo độ biến dạng cố định. Các máy này áp dụng tải kéo hoặc nén được kiểm soát trong khi đo độ dịch chuyển chính xác. Các hệ thống hiện đại kết hợp khả năng thu thập và phân tích dữ liệu kỹ thuật số.

Nguyên lý cơ bản bao gồm việc tải mẫu vật đến mức ứng suất được xác định trước, sau đó dỡ tải và đo độ biến dạng còn lại. Máy đo độ giãn dài hoặc máy đo ứng suất có độ chính xác cao đo các dịch chuyển nhỏ với độ phân giải thường nằm trong phạm vi biến dạng vi mô.

Thiết bị tiên tiến có thể bao gồm hệ thống đo quang học không tiếp xúc sử dụng tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) hoặc giao thoa laser để lập bản đồ ứng suất chính xác hơn trên bề mặt mẫu vật.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có chiều dài đo là 50mm (2 inch) với kích thước mặt cắt ngang phù hợp với độ dày của vật liệu. Các mẫu tròn thường có đường kính từ 6-12,5mm, trong khi các mẫu phẳng duy trì tỷ lệ chiều rộng trên độ dày cụ thể.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải loại bỏ lớp vảy, lớp oxit hoặc vết gia công có thể ảnh hưởng đến hành vi biến dạng. Các mẫu vật phải không có khía hoặc khuyết tật bề mặt có thể hoạt động như bộ tập trung ứng suất.

Mẫu vật phải được căn chỉnh đúng với trục tải để tránh các mômen uốn có thể làm lệch kết quả. Có thể cần phải xử lý nhiệt độ cho các thử nghiệm được tiến hành ở điều kiện không phải môi trường xung quanh.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) với độ ẩm tương đối dưới 90%. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, kiểm tra có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ cực thấp.

Tốc độ tải thường được kiểm soát bởi tốc độ biến dạng, thường nằm trong khoảng từ 0,001 đến 0,008 phút⁻¹ đối với vùng đàn hồi, với tốc độ có thể khác nhau đối với vùng biến dạng dẻo. Tốc độ đầu chữ thập phải được kiểm soát chính xác để đảm bảo tốc độ biến dạng nhất quán.

Tải trước để loại bỏ độ chùng trong hệ thống thử nghiệm là phổ biến, thường ở mức 2-5% tải trọng tối đa dự kiến. Thời gian dừng ở tải trọng tối đa có thể được chỉ định cho một số vật liệu nhất định để tính đến hiệu ứng nhớt đàn hồi.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu thường bao gồm việc ghi lại các giá trị tải và độ giãn ở tần số từ 5-100 Hz, tùy thuộc vào thời lượng thử nghiệm và độ phân giải yêu cầu. Các hệ thống hiện đại tự động tạo ra các đường cong ứng suất-biến dạng từ dữ liệu thô.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều mẫu (thường là 3-5 mẫu). Các quy trình phát hiện và loại bỏ giá trị ngoại lệ tuân theo các tiêu chuẩn như ASTM E178.

Giá trị cài đặt cố định cuối cùng được tính toán sau khi áp dụng các hiệu chỉnh thích hợp cho sự tuân thủ của máy, độ trượt của tay cầm và hiệu ứng nhiệt độ. Kết quả thường được báo cáo dưới dạng phần trăm biến dạng đến ba chữ số có nghĩa.

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 (AISI 1020)	0,05-0,2% ở 300 MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 phút⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM E8
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	0,02-0,1% ở 400 MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 phút⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM E8
Thép không gỉ Austenitic (304)	0,1-0,3% ở 350 MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 phút⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM E8
Thép hợp kim thấp cường độ cao	0,01-0,05% ở 500 MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,005 phút⁻¹	Tiêu chuẩn ASTM E8

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt trong lịch sử xử lý, kích thước hạt và sự khác biệt nhỏ về thành phần. Các điều kiện xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến hành vi đông cứng vĩnh viễn, với thép chuẩn hóa cho thấy phản ứng khác với các biến thể tôi và ram.

Khi diễn giải các giá trị này, các kỹ sư phải xem xét các điều kiện tải cụ thể của ứng dụng của họ. Các giá trị cố định cao hơn thường chỉ ra khả năng nhạy cảm hơn với các thay đổi về kích thước trong quá trình sử dụng, có khả năng ảnh hưởng đến các thành phần hoặc bộ phận chính xác chịu tải tuần hoàn.

Trong các loại thép khác nhau, xu hướng chung cho thấy thép có độ bền cao hơn thường có giá trị biến dạng vĩnh cửu thấp hơn ở mức ứng suất tương đương, mặc dù chúng có thể tăng đột ngột khi vượt quá giới hạn chảy.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường thiết kế các thành phần hoạt động dưới giới hạn bền để tránh bị đông cứng vĩnh viễn trong quá trình sử dụng bình thường. Các hệ số an toàn từ 1,5 đến 3,0 thường được áp dụng cho các giá trị giới hạn bền, tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng và khả năng dự đoán tải.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường cân bằng giữa giới hạn chảy với các đặc tính khác như độ bền hoặc khả năng chống ăn mòn. Đối với các ứng dụng mà tính ổn định kích thước là quan trọng, vật liệu có giới hạn chảy cao hơn và xu hướng đông cứng vĩnh cửu thấp hơn được ưu tiên, ngay cả khi phải đánh đổi các đặc tính khác.

Trong máy móc chính xác, các kỹ sư phải tính đến khả năng chỉnh sửa vĩnh viễn trong quá trình "kiểm tra thử" ban đầu, đôi khi kết hợp các quy trình tải trước để tạo ra chỉnh sửa vĩnh viễn có kiểm soát trước khi lắp ráp và điều chỉnh cuối cùng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong các thành phần hệ thống treo ô tô, đặc tính cố định vĩnh viễn rất quan trọng để duy trì chiều cao di chuyển và đặc tính xử lý của xe. Lò xo và thanh chống lật phải duy trì kích thước của chúng bất chấp các chu kỳ tải lặp lại, khiến khả năng chống cố định vĩnh viễn trở thành tiêu chí lựa chọn chính.

Bình chịu áp suất là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, trong đó phải kiểm soát cẩn thận độ đông đặc cố định. Quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất ASME giới hạn cụ thể độ đông đặc cố định cho phép để ngăn ngừa biến dạng tiến triển trong các chu kỳ tăng áp.

Trong các ứng dụng gia công, chẳng hạn như khuôn dập và dụng cụ tạo hình, khả năng chống lại sự đông cứng vĩnh viễn đảm bảo tính nhất quán về kích thước của các bộ phận được sản xuất trong quá trình sản xuất kéo dài. Thép dụng cụ được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu sự đông cứng vĩnh viễn dưới ứng suất tiếp xúc cao.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng cố định thường xung đột với yêu cầu về độ bền, vì vật liệu có độ bền cao hơn với khả năng chống lại độ cứng cố định thường có độ bền gãy thấp hơn. Sự đánh đổi này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng kết cấu chịu tải trọng va đập.

Khả năng định hình và khả năng chống đông kết vĩnh viễn là một sự đánh đổi phổ biến khác. Vật liệu có khả năng định hình tuyệt vời thường có độ bền kéo thấp hơn và dễ bị đông kết vĩnh viễn hơn, trong khi vật liệu chống đông kết vĩnh viễn khó tạo thành hình dạng phức tạp hơn.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách lựa chọn loại vật liệu phù hợp, áp dụng phương pháp xử lý bề mặt hoặc triển khai các tính năng thiết kế giúp giảm thiểu sự tập trung ứng suất trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Phân tích lỗi

Biến dạng tiến triển là một chế độ hỏng hóc phổ biến liên quan đến quá trình cố định vĩnh cửu, trong đó các thành phần chịu tải trọng tuần hoàn sẽ trải qua biến dạng dẻo gia tăng theo từng chu kỳ. Hiện tượng này, được gọi là hiện tượng ratcheting, có thể dẫn đến những thay đổi về kích thước ảnh hưởng đến chức năng hoặc tạo ra sự can thiệp với các thành phần liền kề.

Cơ chế phá hoại thường bắt đầu bằng sự chảy cục bộ tại các điểm tập trung ứng suất, sau đó là sự phân phối lại ứng suất và biến dạng tiến triển. Khi biến dạng tích tụ, các tác động thứ cấp như mất cân bằng, tăng ma sát hoặc thay đổi đường dẫn tải có thể đẩy nhanh quá trình phá hoại.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế lại để giảm ứng suất tập trung, chỉ định vật liệu có độ bền kéo cao hơn, thực hiện các phương pháp xử lý tăng cường độ cứng hoặc kết hợp các tính năng thiết kế thích ứng với biến dạng vĩnh viễn hạn chế mà không làm suy giảm chức năng.

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 đông kết vĩnh viễn, với mức carbon cao hơn thường làm tăng cường độ chảy và giảm xu hướng đông kết vĩnh viễn. Tuy nhiên, lượng carbon quá nhiều có thể thúc đẩy tính giòn và làm giảm độ dẻo tổng thể.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể tác động đáng kể đến đặc tính đông kết vĩnh viễn. Phốt pho làm tăng độ bền nhưng có thể thúc đẩy sự giòn, trong khi lưu huỳnh thường làm giảm khả năng chống đông kết vĩnh viễn bằng cách tạo ra các tạp chất hoạt động như chất tập trung ứng suất.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các nguyên tố tăng cường (C, Mn, Si, Cr, Mo) với các nguyên tố tăng cường độ dẻo và độ bền (Ni, V), đồng thời giảm thiểu tạp chất có hại.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện khả năng chống lại sự đông kết vĩnh viễn bằng cách cung cấp nhiều ranh giới hạt hơn để ngăn cản chuyển động trật khớp. Mối quan hệ Hall-Petch định lượng hiệu ứng này, cho thấy rằng giới hạn chảy tăng theo tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của đường kính hạt.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi đông kết vĩnh cửu, với các pha cứng hơn như martensite và bainite cung cấp khả năng chống chịu lớn hơn các pha mềm hơn như ferrite và pearlite. Thép hai pha tận dụng hiệu ứng này bằng cách kết hợp các đảo martensite cứng trong ma trận ferrite mềm hơn.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và nguồn sai lệch, làm giảm khả năng chống lại sự đông kết vĩnh cửu. Các phương pháp sản xuất thép hiện đại tập trung vào việc giảm thiểu hàm lượng tạp chất và thay đổi hình thái tạp chất để giảm tác động có hại của chúng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến đặc tính đông kết vĩnh cửu. Làm nguội và ram thường cung cấp khả năng chống chịu tốt hơn so với chuẩn hóa hoặc ủ do sự hình thành martensite ram có mật độ lệch cao.

Các quy trình gia công nguội như cán, kéo hoặc kéo giãn làm tăng cường độ bền kéo thông qua quá trình tôi cứng do biến dạng, do đó cải thiện khả năng chống lại sự đông cứng vĩnh cửu tiếp theo. Tuy nhiên, các quy trình này làm giảm khả năng biến dạng dẻo còn lại.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý ảnh hưởng đến sự biến đổi pha và kích thước hạt. Làm mát nhanh thúc đẩy các cấu trúc vi mô mịn hơn với khả năng chống đông kết vĩnh viễn tốt hơn, trong khi làm mát chậm hơn cho phép hạt phát triển và hình thành các cấu trúc thô hơn với cường độ chảy thấp hơn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm đáng kể khả năng chống đông cứng vĩnh viễn, với hầu hết các loại thép đều cho thấy độ bền kéo giảm rõ rệt ở mức trên 300°C. Hiệu ứng này trở nên đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng nhiệt độ cao như thiết bị phát điện.

Môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình đông cứng vĩnh viễn thông qua các cơ chế như nứt ăn mòn ứng suất hoặc giòn do hydro. Những tác động này đặc biệt rõ rệt ở thép cường độ cao tiếp xúc với môi trường chứa hydro.

Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm lão hóa biến dạng, trong đó các nguyên tử xen kẽ di chuyển đến các vị trí sai lệch theo thời gian, làm tăng cường độ chịu kéo nhưng có khả năng làm giảm độ dẻo. Hiện tượng này có thể làm thay đổi các đặc tính cố định vĩnh viễn trong suốt thời gian sử dụng.

Phương pháp cải tiến

Làm cứng kết tủa là phương pháp luyện kim hiệu quả để tăng khả năng chống lại sự đông cứng vĩnh cửu. Sự hình thành có kiểm soát các chất kết tủa mịn (cacbua, nitrua hoặc hợp chất liên kim loại) tạo ra các chướng ngại vật đối với chuyển động trật khớp, tăng cường độ bền kéo.

Các quy trình xử lý bề mặt như thấm cacbon, thấm nitơ hoặc phun bi tạo ra ứng suất nén dư phải được khắc phục trước khi có thể xảy ra quá trình đông cứng vĩnh viễn. Các phương pháp xử lý này đặc biệt hiệu quả đối với các thành phần chịu ứng suất chảy bề mặt.

Các phương pháp tối ưu hóa thiết kế bao gồm phân bổ lại ứng suất thông qua các đặc điểm hình học, kết hợp các thành phần gia cố và bố trí vật liệu chiến lược để giảm thiểu sự tập trung ứng suất trong khi vẫn duy trì sự tuân thủ tổng thể của thành phần khi cần thiết.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Giới hạn đàn hồi biểu thị ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không bị biến dạng vĩnh viễn. Nó liên quan chặt chẽ đến biến dạng vĩnh viễn vì nó xác định ngưỡng mà vượt quá ngưỡng đó biến dạng vĩnh viễn bắt đầu xảy ra.

Giới hạn chảy (hay ứng suất chảy) xác định ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo, thường được đo ở một độ lệch cụ thể (thường là biến dạng 0,2%) để tính đến quá trình chuyển đổi dần dần từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo trong hầu hết các vật liệu kỹ thuật.

Làm cứng biến dạng (hoặc làm cứng khi làm việc) mô tả quá trình gia cường vật liệu thông qua biến dạng dẻo, ảnh hưởng trực tiếp đến cách tích tụ độ biến dạng vĩnh cửu dưới tải trọng tăng dần hoặc tải trọng tuần hoàn. Hiện tượng này giải thích tại sao vật liệu thường cho thấy khả năng chống lại độ biến dạng vĩnh cửu tăng dần sau khi chịu uốn ban đầu.

Sự đàn hồi đàn hồi đề cập đến sự phục hồi kích thước xảy ra khi tải trọng tạo hình được loại bỏ, đại diện cho sự tương ứng với sự đông cứng vĩnh viễn trong các hoạt động tạo hình. Tỷ lệ giữa sự đàn hồi và sự đông cứng vĩnh viễn xác định kích thước cuối cùng của các thành phần được tạo hình.

Tiêu chuẩn chính

ASTM E6 cung cấp thuật ngữ chuẩn liên quan đến thử nghiệm cơ học, bao gồm các định nghĩa chính xác về các thuật ngữ liên quan đến hiện tượng biến dạng cố định, giới hạn đàn hồi và hiện tượng chảy. Tiêu chuẩn này đảm bảo tính nhất quán trong việc báo cáo và diễn giải kết quả thử nghiệm cơ học.

Bộ tiêu chuẩn ISO 6892 bao gồm thử nghiệm kéo vật liệu kim loại ở nhiều nhiệt độ khác nhau, với các quy định cụ thể để xác định giới hạn chảy lệch và đặc tính đông kết vĩnh viễn. Các tiêu chuẩn này được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới để chứng nhận vật liệu.

Các tiêu chuẩn dành riêng cho ngành như SAE J2340 dành cho thép tấm ô tô bao gồm các phương pháp thử nghiệm chuyên biệt để đánh giá độ đông cứng vĩnh viễn trong quá trình tạo hình, tập trung vào các ứng dụng thực tế hơn là các đặc tính cơ bản của vật liệu.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại ngày càng tập trung vào mô hình hóa vi cơ học để dự đoán hành vi của bộ cố định dựa trên các đặc điểm cấu trúc vi mô. Các phương pháp này sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dẻo tinh thể để thiết lập mối quan hệ cấu trúc-tính chất ở nhiều thang đo.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các phương pháp thử nghiệm thông lượng cao đánh giá nhanh các đặc điểm cố định vĩnh viễn trên các thư viện vật liệu, đẩy nhanh quá trình phát triển hợp kim. Các kỹ thuật tương quan hình ảnh kỹ thuật số tiên tiến cho phép lập bản đồ biến dạng toàn trường trong quá trình thử nghiệm, cung cấp cái nhìn sâu sắc chưa từng có về các cơ chế biến dạng.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm các phương pháp tiếp cận học máy để dự đoán hành vi của bộ cố định dựa trên thành phần, lịch sử xử lý và các đặc điểm vi cấu trúc. Việc tích hợp các mô hình này với phần mềm thiết kế sẽ cho phép dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất thành phần chính xác hơn.