Biến dạng dẻo: Cơ bản và ứng dụng trong chế biến thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Biến dạng dẻo là sự thay đổi vĩnh viễn về hình dạng hoặc kích thước của vật liệu khi chịu ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi (giới hạn chảy) của nó mà không bị gãy. Không giống như biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo là không thể đảo ngược, nghĩa là vật liệu không trở lại kích thước ban đầu khi ứng suất tác dụng được loại bỏ.

Tính chất này là cơ bản đối với các quy trình gia công kim loại như rèn, cán, đùn và kéo, cố ý làm biến dạng kim loại để đạt được hình dạng và tính chất mong muốn. Biến dạng dẻo cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu hành vi vật liệu trong điều kiện sử dụng, đặc biệt là khi các thành phần chịu tải vượt quá các thông số thiết kế của chúng.

Trong luyện kim, biến dạng dẻo là cầu nối quan trọng giữa quá trình gia công, cấu trúc và tính chất. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ học bao gồm độ bền, độ cứng và độ dẻo, đồng thời cũng ảnh hưởng đến các đặc điểm cấu trúc vi mô như kích thước hạt, mật độ lệch và kết cấu tinh thể. Hiểu được cơ chế biến dạng dẻo cho phép các nhà luyện kim thiết kế hợp kim có đặc tính hiệu suất được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, biến dạng dẻo trong các vật liệu tinh thể như thép chủ yếu xảy ra thông qua chuyển động của các vị trí sai lệch—các khuyết tật tinh thể tuyến tính trong sự sắp xếp nguyên tử thông thường. Khi có đủ ứng suất, các vị trí sai lệch này di chuyển qua mạng tinh thể bằng cách phá vỡ và tái tạo các liên kết nguyên tử theo trình tự.

Sự dịch chuyển lệch này cho phép các lớp nguyên tử trượt qua nhau mà không tách rời hoàn toàn vật liệu. Khi lệch di chuyển qua cấu trúc tinh thể, chúng gặp phải các chướng ngại vật như ranh giới hạt, chất kết tủa và các lệch khác, đòi hỏi thêm năng lượng để vượt qua các rào cản này. Sự tương tác giữa lệch và các đặc điểm cấu trúc vi mô này tạo thành cơ sở cho các cơ chế gia cố trong thép.

Trong các vật liệu đa tinh thể như thép thương mại, biến dạng dẻo liên quan đến các tương tác phức tạp giữa các hạt có hướng khác nhau, với biến dạng xảy ra dọc theo các hệ thống trượt tinh thể cụ thể. Hành vi tập thể của các quá trình biến dạng vi mô này biểu hiện dưới dạng thay đổi hình dạng vĩ mô.

Mô hình lý thuyết

Khung lý thuyết chính để hiểu về biến dạng dẻo là lý thuyết trật khớp, lần đầu tiên được Taylor, Orowan và Polanyi đề xuất độc lập vào năm 1934. Lý thuyết này giải thích cách vật liệu tinh thể có thể biến dạng khi chịu ứng suất thấp hơn nhiều so với dự đoán về độ bền lý thuyết dựa trên tinh thể hoàn hảo.

Theo truyền thống, hiểu biết về biến dạng dẻo phát triển từ các quan sát thực nghiệm vào thế kỷ 19 thành các công thức toán học vào đầu thế kỷ 20. Sự phát triển của kính hiển vi điện tử truyền qua vào những năm 1950 đã cung cấp bằng chứng trực tiếp về sự sai lệch, xác nhận các mô hình lý thuyết.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại đối với biến dạng dẻo bao gồm các mô hình dẻo tinh thể kết hợp các hiệu ứng định hướng tinh thể, các lý thuyết dẻo liên tục mô tả hành vi vĩ mô và các kỹ thuật mô hình đa thang đo kết nối các hiện tượng cấp độ nguyên tử với các dự đoán ở cấp độ kỹ thuật. Mỗi phương pháp tiếp cận cung cấp các lợi thế khác nhau tùy thuộc vào quy mô quan tâm và các nguồn lực tính toán có sẵn.

Cơ sở khoa học vật liệu

Biến dạng dẻo có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể, với kim loại lập phương tâm mặt (FCC) thường thể hiện độ dẻo lớn hơn so với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) hoặc cấu trúc lục giác đóng chặt (HCP) do có nhiều hệ thống trượt hơn. Trong thép, cấu trúc BCC của ferit và cấu trúc FCC của austenit thể hiện hành vi biến dạng khác biệt rõ rệt.

Ranh giới hạt ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng dẻo bằng cách hoạt động như rào cản đối với chuyển động trật khớp. Mối quan hệ Hall-Petch định lượng cách giảm kích thước hạt làm tăng cường độ chịu kéo. Ngoài ra, sự trượt ranh giới hạt có thể góp phần gây biến dạng ở nhiệt độ cao.

Biến dạng dẻo kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản bao gồm nhiệt động lực học và động học. Năng lượng được lưu trữ liên quan đến sự sai lệch được đưa vào trong quá trình biến dạng cung cấp động lực cho các thay đổi vi cấu trúc tiếp theo như phục hồi, tái kết tinh và tăng trưởng hạt trong quá trình xử lý nhiệt.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Sự khởi đầu của biến dạng dẻo thường được xác định bởi tiêu chuẩn giới hạn chảy. Tiêu chuẩn giới hạn chảy von Mises thường được sử dụng cho kim loại dẻo:

$$\sigma_e = \sqrt{\frac{1}{2}$$(\sigma_1-\sigma_2)^2+(\sigma_2-\sigma_3)^2+(\sigma_3-\sigma_1)^2$$} \geq \sigma_y$$

Ở đâu:
- $\sigma_e$ là ứng suất hiệu dụng
- $\sigma_1$, $\sigma_2$, $\sigma_3$ là các ứng suất chính
- $\sigma_y$ là giới hạn chảy của vật liệu

Công thức tính toán liên quan

Độ biến dạng dẻo có thể được tính toán bằng cách sử dụng quy tắc dòng chảy Prandtl-Reuss:

$$d\varepsilon_{ij}^p = d\lambda \frac{\partial f}{\partial \sigma_{ij}} $$

Ở đâu:
- $d\varepsilon_{ij}^p$ là tenxơ gia tăng biến dạng dẻo
- $d\lambda$ là một hệ số tỉ lệ vô hướng
- $f$ là hàm năng suất
- $\sigma_{ij}$ là tenxơ ứng suất

Đối với vật liệu chịu lực, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng dẻo có thể được mô tả bằng phương trình Hollomon:

$$\sigma = K\varepsilon_p^n$$

Ở đâu:
- $\sigma$ là ứng suất thực
- $\varepsilon_p$ là biến dạng dẻo thực sự
- $K$ là hệ số cường độ
- $n$ là số mũ làm cứng biến dạng

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này giả định hành vi vật liệu đẳng hướng, có thể không hợp lệ đối với vật liệu có kết cấu hoặc vật liệu có tính dị hướng đáng kể. Tiêu chuẩn von Mises hoạt động tốt đối với kim loại dẻo nhưng kém chính xác hơn đối với vật liệu có hành vi giới hạn chảy phụ thuộc vào áp suất.

Hầu hết các mô hình dẻo đều cho rằng hành vi không phụ thuộc vào tốc độ, điều này trở nên không hợp lệ ở tốc độ biến dạng cao hoặc nhiệt độ cao, nơi hiệu ứng dẻo nhớt trở nên đáng kể. Ngoài ra, các mô hình này thường bỏ qua sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình biến dạng, hạn chế khả năng áp dụng của chúng đối với các biến dạng lớn.

Các công thức được trình bày giả định các quá trình biến dạng liên tục và có thể không nắm bắt chính xác các hiện tượng biến dạng không liên tục như dải Lüders hoặc hiệu ứng Portevin-Le Chatelier được quan sát thấy trong một số loại thép trong các điều kiện cụ thể.

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 E517: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho tỷ lệ biến dạng dẻo cho tấm kim loại
• ISO 10275: Vật liệu kim loại — Tấm và dải — Xác định hệ số cứng biến dạng kéo

Mỗi tiêu chuẩn đều cung cấp các quy trình chi tiết về chuẩn bị mẫu, điều kiện thử nghiệm và phương pháp phân tích dữ liệu để đảm bảo các phép đo đặc tính biến dạng dẻo có thể tái tạo được.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử nghiệm vạn năng được trang bị cảm biến lực và máy đo độ giãn dài là thiết bị chính để đo các đặc tính biến dạng dẻo. Các hệ thống hiện đại kết hợp thu thập dữ liệu kỹ thuật số và điều khiển máy tính để đảm bảo tốc độ tải chính xác và phép đo chính xác.

Hệ thống tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) sử dụng camera có độ phân giải cao để theo dõi các mẫu bề mặt trong quá trình biến dạng, cho phép lập bản đồ biến dạng toàn trường mà không cần tiếp xúc vật lý với mẫu vật. Kỹ thuật này đặc biệt có giá trị để xác định hiện tượng định vị biến dạng.

Thiết bị chuyên dụng bao gồm thiết bị kiểm tra độ phồng cho trạng thái ứng suất hai trục, máy kiểm tra độ xoắn để đánh giá biến dạng cắt và hệ thống kiểm tra nhiệt độ cao để đánh giá hành vi dẻo ở nhiệt độ cao.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có phần đo giảm với các kích thước được chỉ định theo tiêu chuẩn thử nghiệm—thường là chiều rộng 12,5 mm và chiều dài đo 50 mm đối với vật liệu dạng tấm. Các mẫu tròn đối với vật liệu rời thường có đường kính đo từ 6-12,5 mm.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm loại bỏ lớp vảy, khử cacbon hoặc các vết gia công có thể đóng vai trò là chất tập trung ứng suất. Đối với thử nghiệm độ chính xác, độ nhám bề mặt dưới Ra 0,8μm thường được chỉ định.

Mẫu vật phải không có ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Điều này có thể yêu cầu xử lý nhiệt giảm ứng suất trước khi gia công. Đối với vật liệu dị hướng như tấm cán, mẫu vật phải được cắt theo hướng cụ thể so với hướng gia công.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) và điều kiện khí quyển bình thường. Đối với các đặc tính phụ thuộc vào nhiệt độ, thử nghiệm có thể dao động từ nhiệt độ đông lạnh đến hơn 1000°C bằng cách sử dụng buồng môi trường.

Kiểm tra bán tĩnh thường sử dụng tốc độ biến dạng trong khoảng từ 10^-4 đến 10^-3 s^-1, trong khi kiểm tra động có thể sử dụng tốc độ lên tới 10^3 s^-1. Tốc độ biến dạng ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính được đo, đặc biệt đối với thép BCC.

Các điều kiện tải trước, thời gian giữ và trình tự dỡ tải phải được chỉ định khi đánh giá các hiện tượng như hiệu ứng Bauschinger hoặc khi xác định quá trình chuyển đổi đàn hồi-dẻo.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu lực-biến dạng thô được chuyển đổi thành các đường cong ứng suất-biến dạng kỹ thuật, sau đó thành các mối quan hệ ứng suất-biến dạng thực sự tính đến các thay đổi diện tích mặt cắt ngang tức thời. Các hệ thống thu thập dữ liệu kỹ thuật số thường lấy mẫu ở tần số 5-100 Hz tùy thuộc vào thời lượng thử nghiệm.

Phân tích thống kê thường liên quan đến nhiều mẫu (tối thiểu là ba mẫu) để thiết lập giá trị trung bình và độ lệch chuẩn. Đối với các ứng dụng quan trọng, có thể cần kích thước mẫu lớn hơn để đạt được mức độ tin cậy mong muốn.

Xác định giới hạn chảy có thể sử dụng phương pháp bù trừ 0,2%, giới hạn tỷ lệ hoặc các tiêu chí khác tùy thuộc vào hành vi của vật liệu. Các thông số làm cứng được tính toán thông qua phân tích hồi quy phần dẻo của đường cong ứng suất-biến dạng thực.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ bền giới hạn)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1020)	210-350MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 10^-3 s^-1	Tiêu chuẩn ASTM E8/E8M
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	310-650MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 10^-3 s^-1	Tiêu chuẩn ASTM E8/E8M
Thép không gỉ Austenitic (304)	170-310MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 10^-3 s^-1	Tiêu chuẩn ASTM E8/E8M
Hợp kim thấp cường độ cao (HSLA)	350-550MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 10^-3 s^-1	Tiêu chuẩn ASTM E8/E8M

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt trong lịch sử xử lý, đặc biệt là xử lý nhiệt và gia công cơ học. Vật liệu gia công nguội có độ bền kéo cao hơn nhưng độ giãn dài đồng đều giảm so với điều kiện ủ.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn cho việc lựa chọn vật liệu ban đầu nhưng không nên thay thế thử nghiệm thực tế cho các ứng dụng quan trọng. Tỷ lệ giữa độ bền kéo và độ bền kéo cung cấp thông tin chi tiết về khả năng làm cứng của vật liệu, điều này rất quan trọng đối với các hoạt động tạo hình.

Đối với các loại thép khác nhau, thường có sự đánh đổi giữa độ bền và độ dẻo, trong đó vật liệu có độ bền cao hơn thường có độ giãn dài đồng đều thấp hơn trước khi bắt đầu co thắt.

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, áp dụng các hệ số an toàn từ 1,2 cho các ứng dụng tĩnh được mô tả rõ ràng đến 3,0 hoặc cao hơn cho tải trọng động hoặc khi các đặc tính vật liệu có sự thay đổi đáng kể.

Đặc tính biến dạng dẻo ảnh hưởng đến việc lựa chọn quy trình sản xuất, trong khi vật liệu có độ dẻo cao thích hợp cho hoạt động kéo sâu trong khi vật liệu có tốc độ làm cứng cao có thể yêu cầu các bước ủ trung gian trong quá trình tạo hình nhiều giai đoạn.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng giữa yêu cầu về giới hạn chảy với nhu cầu về khả năng tạo hình, đồng thời xem xét đến hành vi làm cứng biến dạng ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ năng lượng trong các sự kiện va chạm hoặc khả năng chống sụp đổ dần dần.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất ô tô, đặc tính biến dạng dẻo rất quan trọng đối với các hoạt động tạo hình kim loại tấm tạo ra các tấm thân xe phức tạp. Các kỹ sư thiết kế các quy trình tạo hình để phân phối ứng suất đều trong khi tránh làm mỏng hoặc gãy ở các vùng biến dạng cao.

Các ứng dụng kỹ thuật kết cấu dựa vào biến dạng dẻo để hấp thụ năng lượng trong các sự kiện động đất hoặc tải trọng cực đại. Khung mô men thép được thiết kế để phát triển bản lề dẻo ở các vị trí cụ thể, cho phép biến dạng có kiểm soát trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của kết cấu tổng thể.

Thép đường ống đòi hỏi sự kết hợp cụ thể giữa độ bền và độ dẻo dai, với khả năng chống biến dạng dẻo cần thiết để ngăn ngừa cong vênh dưới áp lực bên ngoài trong khi vẫn duy trì đủ độ dẻo để thích ứng với chuyển động của mặt đất mà không bị gãy.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền kéo cao hơn thường làm giảm khả năng tạo hình, tạo ra thách thức cho việc sản xuất các hình dạng phức tạp từ thép cường độ cao. Thép cường độ cao tiên tiến giải quyết vấn đề này thông qua các cấu trúc vi mô đa pha cung cấp sự kết hợp độ bền-dẻo tốt hơn.

Khả năng chống biến dạng dẻo tăng thường tương quan với độ bền gãy giảm, đặc biệt là ở thép có hàm lượng cacbon cao hoặc thép hợp kim nặng. Sự đánh đổi này rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi cả độ bền và khả năng chống nứt.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa khả năng chống biến dạng dẻo với mục tiêu giảm trọng lượng, đặc biệt là trong các ứng dụng vận tải, nơi hiệu quả sử dụng nhiên liệu đòi hỏi các thành phần nhẹ hơn trong khi yêu cầu về an toàn đòi hỏi độ bền và khả năng hấp thụ năng lượng phù hợp.

Phân tích lỗi

Hỏng quá tải dẻo xảy ra khi biến dạng dẻo tiến triển đến điểm mất ổn định, thường biểu hiện dưới dạng thắt cổ chai sau đó là bề mặt gãy cốc và hình nón. Chế độ hỏng này được đặc trưng bởi biến dạng dẻo đáng kể trước khi tách rời cuối cùng.

Cơ chế hỏng hóc liên quan đến sự hình thành hạt rỗng tại các hạt tạp chất hoặc hạt pha thứ hai, sau đó là sự phát triển và hợp nhất của lỗ rỗng khi biến dạng dẻo tăng lên. Sự tích tụ hư hỏng tiến triển này có thể được mô hình hóa bằng các phương pháp tiếp cận như mô hình Gurson-Tvergaard-Needleman.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế lại các thành phần để giảm sự tập trung ứng suất, chỉ định vật liệu có khả năng chịu ứng suất cao hơn hoặc triển khai các phương pháp thiết kế dựa trên ứng suất thay vì các phương pháp truyền thống dựa trên ứng suất cho các thành phần quan trọng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng mạnh đến hành vi biến dạng dẻo, với mức cacbon cao hơn làm tăng giới hạn chảy nhưng làm giảm độ dẻo. Mỗi 0,1% cacbon tăng thường làm tăng giới hạn chảy khoảng 60-80 MPa trong thép cacbon thông thường.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể tác động đáng kể đến biến dạng dẻo bằng cách phân tách thành ranh giới hạt và làm giảm độ bền kết dính. Các phương pháp sản xuất thép hiện đại giới hạn các nguyên tố này ở mức dưới 0,02% để giảm thiểu tác động có hại của chúng.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc tạo hợp kim vi mô với các nguyên tố như niobi, titan hoặc vanadi ở mức dưới 0,1% để tạo thành các chất kết tủa mịn cản trở chuyển động sai lệch, tăng cường giới hạn chảy trong khi vẫn duy trì độ dẻo hợp lý.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Việc tinh chỉnh kích thước hạt làm tăng cường độ bền kéo theo mối quan hệ Hall-Petch, trong đó độ bền tăng theo tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của đường kính hạt. Giảm kích thước hạt từ 50μm xuống 5μm có thể làm tăng độ bền kéo lên 100-150 MPa.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi biến dạng, với ferit cung cấp độ dẻo trong khi cementit, martensite hoặc bainite làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng tạo hình. Thép hai pha tận dụng mối quan hệ này với các vi cấu trúc ferit-martensite.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và các vị trí tạo hạt rỗng trong quá trình biến dạng dẻo. Các phương pháp sản xuất thép sạch hiện đại nhằm mục đích giảm thiểu hàm lượng tạp chất và thay đổi hình thái tạp chất để giảm tác động có hại của chúng lên độ dẻo.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính biến dạng dẻo, với quá trình làm nguội và ram tạo ra độ bền kéo cao hơn so với quá trình xử lý thường hóa hoặc ủ. Nhiệt độ ram cung cấp phương tiện để cân bằng độ bền và độ dẻo.

Các quy trình gia công cơ học như cán hoặc kéo tạo ra sự cứng hóa do biến dạng làm tăng giới hạn chảy trong khi làm giảm khả năng tạo hình sau đó. Cán nguội thường làm tăng giới hạn chảy từ 30-50% với cái giá phải trả là độ giãn dài đồng đều.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý nóng ảnh hưởng đến các sản phẩm biến đổi và hành vi kết tủa. Làm mát nhanh có thể tinh chỉnh cấu trúc vi mô và tăng cường khả năng kết tủa, cải thiện độ bền kéo mà không làm giảm độ dẻo ở cùng mức độ như các thay đổi về thành phần.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng dẻo, với độ bền kéo thường giảm và độ dẻo tăng ở nhiệt độ cao. Thép BCC cho thấy sự phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ do hoạt hóa nhiệt cần thiết cho chuyển động trật vít.

Môi trường ăn mòn có thể tạo điều kiện cho biến dạng thông qua các cơ chế như giòn do hydro hoặc nứt do ăn mòn ứng suất, trong đó biến dạng dẻo ở đầu vết nứt tương tác với các yếu tố môi trường để đẩy nhanh quá trình hỏng hóc.

Độ nhạy với tốc độ biến dạng trở nên rõ rệt ở nhiệt độ cao hoặc tốc độ biến dạng cao, trong đó hiện tượng lão hóa biến dạng động xảy ra ở chế độ nhiệt độ-tốc độ biến dạng cụ thể, biểu hiện là độ biến dạng răng cưa và độ dẻo giảm.

Phương pháp cải tiến

Quá trình tinh chế hạt thông qua quá trình cán và làm nguội có kiểm soát là một phương pháp luyện kim giúp cải thiện đồng thời độ bền và độ dẻo dai mà không làm giảm khả năng hàn, như đã đạt được trong thép HSLA hiện đại.

Quá trình xử lý nhiệt cơ kết hợp biến dạng và chuyển pha để tối ưu hóa cấu trúc vi mô, ví dụ như thép dẻo do chuyển pha (TRIP) đạt được sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền và khả năng tạo hình.

Các phương pháp thiết kế như gia cường trước các khu vực quan trọng có thể sử dụng phương pháp làm cứng để tăng cường độ cục bộ ở các vùng chịu ứng suất cao, đồng thời vẫn duy trì khả năng tạo hình ở phần còn lại của cấu kiện.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Làm cứng khi làm việc (làm cứng do biến dạng) đề cập đến sự gia tăng cường độ xảy ra trong quá trình biến dạng dẻo do mật độ và tương tác sai lệch tăng lên, được định lượng bằng số mũ làm cứng do biến dạng (giá trị n).

Khả năng định hình mô tả khả năng vật liệu trải qua biến dạng dẻo trong quá trình sản xuất mà không bị hỏng, thường được đặc trưng bằng sơ đồ giới hạn định hình lập bản đồ các đường biến dạng an toàn.

Hiệu ứng Bauschinger mô tả hiện tượng trong đó biến dạng dẻo theo một hướng làm giảm cường độ chịu tải trong quá trình tải tiếp theo theo hướng ngược lại, điều này quan trọng trong các ứng dụng tải tuần hoàn.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh có mối liên hệ với nhau của hành vi biến dạng dẻo, trong đó quá trình làm cứng ảnh hưởng trực tiếp đến giới hạn khả năng tạo hình và hiệu ứng Bauschinger phản ánh bản chất định hướng của các cấu trúc sai lệch phát triển trong quá trình chảy dẻo.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1008/A1008M cung cấp các thông số kỹ thuật cho các sản phẩm tấm thép cacbon cán nguội, bao gồm các yêu cầu về giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài liên quan trực tiếp đến tính chất biến dạng dẻo.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10149 áp dụng cho thép cường độ chịu kéo cao dùng để tạo hình nguội, với các yêu cầu cụ thể về giá trị giới hạn chảy tối thiểu và độ giãn dài đảm bảo khả năng tạo hình phù hợp mặc dù có mức độ cường độ cao.

Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS G3113 đối với tấm thép cán nguội khác với tiêu chuẩn ASTM ở phương pháp phân loại khả năng tạo hình, sử dụng giá trị r (tỷ lệ biến dạng dẻo) và giá trị n (hệ số biến dạng cứng) làm các thông số kỹ thuật chính thay vì chỉ sử dụng giá trị cường độ.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các mô hình cấu thành tiên tiến kết hợp sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình biến dạng dẻo, cho phép dự đoán chính xác hơn về giới hạn hình thành và độ đàn hồi trong các thành phần phức tạp.

Các công nghệ mới nổi bao gồm công nghệ tương quan hình ảnh kỹ thuật số có độ phân giải cao kết hợp với kính hiển vi tại chỗ để quan sát trực tiếp các cơ chế biến dạng ở nhiều thang độ cùng lúc, thu hẹp khoảng cách giữa các quá trình vi mô và hành vi vĩ mô.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm các phương pháp tiếp cận trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa thành phần hợp kim và các tuyến xử lý cho các yêu cầu biến dạng dẻo cụ thể, có khả năng khám phá ra các giải pháp phi trực quan mà các phương pháp luyện kim truyền thống có thể bỏ qua.