Trong quá trình xử lý và sản xuất vật liệu, ứng suất dư là hiện tượng phổ biến, có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và tuổi thọ của vật liệu. Việc hiểu rõ nguyên nhân gây ra ứng suất dư, đặc điểm phân bố không gian và tác động của nó đến tính chất vật liệu để nâng cao chất lượng sản phẩm, phòng ngừa tai nạn an toàn có ý nghĩa rất lớn.
I. Nguyên nhân gây ứng suất dư
Ứng suất dư đề cập đến sự kết thúc của quá trình xử lý vật liệu, phôi vẫn giữ được ứng suất bên trong. Sự căng thẳng này phát sinh chủ yếu từ các khía cạnh sau:
1. Biến dạng dẻo không đều
Khi phôi chịu tác dụng của tải trọng phức tạp (chẳng hạn như cán nguội, kéo, ép đùn và mài, cán, v.v.), do lực không đồng đều trên mặt cắt ngang, nơi có lực lớn có thể tạo ra biến dạng dẻo, trong khi nơi có lực nhỏ vẫn có thể là biến dạng đàn hồi. Khi không tải, những biến dạng dẻo không đồng đều này có thể dẫn đến ứng suất dư bên trong phôi. Cụ thể, các khu vực bị kéo căng phải chịu ứng suất nén sau khi dỡ tải, trong khi các khu vực liền kề phải chịu ứng suất kéo. Ứng suất dư do biến dạng dẻo không đồng đều này là dạng ứng suất phổ biến trong quá trình gia công.
2. Hiệu ứng nhiệt của trường nhiệt độ không đồng nhất
Trong xử lý nhiệt, các quá trình gia nhiệt và làm mát thường rất phức tạp, bao gồm gia nhiệt và làm mát nhanh cũng như gia nhiệt và làm mát cục bộ. Vì nhiệt chỉ có thể được truyền qua bề mặt nên phôi sẽ có sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt do nhiệt độ không đồng nhất trong quá trình gia nhiệt và làm mát, từ đó tạo ra ứng suất nhiệt nhất thời. Khi giá trị của các ứng suất nhiệt nhất thời này vượt quá giới hạn chảy nhiệt độ cao của vật liệu thì biến dạng dẻo sẽ xảy ra ở một số khu vực nhất định. Khi quá trình gia nhiệt kết thúc, mặc dù phôi đã nguội đến nhiệt độ phòng nhưng ứng suất dư vẫn được tạo ra bên trong phôi do biến dạng dẻo không đều trong quá trình gia nhiệt. Ứng suất dư như vậy do trường nhiệt độ không đồng đều đặc biệt phổ biến trong các quy trình xử lý nhiệt.
3. Hiệu ứng chuyển pha
Trong quá trình xử lý vật liệu, những thay đổi trong tổ chức luyện kim (ví dụ: biến đổi austenite thành martensite trong quá trình làm nguội) dẫn đến thay đổi thể tích riêng bên trong của vật liệu, từ đó tạo ra ứng suất chuyển pha. Ứng suất chuyển pha này cũng sẽ tồn tại bên trong phôi sau khi gia công, tạo thành ứng suất dư.
Thứ hai, sự phân bố không gian của các đặc tính ứng suất dư
Sự phân bố không gian của ứng suất dư phụ thuộc vào nguyên nhân của nó và các điều kiện cụ thể của quá trình xử lý. Nói chung, ứng suất dư có thể được chia thành ba loại: ứng suất dư vĩ mô, ứng suất dư vi mô và ứng suất dư cực vi mô.
1. Ứng suất dư vĩ mô
Ứng suất dư vĩ mô nằm trong toàn bộ phôi hoặc phạm vi ứng suất dư vĩ mô để đạt được trạng thái cân bằng. Sự phân bố ứng suất này thường đồng đều hơn, hiệu suất tổng thể của phôi có tác động lớn hơn. Trong quá trình này, do biến dạng dẻo không đồng đều hoặc trường nhiệt độ không đồng đều của hiệu ứng nhiệt, phôi sẽ tạo ra ứng suất dư kéo hoặc nén vĩ mô.
2. Ứng suất dư vi mô
Ứng suất dư vi mô là ứng suất dư đạt đến trạng thái cân bằng trong một vài hạt trong phôi. Sự phân bố ứng suất này thường phức tạp hơn cũng như hình dạng, kích thước và hướng của hạt cũng như các yếu tố khác. Trong quá trình biến dạng dẻo, ứng suất dư kéo hoặc nén vi mô được tạo ra do sự tương tác của hạt và sự hiện diện của ranh giới hạt. Những ứng suất này có ảnh hưởng quan trọng đến các tính chất cục bộ của vật liệu, chẳng hạn như độ bền mỏi và tốc độ mở rộng vết nứt.
3. Ứng suất dư cực nhỏ-
Ứng suất dư cực vi mô-là số lượng lớn bề mặt nguyên tử trong phôi, các cột nguyên tử gần điểm cân bằng của ứng suất dư. Sự phân bố ứng suất này phức tạp hơn và liên quan đến cấu trúc vi mô của vật liệu, các khuyết tật và các yếu tố khác. Trong quá trình biến đổi pha, ứng suất dư kéo hoặc nén cực nhỏ được tạo ra do các biến dạng và khuyết tật của mạng. Những ứng suất này có ảnh hưởng đến tính chất vật lý và hóa học của vật liệu.
Đặc điểm phân bố không gian của ứng suất dư không chỉ phụ thuộc vào nguyên nhân của chúng mà còn liên quan chặt chẽ đến các điều kiện cụ thể của quá trình. Ví dụ, trong quá trình hàn, đường hàn và các khu vực lân cận của nó trải qua quá trình gia nhiệt và làm mát nhanh chóng, dẫn đến sự phân bố phức tạp của ứng suất dư ở những khu vực này. Tính không đồng nhất của sự phân bố ứng suất này có thể có ảnh hưởng quan trọng đến độ bền và độ bền của mối hàn.
Thứ ba, ảnh hưởng của ứng suất dư đến tính chất vật liệu
Ứng suất dư có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của vật liệu. Về cường độ năng suất, khi có ứng suất kéo dư trong vật liệu, nó sẽ làm giảm cường độ năng suất của vật liệu, khiến vật liệu dễ bị biến dạng dẻo hơn. Ngược lại, ứng suất nén dư làm tăng cường độ chảy của vật liệu ở một mức độ nào đó. Đối với độ bền kéo, sự hiện diện của ứng suất dư sẽ làm thay đổi sự phân bố ứng suất của vật liệu trong quá trình kéo, do đó ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật liệu. Ngoài ra, ứng suất dư cũng sẽ tác động đến độ dẻo, dai, cứng của vật liệu và các chỉ số khác. Ví dụ, ứng suất kéo dư làm tăng độ giãn dài của vật liệu, trong khi ứng suất nén dư làm giảm độ giãn dài của vật liệu. Về độ cứng, ứng suất kéo dư làm giảm số đo độ cứng, trong khi ứng suất nén dư làm tăng số đo độ cứng.
Ảnh hưởng của ứng suất dư lên tuổi thọ mỏi của vật liệu thậm chí còn nghiêm trọng hơn. Dưới tác dụng của tải trọng xen kẽ, ứng suất kéo dư sẽ chồng lên tải trọng tác dụng, đẩy nhanh quá trình xuất hiện và giãn nở các vết nứt, làm giảm đáng kể tuổi thọ mỏi của vật liệu. Vì vậy, trong việc thiết kế và chế tạo các bộ phận cơ khí, phải xem xét đầy đủ tác động của ứng suất dư để tránh hiện tượng mỏi do ứng suất dư quá mức gây ra.
2. Tác động đến tính chất vật lý
Ứng suất dư cũng sẽ có tác động đến tính chất vật lý của vật liệu. Ví dụ, xét về hệ số giãn nở nhiệt, ứng suất dư sẽ làm thay đổi cấu trúc mạng bên trong của vật liệu, từ đó ảnh hưởng đến đặc tính giãn nở nhiệt của nó. Khi ứng suất dư xuất hiện trong vật liệu, hệ số giãn nở nhiệt có thể thay đổi, điều này trong một số ứng dụng nhạy cảm với nhiệt độ (ví dụ: hệ thống kiểm soát nhiệt trong hàng không vũ trụ) có thể dẫn đến các vấn đề về độ khít của các bộ phận. Ngoài ra, ứng suất dư còn có ảnh hưởng đến tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ứng suất dư có thể làm biến dạng sự sắp xếp nguyên tử trong vật liệu, làm tăng khả năng tán xạ của phonon và electron, do đó làm giảm tính dẫn nhiệt và điện của vật liệu. Trong các thiết bị điện tử, nơi mà khả năng tản nhiệt và độ dẫn điện là rất quan trọng, tác động này từ ứng suất dư có thể dẫn đến giảm hiệu suất nhiệt và tăng điện trở của thiết bị, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của thiết bị.
