(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 tại việt nam trên mô hình vết nứt một bên (edge crack)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HUY LỘC NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT PHÁ HỦY TỚI HẠN CỦA SUS 304 TẠI VIỆT NAM TRÊN MƠ HÌNH VẾT NỨT MỘT BÊN (EDGE CRACK) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103 SKC007270 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HUY LỘC NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT PHÁ HỦY TỚI HẠN CỦA SUS 304 TẠI VIỆT NAM TRÊN MƠ HÌNH VẾT NỨT MỘT BÊN (EDGE CRACK) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỒNG HUY LỘC NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT PHÁ HỦY TỚI HẠN CỦA SUS 304 TẠI VIỆT NAM TRÊN MƠ HÌNH VẾT NỨT MỘT BÊN (EDGE CRACK) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH KỲ Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2021 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Hoàng Huy Lộc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/08/1990 Nơi sinh: Quảng Trị Quê quán: Quảng Trị Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 16/2B, Cây Da Xề, Đơng Hịa, Dĩ An, Bình Dương Điện thoại quan: Fax: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Đại học quy Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM Ngành học: Cơ khí chế tạo máy Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên luận văn: Nghiên cứu xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn SUS304 Việt Nam mô hình vết nứt bên (Edge crack) Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 9/5/2021 trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Minh Kỳ BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 10/2013 - 6/2014 Từ 7/2014 - 11/2014 Từ 12/2014 - Đến PHỤ LỤC 3: BÀI BÁO NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT PHÁ HỦY TỚI HẠN CỦA SUS304 TRÊN MƠ HÌNH VẾT NỨT MỘT BÊN Ở VIỆT NAM RESEARCH AND CALCULATION OF THE CRITICAL STRESS INTENSITY FACTOR FOR A EDGE CRACK PLATE OF SUS 304 IN VIETNAM 1,2 Hoàng Huy Lộc , Nguyễn Minh Kỳ 1 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TÓM TẮT: Trong lĩnh vực học phá hủy, tiêu chuẩn phá thứ nhất quan trọng nhất ba tiêu chuẩn phá hủy Vì vậy, xác định hệ số cường đợ ứng śt phá hủy tới hạn theo mơ hình phá hủy thứ nhất (KIC) lựa chọn nghiên cứu trước tiên Việc xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn chúng ta có thể đánh giá kết cấu có cịn an tồn hay khơng, có cịn làm việc hay khơng kiểm soát tải chúng để chi tiết làm việc an toàn, đáng tin cậy, bền kinh tế Bài báo này, chúng xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn K IC thép khơng gỉ SUS 304 mơ hình vết nứt mợt bên phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng mơ hình thực nghiệm theo mơ hình mode I Trong mơ hình thực nghiệm, chúng tơi thực hiện với mơ hình mode I có ba chiều dài vết nứt khác để xác định ứng suất phá hủy lớn nhất Sau dùng ứng suất phá hủy lớn nhất làm thơng số đầu vào cho mơ hình phần tử hữu hạn (Finite elemetn method FEM) Trong mơ hình FEM, chúng tơi sử dùng phần mềm Ansys để tính tốn phân tích, giá trị hệ số KIC xác định trực tiếp từ phần mềm Ansys Giá trị thu từ mơ hình FEM so sánh với mơ hình lý thuyết tác giả khác Kết thu từ mơ hình tương đồng Từ khóa: Cơ học phá hủy; chiều dài vết nứt; hệ số cường độ ứng suất; phần tử hữu hạn ABSTRACT: In the field of the Fracture mechanics, opening mode (Mode I) is the most important of the three mode Calculation of the critical stress intensity factor for a edge crack plate of SUS 304 an important role in fracture mechanics problems to description the stress state near crack tip, and this is used to calculate the fracture strength of a material containing a crack In this paper, we define the critical stress intensity factor for a edge crack plate of SUS 304 via FEM and Building Experimental Model The influence of the crack length are considered to compare with theoretical models and previous results The study shows that the results on the simulation model by FEM are similar to the Center Cracked Tension (CCT) model and the Basic general case corresponding to the small crack length Keywords: Fracture mechanics; crack length; the critical stress intensity factor; finite element method 67 TỔNG QUAN Cơ học phá hủy (Fracture mechanics) ngành học nghiên cứu phát triển vết nứt vật liệu Nó sử dụng để phân tích lực tác dụng lên vật liệu có vết nứt từ xác định khả chịu lực phá hủy Có ba mơ hình phá hủy đặc trưng: dạng kéo đứt (opening – mode I), dạng trượt (sliding – mode II) dạng xé (tearing – mode III) Trong dạng Mode dI loại phổ biến thường gặp hư hỏng kỹ thuật Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu dạng phá hủy đá, kim loại, xi măng, v, v Với mô hình phá hủy thứ nhất, có nhiều tác giải nghiên cứu cững nước Tuy nhiên, chưa thấy kết công bố nghiên cứu Mode I thép không gỉ SUS 304 mơ hình vết nứt bên Vì vậy, báo tập trung vào nghiên cứu xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn thép không gỉ SUS 304 mô hình vết nứt bên CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỰ PHÁ HỦY Phương pháp tiêu chuẩn lượng Sự lan truyền phát triển vết nứt xảy giá trị lượng sẵn có cho phát triển vết nứt đủ để vượt qua sức bền chống phá hủy vật liệu Sức bền chống phá hủy vật liệu kể đến lượng bề mặt, độ dẻo, loại tiêu tán lượng liên quan đến việc lan truyền vết nứt Suất giải phóng lượng (Energy relase rate – G) định nghĩa mức độ thay đổi với diện tích vết nứt cho vật liệu đàn hồi tuyến tính Tại thời điểm phá hủy G = Gc, mức độ giải phóng lượng tới hạn phép đo độ bền chống phá hủy Đối với vết nứt có chiều dài 2a có bề rộng vơ lớn chịu ứng suất kéo Hình 2, suất giải phóng lượng [17] đưa ra: = Với: E: Modul Young σ: Ứng suất tác dụng a: Chiều dài vết nứt Tại thời điểm phá hủy G = Gc, Gc suất giải phóng lượng tới hạn = 68 Hình Một tấm phẳng dưới tác dụng ứng suất σ, chiều dài vết nứt 2a, chiều dày B[1] 2.2 Phương pháp cường độ ứng suất Trên hình 2, minh hoạ phần tử gần đầu vết nứt vật liệu đàn hồi, với ứng suất mặt phẳng phần tử Lưu ý thành phần ứng suất tỉ lệ với số KI Nếu số biết đến, tồn phân bố ứng suất đầu nứt minh họa Hình tính ứng suất theo công thức (6) Hệ số KI này, gọi hệ số cường độ ứng suất, đặc trưng hoàn toàn cho điều kiện đầu vết nứt vật liệu đàn hồi tuyến tính Nếu vật liệu bị phá hủy ứng suất lớn nhất, bị gãy phải xảy cường độ ứng suất tới hạn K IC Vì vậy, KIC hệ số dùng để thay cho sức bền chống phá hủy Hình Các ứng suất tại đầu vết nứt vật liệu đàn hồi [1] Đối với phẳng minh họa Hình 2, hệ số cường độ ứng suất tính [1]: KI = σ√πa Phá hủy xảy KI = KIC Từ (1) (3) ta có: 69 Các trường ứng suất đầu vết nứt dạng Mode I: { MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Mơ hình xây dựng theo mơ hình Compact Tension tuân theo tiêu chuẩn ASTM E399 [2] hình thuộc tính vật liệu thép khơng gỉ SUS304 lấy theo [3] mua Việt Nam Hình Kích thước mẫu thực nghiệm Chúng tơi tiến hành thí nghiệm với vật liệu thép khơng gỉ SUS 304 với W= 100mm, bề dày 3mm Chiều dài vết nứt a, với mẫu khác nhau: mẫu A có a= 10mm, mẫu B có a= 25mm, mẫu C có a= 50mm Mỗi mẫu làm thí nghiệm năm lần Mơ hình gá đặt thí nghiệm với tiêu chuẩn phá hủy thứ trình bày hình Độ bền kéo mẫu SUS 304 đo máy kéo nén vạn WEW – 1000B, Seri 2003046 Phịng thí nghiệm kiểm định Công ty Cổ phần Tư vấn kiểm định công trình Miền Nam 70 Hình Mơ hình gá đặt mẫu thử máy WEW – 1000B Các mẫu thực nghiệm trước sau kéo trình bày Bảng Bảng Mẫu trước sau thực nghiệm STT 71 Mẫu thực nghiệm ứng với a = 50mm C1 Kết thực nghiệm giới hạn đứt sau kéo trình bày Bảng Bảng Kết thực nghiệm kéo STT 4 5 Từ mơ hình thí nghiệm ta thu kết giới hạn bền kéo lớn trung bình mẫu ứng với chiều dài vết nứt: a= 10mm 420MPa, a= 25mm 348MPa a= 50mm 240MPa MƠ HÌNH LÝ THUYẾT 4.1 Trường hợp chiều dài vết nứt a = 10 mm Trường hợp ứng suất tác dụng 420 MPa ▪ Áp dụng công thức tổng quát Basic (3) = 74,42 MPa.m KIC = √ ▪ Áp dụng mơ hình Single Edge Notched Tension (SENT): [3] 72 1/2 a f( ) = 1,122 − 0,231( ) + 10,550( ) − 21,710( ) + 30,382( ) = 1,1857 Suy KIC = (W ) √ = 88,38 MPa.m1/2 ▪ Áp dụng mơ hình (SENT): [1]K ▪ Áp dụng mơ hình (CCT): [18] IC = 1,12σ√πa = 83,36 MPa.m1/2 f( Suy KIC = (Wa) √ )= [1−0,1( = 74,35 MPa.m 1/2 ▪ Áp dụng mơ hình (DENT): [3] ( ) = 1,12 + 0,203( ) − 1,197 ( )2 + 1,930 ( )3 = 1,130 Suy KIC = (Wa) √ = 84,10 MPa.m1/2 4.2 Trường hợp chiều dài vết nứt a = 25mm Trường hợp ứng suất tác dụng 348MPa ▪ Áp dụng công thức tổng quát Basic (3) K = σ√πa = 97,50 MPa.m ▪ Áp dụng mơ hình (SENT): [3] IC 1/2 f( ) = 1,122 − 0,231( ) + 10,550( ) − 21,710( ) + 30,382( ) = 1,503 Suy KIC a = (W ) √ = 146,55 MPa.m1/2 ▪ Áp dụng mơ hình (SENT): [1] K = 1,12σ√πa = 109,20 MPa.m ▪ Áp dụng mơ hình (CCT): [4] IC 1/2 ( )= [1−0,1( Suy KIC = = 97,26 MPa.m (Wa) √ ▪ Áp dụng mơ hình (DENT): [4] f( 1/2 Suy KIC = ( ) √ = 109,79 MPa.m 4.3 Trường hợp chiều dài vết nứt a = 50 mm Trường hợp ứng suất tác dụng 240 MPa ) = 1,12 + 0,203( ) − 1,197( )2 + 1,930( )3 = 1,126 a W ▪ Áp dụng công thức tổng quát Basic (3) K = σ√πa = 95,10 MPa.m ▪ Áp dụng mơ hình (SENT): [3] IC f( 1/2 ) = 1,122 − 0,231( ) + 10,550( )2 − 21,710( )3 + 30,382( )4 = 2,829 73 1/2 Suy KIC = f(a/W) √ = 269,03 MPa.m ▪ Áp dụng mơ hình (SENT): [1]K = 1,12σ√πa = 106,51 MPa.m ▪ Áp dụng mơ hình (CCT): [18] IC 1/2 1/2 ( )= [1−0,1( Suy KIC = (Wa) √ = 98,42 MPa.m 1/2 ▪ Áp dụng mơ hình (DENT): [3] f( 1/2 Suy KIC = ( ) √ = 110,64 MPa.m MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TÍNH TỐN Điều kiện biên mơ hình FEM gá đặt tương đồng mơ hình thực nghiệm minh họa hình Vật liệu thép khơng gỉ SUS 304 có hệ số Poisson ν= 0,29 Môđun đàn hồi E= 200000 MPa [5] Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn SUS 304 tính phương pháp phần tử hữu hạn, kết phân tích lấy trực tiếp từ phần mềm Ansys Các giá trị KIC minh họa hình 6,7,8 ) = 1,12 + 0,203( ) − 1,197 ( )2 + 1,930( )3 = 1,1635 a W Hình Chia lưới phần tử điều kiện biên trường hợp a=10mm Kết thu sau phân tích phần mềm Ansys sau: ▪ Ứng với trường hợp vết nứt a= 1/2 10mm, ta thu giá trị hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC = 68,881 MPa.m 74 Hình Hệ số cường độ ứng suất phá hủy, ứng với a= 10mm Ứng với trường hợp vết nứt a= 25mm, ta thu giá trị hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC= 102,18 MPa.m1/2 Hình Hệ số cường độ ứng suất phá hủy, ứng với a= 25mm ▪ Ứng với trường hợp vết nứt a=1/2 50mm, ta thu giá trị hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC= 147,16 MPa.m Hình Hệ số cường độ ứng suất phá hủy, ứng với a= 50mm 75 KẾT QUẢ Với tỉ lệ chiều dài vết nứt (a/W) khác nhau, cơng thức tính hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn theo mơ hình lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn, thu kết hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn trình bày hình Từ kết hình 9, ta thấy ứng với trường hợp vết nứt nhỏ (a/W= 1/10) giá trị KIC gần Khi tăng chiều dài vết nứt lên (a/W= 1/4) mơ hình SENT [1] bắt đầu có khác biệt giá trị Nếu tiếp tục tăng tỷ lệ chiều dài vết nứt (a/W= 1/2) mơ hình SENT [1] FEM có khác biết lớn Hình Đồ thị kết hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC KẾT LUẬN Bài báo xác định ứng suất lớn thép không gỉ SUS 304 có vết nứt bên ứng với ba trường hợp là: a/W= 1/10, 1/4 1/2 Các giá trị K IC làm kênh tham khảo tốt cho nhà thiết kế Chúng sử dụng ứng suất lớn từ mơ hình thực nghiệm để xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn (K IC) mơ hình mơ phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Ansys Qua đó, chúng tơi so sánh với kết mơ hình lý thuyết tác giả cơng bố trước Với kết thu từ nghiên cứu này, mơ hình phần tử hữu hạn có kết phù hợp với mơ hình lý thuyết CCT mơ hình tổng qt Basic ứng với vết nứt nhỏ, cịn vết nứt lớn chưa phù hợp Vì vậy, Chúng ta cần tiến hành nhiều nghiên cứu phương pháp khác có để tìm hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn cho vật liệu vật liệu kim loại khác ACKNOWLEDGEMENTS Nghiên cứu hỗ trợ để hoàn thiện từ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Tài liệu tham khảo [1] Fracture Mechancs, T Anderson, Taylor and Francis Group, 2005 76 [2] E399-12, Standard test method for plane Strain fracture toughness of metallic materials, American society for testing and materials, Philadelphia, 2012 [3] The tress analysis of cracks handbook, the American society of mechanical engineers, Hiroshi Tada, Paul C Paris and George R Irwin, 2000 [4] Formulas for stress, strain and structural matrices, W.D Pilkey, John Wiley &Sons Inc, 2005 [5] A666-15, Standard specification for annealed or cold-worked austenitic stainless steel sheet, strip, plate, and flat bar, 2015 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Nguyễn Minh Kỳ Đơn vị: Khoa CKM - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Điện thoại: 0903.338.292 Email: kynm@hcmute.edu.vn 77 ... cứu xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn thép không gỉ sus 304 Việt Nam mơ hình vết nứt bên (Edge crack)? ?? 1.3 Mục tiêu đề tài - Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC... KI Hệ số cường độ ứng suất dạng Mode I KIC Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KII Hệ số cường độ ứng suất dạng Mode II KIII Hệ số cường độ ứng suất dạng Mode III SENT Mơ hình vết nứt bên. .. MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG HUY LỘC NGHIÊN CỨU VÀ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT PHÁ HỦY TỚI HẠN CỦA SUS 304 TẠI VIỆT NAM TRÊN MƠ HÌNH VẾT NỨT MỘT BÊN (EDGE CRACK) NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 8520103