34 Phạm Thị Hằng, Nghiêm Văn Vinh THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐỒ GÁ THÍ NGHIỆM DẬP MẪU NHỎ VÀ THỬ NGHIỆM CHO MẪU THÉP KHÔNG GỈ DESIGN AND MANUFACTURING OF JIG FOR SMALL PUNCH TESTING AND ITS APPLICATION FOR[.]
Phạm Thị Hằng, Nghiêm Văn Vinh 34 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐỒ GÁ THÍ NGHIỆM DẬP MẪU NHỎ VÀ THỬ NGHIỆM CHO MẪU THÉP KHÔNG GỈ DESIGN AND MANUFACTURING OF JIG FOR SMALL PUNCH TESTING AND ITS APPLICATION FOR STAINLESS STEEL Phạm Thị Hằng*, Nghiêm Văn Vinh Trường Đại học Thủy Lợi1 *Tác giả liên hệ: pthang@tlu.edu.vn (Nhận bài: 24/5/2022; Chấp nhận đăng: 25/8/2022) Tóm tắt - Thí nghiệm dập mẫu nhỏ sử dụng mẫu có kích thước nhỏ chứng minh phương pháp thí nghiệm đáng tin cậy Kết thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ có mối quan hệ với độ bền vật liệu thu từ thí nghiệm kéo dùng để nghiên cứu tính chất phá hủy vật liệu Mặc dù, thí nghiệm sử dụng phổ biến giới, chưa có nghiên cứu thực Việt Nam Trong đó, thí nghiệm thực thiết bị thử kéo nén Trong nghiên cứu này, đồ gá dùng cho thí nghiệm dập mẫu nhỏ thiết kế chế tạo Bộ đồ gá chế tạo sử dụng thiết bị kéo nén để thí nghiệm tính chất học vật liệu biến dạng dập mẫu nhỏ Các kết thu từ thí nghiệm cho thép khơng gỉ 304 201 hồn toàn đáng tin cậy sử dụng làm tiền đề cho nghiên cứu Abstract - It is proven that the small punch test using relatively small specimen is a reliable testing method to investigate the mechanical properties of materials The results obtained from small punch test can be related with the results from tensile test and it can be used to study the fracture properties of materials Although, this testing method is widely applied in the world, no studies have been carried out in Vietnam Meanwhile, this test can be carried out on the tensile test machine In this study, a jig for the small punch test is designed and manufactured The small punch test using manufactured jig is setup on the tensile test device The results obtained from the experiment for type-304 and 201 stainless steel can be reliable and they can be used as a premise for further studies Từ khóa - Cơ học vật liệu; học phá hủy; thép khơng gỉ; thí nghiệm dập mẫu nhỏ; thiết bị kéo nén Key words - Mechanical properties; fracture mechanical properties; stainless steel; small punch test; tensile testing machine Đặt vấn đề Thông thường, đặc trưng học vật liệu xác định thí nghiệm kéo, nén, uốn ba điểm, thí nghiệm Charpy… phương pháp truyền thống, phổ biến Từ năm 1980, nhà khoa học Mỹ Nhật Bản bắt đầu tiến hành phương pháp thí nghiệm ngồi phương pháp truyền thống đó, gọi thí nghiệm dập mẫu nhỏ cho vật liệu phóng xạ [1] Thí nghiệm dập mẫu nhỏ sử dụng chày, khn mẫu thí nghiệm có kích thước nhỏ [2] Mẫu dùng thí nghiệm có đường kính khoảng 3÷10 mm độ dày từ 0,1÷0,7 mm, phổ biến sử dụng mẫu thí nghiệm có đường kính 10 mm chiều dày 0,5 mm Lực tác dụng xuống bề mặt mẫu thí nghiệm thơng qua đầu chày làm cho mẫu bị uốn cong xuống Do đó, thí nghiệm dập mẫu nhỏ coi dạng đặc biệt biến dạng uốn Ưu điểm lớn thí nghiệm dập mẫu nhỏ phương pháp thí nghiệm đơn giản, đáng tin cậy, thực mẫu nhỏ phí thấp so với phương pháp thí nghiệm học truyền thống khác [3, 4] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu chứng minh, kết thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ có mối quan hệ với độ bền vật liệu thu từ thí nghiệm kéo tâm truyền thống [5-7] Trong nghiên cứu Ming cộng [5], ứng suất tới hạn lực lớn đo đạc từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ chứng minh có quan hệ với ứng suất tới hạn độ bền thu từ biến dạng kéo truyền thống Đặc biệt, mẫu thí nghiệm sau dập mẫu nhỏ bị phá hủy nên thí nghiệm dùng để nghiên cứu độ dai phá hủy thơng qua việc tính tốn thơng số độ biến dạng phá hủy tương đương [8] Thuyloi University (Pham Thi Hang, Nghiem Van Vinh) Thí nghiệm dập mẫu nhỏ khơng áp dụng trường hợp tải trọng tĩnh để nghiên cứu tính chất học tĩnh vật liệu mà cịn phát triển mơ hình thí nghiệm tải trọng động Shindo cộng [9] nghiên cứu tính chất phá hủy vật liệu biến dạng dập mẫu nhỏ phương pháp phần tử hữu hạn Abendroth Kuna [10] nghiên cứu biến dạng tính chất phá hủy số vật liệu dẻo có thép khơng gỉ mơ phần tử hữu hạn cho thí nghiệm dập mẫu nhỏ Ling cộng [2] xem xét phá hủy mẫu thép khơng gỉ 304 thí nghiệm dập mẫu nhỏ thực nghiệm mô Trong đó, ảnh hưởng hệ số ma sát, chiều dày vật liệu tốc độ dịch chuyển chày kích thước khn biến dạng dập mẫu nhỏ cho thép không gỉ SUS304 nghiên cứu Yang cộng [11] Vừa qua, Garcia cộng [12] thực nghiên cứu mô máy tính biến dạng dập mẫu nhỏ để đánh giá tính chất học số loại vật liệu kim loại cho thấy độ dai phá hủy thép khơng giịn đánh giá từ độ biến dạng phá hủy thu từ biến dạng dập mẫu nhỏ Trong nghiên cứu Phạm Thị Hằng cộng [13], tác giả mô phương pháp phần tử hữu hạn cho thí nghiệm dập mẫu nhỏ để đánh giá tính chất phá hủy thép khơng gỉ Mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ tốc độ biến dạng cao thiết lập phát triển Cao cộng [14] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 Mặc dù gần đây, thí nghiệm dập mẫu nhỏ sử dụng phổ biến phương pháp thí nghiệm học vật liệu, chưa có nghiên cứu loại thí nghiệm Việt Nam Trong đó, thí nghiệm dập mẫu nhỏ hồn tồn thực thiết bị thử kéo nén vật liệu thông thường Chính vậy, để phát triển nghiên cứu học vật liệu, học phá hủy, cần thiết phải thiết kế chế tạo đồ gá chuyên dụng dùng thí nghiệm dập mẫu nhỏ máy kéo nén Trong nghiên cứu này, đồ gá chuyên dụng dùng cho thí nghiệm dập mẫu nhỏ thiết kế chế tạo, sau lắp đặt thử nghiệm máy kéo nén Độ tin cậy mơ hình thí nghiệm kiểm nghiệm qua kết thí nghiệm dập mẫu nhỏ cho thép không gỉ 304 so sánh với kết công bố báo xuất Sau đó, mơ hình thử nghiệm cho thép không gỉ 201 tốc độ biến dạng thấp Mơ hình thí nghiệm phương pháp đánh giá 2.1 Mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ Hình thể sơ đồ mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ Mơ hình thí nghiệm bao gồm có khn khuôn định vị bắt chặt với vít Một mẫu thử nhỏ dạng đĩa đặt khn Trong q trình thí nghiệm, mẫu thử chịu lực tác dụng thơng qua chày Đầu chày dịch chuyển dễ dàng lỗ khuôn tác động lực vào tâm mẫu thí nghiệm Kích thước lỗ khn thiết kế để đảm bảo chày dịch chuyển dễ dàng Kích thước lỗ khn cần đảm bảo điều kiện lớn tổng kích thước chày hai lần kích thước chiều dày mẫu thử Như vậy, đồ gá thí nghiệm dập mẫu nhỏ bao gồm chi tiết khn dưới, khn trên, chày bạc dẫn hướng để đảm bảo khn làm việc ổn định q trình thí nghiệm 35 a) b) Hình Mẫu thí nghiệm a) thép không gỉ 304 sau nhiệt luyện b) thép không gỉ 201 Hình Tổ chức tế vi thép khơng gỉ 201 Hình Mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ 2.2 Mẫu thí nghiệm dập mẫu nhỏ Chọn mẫu thí nghiệm Hình có hình dạng đĩa, đường kính 10 mm chiều dày 0,5 mm Có hai loại vật liệu thử nghiệm Với mẫu thép khơng gỉ họ austenite mác 304, mẫu thí nghiệm nung 1050oC sau tơi nước để có điều kiện thí nghiệm giống với nghiên cứu Pham cộng [15] Ngồi ra, mẫu thí nghiệm thép khơng gỉ 201 thử nghiệm mơ hình thí nghiệm Thép khơng gỉ 201 có tổ chức tế vi thể Hình Đây loại thép khơng gỉ họ austenite nên thấy rõ tổ chức pha austenite hình ảnh tổ chức tế vi 2.3 Thiết lập thí nghiệm máy kéo nén Kích thước đường kính đầu chày lựa chọn 2,4 mm chọn phương án bo tròn đầu với bán kính 1,2 mm Lỗ khn thiết kế mm Bộ khn dùng thí nghiệm dập mẫu nhỏ thể Hình Yêu cầu kỹ thuật đồ gá thí nghiệm dập mẫu nhỏ bao gồm mẫu thí nghiệm cần kẹp chặt khuôn khuôn để đảm bảo mẫu khơng dịch chuyển q trình đầu chày tác dụng lực xuống bề mặt mẫu thí nghiệm Ngồi ra, đầu chày đủ bền, không bị biến dạng, cong tác dụng lực Đồng thời, độ cứng bề mặt chày khn cần thiết phải cao vật liệu mẫu thí nghiệm để đảm bảo đồ gá không bị biến dạng q trình thí nghiệm Chày chuyển động tịnh tiến dễ dàng lỗ khuôn trên, khuôn đảm bảo đồng tâm chi tiết chày lỗ khn Do đó, cần u cầu kỹ thuật độ nhám bề mặt đầu chày vị trí tương quan bề mặt đầu tác dụng lực đường tâm chày Đầu tác dụng lực chày phải đảm bảo độ vng góc với đường tâm chày để đảm bảo lực tác dụng tâm Phạm Thị Hằng, Nghiêm Văn Vinh 36 chày Bạc dẫn hướng lắp ghép với khuôn trên, khuôn chày nên cần phải chọn lắp ghép lỏng Để đạt yêu cầu tính, vật liệu chế tạo đồ gá thép hợp kim 9XC tương đương 90CrSi, loại thép hợp kim thấp thường dùng để chế tạo dụng cụ cắt, khuôn dập Bộ đồ gá thí nghiệm tơi nhiệt độ 870oC ram thấp Các yêu cầu độ xác thơng số hình học kiểm tra sau chế tạo Kết đồ gá chế tạo thể Hình 4b thử nghiệm cho thấy, đồ gá hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề Hình Sơ đồ gá đặt máy kéo nén a) b) Hình a) Kết thiết kế b) chế tạo đồ gá dùng thí nghiệm dập mẫu nhỏ Mẫu thí nghiệm gá vào khn chế tạo theo quy trình Hình Mẫu thí nghiệm mỏng, dạng đĩa chế tạo theo kích thước quy định đặt lỗ khn Sau đó, khn khn bắt chặt với nhờ có vít Đầu chày nhỏ lắp ghép vào lỗ khuôn trên, sau lắp bạc dẫn hướng vào phía ngồi khn chày Hình Sơ đồ gá đặt mẫu thí nghiệm lắp đặt khn dập mẫu nhỏ Sơ đồ gá đặt máy kéo nén thể Hình Đầu đo lực đặt phía khn thí nghiệm Để đo chuyển vị đầu chày, ngang sử dụng Trong đó, đầu ngang tiếp xúc với đầu chày, đầu lại tiếp xúc với đầu đo chuyển vị Đầu đo chuyển vị gá đồ gá vạn Hình Như vậy, kết đầu đo chuyển vị chuyển vị đầu chày Do lực từ cảm biến lực load cell giá trị chuyển vị thiết bị kéo nén biến đổi lớn, đó, thí nghiệm dập mẫu nhỏ sử dụng khoảng giá trị lực tác dụng chuyển vị nhỏ nên để tăng độ xác kết thí nghiệm cần dùng đầu đo chuyển vị cảm biến lực Kết lực tác dụng chuyển vị theo thời gian xử lý qua xử lý số liệu Multi Recorder TMR-211 2.4 Đánh giá kết thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ Kết thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ đánh giá dựa mối quan hệ lực tác dụng - độ võng phân tích hình ảnh mẫu thí nghiệm Hình thể đường cong mối quan hệ lực tác dụng - độ võng điển hình thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ báo công bố tác giả [8] Lực tác dụng độ võng đo từ thiết bị đo q trình thí nghiệm Từ Hình thấy, dạng đường cong lực tác dụng - độ võng thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ khác biệt thu từ thí nghiệm truyền thống kéo tâm, uốn ba điểm Theo Garcia cộng [12], đường cong chia thành vùng tương ứng với giai đoạn biến dạng vật liệu Vùng vùng vật liệu chịu biến dạng uốn đàn hồi Vùng vùng chuyển tiếp từ vùng biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo Tiếp theo, tăng lực tác dụng, vật liệu trải qua giai đoạn giai đoạn biến dạng dẻo Đây giai đoạn dài q trình vật liệu bị biến dạng thí nghiệm dập mẫu nhỏ Sau đó, vật liệu trải qua vùng 4, lực tác dụng đạt giá trị cực đại vết nứt bắt đầu xuất dẫn tới phá hủy mẫu thí nghiệm Giá trị lực cực đại Pmax độ võng điểm cực đại xmax hai thông số quan trọng thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ Nhiều nghiên cứu ra, giá trị độ võng điểm cực đại sử dụng để tính tốn độ biến dạng phá hủy tương đương vật liệu Hình thể hình ảnh mẫu thử sau thí nghiệm Ban đầu, mẫu thử có dạng đĩa, chiều dày nhỏ Sau thí nghiệm, phần đầu chày tác dụng xuống bề mặt mẫu thử làm ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 9, 2022 37 mẫu bị biến dạng vùng tiếp xúc với đầu chày xung quanh đó, phần kẹp hai khn khn khơng bị biến dạng Kết là, sau thí nghiệm thu mẫu biến dạng hình mũ Trong nhiều trường hợp, mẫu thí nghiệm bị xuất vết nứt dẫn tới phá hủy Hình 10 Hình ảnh mẫu thép khơng gỉ 304 sau thí nghiệm Hình Quan hệ lực tác dụng-độ võng thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ [8] 3.2 Kết thí nghiệm dập mẫu nhỏ máy kéo nén cho thép khơng gỉ SUS201 Kết thí nghiệm thu cho thép khơng gỉ 201 thể Hình 11 gồm có a) lực tác dụng theo thời gian b) chuyển vị theo thời gian Từ kết thu cho thấy, chuyển vị biến thiên tuyến tính theo thời gian, điều có nghĩa tốc độ chuyển vị gần khơng đổi tính khoảng 0,0043 mm/s a) Hình Hình ảnh mẫu thử sau thí nghiệm dập mẫu nhỏ [8] Kết thảo luận 3.1 Kiểm nghiệm độ tin cậy mô hình thí nghiệm Thí nghiệm dập mẫu nhỏ thực cho thép không gỉ 304 sau Kết thí nghiệm so sánh với kết báo công bố tác giả [15] tốc độ biến dạng 0,0033 mm/s Hình Có thể thấy, dạng đường cong lực tác dụng – độ võng thu từ mơ hình thí nghiệm có dạng gần với đường cong điển hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ Hình Ở điều kiện tốc độ biến dạng, giá trị lực cực đại độ võng điểm cực đại tương đồng với giá trị báo cơng bố Ngồi ra, Hình 10 cho thấy, mẫu thí nghiệm bị phá hủy với biên dạng gần giống Hình nghiên cứu trước Như vậy, kết thu từ mơ hình thí nghiệm đáng tin cậy b) Hình 11 Kết thí nghiệm thép khơng gỉ 201 Hình Kết thí nghiệm thép khơng gỉ 304 Trong trình tác dụng lực, dịch chuyển chày làm cho mẫu thí nghiệm bị biến dạng võng xuống Do có vít kẹp chặt mẫu thí nghiệm khuôn khuôn nên chuyển vị đầu chày coi độ võng mẫu thí nghiệm Từ kết lực tác dụng chuyển vị với biến đổi theo biến thời gian Hình 11 thiết lập quan hệ lực tác dụng - độ võng trình bày Hình 12 Kết cho thấy, dạng đường cong lực tác dụng-độ võng thu từ thí nghiệm có dạng gần với dạng đường cong điển hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ Hình Hình ảnh mẫu sau thí nghiệm thể Hình 13 Kết cho thấy mẫu bị biến dạng khoảng tác dụng Phạm Thị Hằng, Nghiêm Văn Vinh 38 chày, mẫu bị lõm xuống xuất vết nứt, phá hủy vùng biên mẫu Kết tương đồng với kết điển hình thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ Từ kết thu kết luận kết thu hồn tồn đáng tin cậy mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ thiết kế chế tạo thử nghiệm thành cơng Hình 12 Quan hệ “lực tác dụng – độ võng” thu từ thí nghiệm Hình 13 Hình ảnh mẫu sau thí nghiệm Kết luận Qua kết thực nghiên cứu đưa số kết luận sau: Đã thiết kế chế tạo khn dùng cho thí nghiệm dập mẫu hoàn chỉnh đạt yêu cầu kỹ thuật đề Bộ đồ gá chế tạo hồn tồn sử dụng thiết bị kéo nén thông thường để khảo sát, nghiên cứu tính chất học vật liệu biến dạng dập mẫu nhỏ Các kết thu từ thí nghiệm dập mẫu nhỏ cho thép khơng gỉ 201 hồn tồn đáng tin cậy sử dụng làm tiền đề cho nghiên cứu Đây mơ hình thí nghiệm phổ biến giới lần ứng dụng triển khai Việt Nam, sở để thực nghiên cứu thí nghiệm biến dạng dập mẫu nhỏ cho vật liệu kim loại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mao X., Shoji T., Takahashi H., “Characterization of fracture behavior in small punch test by combined recrystallization-etch method and rigid plastic analysis”, Journal of Testing and Evaluation, vol.15, 1987, pp 30-37 [2] Ling X., Zheng Y., You Y., Chen Y., “Creep damage in small punch creeps specimens of type 304 stainless steel”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol.84, 2002, pp 304-309 [3] Fleury E., H J.S., “Small punch tests to estimate the mechanical properties of steels for steam power plant: I Mechanical strength”, International Journal of Pressure Vessels and Piping, vol.75, 1998, pp 699-706 [4] Rodríguez-Martínez J A., Rusinek A., Pesci R., Zaera R., “Experimental and numerical analysis of the martensitic transformation in AISI304 steel sheets subjected to perforation by conical and hemispherical projectiles”, International Journal of Solids and Structures, vol 2, 2013, pp 339-351 [5] Ming, S., Kaishu G., Wen Q., Jerzy A.S., The J-integral C., “Size effect criteria on the small punch test for AISI 316L austenitic stainless steel”, Materials Science & Engineering A, vol 606, 2014, pp 346-353 [6] Hähner P., Soyarslan C., Cakan B.G., Bargmann S., “Determining tensile yield stresses from Small Punch tests: A numerical-based scheme”, Materials & Design, vol 182, 2019, pp 107974 [7] Lucon E., Benzing J.T., Derimow N., Hrabe N., “Small punch testing to estimate the tensile and fracture properties of additively manufactured Ti-6Al-4V”, Journal of Materials Engineering and Performance, vol 30, 2021, pp 1-37 [8] Pham H.T and Iwamoto T., “An evaluation of fracture properties of type-304 austenitic stainless steel at high deformation rate using the small punch test”, International Journal of Mechanical Sciences, vol 144, 2018, pp 249-261 [9] Shindo Y., Horiguchi K., Sugo T., and Mano Y., “Finite element analysis and small punch testing for determining the cryogenic fracture toughness of austenitic stainless welds”, Journal of Testing & Evaluation, vol.28, 2000, pp.431-437 [10] Abendroth M., and Kuna M., “Determination of deformation and failure properties of ductile materials by means of the small punch test and neural networks”, Computational Materials Science, vol.28,pp 2003, 633-644 [11] Yang S., Zhou J., Ling X., and Yang Z., “Effect of geometric factors and processing parameters on plastic damage of SUS304 stainless steel by small punch test”, Material and Design, vol.41, 2012, pp 447-452 [12] García T.E., Rodríguez C., Belzunce F.J., and Suárez C., “Estimation of the mechanical properties of metallic materials by means of the small punch test”, Journal of Alloys and Compounds, vol.582, 2014, pp 708-717 [13] Phạm Thị Hằng, Yoshida Shiguma, Iwamoto Takeshi, “Mơ hình hóa mơ thí nghiệm biến dạng dập mẫu nhỏ”, Tạp chí khí Việt Nam, vol.8, 2021, pp 41-44 [14] Cao B., Yoshida S., Iwamoto T., Pham H.T., “Development of impact small punch test for investigating energy absorption”, International Journal of Mechanical Sciences, vol.208, 2021, pp 106675 [15] Pham H.T and Iwamoto T., “A computational investigation on small punch test for evaluating fracture toughness of TRIP steel at higher deformation rate”, Key Engineering Materials, vol 725, 2017, pp 66-71 ... dùng thí nghiệm dập mẫu nhỏ máy kéo nén Trong nghiên cứu này, đồ gá chuyên dụng dùng cho thí nghiệm dập mẫu nhỏ thiết kế chế tạo, sau lắp đặt thử nghiệm máy kéo nén Độ tin cậy mơ hình thí nghiệm. .. nghiệm a) thép không gỉ 304 sau nhiệt luyện b) thép khơng gỉ 201 Hình Tổ chức tế vi thép khơng gỉ 201 Hình Mơ hình thí nghiệm dập mẫu nhỏ 2.2 Mẫu thí nghiệm dập mẫu nhỏ Chọn mẫu thí nghiệm Hình... sau chế tạo Kết đồ gá chế tạo thể Hình 4b thử nghiệm cho thấy, đồ gá hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đề Hình Sơ đồ gá đặt máy kéo nén a) b) Hình a) Kết thiết kế b) chế tạo đồ gá dùng thí nghiệm