Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô

Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh tế hạt thô

TÓM TẮT Xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thơ dùng nhiễu xạ x-quang có nhiều ưu điểm so với phương pháp xác định ứng suất dư khác khơng phá hủy cấu trúc vật liệu, thực chi tiết Ngồi ra, đo đánh giá chi tiết giai đoạn sửa chửa bảo dưỡng Khi dùng phương pháp đo nhiễu xạ X-Quang cho trường hợp hạt tinh thể lớn, hạt thô, chẳng hạn mẫu ủ làm kết đo ứng suất dư bị sai lệch chùm tia x không nhiễu xạ hết hạt tinh thể Điều xảy thời gian đo kéo dài Đây vấn đề phép đo sử dụng mẫu đặt mặt phẳng ngang Để giải vấn đề này, phương pháp dao động mẫu với góc ∆α khắc phục nhược điểm Tuy nhiên góc ψ thay đổi, khoảng dao động ∆α có giá trị nhỏ bước qt góc nhiễu xạ 2θ thay đổi trình dao động ψ Điều ảnh hưởng đến mối quan hệ góc nhiễu xạ góc ψ Đề tài áp dụng phương pháp dao động mẫu để xác định ứng suất dư mẫu vật liệu sau ủ Kết cho thấy giá trị đo ứng suất dư xác với góc dao động ∆α = 70 iv ABSTRACT Determination of residual stresses of croarse-grain crystal materials using Xray diffraction has more advantages than other methods, because this method does not damage structure of the material and high accuracy, it can directly measure on part that is working to help easy repair and maintenance In case, the X-ray diffraction is used for large crystal and croarse grains such as residual stress measurement for annealed specimen will have deviation because the X-ray beam does not diffract on whole crystal grains This deviation can occur even measurement time is extended It can be a problem for the measurements using horizontal plane for locating specimen To solve this problem, a method of oscillated specimen with angle Δα is often used However, the osiclillation range Δα only uses small value for changing ψ angle, because scanning step of diffraction angle 2θ changes in during oscillate the angle ψ This affects relationship between the diffraction angle and the angle ψ Thesis applied the oscillated specimen method to determine the residual stress on annealed specimen The result shows that the residual stress obtained with high accuracy at the oscillation angle Δα = 7° v MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi Danh sách ký hiệu ix Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu .1 1.1.1 Tổng quan kết nghiên cứu nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3.1 Ý nghĩa khoa học 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.4 Mục đích nghiên cứu 1.5 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 1.5.1 Đối tượng nghiên cứu .4 1.5.2 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục đề tài Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Biến dạng dẻo 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Cơ chế hình học biến dạng dẻo 2.1.3 Biến dạng trượt đơn tinh thể 2.1.4 Sự biến đổi kim loại sau biến dạng dẻo 2.1.5 Nung kim loại sau biến dạng dẻo: 12 2.2 Tiêu chuẩn ASTM _ E112-12 cấp độ hạt 19 2.3 Lý thuyết nhiễu xạ tia X .20 2.2.1 Nguồn gốc tia X đặc điểm tia X 20 2.2.2 Sự phát tán tia X 21 vi 2.2.3 Hiện tượng nhiễu xạ tia X 21 2.2.4 Định luật Bragg điều kiện nhiễu xạ [9] 22 2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nhiễu xạ LPA 24 2.4 Chiều sâu xuyên qua tia x 26 2.5 Tính ứng suất 26 2.5.1 Xác định biến dạng 26 2.5.2 Xác định mối liên hệ ứng suất – biến dạng 29 2.5.3 Nguyên lý đo ứng suất: 31 2.6 Phương pháp đo 32 2.6.1 Thiết bị thí nghiệm 33 2.6.2 Kết báo 33 Chương THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ DAO ĐỘNG MẪU 35 3.1 Yêu cầu thiết bị dao động mẫu 35 3.2 Đề xuất phương án 35 3.2.1 Phương án – Cải tiến bàn gá Vertex 35 3.2.2 Phương án 2- Theo báo tác giả O Takakuwa, H Soyama 37 3.2.3 Phương án – Thiết kế 37 3.3 Lựa chọn phương án 39 3.4 Chế tạo .39 3.5 Bộ điều khiển cho thiết bị dao động mẫu .39 3.6 Trình tự đo mẫu 40 Chương TẠO MẪU THÍ NGHIỆM 41 4.1 Mẫu thí nghiệm 41 4.2 Thực thí nghiệm: .43 4.3 Kết tạo mẫu thí nghiệm 45 Chương ĐO ỨNG SUẤT DƯ 55 5.1 Chọn mẫu đo ứng suất dư 55 5.2 Đo ứng suất dư 55 5.3 Kết đo ứng suất 56 5.4 Kết mẫu đo lại .59 5.5 Tổng hợp đo ứng suất mẫu 59 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 vii Kết luận 62 Kiến nghị 63 PHỤ LỤC 1: 66 PHỤ LỤC 2: 74 PHỤ LỤC 3: 82 PHỤ LỤC 4: 90 viii Danh sách ký hiệu λ: Bước sóng tia tới SWL : giới ̣n bước sóng ngắ n 2 : góc nhiễu xa ̣ d : khoảng cách giữa các mặt phẳ ng phân tử ( hkl ) Khoảng cách mặt tinh thể có ứng suất d0: Khoảng cách mặt tinh thể trạng thái khơng có ứng suất Si, Li : Hệ tọa độ mẫu thí nghiệm (’33)φ : Biến dạng theo phương đo (hkl) Mặt phẳng tinh thể εij :Biến dạng thành phần hệ tọa độ mẫu aik, ij : Ma trận cosin phương delta Kronecker σφ :Ứng suất thành phần hệ tọa độ mẫu E,  : Môđun đàn hồi hệ số Poission vật liệu m : Độ dốc đường thẳng nội suy I0, I : Cường độ chùm tia tới chùm tia nhiễu xạ A : Hệ số hấp thu XRD : X-Quang diffraction  : góc ta ̣o bởi tia tới X và phương ngang  : góc ta ̣o bởi phương pháp tuyế n của mẫu đo với mă ̣t phẳ ng nghiêng a : ̣ số tính chấ t của vâ ̣t liê ̣u ( phu ̣ thuô ̣c loa ̣i vâ ̣t liê ̣u ) b : thể tích phầ n lươ ̣ng tia tới mô ̣t đơn vi ̣thể tić h ( phu ̣ thuô ̣c vào đă ̣c tính của tia X Cr-K, Cr-K, Cu-K, Co-K )  : hằ ng số hấ p thụ ( phu ̣ thuô ̣c vào đă ̣c tính của tia X và loa ̣i vâ ̣t liê ̣u mẫu đo ) 0 : ứng suất chảy ban đầu (trước biến dạng dẻo); G : mô đun đàn hồi trượt; b : véctơ Burgers th :là độ biến dạng tới hạn nhỏ để có kết tinh lại xảy ix DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Mơ hình trượt mạng tinh thể [1] Hình 2.2: Sự chuyển dịch lệch biên gây biến dạng dẻo [1] Hình 2.3: Sự thay đổi hình dạng hạt tinh thể sau biến dạng dẻo [1] Hình 2.4: Ảnh hưởng biến dạng dẻo đến tính & tính chất khác kim loại [1] 11 Hình 2.5: Đa cạnh hóa [1] 13 Hình 2.6: Sơ đồ nhiệt luyện 14 Hình 2.7: Kích thước hạt khơng đồng [1] 15 Hình 2.8: Kích thước hạt đồng [1] 15 Hình 2.9: Sự thay đổi hình dạng kích thước hạt sau kết tinh lại [1] 16 Hình 2.10: Sự phụ thuộc mức độ biến dạng nhiệt độ kết tinh lại [1] 18 Hình 2.11: Tính chất, độ hạt kim loại sau kết tinh lại [8] 19 Hình 2.12 : Định luật Bragg [6] 23 Hình 2.13: Mối quan hệ góc 2theta cường độ nhiễu xa [6] 24 Hình 2.14: Đỉnh nhiễu xạ có số Miller h,k,l, góc nhiễu xạ 2θ 25 Hình 15: Góc nhiễu xạ 2θ cường độ 25 Hình 2.16: Hệ tọa độ thí nghiệm hệ toa độ mẫu[4] 27 Hình 2.17: Dạng tuyến tính dφ,ψ-Sin2ψ [4] 28 Hình 2.18: Dạng tác đơi góc  [4] 29 Hình 2.19: Dạng dao động 29 Hình 2.20: Trục tinh thể (Ci) hướng hệ tọa độ mẫu (Si) 30 Hình 2.21: Mơ hình nguyên lý tác giả O Takakuwa, H Soyama [3] 33 Hình 2.22: Trục xoay mẫu ω 33 Hình 23: Ứng suất dư với khoảng dao động ∆ω [3] 34 Hình 2.24: So sánh vịng nhiễu xạ, có khơng có góc ∆ω dao động [3] 34 Hình 2.25: Hình nón nhiễu xạ [9] 34 Hình 3.1: Bàn máy điều chỉnh góc nghiêng hãng Vertex 36 Hình 3.2: Bản vẽ bàn máy điều chỉnh góc nghiêng 36 Hình 3.3: Mơ hình đo nhiễu xa tác giả O Takakuwa, H Soyama[3] 37 Hình 3.4: Máy đo nhiễu xạ X-Quang Trung Tâm hạt nhân TP.HCM 37 Hình 3.5: Thiết kế mơ hình thiết bị dao động mẫu 38 Hình 3.6: Thiết bị dao động mẫu 39 Hình 4.1: Mối quan nhiệt độ ủ kích thước hạt [8] 41 Hình 4.2: Đo tổ chức tế vi mẫu số (chưa xử lý nhiệt) 42 Hình 4.3: Tổ chức tế vi thép C45, nhiệt độ nung 400oC, thời gian giữ nhiệt 44 Hình 4.4: Đo tổ chức tế vi mẫu M1 46 Hình 4.5: Đo tổ chức tế vi mẫu M2 46 Hình 4.6: Đo tổ chức tế vi mẫu M3 47 Hình 4.7: Đo tổ chức tế vi mẫu M4 47 Hình 4.8: Đo tổ chức tế vi mẫu M5 48 Hình 4.9: Đo tổ chức tế vi mẫu M6 48 Hình 4.10: Đo tổ chức tế vi mẫu M7 49 Hình 4.11: Đo tổ chức tế vi mẫu M8 49 x Hình 4.12: Đo tổ chức tế vi mẫu M9 50 Hình 4.13: Đo tổ chức tế vi mẫu M10 50 Hình 4.14: Đo tổ chức tế vi mẫu M11 51 Hình 4.15: Đo tổ chức tế vi mẫu M12 51 Hình 4.16: Đo tổ chức tế vi mẫu M13 52 Hình 4.17: Đo tổ chức tế vi mẫu M14 52 Hình 4.18: Đo tổ chức tế vi mẫu M15 53 Hình 4.19: Đo tổ chức tế vi mẫu M16 53 Hình 4.20: Đo tổ chức tế vi mẫu M17 54 Hình 4.21: Đo tổ chức tế vi mẫu M18 54 Hình 5.1: Đường nhiễu xạ mẫu M12 có góc dao động ∆α 56 Hình 5.2: Đồ thị d-Sin2ψ mẫu M12 có góc dao động ∆α 58 Hình 5.3: Ứng suất dư nhóm với thời gian ủ 60 Hình 5.4: Ứng suất dư nhóm với thời gian ủ 60 Hình 5.5: Ứng suất dư nhóm với thời gian ủ 61 xi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tiêu chuẩn ASTM cấp độ hạt Bảng 2.1: Tra cấp độ hạt theo tiêu chuẩn ASTM [5] .20 Bảng 3.1: Các phận thiết bị dao động mẫu 38 Bảng 4.1: Số lượng mẫu qua xử lý nhiệt 45 Bảng 5.1: Kích thước hạt theo ASTM .55 Bảng 5.2: Điều kiện để đo ứng suất 55 Bảng 5.3: Khoảng cách mặt tinh thể d góc 2θmax 57 Bảng 5.4: Bảng tổng hợp đo ứng suất mẫu 59 xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu Nhiễu xạ tia X kỹ thuật hiệu để xác định ứng suất dư không phá hủy vùng cục vật liệu tinh thể Tuy nhiên, vật liệu tinh thể hạt thô hàn vật liệu đúc, kỹ thuật có khó khăn số lượng thấp hạt nhiễu xạ X-Quang vòng tròn nhiễu xạ tuyến tính sơ đồ d-sin2ψ có thay đổi so sánh tuyến tính sin2ψ phổ biến cho loại vật liệu có hạt tinh thể nhỏ Một giải pháp kỹ thuật hiệu để tăng số lượng hạt nhiễu xạ sử dụng phương pháp ψ-dao động, ta thu sơ đồ sin2ψ hiệu tốt [2] Tuy nhiên, phương pháp không áp dụng rộng rãi hạn chế hệ thống phần cứng, giới hạn góc nghiêng ∆α dao động mẫu trình thực đo mẫu Tóm tắt kết nghiên cứu ngồi nước, vấn đề khoa học cịn tồn cần nghiên cứu để giải 1.1.1 Tổng quan kết nghiên cứu nước 1.1.1.1 Trong nước Bài báo X-Ray Stress Determination For Coarse-Grained Materials With Separation Of Doublet Kα Line [2] đề xuất cách giải khó khăn q trình đo ứng suất sử dụng phương pháp sin2ψ cho vật liệu có kết cấu hạt thơ đồ thị sin2ψ khơng tuyến tính dễ dẫn tới sai số tính tốn Phương pháp giải tích Rachinger đề xuất nhằm tách biệt hai đường nhiễu xạ đặc tính chồng lấp Kα1 Kα2 Tính tốn áp dụng cho mẫu thép kết cấu ủ có độ hạt lớn khoảng 90µm Kết thực nghiệm cho thấy việc phân tách hai đường nhiễu xạ Kα1 Kα2 cho kết tốt việc tuyến tính hóa đồ thị sin2ψ, từ đơn giản hóa q trình đo ứng suất vật liệu hạt thơ với độ xác cao Kết mẫu M6 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116,30160 116,33590 116,37570 d 0,90681 Å 0,90676 Å 0,90647 Å ∆α = ±3 2θmax 116,21060 116,23580 116,28430 d 0,90728 Å 0,90716 Å ∆α = ±5 0,90692 Å 2θmax 116,20610 116,23830 d 0,9073 Å 0,90714 Å ∆α = ±7 0,90689 Å 2θmax 116,22550 116,26210 116,32120 d 0,90721 Å 0,90703 Å 0,90674 Å 76 116,2890 Kết mẫu M8 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116,27730 116,29330 116,37520 d 0,90695 Å 0,90687 Å 0,90647 Å ∆α = ±30 2θmax d 2θmax d 2θmax d 116,16660 116,24310 116,30440 0,9075 Å 0,90712 Å ∆α = ±50 0,90682 Å 116,22050 116,25090 116,26440 0,90723 Å 0,90708 Å ∆α = ±70 0,90701 Å 116,23050 116,26720 116,32030 0,90718 Å 0,907 Å 0,90674 Å 77 Kết mẫu M10 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116.26690 116.28140 116.32250 d 0,907 Å 0,90696 Å 0,90673 Å ∆α = ±30 2θmax d 2θmax d 2θmax d 116,23710 116,25370 116,29340 0,90715 Å 0,90707 Å ∆α = ±50 0,90687 Å 116,02580 116,06640 116,05090 0,90724 Å 0,90673 Å ∆α = ±70 0,90616 Å 116,21220 116,23840 116,26850 0,90727 Å 0,90714 Å 0,90699 Å 78 Kết mẫu M14 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116,33120 116,31560 116,34320 d 0,90669 Å 0,90676 Å 0,90663 Å ∆α = ±30 2θmax d 2θmax d 2θmax d 116,1580 116,20050 116,22130 0,90754 Å 0,90733 Å ∆α = ±50 0,90723 Å 116,0760 116,09710 116,11210 0,90794 Å 0,90784 Å ∆α = ±70 0,90777 Å 116,17270 116,19920 116,21160 0,90747 Å 0,90734 Å 0,90727 Å 79 Kết mẫu M16 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116,35060 116,3670 116,39040 d 0,90659 Å 0,90651 Å 0,9064 Å ∆α = ±30 2θmax 116,06180 116,14840 116,16230 d 0,90801 Å 0,90759 Å 0,90752 Å ∆α = ±50 2θmax 116,09290 116,15110 116,20390 d 0,90786 Å 0,90757 Å 0,90731 Å ∆α = ±70 2θmax 116,1240 116,15860 116,19010 d 0,90771 Å 0,90754 Å 0,90738 Å 80 Kết mẫu M17 ψ 00 18,430 26,560 Sin2 ψ 0,1 0,2 ∆α = ±00 2θmax 116,35320 116,35870 116,37950 d 0,90658 Å 0,90655 Å 0,90645 Å ∆α = ±30 2θmax 116,16590 116,19980 116,2460 d 0,9075 Å 0,90733 Å 0,90711 Å ∆α = ±50 2θmax 116,2840 116,33660 116,35940 d 0,90692 Å 0,90666 Å 0,90655 Å ∆α = ±70 2θmax 116,25020 116,28820 116,32120 d 0,90708 Å 0,9069 Å 0,90674 Å 81 PHỤ LỤC 3: ĐỒ THỊ d-Sin2ψ CỦA CÁC MẪU CÒN LẠI Kết mẫu M3 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 82 Kết mẫu M5 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 83 Kết mẫu M6 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 84 Kết mẫu M8 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 85 Kết mẫu M10 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 86 Kết mẫu M14 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 87 Kết mẫu M16 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 88 Kết mẫu M17 a) ∆α= 00 b) ∆α = ± 30 c) ∆α = ±50 d) ∆α= ±70 89 PHỤ LỤC 4: BẢN VẼ CHẾ TẠO VÀ PHƯƠNG ÁN CẢI TIẾN THIẾT BỊ DAO ĐỘNG TRÊN TRỤC Phương án cải tiến thiết bị dao động trục Bản vẽ chế tạo thiết bị dao động mẫu 90 ... kết nghiên cứu quan hệ ứng suất dư kích thước hạt 1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài - Cho phép ứng dụng nhiễu xạ X-Quang để xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô - Quan hệ ứng suất dư. .. 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu Nhiễu xạ tia X kỹ thuật hiệu để xác định ứng suất dư không phá hủy vùng cục vật liệu tinh thể Tuy nhiên, vật liệu tinh thể hạt thô hàn vật liệu đúc, kỹ thuật có... - Nghiên cứu lý thuyết biến dạng dẻo - Nghiên cứu xử lý nhiệt cho thép C45 qua biến dạng dẻo - Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô - Chế tạo mẫu thực nghiệm - Quy trình