(Luận văn thạc sĩ) xác định sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu bằng phương pháp cắt lớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MINH TIẾN XÁC ÐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯ THEO CHIỀU SÂU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 SKC005100 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN MINH TIẾN XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯ THEO CHIỀU SÂU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẮT LỚP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TRẦN MINH TIẾN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24/02/1991 Nơi sinh: Bình Phước Quê quán: Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Tổ 5, Phú Tân, Hưng Chiến Bình Long, Bình Phước Điện thoại quan: Điện thoại di động: 01678013815 Fax: E-mail: tien91.mt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 08/2013 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế thiết bị cắt thép phục vụ môn học TT hàn hồ quang tay – Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 12/08/2013 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: KS Hoàng Văn Hướng III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2013 – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 10 năm 2016 TRẦN MINH TIẾN ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực luận văn, nhận giúp đỡ tận tình quý báu từ nhà trường, thầy cơ, gia đình bạn bè Luận văn hoàn thành đạt kết mong muốn, trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cương Thầy dành nhiều thời gian, tâm huyết, tận tình hướng dẫn, góp ý động viên suốt thời gian thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức tảng chuyên môn cho thời gian học tập nghiên cứu Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm hạt nhân Tp Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ cho tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bạn bè ln động viên, giúp đỡ khích lệ tinh thần tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn! iii TÓM TẮT Ứng suất dư nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ khả chống mài mịn chi tiết máy Do đó, việc xác định ứng suất dư có vai trị quan trọng q trình xử lý cải thiện điều kiện làm việc chi tiết máy Nhiều phương pháp phát triển để xác định đo lường ứng suất dư Nhiễu xạ X-quang phương pháp ứng dụng rộng rãi việc đo lường ứng suất dư bề mặt mẫu, phương pháp cắt lớp thường sử dụng để xác định ứng suất dư phân bố theo chiều sâu vật liệu Đề tài “Xác định phân bố ứng suất dư theo chiều sâu phương pháp cắt lớp” giới thiệu phương pháp cắt lớp dùng để xác định phân bố ứng suất dư qua chiều dày mẫu thử Phương pháp thích hợp dùng để cắt lớp mà khơng sinh thêm ứng suất dư bề mặt mẫu thử đánh bóng điện hóa Sau cắt lớp, ứng suất dư bề mặt mẫu đo nhiễu xạ X-quang Việc xác định phân bố ứng suất dư theo chiều sâu thực mẫu thép C45 nước từ 850C Kết cho thấy ứng suất dư có phân bố khơng đồng theo chiều sâu mẫu thử iv ABSTRACT Residual stresses are one of important factors affecting to the stability, fatigue life and corrossion resistance of machine components Therefore, determination of residual stress plays an important role in treatment and improvement process of the working conditions of machine components Various methods have been also developed to determine and measure the residual stresses X-ray diffraction is often applied method to measure the residual stress in the surface of the specimen, while layer removal method is common used to determine the in-depth residual stress distribution of material Thesis “Determination of in-depth residual stress distribution by layer removal method” will present the technique using the layer removal method to determine the residual stress distribution through the thickness of the specimen The appropriate method uses for removing layer that does not introduce the new residual stress in the surface layer of the specimen is the electropolishing technique The residual stress in the surface of the specimen is measured by the X-ray diffraction for removing layer Determination of the in-depth residual stress distribution was carried out on steel C45 specimen quenched in water from 850C The result shows that the residual stress distribution is the inhomogeneous in the direction of the thickness v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn .iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách ký hiệu chữ viết tắt ix Danh sách bảng x Danh sách hình xi Chương TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Các nghiên cứu có liên quan đến đề tài 1.3.1 Ngoài nước 1.3.2 Trong nước 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 10 1.4.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 10 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 10 1.5 Mục tiêu nghiên cứu 11 1.5.1 Mục tiêu tổng quát 11 1.5.2 Mục tiêu cụ thể 11 1.6 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 11 1.6.1 Đối tượng nghiên cứu 11 1.6.2 Phạm vi nghiên cứu 11 1.7 Phương pháp nghiên cứu 11 1.7.1 Nghiên cứu phân tích lý thuyết 11 vi 1.7.2 Phương pháp thực nghiệm 12 1.8 Kết cấu đề tài 12 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Ứng suất dư 13 2.1.1 Khái niệm 13 2.1.2 Phân loại ứng suất dư 14 2.1.3 Các phương pháp đo ứng suất dư 15 2.2 Phương pháp cắt lớp 17 2.2.1 Giới thiệu đánh bóng điện hóa 18 2.2.2 Nguyên lý đánh bóng điện hóa 19 2.2.3 Quy trình đánh bóng điện hóa 21 2.2.4 Các vấn đề phát sinh sau đánh bóng điện hóa 25 2.3 Nhiễu xạ X-quang 26 2.3.1 Hiện tượng nhiễu xạ X-quang 26 2.3.2 Phương trình xác định biến dạng 27 2.3.3 Nguyên lý đo ứng suất dư XRD 30 2.3.4 Phương pháp đo ứng suất dư XRD 31 Chương XÁC ĐỊNH HÀM PHÂN BỐ ỨNG SUẤT DƯ 35 THEO CHIỀU SÂU 35 3.1 Xác định phân bố ứng suất dư nhiễu xạ X-quang 35 3.1.1 Quy luật phân bố ứng suất dư 35 3.1.3 Sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu z 36 3.2 Xác định phân bố ứng suất dư phương pháp cắt lớp 37 3.2.1 Trụ đặc, ứng suất đối xứng xoay 38 3.2.2 Trụ đặc, khơng có ứng suất đối xứng xoay 40 3.2.3 Trụ rỗng, ứng suất đối xứng xoay 43 3.2.4 Mặt phẳng 43 3.3 Hiệu chỉnh ứng suất đo sau cắt lớp 45 3.3.1 Mặt phẳng 45 vii 3.3.1 Trụ đặc 46 Chương THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 47 4.1 Chuẩn bị mẫu thử 47 4.2 Tiến hành thực nghiệm 49 4.2.1 Thực nghiệm cắt lớp 49 4.2.2 Đo ứng suất dư nhiễu xạ X-quang 53 4.3 Kết thực nghiệm 55 4.3.1 Kết mẫu M0 55 4.3.2 Kết mẫu lại 57 Chương KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 65 5.1 Tóm tắt kết đề tài 65 5.2 Kết luận đề tài 65 5.3 Hướng phát triển đề tài 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 71 viii X-ray count z, cts Diffraction angle 2, degs Hình 4.14: Đường nhiễu xạ mẫu M8 Tương tự, từ kết đường nhiễu xạ giá trị 2max ta tìm đường thẳng nội suy biểu diễn mối quan hệ d – sin  Từ độ dốc đường thẳng nội suy ứng suất dư đo σm mẫu cịn lại xác định phương trình (2.14) Phần hiệu chỉnh C ứng suất đo cho mẫu từ M1 đến M8 sau lấy lớp vật liệu từ bề mặt thông qua thực nghiệm cắt lớp tính theo phương trình (3.46) 61 Corrected value C, MPa Thickness of removal layersz, µm Hình 4.15: Mối quan hệ C vàz Hình 4.15 biểu diễn mối quan hệ giá trị hiệu chỉnh C chiều dày lớp cắt z Kết cho thấy giá trị hiệu chỉnh tỉ lệ thuận với chiều dày lớp cắt, tức giá trị hiệu chỉnh lớn chiều dày lớp cắt tăng Điều chứng tỏ giá trị hiệu chỉnh lớn chênh lệch ứng suất dư hiệu chỉnh ứng suất dư đo cao Từ giá trị hiệu chỉnh C, sử dụng phương trình (3.43) ta tính ứng suất dư hiệu chỉnh σc cho mẫu M1 đến M8 Bảng 4.8 trình bày kết thu tất mẫu, đóz chiều dày lớp cắt Bảng 4.8: Tổng hợp kết thu mẫu 2 max, M0 d, Å 2 max, M1 d, Å 2 max, M2 d, Å M3 2 max, 62 d, Å 2 max, M4 d, Å 2 max, M5 d, Å 2 max, M6 d, Å 2 max, M7 d, Å 2 max, M8 d, Å Bảng 4.8 cho thấy phân bố ứng suất dư từ bề mặt vào bên mẫu thử có diện ứng suất dư kéo ứng suất dư nén Giá trị ứng suất dư nén lớn -1.941 MPa bề mặt giá trị ứng suất dư kéo lớn 498 MPa Residual stress, MPa Measured Corrected Depth, µm Hình 4.16: Sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu Hình 4.16 biểu diễn thay đổi ứng suất dư hiệu chỉnh ứng suất dư đo theo chiều sâu z, theo ứng suất dư có phân bố khơng đồng theo chiều sâu mẫu thử Kết cho thấy ứng suất dư nén kéo sinh 63 mẫu thử mẫu xử lý với quy trình nhiệt luyện phương pháp tơi mài giấy nhám 64 Chương KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 5.1 Tóm tắt kết đề tài Đề tài “Xác định phân bố ứng suất dư theo chiều sâu phương pháp cắt lớp” tác giả nghiên cứu vật liệu thép C45 nước từ 850C, mài đánh bóng giấy nhám Kết đề tài rút từ thực nghiệm cắt lớp cơng nghệ đánh bóng điện hóa, kết hợp đo ứng suất dư nhiễu xạ X-quang là: - Xây dựng phương pháp thực nghiệm cắt lớp đánh bóng điện hóa phương pháp đo lường, tính tốn ứng suất dư nhiễu xạ X-quang Xác định thơng số đánh bóng điện hóa cần thiết thực nghiệm cắt lớp - Xác định ứng suất dư bề mặt bên mẫu thử, ứng suất dư nén lớn -1.941 MPa bề mặt ứng suất dư kéo lớn 498 MPa Xây dựng biểu đồ vùng phân bố ứng suất dư theo chiều sâu Kết cho thấy ứng suất dư có phân bố không đồng theo chiều sâu mẫu thử thép C45 5.2 Kết luận đề tài Dựa nghiên cứu sở lý thuyết ứng suất dư, phương pháp cắt lớp nhiễu xạ X-quang kết hợp với phương pháp thực nghiệm tính tốn kết thu được, kết luận sau đề tài rút ra: - Sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu mẫu thép xác định thông qua thực nghiệm ứng dụng phương pháp cắt lớp cơng nghệ đánh bóng điện hóa đo ứng suất dư nhiễu xạ X-quang 65 - Phương pháp cắt lớp cơng nghệ đánh bóng điện hóa giúp không sinh thêm ứng suất dư bề mặt mẫu thử bề mặt mẫu thu có độ bóng cao - Quy trình tơi mẫu nước từ 850C, mài đánh bóng giấy nhám sinh ứng suất dư nén kéo phân bố từ bề mặt vào bên mẫu thử - Bằng thực nghiệm cắt lớp đo ứng suất dư nhiễu xạ X-quang cho thấy ứng suất dư phân bố khoảng chiều dày 55 µm khơng đồng theo chiều sâu mẫu thử thép C45 5.3 Hướng phát triển đề tài Đề tài nghiên cứu thực mẫu thử thép C45 có bề mặt phẳng Với kết mà đề tài đạt được xem sở vững đề xuất hướng phát triển tiếp theo: - Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số đánh bóng (thực nghiệm cắt lớp) đến chất lượng đánh bóng chiều dày cắt lớp Phát triển đề tài cho số vật liệu kim loại khác nung nóng dịng điện cảm ứng có tần số cao Ứng dụng phân tích ứng suất dư việc đánh giá tối ưu hóa quy trình mạ nhằm đảm bảo độ ổn định, khả tương thích lớp mạ độ tin cậy chi tiết - Cần trang bị đầy đủ phương tiện để hỗ trợ thực nghiệm nghiên cứu tốt 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G.S Schajer Practical Residual Stress Measurement Methods, A John Wiley & Sons, Ltd., Publication, 2013, pp 3-10 [2] Trần Minh Hoàng Sổ tay Mạ điện, NXB Bách khoa, Hà Nội, 2013, pp 43-44 [3] Nguyễn Khương Mạ điện, Tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2009, pp 150-166 [4] M.E Fitzptrick, A.T Fry, P Holdway, F.A Kandil, J Shackleton and L Suominen Determination of Residual Stresses by X-ray Diffraction – Issue 2, National Physical Laboratory, UK, 2005, pp 35-40 [5] G Totten, M Howes, T Inoue Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel, ASM International, 2002, pp 102-109 [6] B.D Cullity Elements of X-ray Diffraction, 3rd ed., Prentice Hall, Inc., 2001, pp 93-95 [7] F.A Kandil, J.D Lord, A.T Fry and P.V Grant A Review of Residual Stress Measurement Methods – A Guide to Technique Selection, National Physical Laboratory, UK, 2001, pp 16-19 [8] V Hauk Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods: Evaluation – Application – Assessment, Elsevier, 1997, pp 39-63 [9] J Lu Handbook of Measurement of Residual Stresses, The Fairmont Press, Inc., 1996, pp 1-4 [10] I.C Noyan, J.B Cohen Residual stress – Measurement by Diffraction and Interpretation, Springer-Verlag, 1987, pp 117-129 [11] Nguyễn Thị Kim Uyên Khảo sát tình trạng phân bố ứng suất dư mối hàn ma sát hợp kim nhôm 1060 dùng nhiễu xạ X quang, Luận văn Thạc sĩ Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2011 67 [12] Phan Hồng Mau Tính tốn mơ ứng suất vật liệu phi đẳng hướng có gradient ứng suất, Luận văn Thạc sĩ Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2007 [13] N.W Poerner An Investigation of Variability Among Residual Stress Measurement Techniques and Prediction of Machining Induced Distortion, Master thesis, Texas Tech University, 2007 [14] Le Chi Cuong Development of automated X-ray stress analyzer with its applications in stress measurement of textured materials, Ph.D thesis, 2004 [15] Le Chi Cuong Development of automated X-ray stress measurement with its applications, Master thesis, 1999 [16] L Liu, J Sun, W Chen and P Sun Modified Layer-Removal Method for Measurement of Residual Stress in Pre-stretched Aluminium Alloy Plate Journal of Harbin Institute of Technology (New Series), Vol 22, pp 34-40, 2015 [17] S Dreier, B Denkena Determination of residual stresses in plate material by layer removal with machine-integrated measurement Procedia CIRP, Vol 24, pp 103-107, 2014 [18] R Alkaisee, R.L Peng Influence of Layer Removal Methods in Residual Stress Profiling of a Shot Peened Steel using X-ray Diffraction Advanced Materials Research, Vol 996, pp 175-180, Aug 2014 [19] M Mahmoodia, M Sedighi, D.A Tanner Investigation of through thickness residual stress distribution in equal channel angular rolled Al 5083 alloy by layer removal technique and X-ray diffraction Materials and Design, Vol 40, pp 516-520, Sep 2012 [20] N.S Rossini, M Dassisti, K.Y Benyounis and A.G Olabi Methods of Measuring Residual Stresses in Components Materials and Design, Vol 35, pp 572-588, Mar 2012 68 [21] V Savaria, F Bridier, P Bocher Computational quantification and correction of the errors induced by layer removal for subsurface residual stress measurements International Journal of Mechanical Sciences, Vol 64, pp 184-195, Nov 2012 [22] L.M Jiang, J Peng, Y.G Liao, Y.C Zhou, J Liang, H.X Hao,C Lu A modified layer-removal method for residual stress measurement in electrodeposited nickelfilms Thin Solid Films, Vol 519, pp 3249-3253, Mar 2011 [23] G.S Schajer Relaxation Methods for Measuring Residual Stresses: Techniques and Opportunities Experimental Mechanics, Vol 50, pp 1117-1127, Oct 2010 [24] F Yang, J.Q Jiang, F Fang, Y Wang, C Ma Rapid determination of residual stress profiles in ferrite phase of cold-drawn wire by XRD and layer removal technique Mateiral Science Engineering, Vol 486 pp 455-460, Jul 2008 [25] E Bendek, I Lira, M Francois, C Vial Uncertainty of residual stresses measurement by layer removal International Journal of Mechanical Sciences, Vol 48, pp 1429-1438, Dec 2006 [26] Le Chi Cuong, M Kurita Absorption Factor and Influence of LPA Factor on Stress and Diffraction Line Width in X-Ray Stress Measurement with and without Restriction of X-Ray Diffraction Area Journal of JSEM, Vol 4, pp 37-43, 2004 [27] P.S Prevéy X-ray diffraction residual stress techniques Metals Handbook 10 Metals Park: American Society for Metals, pp 380-392, 1986 [28] M.G Moore, W.P Evans Mathematical Correction for Stress in Removed Layers in X-Ray Diffraction Residual Stress Analysis SAE Transactions, Vol 66, pp 340-345, Jan 1958 69 [29] A.Y Kuznetsov, R.S Neves, L.P Linares, T.L Oliveira, E.G Gravina, T.K Hirsch, C.A Achete Simple approach to residual stress depth profiling by X-ray diffraction using conventional or Ω th geometries 15 International Conference on Experimental Mechanics, 2012, pp 2755 [30] B Ekmekỗi, N Ekmekỗi, A.E Tekkaya, A Erden Residual stress measurement with layer removal method CMES-04 Proceedings of the First Cappadocia International Mechanical Engineering Symposium, Jul 2004 [31] Standard Guide for Electrolytic Polishing of Metallographic Specimens, ASTM International, E1558 – 09, 2012 70 PHỤ LỤC 71 ... ứng suất dư phân bố theo chiều sâu vật liệu Đề tài ? ?Xác định phân bố ứng suất dư theo chiều sâu phương pháp cắt lớp? ?? giới thiệu phương pháp cắt lớp dùng để xác định phân bố ứng suất dư qua chiều. .. 3.1 Xác định phân bố ứng suất dư nhiễu xạ X-quang 35 3.1.1 Quy luật phân bố ứng suất dư 35 3.1.3 Sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu z 36 3.2 Xác định phân bố ứng suất dư phương. .. pháp khác để xác định xác phân bố ứng suất dư theo chiều sâu từ bề mặt chi tiết cách lấy lớp vật liệu mỏng Vì lý đề tài ? ?Xác định phân bố ứng suất dư theo chiều sâu phương pháp cắt lớp? ?? học viên