CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.7. Kết quả tính tốn mơ phỏng trường ứng suất trong mẫu tơ
Ứng suất và biến dạng là các yếu tố có hại, các yếu tố khơng mong muốn nhưng lại luôn ln tồn tại khi tơi chi tiết máy. Q trình tơi hợp lý là q trình tơi khơng chỉ đạt được tổ chức kim loại và độ cứng mong muốn, mà còn phải đạt được ứng suất dư và biến dạng nhỏ nhất.
Trong q trình tơi, nếu ứng suất trong chi tiết mà quá lớn, vượt quá giới hạn chảy của vật liệu thì sẽ gây ra biến dạng cho chi tiết khi tôi – đây là rủi ro lớn nhất của bài tốn tơi. Chi tiết khi đó khơng có khả năng làm việc và bị coi là phế phẩm. Trong nhiều trường
hợp khác, mặc dù chi tiết sau tôi không bị nứt nhưng ứng suất dư tồn tại trong chi tiết sau tơi q lớn thì cũng sẽ làm giảm khả năng làm việc và tuổi thọ của chi tiết. Do vậy mà việc xác định ứng suất khi tôi chi tiết máy là nhiệm vụ rất quan trọng và cần thiết, trong đó việc “biết trước” độ lớn của ứng suất tồn tại trong chi tiết tơi để từ đó đưa ra được quy trình hay chế độ cơng nghệ tơi hợp lý có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học và thực tiễn.
Đối với vật liệu kim loại có chuyển biến pha, ứng suất khi tơi được hình thành do 2 nguyên nhân căn bản đó là: “ứng suất nhiệt” (sinh ra do việc làm nguội không đều giữa bề mặt và lõi của chi tiết) và “ứng suất pha” (sinh ra do sự thay đổi thể tích của mạng tinh thể khi vật liệu chuyển biến pha). Bản chất và cơ chế của quá trình sinh ra ứng suất pha được mơ tả trên hình 3.22 dưới đây.
Hình 3.22 Cơ chế gây ra ứng suất do chuyển biến pha khi tôi thép [51]
Sysweld 2017.0 là một trong số rất ít phần mềm mơ phỏng hiện nay có thể tính tốn xác định được trường ứng suất trong vật liệu một cách chính xác nhất do nó khơng chỉ tính tốn được ứng suất nhiệt, mà nó cịn tính được cả ứng suất sinh ra do chuyển biến pha trong vật liệu. Tại một điểm (nút) bất kỳ nào đó trong mơ hình, trên cơ sở các tính chất của vật liệu thay đổi phụ thuộc vào cả 2 tham số là nhiệt độ và tổ chức, Sysweld sẽ tính tốn chính xác được trường nhiệt độ, tốc độ nguội, quá trình chuyển biến pha và hàm lượng của các pha. Trên cơ sở đó sẽ tính tiếp được tất cả các thành phần ứng suất tác động và ứng suất dư cịn tồn tại sau khi q trình tơi kết thúc, tại bất kỳ vị trí nào trong mơ hình.
Như đã phân tích trong mục 3.3.3.2, cách thức và vị trí kẹp mẫu khi tơi có ảnh hưởng lớn đến ứng suất và biến dạng của mẫu sau khi tơi. Đối với mẫu tơi dạng vịng bi, dạng nhẫn như đề tài luận án đề cập thì sẽ có 2 cách kẹp mẫu khi tơi như đã thể hiện trên hình 3.15. Trong mục này, tác giả tiến hành tính tốn mơ phỏng trường ứng suất dư sau khi tôi đối với cả 2 trường hợp đã nêu để tìm ra phương thức kẹp phơi hợp lý nhất khi tơi. Kết quả tính tốn xác định trường ứng suất dư Von Mises (của cả 2 loại ứng suất nhiệt và ứng suất do chuyển biến pha) sau khi tơi mẫu trên hình 3.4 trong cùng một loại dung dịch tôi PVP 4% với 2 cách kẹp mẫu dọc và ngang được thể hiện trên hình 3.23 dưới đây.
Kết quả tính tốn trường ứng suất dư Von Mises trên hình 3.23 cho biết rằng: với cùng một môi trường tôi và các điều kiện tôi như nhau, khi kẹp dọc thì ứng suất dư trong mẫu lớn hơn so với khi kẹp ngang. Tiến hành tính tốn đối với nhiều mơi trường tôi khác nhau đều nhận được kết quả tương tự. Từ các kết quả tính tốn này có thể đưa ra kết luận sau: Đối với các chi tiết tơi dạng vịng bi, dạng nhẫn thì cách kẹp phơi hợp lý nhất khi tơi để có ứng suất dư nhỏ nhất là kẹp ngang và nhúng mẫu theo phương hướng kính.
Do vậy, từ đây về sau tác giả sẽ chỉ trình bày kết quả tính tốn trường ứng suất trong mẫu tơi đối với trường hợp kẹp ngang. Kết quả tính tốn xác định các thành phần ứng suất trong mẫu nhẫn chữ C trên hình 3.4 khi tơi trong dung dịch tơi tự chế PVP 4% với thời gian 500 giây được thể hiện trên các hình 3.24 và hình 3.25 dưới đây. Trong đó phần mềm Sysweld 2017.0 quy ước rằng ứng suất dương là ứng suất kéo, còn ứng suất âm là ứng suất nén và được thêm dấu trừ (-) ở trước giá trị.
Hình 3.24 biểu diễn kết quả tính tốn trường ứng suất dư Von Mises (Seqv) và trường ứng suất pháp theo các phương X, Y và Z. Kết quả tính tốn trên hình 3.24a cho biết rằng ứng suất dư Von Mises khi tôi mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm với các kích thước đã nêu trong dung dịch tơi PVP 4% có giá trị lớn nhất (Seqv,max) là 43,9608 MPa tại nút 47 (vùng màu đỏ), còn giá trị nhỏ nhất của ứng suất Von Mises (Seqv,min) là 0,431281 MPa tại nút 14193 thuộc vùng mỏm của mẫu nhẫn chữ C (vùng xanh nước biển). Kết quả tính tốn cho thấy ứng suất dư Von Mises có giá trị lớn nhất tại 2 mép phía trong và thuộc vùng vật liệu dày – nghĩa là khu vực này có nguy cơ nứt cao nhất khi tôi. Tại vùng mỏm của nhẫn chữ C thì ứng suất Von Mises là nhỏ nhất, do ở khu vực này vật liệu được biến dạng tự do hơn. Kết quả tính tốn này cũng phản ánh đúng với quy luật “ứng suất – biến dạng” trong cơ học.
Hình 3.23 Trường ứng suất dư Von Mises (Seqv) sau khi tôi mẫu trong dung dịch
PVP 4% ở các trường hợp: a) kẹp dọc và b) kẹp ngang
Hình 3.24 Trường ứng suất dư Von Mises (a) và các ứng pháp theo các phương X (b),
Y (c) và Z (d) sau khi tôi mẫu 500 giây trong dung dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Kết quả tính tốn trường ứng suất pháp theo phương X (Sxx) được thể hiện trên hình 3.24b cho biết rằng ứng suất pháp theo phương X có giá trị kéo lớn nhất (Sxx,max) là +45,0989 MPa tại 2 mép phía trong và thuộc vùng vật liệu dày (vùng màu đỏ), còn giá trị ứng suất nén lớn nhất (Sxx,min) là -31,6205 MPa tại các nút nằm trong lõi của mơ hình (vùng xung quanh nút 19808, màu xanh nước biển). So sánh với trường ứng suất dư Von Mises, ta nhận thấy rằng vùng ứng suất Sxx,max giống với vùng Seqv,max và giá trị của ứng xuất Sxx,max gần bằng với ứng suất Seqv,max.
Kết quả tính tốn trường ứng suất pháp theo phương Y (Syy) được thể hiện trên hình 3.24c cho biết rằng ứng suất pháp theo phương Y có giá trị kéo lớn nhất (Syy,max) là +34,3479 MPa tại vùng giữa 2 mặt phẳng thuộc vùng vật liệu dày (vùng màu đỏ), còn giá trị ứng suất nén lớn nhất (Syy,min) là -24,1763 MPa tại các nút nằm trong lõi của mô hình (vùng xung quanh nút 19373, màu xanh nước biển). So sánh với trường ứng suất dư Von Mises ở phía trên, ta nhận thấy rằng vùng ứng suất Syy,max dịch chuyển về phía trong mặt phẳng.
Kết quả tính tốn trường ứng suất pháp theo phương Z (Szz) được thể hiện trên hình 3.24d cho biết rằng ứng suất pháp theo phương Z có giá trị kéo lớn nhất (Szz,max) là +33,2567 MPa tại vùng giữa thân của mẫu và cũng tập trung ở vùng vật liệu dày (vùng màu đỏ), còn giá trị ứng suất nén lớn nhất (Szz,min) là -20,3129 MPa tại các nút nằm trong lõi của mơ hình (vùng xung quanh nút 17845, màu xanh nước biển).
Hình 3.25 biểu diễn kết quả tính tốn các thành phần ứng suất tiếp trong các mặt phẳng XY, YZ và ZX, trong đó vùng màu đỏ biểu diễn ứng suất kéo còn vùng màu xanh nước
a) b)
biển biểu diễn ứng suất nén. Dựa vào các kết quả tính tốn ta thấy rằng thành phần ứng suất tiếp trong mặt phẳng XY (Sxy) có giá trị lớn hơn nhiều so với các thành phần ứng suất tiếp trong mặt phẳng YZ (Syz) và mặt phẳng ZX (Szx). Điều đó nghĩa là ảnh hưởng của các thành phần ứng suất tiếp đến ứng suất tương đương (Von Mises) là không lớn.
Hình 3.25 Trường ứng suất tiếp trong các mặt phẳng XY (a), YZ (b) và ZX (c) sau khi
tôi mẫu 500 giây trong dung dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Diễn biến thay đổi ứng suất tại nút khảo sát
Để tìm hiểu một cách định lượng và diễn biến chi tiết của quá trình hình thành ứng suất tại từng vị trí (nút) trên mơ hình nghiên cứu, ta tiến hành trích xuất kết quả tính tốn và biểu diễn dưới dạng đồ thị. Do khn khổ của luận án có hạn nên tác giả chỉ tiến hành trích xuất kết quả tính tốn diễn biến hình thành ứng suất tại nút có Seqv,max (nút 706 thuộc mặt đáy - tương tự nút 47 thuộc mặt trên). Kết quả tính tốn diễn biến hình thành và phát triển của các thành phần ứng suất tại nút 706 được thể hiển trên hình 3.26 dưới đây.
Ta biết rằng tơi là q trình làm nguội nhanh và liên tục mẫu trong dung dịch tôi, nghĩa là nếu như vật liệu khơng có sự chuyển biến pha thì nó sẽ bị co lại một cách liên tục từ lúc được nhúng vào trong dung dịch tơi đến khi q trình tơi kết thúc. Theo cách này thì các thành phần ứng suất cũng sẽ chỉ ln dương hoặc luôn âm chứ không đổi chiều như trên đồ thị hình 3.26. Nhưng bởi vì quá trình tơi thép OL 100Cr1,5 có sự thay đổi thể tích mạng tinh thể khi chuyển biến pha (như mơ tả trên hình 3.22) nên vật liệu sẽ bị co – kéo liên tục khi tôi chứ không đồng biến và các thành phần ứng suất tại các vị trí trong mẫu tôi bị đổi chiều liên tục như thể hiện trên hình 3.26.
a) b)
Hình 3.26 Diễn biến thay đổi các thành phần ứng suất tại nút 706 khi tôi mẫu trong
dung dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Các đồ thị trên hình 3.26 cho thấy rằng trong khoảng 6,67 giây đầu, các thành phần ứng suất tại nút 706 biến thiên ở phía dương của hệ trục đồ thị - nghĩa là kim loại tại đây chỉ bị kéo. Giá trị của thành phần ứng suất pháp theo phương X (Sxx) lớn hơn rất nhiều so với các thành phần ứng suất khác nên ứng suất Von Mises (Seqv) chỉ phụ thuộc vào thành phần ứng suất Sxx. Giá trị lớn nhất của ứng suất pháp theo phương X trong giai đoạn này là Sxx,max 290 MPa và Seqv,max 250 MPa. Trong giai đoạn từ 6,67 – 8,33 giây thì tất cả các thành phần ứng suất đều giảm mạnh về 0, còn trong giai đoạn từ 8,33 giây đến khoảng 91,67 giây thì các thành phần ứng suất diễn biến ở phía âm của hệ trục đồ thị. Giá trị của thành phần ứng suất pháp Sxx vẫn là lớn hơn rất nhiều so với các thành phần ứng suất còn lại và nó đạt giá trị cực đại Sxx,max -405 MPa. Trong giai đoạn sau 91,67 giây thì ứng suất Sxx lại đổi chiều, nhưng cường độ của nó giảm đi khá nhiều. Giá trị lớn nhất của thành phần ứng suất pháp theo phương X sau khi tôi 500 giây tại nút 706 là Sxx,max = 45,0989 MPa và giá trị lớn nhất của ứng suất dư Von Mises tại nút 706 là Seqv,max = 43,9608 MPa. Điều này có được là do tác động của đồng thời 2 yếu tố: co ngót do nguội và trương nở do chuyển pha. Trong quá trình tơi mẫu nhẫn chữ C với hình dáng và kích thước như đã mơ tả trên hình 3.4 trong dung dịch PVP 4% thì các thành phần ứng suất xuất hiện trong khoảng thời gian 0-500 giây được gọi là ứng suất tác động, còn sau khi tơi 500 giây (khi mà q trình tơi kết thúc) thì các thành phần ứng suất trong mẫu tơi được gọi là ứng suất dư. Kết quả tính tốn cho biết rằng cường độ của ứng suất dư nhỏ hơn rất nhiều so với ứng suất tác động.
Tiến hành tính tốn mơ phỏng ứng suất khi tơi mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm trên hình 3.4 trong một số dung dịch tôi khác nhau ta cũng nhận được quy luật phân bố ứng suất trong mẫu giống với quy luật phân bố ứng suất khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 4% trên hình 3.24 và hình 3.25, tuy nhiên giá trị của các thành phần ứng suất nhận được là khác nhau như diễn tả trong bảng 3.7 dưới đây.
Bảng 3.7 Giá trị lớn nhất của các thành phần ứng suất khi tôi mẫu nhẫn chữ C
trong một số môi trường (kẹp ngang)
Môi trường Seqv Sxx Syy Szz Sxy Syz Szx
Nước 456.555 198.603 214.073 241.534 195.28 86.949 61.0713 PAG 5% 176.884 174.088 161.887 202.658 72.4431 51.0823 34.5376 PAG 10% 124.223 129.61 106.073 111.042 55.1566 28.6093 20.0717 PAG 15% 85.9313 97.0951 85.9178 89.7476 41.1791 26.4219 19.5815 PVP 2% 49.8711 49.8825 40.6536 38.4786 22.7406 10.7935 8.33841 Dầu 49.6601 49.8083 40.4014 38.0561 22.6954 10.7892 8.16454 PVP 4% 44.5146 45.4787 34.9313 33.988 19.0243 9.84368 7.13926
Kết quả tính tốn ứng suất dư lớn nhất trong mẫu tôi ở bảng 3.7 cho biết rằng: Khi tôi mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5 trong nước sẽ có ứng suất dư rất lớn (456,555 MPa) - nghĩa là môi trường nước khơng thích hợp cho tơi thép OL 100Cr1,5. Đối với các dung dịch tôi polyme loại PAG và PVP , khi tăng hàm lượng của hợp chất polyme thì ứng suất dư trong mẫu sẽ giảm. So sánh giữa các kết quả tính tốn trong bảng 3.7 ta thấy khi tơi mẫu trong dung dịch PVP 2% thì ứng suất dư nhận được tương đương với khi tôi trong dầu, cịn khi tơi mẫu trong dung dịch polyme PVP 4% thì mẫu nhận được sẽ có ứng suất dư nhỏ nhất. Như vậy, nếu xét theo khía cạnh ứng suất dư sau khi tơi thì mơi trường tơi polyme PVP 4% là tốt nhất đối với mẫu nhẫn chữ C bằng thép OL 100Cr1,5.