Ứng suất dư

2.3.1. Cơ chế hình thành ứng suất dư

Ứng suất dư nén trên lớp bề mặt có khả năng làm tăng độ bền mỏi của chi tiết. Ví dụ, đối với chi tiết độ bền mỏi có khả năng tăng lên 50% khi trên lớp bề mặt có ứng suất dư nén và độ bền mỏi giảm 30% khi trên lớp bề mặt có ứng suất dư kéo [13].

Ứng suất dư trong quá trình cắt gọt kim loại thường được sinh ra do ba nguồn bao gồm: nhiệt phát sinh trong quá trình cắt, biến dạng cơ học và sự thay đổi tổ chức [39].

Biến dạng cơ học được tạo ra do sự tiếp xúc và nén giữa dụng cụ cắt với phôi dẫn đến biến dạng dẻo cơ học trên phôi gia công. Các biến dạng này sinh ra ứng suất dư nén. Ngoài ra, biến dạng dẻo được tạo ra bởi nhiệt cắt phát sinh trong q trình gia cơng gây ra ứng suất dư kéo.

34

Các cơ chế hình thành của ứng suất dư gây ra bởi nhiệt và biến dạng cơ học được thể hiện trong hình 2.4 [62]. Ứng suất dư đóng vai trị quan trọng trong quá trình làm việc của chi tiết máy dưới tác dụng của tải trọng động. Do đó, trong q trình gia cơng tinh sản phẩm cần tạo ra ứng suất dư nén trong vùng sát bề mặt để giảm việc hình thành và phát triển các vết nứt.

Bên cạnh đó, sự gia tăng của nhiệt độ ở gần vùng gia công dẫn đến sự chuyển pha trên bề mặt và dưới bề mặt của phôi gia cơng gây ra ứng suất dư kéo hoặc nén vì sự thay đổi thể tích cục bộ trên phơi [39]. Các nguồn gây ra ứng suất dư gia công bị ảnh hưởng nhiều do sự thay đổi các điều kiện gia công. Do đó cần phải xác định mối quan hệ của chất lượng bề mặt là hàm toán học của các điều kiện gia công.

2.3.2. Các phương pháp đo và tính tốn ứng suất dư

Trong thực tế cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các phương

35

pháp đo ứng suất dư được phân loại theo các nhóm: khơng phá hủy, bán phá hủy và phá hủy hoặc dựa trên cơ sở nhiễu xạ, biến dạng và các phương pháp khác. Tuy nhiên, tất cả các phương pháp đo có đặc điểm chung đều là đo gián tiếp, tức là khơng có phương pháp nào có thể đo trực tiếp được ứng suất và đều phải tính tốn hoặc suy ra từ một đại lượng đo được như biến dạng đàn hồi hoặc sự thay đổi tinh thể. Hình 2.5 cho biết phân loại các kỹ thuật chính để đo ứng suất dư bao gồm: kiểu không phá hủy, kiểu bán phá hủy và kiểu phá hủy.

Việc lựa chọn phương pháp đo phù hợp căn cứ theo điều kiện thí nghiệm và mẫu cần đo [91].

2.3.2.1. Phương pháp đo kiểu không phá hủy dựa trên nhiễu xạ

Phương pháp nhiễu xạ sử dụng khả năng của bức xạ điện từ để xác định khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử trong vật liệu tinh thể (đơn tinh

Hình 2.5. Phân loại các kỹ thuật đo ứng suất dư [42]

KHÔNG PHÁ HỦY Phương pháp nhiễu Barkhausen Phương pháp nhiễu xạ X-ray Phương pháp nhiễu xạ Neutron Phương pháp siêu âm

Kỹ thuật khoan lỗ Phương pháp mặt cắt

Phương pháp contour

KỸ THUẬT ĐO ỨNG SUẤT DƯ

36

thể hoặc đa tinh thể) [109]. Khi có biến dạng cơ hoặc nhiệt bên ngồi vật liệu sẽ phản hồi bằng biến dạng. Biến dạng này là tuyến tính khi vật liệu phản hồi nằm trong khoảng đàn hồi. Các phương pháp nhiễu xạ đo lường một cách hiệu quả kích thước liên mặt phẳng của tinh thể liên quan đến độ lớn và hướng của trạng thái ứng suất tồn tại trong vật liệu. Sự nhiễu xạ của bức xạ điện từ xảy ra khi bức xạ, điển hình là tia X có thể dùng để đo ứng suất dư, tương tác với các nguyên tử hoặc tinh thể được sắp xếp theo trật tự đều đặn, như các nguyên tử trong tinh thể. Bức xạ tương tác với bề mặt mẫu đo và sau đó được tán xạ với cùng tần số sao cho phát xạ mạnh xảy ra ở các hướng nhất định (nhiễu xạ) và phát xạ tối thiểu ở các hướng khác. Các góc mà tại đó sự tán xạ mạnh nhất xảy ra được mô tả bởi định luật Bragg:

2 sin

n  d  (2.6)

với n là số nguyên,  là bước sóng của bức xạ điện từ (tia X), d là khoảng cách giữa các mặt phẳng nhiễu xạ (khoảng cách giữa các mạng tinh thể) và  là góc Bragg được minh họa trên hình 2.6 [7], [91].

 Nhiễu xạ tia X

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một phương pháp chính xác và được thiết lập

37

tốt để khảo sát mức ứng suất dư trên các lớp bề mặt của vật liệu tinh thể. Nhiễu xạ tia X cho kết quả đo ứng suất dư được đánh giá hiệu quả về mặt giá thành để tiến hành phép đo và được sử dung rộng rãi với các máy đo nhiễu xạ di động và tự động cho cả thí nghiệm tại chỗ hoặc trong phịng thí nghiệm.

Độ sâu đo không phá hủy đối với thép và nhơm có thể đến hàng chục micromet dưới bề mặt mẫu đo (khoảng 20µm) [32]. Để mô tả đầy đủ đặc điểm biên dạng chiều sâu ứng suất dư tạo ra thường sử dụng phương pháp ăn mịn điện hóa để hở bề mặt mới cần đo. Bằng cách sử dụng ăn mịn điện hóa, các phép đo liên tiếp có thể đạt được độ sâu phân tích xuống đến 1mm cùng với sự kết hợp của mài, đánh bóng và ăn mịn điện hóa, độ sâu phân tích có thể đến 5mm.

 Nhiễu xạ Neutron

Nhiễu xạ neutron cung cấp đầy đủ tensor ứng suất dư, 11(song song với bề mặt), 22(song song với bề mặt) và 33(vng góc với bề mặt), phân tích trên các chi tiết thành dày. Như trong XRD, nhiễu xạ neutron cũng đo biến dạng đàn hồi bằng cách sử dụng định luật Bragg và tính ứng suất với định luật Hooke cùng với mô đun đàn hồi (E) và tỷ lệ Poisson ( ). Phương pháp nhiễu xạ neutron để đo ứng suất dư ít sử dụng do các máy đo nhiễu xạ rất đắt tiền.

Phương pháp này thường có độ sâu đo khơng phá hủy là khoảng 40mm đối với thép và khoảng 50mm đối với nhôm. Đặc biệt trong công nghiệp chế tạo máy bay, nhiễu xạ neutron được sử dụng như một phương pháp không phá hủy để khảo sát sự phân bố ứng suất dư. Độ phân giải không gian không cao lắm trong nhiễu xạ neutron.

 Nhiễu xạ Synchrotron

38

cấp đầy đủ tensor ứng suất dư, 11(song song với bề mặt), 22(song song với bề mặt) và 33(vng góc với bề mặt), phân tích thậm chí cịn có độ phân giải cao hơn nhiễu xạ neutron. Nhiễu xạ synctron được sử dụng khi các mẫu đo có dạng hình học phức tạp, tuy nhiên kích thước của chi tiết lại bị giới hạn. Phương pháp này ít được áp dụng và thời gian xử lý để cho kết quả chậm.

Độ sâu đo không phá hủy khoảng 25mm đối với thép và khoảng 100mm đối với nhôm. Tuy nhiên, độ phân giải không gian không tốt bằng phương pháp XRD.

 Phân tích nhiễu Barkhausen

Phân tích nhiễu Barkhausen (BNA) được tạo ra khi một từ trường được đặt vào một nam châm. Hai đặc điểm vật liệu chính sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ của tín hiệu nhiễu Barkhausen.

Sự hiện diện và phân bố của ứng suất đàn hồi ảnh hưởng đến các miền để lựa chọn và khóa vào hướng từ hóa dễ dàng của chúng. Hiện tượng đặc tính đàn hồi tương tác với cấu trúc miền và tính chất từ của vật liệu được gọi là tương tác đàn hồi từ. Kết quả của tương tác từ đàn hồi, trong các vật liệu có từ tính dị hướng dương (sắt, hầu hết các loại thép và coban), ứng suất nén sẽ làm giảm cường độ của nhiễu Barkhausen trong khi ứng suất kéo làm tăng nó. Thực tế này có thể được khai thác để bằng cách đo lường cường độ của nhiễu

39

Barkhausen lượng ứng suất dư có thể được xác định. Phép đo cũng xác định hướng của ứng suất chính. Các quy trình như cán nguội và gia cơng bắn được sử dụng để tạo ra sự phân bố ứng suất dư nén phức tạp ở lớp bề mặt có thể được đặc trưng bởi nhiễu Barkhausen. Độ sâu thâm nhập tín hiệu hiệu quả là giữa 0.01mm và 1mm. Hình 2.7 thể hiện phép đo BNA.

 Siêu âm

Phân tích siêu âm có thể được sử dụng để xác định ứng suất. Trong phương pháp này, thời gian di chuyển của sóng siêu âm giữa cảm biến và vùng chuyển tiếp được tính tốn. Việc tính tốn ứng suất dựa trên phép đo vận tốc của sóng siêu âm. Tuy nhiên, vận tốc của sóng siêu âm cũng bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vi mô và các khuyết tật. Có rất nhiều nghiên cứu và thậm chí cả phần cứng được thiết kế đặc biệt (cả phịng thí nghiệm và di động) để dùng siêu âm đo ứng suất dư. Phương pháp siêu âm cung cấp khả năng đo không phá hủy ở độ sâu 150mm. Việc hiệu chuẩn phép đo ứng suất yêu cầu mẫu khơng có ứng suất, đây là nhược điểm của phương pháp này.

2.3.2.2. Phương pháp đo kiểu bán phá hủy

Phương pháp khoan lỗ là kỹ thuật có mục đích chung được sử dụng rộng

rãi nhất để đo ứng suất dư trong vật liệu. Nó thuận tiện để sử dụng, có quy trình được tiêu chuẩn hóa và nó có độ chính xác và độ tin cậy tốt. Quy trình thử nghiệm liên quan đến một số hư hỏng đối với mẫu thử nhưng hư hỏng này thường có thể chấp nhận được hoặc có thể sửa chữa được do vậy phương pháp này còn được gọi là “bán phá hủy”. Phương pháp khoan lỗ bao gồm việc khoan một lỗ nhỏ trên mẫu thử tại nơi ứng suất dư sẽ được đánh giá. Việc loại bỏ vật liệu ứng suất này gây ra sự phân bố lại các ứng suất dư trong vật liệu còn lại xung quanh lỗ và các biến dạng cục bộ liên quan.

40

khoan vào vật liệu với ứng suất dư kéo. Sự giải phóng ứng suất do đó gây ra sự đàn hồi đàn hồi làm mở rộng một chút mép lỗ, với bề mặt cục bộ tăng lên do biến dạng Poisson. Điều ngược lại xảy ra với ứng suất nén. Đối với các đánh giá thực nghiệm, các kỹ thuật đo biến dạng hoặc quang học có sẵn để định lượng các biến dạng bề mặt của vật liệu xung quanh, từ đó có thể xác định ứng suất dư ban đầu tồn tại bên trong lỗ.

2.3.2.3. Phương pháp đo kiểu phá hủy

Phương pháp Contour đo ứng suất dư trên mặt cắt 2 mặt phẳng qua mẫu,

theo phương đơn trục pháp tuyến so với bề mặt cắt qua mẫu bằng cắt dây EDM. Kỹ thuật này có thể dễ dàng đo ứng suất dư trên các mặt cắt dày hơn 5 mm và các kết cấu hàn mà cấu trúc tế vi khác nhau. Phương pháp này được áp dụng để lập bản đồ ứng suất dư trong các bộ phận nhằm hỗ trợ đánh giá tính tồn vẹn của cấu trúc, xác nhận các mơ hình gia cơng bao gồm mơ phỏng mối hàn và tiến hành các hướng sản xuất mới trong các lĩnh vực công nghiệp đa dạng hạt nhân, sản xuất điện, hàng khơng vũ trụ, hóa dầu và vận tải. Phương pháp này liên quan đến việc tạo một đường cắt thẳng trên mẫu dọc theo một mặt phẳng do vậy yêu cầu phải có kiến thức về ứng suất dư. Các bề mặt cắt được tạo ra biến dạng cục bộ do sự giãn ra của các ứng suất dư có trước khi cắt. Các biến dạng này được đo và sau đó được áp dụng như một điều kiện

Hình 2.8. Sơ đồ mặt cắt xung quanh lỗ được khoan ứng suất dư kéo

41

biên trong mơ hình phần tử hữu hạn để xác định sự phân bố ứng suất dư ngoài mặt phẳng cắt.

Bảng 2.1. Bảng so sánh các kỹ thuật đo ứng suất dư [17], [116]

Kỹ thuật Ưu điểm Hạn chế

Contour

- Bản đồ độ phân giải cao của ứng suất bình thường đối với bề mặt cắt

- Thiết bị cầm tay - Nhiều loại vật liệu - Chi tiết lớn hơn

- Phá hủy mẫu - Diễn giải dữ liệu

- Không thể tạo các lát kế tiếp gần nhau

Khoan lỗ

- Nhanh chóng, đơn giản, - Phổ biến rộng rãi, di động

- Nhiều loại vật liệu

- Khoan lỗ sâu cho chi tiết dày

- Diễn giải dữ liệu - Phá hủy mẫu

- Độ phân giải và độ nhạy cảm biến dạng bị giới hạn

Nhiễu xạ tia X

- Đa năng, phổ biến rộng rãi, áp dụng cho nhiều loại vật liệu

- Hệ thống di động

- Thích hợp cho cả ứng suất dư vĩ mô và vi mô

- Các phép đo cơ bản

- Hệ thống dựa trên phòng thí nghiệm

- Chi tiết nhỏ

Synchrotron

Cải thiện chiều sâu tương tác và độ phân giải của XRD

- Xác định được biên dạng

- Thiết bị chuyên biệt

- Chỉ dùng cho phịng thí nghiệm

42

Kỹ thuật Ưu điểm Hạn chế

sâu

- Nhanh chóng

- Thích hợp cho cả ứng suất dư vi mô và vĩ mô

Nhiễu xạ Neutron

- Độ phân giải và chiều sâu tương tác tốt

- Bản đồ 3D

- Thích hợp cho cả ứng suất dư vĩ mô và vi mô

- Thiết bị chuyên biệt

- Chỉ dung cho phịng thí nghiệm Từ tính - Rất nhanh - Nhiều kỹ thuật từ tính có thể được sử dụng - Thiết bị cầm tay - Chỉ dùng cho vật liệu có tính sắt từ - Cần phải tách tín hiệu tổ chức tế vi tương ứng với ứng suất dư Siêu âm - Có sẵn - Rất nhanh - Chi phí thấp - Thiết bị cầm tay - Độ phân giải hạn chế - Các phép đo mẫu chỉ trên 1 vùng của tồn bộ thể tích mẫu.

Từ kết quả trên có thể thấy rằng phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp được phát triển tốt nhất để xác định ứng suất dư, trong phạm vi luận án này, tác giả sẽ sử dụng phương pháp XRD để phân tích mẫu đo và từ đó tính tốn giá trị ứng suất dư.

2.3.2.4. Tính tốn giá trị ứng suất dư

Một số phương pháp phân tích dữ liệu XRD để xác định kích thước biến dạng trong vật liệu như Scherrer, Williamson-Hall, biểu đồ kích thước

43

biến dạng (SSP), và phương pháp Warren-Averbach, trong đó Williamson- Hall được đánh giá là phương pháp phân tích đơn giản, rõ ràng dựa trên độ rộng nửa đỉnh nhiễu xạ FWHM [29], [50], [98].

Từ giản đồ nhiễu xạ tia X, độ rộng của các đỉnh nhiễu xạ (hkl)được xác định bằng độ rộng do sự thay đổi kích thước tinh thể (L) và độ rộng do biến dạng tế vi (), theo công thức [29]:

hkl L 

   (2.7)

Với hkl là tổng độ rộng nhiễu xạ, L là độ rộng do kích thước tinh thể và là độ rộng do biến dạng.

Độ rộng đỉnh do sự thay đổi kích thước tinh thể được tính từ cơng tức Scherrer [94]: cos L k L     (2.8) Trong đó:

: Bước sóng (0.15405 nm) ; L: Kích thước tinh thể (nm)

L

 : Độ rộng đỉnh nhiễu xạ FWHM (rad)

: góc nhiễu xạ (° hoặc rad); k: 0.94

Tương tự, độ rộng đỉnh XRD do biến dạng được xác định theo công thức:

4 tan



    (2.9)

Với  là biến dạng.

Thay công thức (2.8) và (2.9) vào công thức (2.7) ta được: 4 tan cos hkl k L        (2.10)

44

Như đã biết: tan sin cos

 

 

Do vậy, cơng thức (2.10) có thể viết lại như sau: 4 sin cos cos hkl k L        

Nhân cả hai vế với cos , ta được:

4 sin

cos cos cos

cos cos hkl k L            cos 4 sin hkl k L       

Hoặc hklcos (4sin ) k

L



     (2.11)

Vẽ (hklcos ) theo (4sin ) được một đường thẳng trong đó độ biến