Chương 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: Vật liệu học nói chung, kim loại học nói riêng là ngành khoa họcvề vật liệu khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng. Một nhánh của khoa học này là nghiên cứu về quan hệ cấu trúc bên trong (cách sắp xếp các nguyên tử trong vật chất) và các tính chất của vật liệu, sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào cấu trúc bên trong của chúng. Tính chất của vật liệu (kim loại) phụ thuộc lực liên kết và cách sắp xếp của các phần tử cấu tạo nên chúng. Để phân tích cấu trúc bên trong và bề mặt vật rắn nói chung và kim loại nói riêng hiện nay có 4 nhóm phƣơng pháp dùng trong khoa học vật liệu Các phƣơng pháp dựa trên cơ sở nhiễu xạ: nhƣ nhiễu xạ tia X (XRD), nhiễu xạ điện tử (ED) và nhiễu xạ nơtron(ND).
Các phƣơng pháp hiển vi điện tử (TEM, STEM, SEM). Các phƣơng pháp phân tích phổ. Các phƣơng pháp dùng đầu dò quét. Trong đó phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đóng vai trò quan trọng.
Phƣơng pháp phân tích cấu trúc kim loại bằng cách phân tích các phổ nhiễu xạ tia X có thể nói tóm tắt nhƣ sau, ngƣời ta dựa vào các thông tin nhận đƣợc trên các giản đồ XRD nhƣ: Vị trí các đỉnh nhiễu xạ (peak) Độ rộng của các đĩnh nhiễu xạ Cƣờng độ nhiễu xạ Từ các thông tin này dựa vào các tính toán, các phần mềm ứng dụng và các kỹ thuật đo ngƣời ta có thể : - Xác định các tính chất cấu trúc: các hằng số mạng, ứng suất biến dạng mạng, kích thƣớc hạt, sự sắp xếp tinh thể, thành phần pha, dãn nở của cấu trúc do nhiệt. 1 - Khảo sát sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể, nghiên cứu giản đồ trạng thái của các hợp kim. - Xác định các pha tinh thể, tìm các giới hạn dung dịch rắn hay hợp kim. Việc ứng dụng nhiễu xạ tia X vào nghiên cứu các vật liệu mới cũng nhƣ lý giải các hiện tƣợng vật lý hóa học của vật liệu là các đề tài đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm.
Nhiều công trình, tài liệu… về vấn đề này đã đƣợc công bố trong suốt thời gian qua và vẫn còn tiếp tục Là một học viên cao học của ngành kỹ thuật cơ khí, trong quá trình làm việc và học tập nhận thấy để có thể nghiên cứu về nhiễu xạ tia X trên vật liệu kim loại ngoài việc trang bị về lý thuyết cần phải đƣợc trang bị các thiết bị thực nghiệm cần thiết để tiến hành các thí nghiệm cần thiết. Các thiết bị thí nghiệm vể tia X rất đắt tiền và nguy hiểm do đó cần phải đƣợc trang bị tại các phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn về an toàn cũng nhƣ có khả năng sử dụng hiệu quả chúng. Đƣợc sự trợ giúp của Trung tâm hạt nhân T/p Hồ Chí Minh nơi có lắp đặt các thiết bị nhiễu xạ tia X thực hiện các thực nghiệm, tác giả đã chọn cho mình một hiện tƣợng thƣờng gặp trong các chi tiết máy để thực hiện luận văn này đó là mỏi. Trong khoa học vật liệu, mỏi là một khuyết tật trong cấu trúc vật liệu do quá trình chuyển động chu kỳ hoặc kéo giãn.
Ngƣời ta gọi hiện tƣợng mỏi trong vật liệu là sự tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu do ứng suất thay đổi theo thời gian. Việc kiểm tra mỏi cho phép dự đoán tuổi thọ, sức bền và an toàn của vật liệu trong quá trình sử dụng. Trong công nghiệp và trong các kết cấu công trình yêu cầu kiểm tra mỏi của vật liệu là một nhu cầu thực tế.2 Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: 1.1 Ngoài nước: Hiện tƣợng mỏi kim loại đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi, nhất là từ những năm 20 của thế kỷ này. Các nhà khoa học nhiều nƣớc đã tiến hành nghiên cứu cơ sở khoa học và vật lý của độ bền vật liệu kim loại dƣới tác dụng của tải trọng thay đổi độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng.
Các 2 kết quả có ý nghĩa rất lớn đối với kỹ thuật hiện đại, cho phép xác định hợp lý kết cấu, hình dáng và tối ƣu thiết kế các cụm chi tiết và thiết bị. Các lý thuyết lý giải quá trình hình thành mỏi có nhiều quan điểm khác nhau, theo sự phát triển của các ngành khoa học nhƣ các phƣơng tiện kính hiển vi điện tử, máy phân tích tia Rơnghen, sự phát triển của máy tính (computer) và nhất là sau khi hình thành và phát triển lý thuyết sai lệch mạng (Dislocation), đã đƣa ra các kết luận có cơ sở khoa học vững chắc. - Mỏi vật lý: là lý thuyết lâu đời nhất chỉ rõ phá hủy mỏi xảy ra trong vật liệu kim loại chịu tải trọng lặp lại và có dấu hiệu biến dạng dẻo. bằng phƣơng pháp kim tƣơng phát hiện dấu hiệu các đƣờng trƣợt trong tinh thể.
Tiếp theo kết quả phân tích bằng tia Rơnghen đã chỉ rõ : dấu hiệu biến dạng dẻo không phải là chỉ tiêu đánh giá phá hủy mỏi. Vết nứt mỏi xuất hiện trong kim loại khi có biến dạng dẻo, vết nứt phát triển bên trong hạt chứ không phát triển tại phân giới hạt. Sau này ngƣời ta đã tiếp tục phát triển lý thuyết biến dạng cục bộ và đƣa ra lý thuyết phát triển vết nứt do ứng suất dƣ trong kim loại. - Mỏi do khuếch tán: cùng với sự xuất hiện và phát triển của lý thuyết biến dạng dẻo mới và lý thuyết lỗ trống trong mạng tinh thể đã chỉ ra rằng, do dịch chuyển của các lệch mạng đã hình thành vết nứt mỏi.
Khi các lệch mạng di chuyển, chúng gặp nhau tại các chƣớng ngại nhƣ biên giới hạt, tạp chất, mặt pha… hoặc bản thân chúng tạo thành các ngƣỡng lệch, từ đó tạo thành các vi vết nứt. - Mỏi do trƣờng năng lƣợng lệch: các nhà khoa học đã nghiên cứu tƣơng tác trong trƣờng năng lƣợng đàn hồi của lệch biên. Dƣới tác dụng của ứng suất thay đổi, các lệch chuyển động và tƣơng tác hút đẩy hình thành các vùng tập trung với năng lƣợng đàn hồi lớn, đó chính là mầm của vết nứt.2 Trong nước: Các công trình nghiên cứu về lĩnh vực mỏi tại Việt Nam thƣờng đƣợc triển khai tại các Viện nghiên cứu, các Trƣờng Đại Học lớn. 3 Phía Bắc ngoài các Trƣờng Đại học lớn thì Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về mỏi đã đƣợc công bố.
Phía Nam ngoài các Trƣờng Đại Học lớn nhƣ : Bách Khoa, Sƣ Phạm Kỹ Thuật, Khoa Học Tự Nhiên … còn có Trung tâm Hạt Nhân TP.HCM cũng có những công trình nghiên cứu về mỏi đã và đang thực hiện. Các đề tài trong nƣớc đã thực hiện có liên quan đến chuyên đề này • Nghiên cứu nứt mỏi trên các chi tiết cơ khí dạng lò xo xoắn và dạng trụ. Luận văn Thạc sĩ, Đại học SPKT TPHCM năm 2008. Trần Hoài Bảo • Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của kim loại, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Cần Thơ năm 2009.
Phạm Văn Chƣơng • Đánh giá ứng suất tồn dƣ trong kim loại bằng nhiễu xạ tia X. Luận văn Thạc sĩ Đại học Khoa học Tự Nhiên TP. Phan Trọng Phúc 1.2 Mục đích của đề tài: Nhƣ đã nêu ở mục 1, Các vấn đề về mỏi đã đƣợc nghiên cứu rất nhiều và sâu trên thế giới trong nhiều năm qua. Thực trạng tại Việt Nam hiện nay nghiên cứu về mỏi vẩn chƣa đƣợc các cơ sở có trách nhiệm ( Viện nghiên cứu, Trƣờng đại học) nghiên cứu xem trọng.
Một trong những lý do đó là thiếu các trang bị kỹ thuật để thực nghiệm các lý thuyết về mỏi. Đƣợc sự hƣớng dẫn của quý thầy tại Trƣờng Đại Học SPKT và sự nhiệt tình của Phòng thí nghiệm hạt nhân của Trung Tâm Hạt Nhân TP. Đề Tài “Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc của kim loại ( thép C45) khi mỏi bằng phân tích đỉnh nhiễu xạ trên hệ máy X’Pert Pro.” Khảo sát hiện tƣợng mỏi của kim loại nói chung và thép C45 nói riêng có ý nghĩa to lớn trong công nghệ chế tạo máy, giúp chúng ta hiểu biết về ứng xử của vật liệu dƣới tác động của ứng suất. Từ đó, có cái nhìn đầy đủ và chính xác về độ bền cơ học của vật liệu, góp phần dự đoán tuổi thọ chi tiết máy và các công trình, tránh đƣợc các tai nạn các sự cố đáng tiếc.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài.3 Nhiệm vụ của đề tài: Lý thuyết.
Tìm hiểu về lý thuyết vật lý chất rắn (kim loại). Cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn Cấu trúc mạng tinh thể của kim loại Ý nghĩa của mạng đảo trong phƣơng pháp đo nhiễu xạ Tìm hiểu về lý thuyết mỏi. Hiện tƣợng mỏi kim loại Những yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền mỏi Cơ chế lan truyền của vết nứt do mỏi Mẫu và máy tạo mỏi Tìm hiểu về phƣơng pháp nhiễu xạ tia X Nhiễu xạ tia X trên tinh thể Các phƣơng pháp ghi phổ nhiễu xạ Phép phân tích phổ nhiễu xạ. Thực nghiệm Tìm hiểu và làm quen các thiết bị nhiễu xạ tia X của máy XP’Pert Pro.
Thiết bị nhiễu xạ. Thao tác chuẩn bị máy, chuẩn bị gá chi tiết. Chế tạo mẫu thực nghiệm bằng thép C45 Gia công các mẫu trên máy CNC Xử lý bề mặt trƣớc khi đo Tiến hành tạo mỏi cho các mẫu theo các chu kỳ. Đo mẫu trên hệ máy nhiễu xạ X’Pert Pro Đo mẫu trên máy nhiễu xạ theo đúng qui trình đo Phân tích phổ nhiểu xạ bằng phần mềm theo máy HighScore-2007 Đánh giá sự thay đổi về mặt cấu trúc của kim loại.4 Giới hạn của đề tài: Do đề tài thiên về mặt cấu trúc kim loại(vật lý chất rắn), các thiết bị đo nhiễu xạ là chuyên dùng tƣơng đối mắc tiền, việc xử lý các số liệu đo đạc cần phần mềm chuyên biệt.
Việc lý giải các kết quả đạt đƣợc cần dựa trên cơ sở lý thuyết toán học vững chắc…. Qua việc chọn đề tài này bản thân mong muốn đƣợc tìm hiểu sâu hơn về bản chất của hiện tƣợng mỏi trong kim loại, mà môn học Sức bền vật liệu chƣa thể đáp ứng. Đề tài thực nghiệm chủ yếu trên mẫu kim loại thép C45.