Đặt vấn đề Ứng suất dư trên bề mặt vật liệu tinh thể có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt và khả năng làm việc của chi tiết máy. Ứng suất dư có thể phát sinh trong hầu hết các quá trình sản xuất như quá trình nhiệt luyện, gia công cơ hoặc biến dạng dẻo. Đó là nguyên nhân gây ra phá hủy chi tiết, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi của chi tiết. Do đó, việc xác định và đo lường ứng suất dư của vật liệu có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý và cải thiện điều kiện làm việc của chi tiết máy.
Nhiều phương pháp đã được phát triển để xác định và đo lường ứng suất dư của vật liệu, chúng được chia làm hai loại. Phương pháp phá hủy (destructive techniques-DT) bao gồm: phương pháp khoan lỗ, phương pháp vòng lõi, phương pháp cắt lớp, phương pháp cắt tiết diện. Phương pháp không phá hủy (nondestructive techniques-NDT) bao gồm: phương pháp nhiễu xạ X-quang (XRD), nhiễu xạ Neutron, phương pháp siêu âm, phương pháp điện từ. Các phương pháp phá hủy là các phương pháp truyền thống, đơn giản, chi phí thấp, được phát triển từ lâu; trong khi các phương pháp không phá hủy như XRD có độ chính xác và giá thành cao.
Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm khi xác định ứng suất dư, việc ứng dụng các phương pháp tùy thuộc vào điều kiện từng vùng, từng quốc gia. Cụ thể ở nước ta, khả năng ứng dụng các phương pháp đo lường và xác định ứng suất dư vẫn còn hạn chế và gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, các phương pháp đo lường ứng suất dư luôn có sự thay đổi và phát triển nhằm tăng khả năng ứng dụng trong từng điều kiện cụ thể, đặc biệt là đáp ứng được các mục tiêu nghiên cứu. Trước đây, ứng suất dư trên bề mặt vật liệu với hình dạng đơn giản có thể dễ dàng được xử lý, nhưng ngày nay với sự phát triển của các thiết bị tính toán hiện đại, các quy trình gia công 1 Luan van và các phương pháp đo lường với độ chính xác cao đã mở rộng phạm vi của các phương pháp phá hủy cho việc xác định và đánh giá ứng suất dư bên trong vật liệu.2 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ứng suất dư là một trong những nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ và khả năng chống mài mòn của chi tiết máy.
Ứng suất dư trên bề mặt chi tiết có thể gây nên các vết nứt tế vi hoặc biến dạng chi tiết. Ứng suất dư phân bố bên trong chi tiết có ảnh hưởng đến tính chất và cường độ mòn của chi tiết, đặc biệt là những chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn. Trong trường hợp phát sinh hư hỏng và sự cố do ứng suất dư bên trong chi tiết gây nên có thể ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất và tăng chi phí trong công tác bảo trì và phục hồi chi tiết hoặc thiết bị. Do đó, quá trình nghiên cứu và xác định ứng suất dư phân bố bên trong chi tiết là cần thiết trong việc cải thiện khả năng chống mài mòn, cho phép tăng tuổi thọ và độ tin cậy của chi tiết trong quá trình làm việc.
Ở nước ta, nhiễu xạ X-quang là phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong việc xác định ứng suất dư. Phương pháp này không phá hủy cấu trúc vật liệu, cho kết quả chính xác về ứng suất dư và khả năng tự động hóa dễ dàng do đó được ứng dụng trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Tuy nhiên, phương pháp nhiễu xạ X-quang còn gặp hạn chế trong trường hợp xác định trạng thái ứng suất dư phân bố theo chiều dày của vật liệu, vì khả năng xuyên thấu của tia X trong vật liệu kim loại là tương đối nhỏ (khoảng vài micrô) và phương pháp này có thể yêu cầu sử dụng nhiều nguồn phát tia X nhiễu xạ khác nhau. Mặt khác, việc xác định và đo lường ứng suất dư theo chiều sâu đòi hỏi quá trình nghiên cứu phải cắt từng lớp vật liệu mỏng từ bề mặt mẫu thử, do đó phương pháp cắt lớp là một trong những phương pháp thường được ứng dụng.
Phương pháp cắt lớp là phương pháp đơn giản, có chi phí thấp và được ứng dụng rộng rãi trên nhiều loại vật liệu. Đặc biệt, phương pháp này dễ dàng kết hợp với các phương pháp khác để xác định chính xác sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu từ bề mặt chi tiết bằng cách lấy đi từng lớp vật liệu mỏng. 2 Luan van Vì những lý do trên đề tài “Xác định sự phân bố ứng suất dư theo chiều sâu bằng phương pháp cắt lớp” do học viên lựa chọn có tính cấp thiết và khả năng ứng dụng ở Việt Nam.3 Các nghiên cứu có liên quan đến đề tài 1.1 Ngoài nước Việc ứng dụng phương pháp cắt lớp vào quá trình nghiên cứu và đánh giá sự phân bố của ứng suất dư theo chiều sâu của vật liệu đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và thực hiện, nổi bật là một số nghiên cứu sau: - Đề tài “Xác định ứng suất dư trong vật liệu tấm bằng phương pháp cắt lớp với phép đo tích hợp máy” của S. Phương pháp dùng để xác định trạng thái ứng suất dư trong vật liệu tấm được thực hiện dựa trên cơ sở lý thuyết của phương pháp cắt lớp, kết hợp sử dụng máy công cụ với thiết bị dò tiêu chuẩn.
Nghiên cứu này được thực hiện trên mẫu thử EN AW-7075 T651, ứng dụng quy trình phay bằng dao phay hớt lưng để lấy đi từng lớp vật liệu từ mẫu thử và biến dạng sinh ra được đo bằng thiết bị dò (Hình 1. milling tool remove layer measured points determine curvature radius machine tool probe Hình 1.1: Phương pháp đo mẫu Kết quả phân tích ứng suất dư thông qua biến dạng trên toàn bộ chiều dày của tấm cho thấy ứng suất dư phân bố trong khoảng -10 MPa đến 14 MPa, trong đó 3 Luan van ứng suất dư đạt giá trị cực đại tại độ sâu 20 và 30 mm, giá trị cực tiểu tại độ sâu 10 và 40 mm và tại tâm của mẫu thử, 25 mm. Residual stress Position Hình 1.2: Ứng suất dư trong mẫu thử EN AW-7075 T651 - Đề tài “Ảnh hưởng của các phương pháp cắt lớp đến biên dạng ứng suất dư của mẫu thép phun bi bằng nhiễu xạ X-quang” của các tác giả R. Trong nghiên cứu này, ba phương pháp cắt lớp dùng để lấy đi từng lớp vật liệu từ mẫu thử được phân tích là: phương pháp đánh bóng điện hóa sử dụng chất điện phân AII gồm axit HClO4, phương pháp khắc hóa học sử dụng 50% axit HNO3 trong nước cất và phương pháp đánh bóng điện hóa sử dụng dung dịch muối 15% hòa tan vào nước cất.
Các phương pháp này được thực hiện một cách riêng biệt dùng để lấy đi từng lớp vật liệu và được ứng dụng cho việc xác định ứng suất dư tại các độ sâu khác nhau. Phép đo ứng suất dư được thực hiện trên hệ máy Stresstech X3000 G3. Kết quả là sự ảnh hưởng của các phương pháp cắt lớp đến biên dạng ứng suất dư trên mẫu thép phun bi được so sánh, trong đó phương pháp đánh bóng điện hóa bằng dung dịch AII cho độ bóng bề mặt cao và được xem như là phương pháp 4 Luan van phù hợp nhất dùng để cắt lớp. Kết quả cho thấy sự lựa chọn các phương pháp cắt lớp đóng vai trò quan trọng cho việc xác định chính xác biên dạng ứng suất dư theo chiều sâu trên vật liệu thép.
- Đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất dư qua chiều dày trên hợp kim Al 5083 được xử lý ECAR (Equal channel angular rolling) bằng phương pháp cắt lớp và nhiễu xạ X-quang” của các tác giả M. Trong nghiên cứu này, phương pháp cắt lớp thông qua đánh bóng điện hóa được sử dụng để lấy đi từng lớp vật liệu và ứng suất dư trên bề mặt mẫu được đo bằng nhiễu xạ X-quang. Phương pháp đánh bóng điện hóa được thực hiện trên mẫu thử có dạng bề mặt phẳng (Hình 1.3) bằng việc sử dụng hỗn hợp dung dịch gồm 5 ml H3OBF4 trong 200 ml H2O. Sau khi lấy đi từng lớp vật liệu từ bề mặt mẫu, ứng suất dư được đo trên hệ máy nhiễu nhiễu xạ PANalytical’s X’Pert PRO MRD trong đó nguồn phát tia X nhiễu xạ là CuKα với phổ nhiễu xạ có góc 2θ từ 134 đến 138.
Kết quả nghiên cứu cho thấy ứng suất dư có sự phân bố không đồng nhất qua chiều dày trên hợp kim nhôm Al 5083, trong đó ứng suất dư nén và ứng suất dư kéo được sinh ra khi xử lý mẫu bằng quy trình ECAR. Y roll direction 22 11 X removed layer z H z1 X Hình 1.3: Mẫu đo ứng suất dư khi cắt lớp 5 Luan van Transverse direction, 22 Longitudinal direction, 11 True residual stress (MPa) Depth (mm) Hình 1.4: Sự phân bố ứng suất dư trong mẫu Al 5083 - Đề tài “Xác định nhanh biên dạng ứng suất dư trong pha ferrite của thép sợi kéo nguội bằng nhiễu xạ X-quang và phương pháp cắt lớp” của tác giả F. Jiang cùng các cộng sự [24]. Nghiên cứu này được thực hiện bằng việc kết hợp phương pháp cắt lớp với nhiễu xạ X-quang, đây là cách tiếp cận đơn giản và hiệu quả trong việc đánh giá biên dạng ứng suất dư trong pha ferrite của thép sợi kéo nguội.
Phương pháp cắt lớp được tiến hành bằng phương pháp hóa học với hỗn hợp dung dịch là 15 phần H2O, 1 phần HF 70% và 12 phần H2O2 30%; trong khi đó nhiễu xạ X-quang được thực hiện trên hệ máy nhiễu xạ AST XSTRESS 3000 cho phép đo có độ chính xác cao trong thời gian ngắn và ứng suất dư được đo trên mẫu thử có dạng hình trụ. 6 Luan van Z Nhkl Incident beam Y X Hình 1.5: Phép đo ứng suất dư Kết quả biên dạng ứng suất dư được xác định là một hàm theo độ sâu tương đối (r/R) theo ba phương: dọc trục, tiếp tuyến và hướng tâm; trong đó r là khoảng cách đối với lớp cắt, R là bán kính ban đầu của mẫu thử. Kết quả nghiên cứu cho thấy thép sợi kéo nguội có trạng thái kéo tại bề mặt và nén tại trung tâm dọc theo phương trục, trong khi ứng suất dư gần như bằng không trong thanh thép trước khi kéo nguội. CORE SURFACE Longitudinal Stress (MPa) Measured Corrected Relative depth (r/R) a) longitudinal 7 Luan van CORE SURFACE Tangential Stress (MPa) Measured Corrected Relative depth (r/R) b) tangential CORE SURFACE Corrected Radial Stress (MPa) Relative depth (r/R) c) radial Hình 1.6: Biên dạng ứng suất dư theo ba phương - Đề tài “Đo lường ứng suất dư bằng phương pháp cắt lớp” của B.