Luận văn Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X-Quang (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X-Quang (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG THANH LINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X-QUANG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 6 8 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG THANH LINH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI CỦA LỚP TĂNG BỀN BỀ MẶT TRONG QUÁ TRÌNH LÀM VIỆC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ X-QUANG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: Đặng Thanh Linh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 27 – 10 – 1980 Nơi sinh: Long An Quê quán: Thị trấn Hiệp Hịa – Đức Hịa – Long An Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 808 lơ C2 Chung cư Lý Thường Kiệt – Phường 7 – Quận 11 – Tp.Hồ Chí Minh. Điện thoại di động: 0939064063 E-mail: dangtruonglinh08@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học chuyên nghiệp: Nơi học: Trường Cao đẳng Cơng nghiệp 4 – Số 12, Nguyễn Văn Bảo, phường 4, quận Gị Vấp, Tp.Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy 2. Đại học: Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Số 1, Võ Văn Ngân, quận Thủ Đức, Tp.Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy. 3. Thạc sĩ: Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.HCM – Số 1, Võ Văn Ngân, quận Thủ Đức, Tp.Hồ Chí Minh. Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên luận văn: “ Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X – quang ”. Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 24 –10 – 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn: PGS.TS.Lê Chí Cương i
4. 4. Trình độ ngoại ngữ: Anh Văn B1 (Khung tham chiếu Châu Âu). III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình do chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tơi khơng sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015 iii
6. LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X – quang” được hồn thành sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Ngồi sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, trong quá trình nghiên cứu và thực hiện tơi đã gặp khơng ít khĩ khăn. Để đạt được thành quả ngày hơm nay, tơi đã rất may mắn khi nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ của tất cả mọi người xung quanh. Vì vậy, tơi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: � Thầy PGS.TS Lê Chí Cương và thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngơn đã rất tâm huyết, nhiệt tình hướng dẫn, gĩp ý và động viên tơi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. � Quý thầy, cơ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức trong thời gian tơi học tập tại trường. � Cơng ty Giải pháp kiểm định Việt Nam (VISCO). � Trung tâm Hạt nhân Tp.Hồ Chí Minh. � Các bạn lớp Kỹ thuật Cơ khí 2013 – 2015B. � Gia đình, người thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất và tạo điều kiện cho tơi trong hai năm học vừa qua. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 iv
7. TĨM TẮT Lớp màng mỏng Crơm trên nền thép các bon trung bình được tạo thành từ phương pháp mạ điện. Chiều dày lớp màng mỏng Crơm vào khoảng vài micromet. Mẫu thí nghiệm được tạo mỏi trên máy mỏi uốn quay. Trong luận văn này, kỹ thuật nhiễu xạ tia X (với bức xạ CuKα cĩ chiều sâu thấm tương đương 5 micromet) được sử dụng để xác định bề rộng một nửa (FWHM) đỉnh phổ nhiễu xạ của màng mỏng Crơm tại mặt nhiễu xạ {211}. Từ biểu đồ quan hệ B – N giữa FWHM và số chu kỳ mỏi ta cĩ thể dự đốn được tuổi thọ của các chi tiết máy cĩ lớp Crơm tăng bền bề mặt. v
8. ABSTRACT Chromium thin film is deposited by electroplating on the medium carbon steel substrate. The thickness of chromium thin film has only a few microns. The deformation of chromium plating was completed by rolling–type fatigue equipment. In this study, the full width at half maximum (FWHM) of chromium diffraction profile was examinated by X–ray method. The X–ray diffraction patterns were performed using CuKα – radiation (penetration depth approximately 5 microns) and the {211} lattice planes of chromium diffraction pattern. Finally, the relationship B–N diagram between FWHM and cycles is determined. The life prediction of engineering components in service can be successfully performed. vi
9. MỤC LỤC TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TĨM TẮT v MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii Chương 1: TỔNG QUAN 1 1. Mục tiêu đề tài 3 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 3. Phương pháp nghiên cứu 3 4. Tính mới của đề tài 4 5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5 2.1. Cơ sở lý thuyết mỏi 5 2.1.1. Hiện tượng mỏi của kim loại 5 2.1.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 8 2.1.3. Cơ chế lan truyền vết nứt mỏi 12 2.2. Cơ sở lý thuyết về mạ điện lớp màng mỏng Crơm 15 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ điện 15 2.2.2. Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ Crơm 22 2.2.3. Các phương pháp đo độ bám dính lớp mạ 25 2.3. Nguyên lý nhiễu xạ tia X trên màng mỏng 27 vii
10. 2.3.1. Tia X và sự phát sinh tia X 27 2.3.2. Hiện tượng cơ bản 29 2.3.3. Phương trình Bragg 32 2.3.4. Phân tích phổ nhiễu xạ tia X 34 Chương 3: ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ CHI TIẾT MẪU VÀ TẠO MÀNG MỎNG CRƠM TRÊN NỀN THÉP C45 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN 40 3.1. Đề xuất thiết kế chi tiết mẫu cho thí nghiệm mỏi uốn 40 3.1.1. Cơ sở tạo mẫu thí nghiệm 40 3.1.2. Mẫu thí nghiệm chế tạo bằng thép C45 41 3.2. Tạo màng mỏng Crơm bằng phương pháp mạ điện 42 3.2.1. Chuẩn bị mẫu 42 3.2.2. Tính tốn chế độ mạ Crơm 43 Chương 4: THÍ NGHIỆM MỎI UỐN VÀ NHIỄU XẠ TIA X 47 4.1. Thí nghiệm mỏi uốn 47 4.1.1. Máy Thí nghiệm mỏi uốn 47 4.1.2. Tính tốn lực P tác dụng lên mẫu thí nghiệm 48 4.1.3. Quy hoạch thực nghiệm 49 4.1.4. Thí nghiệm mỏi uốn 54 4.1.5. Xử lý mẫu sau khi tạo mỏi uốn 56 4.2. Nhiễu xạ tia X 57 4.2.1. Thiết bị nhiễu xạ X' Pert Pro 57 4.2.2. Tính tốn gĩc nhiễu xạ 57 Chương 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 68 5.1. Kết quả 68 5.2. Thảo luận 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 viii
11. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT λ Chiều dài sĩng của tia X θ,θ 0 Gĩc Bragg khi cĩ và khơng cĩ ứng suất 2θ Gĩc nhiễu xạ h,k,l Các chỉ số Miller (h,k,l) Mặt nhiễu xạ d (h,k ,l) Khoảng cách mặt mạng của mặt nhiễu xạ (h,k,l) σ Ứng suất σ|| Ứng suất dư phẳng trong màng mỏng ε Biến dạng E,ν Mơ-đun đàn hồi Young và hệ số Poisson K Hằng số ứng suất p Vị trí đỉnh của một đường nhiễu xạ tia X ϕ Gĩc giữa pháp tuyến của mẫu thử với mặt phẳng của tia tới và tia nhiễu xạ trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên ψ ,ψ 0 Gĩc giữa pháp tuyến của mặt nhiễu xạ hoặc tia X tới với pháp tuyến của mẫu trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng Iso η 0 Gĩc giữa tia tới với mặt phẳng pháp tuyến của mẫu và phương đo ứng suất của kỹ thuật cố định η0 trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên η Gĩc giữa tia tới với pháp tuyến của mặt phẳng nhiễu xạ của kỹ thuật cố định η trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng một bên α, β Gĩc giữa tia tới và nhiễu xạ với pháp tuyến của mẫu LPA Hệ số Lorentz - Phân cực - Hấp thu z, y Số lượng tia X khi cĩ và khơng cĩ hiệu chỉnh hệ số LPA µ Hệ số hấp thu tuyến tính ix
12. I , I 0 Cường độ tia X tới và tia X nhiễu xạ M , N Hệ số gĩc và hệ số chặn của đường thẳng trong biểu đồ Sin2ψ l i Nghịch đảo của hệ số LPA a,b,c Các thơng số mạng tinh thể X,Y aij Ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ tham chiếu (X, Y = C, L, S) XSA Phân tích ứng suất tia X (X-ray stress analysis) μ Hệ số hấp thu hoặc hệ số suy giảm chiều dài μm Hệ số hấp thu khối lượng ρ Mật độ khối lượng τ1/e Chiều sâu thấm 1/e {ci} Hệ tọa độ tinh thể {si} Hệ tọa độ mẫu ℑ Hàm giao thoa K0, K Vectơ của chùm tia X tới và chùm tia tán xạ Q Vectơ tán xạ N1,N2,N3 Số ơ đơn vị của tinh thể đơn R Bán kính giác kế c Vận tốc ánh sáng trong chân khơng B, β2θ Bề rộng một nửa đỉnh phổ nhiễu xạ x
13. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi của kim loại 5 Hình 2.2: Đường cong mỏi Wưhler 6 Hình 2.3: Đường cong phá hủy mỏi thép C45 dạng phương trình Stussi 7 Hình 2.4: Những nơi cĩ tập trung ứng suất 11 Hình 2.5: Các pha trên đường cong mỏi Wưhler 12 Hình 2.6: Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi 13 Hình 2.7: Sơ đồ hệ mạ điện 16 Hình 2.8: Kỹ thuật bố trí anot để lớp mạ đồng đều 19 Hình 2.9: Dùng màn che để phân bố lại dịng điện 20 Hình 2.10: Lớp mạ Crơm cứng 22 Hình 2.11: Lớp mạ Crơm mỏng đặc 23 Hình 2.12: Đo độ bám dính lớp mạ theo phương pháp bẻ gập 900 26 Hình 2.13: Sơ đồ đo độ bám dính bằng phương pháp tách cơ học 27 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý ống phát tia X 27 Hình 2.15: Quá trình phát xạ tia X của nguyên tử (a); mức năng lượng sơ cấp (b); phổ phát xạ tia X của anot (c) 28 Hình 2.16: Đường hấp thụ tia X 29 Hình 2.17: Xây dựng hình học của vectơ tán xạ 30 Hình 2.18: Phương trình Bragg từ phương diện hình học 32 Hình 2.19: Hiệu chỉnh nền của đường nhiễu xạ 34 Hình 2.20: Phương pháp nửa bề rộng 36 Hình 2.21: Phương pháp trọng tâm 37 Hình 2.22: Vạch nhiễu xạ bị dịch chuyển và mở rộng do ứng suất 37 Hình 3.1: Mơ hình máy tạo mỏi đa năng 40 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn 41 Hình 3.3: Sơ đồ chất tải lên mẫu đường kính quay trịn với tần số ω, 1/s 41 Hình 3.4: Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm 42 xi
14. Hình 3.5: Mẫu thí nghiệm sau khi gia cơng bằng phương pháp cắt dây 43 Hình 3.6: Mẫu thí nghiệm sau khi mạ Crơm 45 Hình 3.7: Đo chiều dày lớp mạ bằng phương pháp ET 46 Hình 4.1: Máy thí nghiệm mỏi uốn 47 Hình 4.2: Sơ đồ chất tải lên mẫu thí nghiệm 48 Hình 4.3: Mặt cắt nguy hiểm tại phần làm việc của mẫu 48 Hình 4.4: Mẫu thí nghiệm sau khi tạo mỏi uốn 54 Hình 4.5: Mặt đứt gãy của mẫu thí nghiệm sau khi mỏi uốn 55 Hình 4.6: Đường cong mỏi của mẫu thí nghiệm theo dạng phương trình Stussi 56 Hình 4.7: Phần làm việc của mẫu sau khi cắt dây (WEDM) 56 xii
15. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Số liệu Nf của một số kim loại 6 Bảng 2.2: Số liệu thực nghiệm kích thước hạt ảnh hưởng đến độ bền mỏi 9 Bảng 2.3: Giá trị tới hạn Katb của một số vật liệu 15 Bảng 2.4: Đương lượng điện hĩa K của các kim loại 18 Bảng 2.5: Bán kính hạt tinh thể theo thang 12 20 Bảng 2.6: Các dung dịch mạ Crơm 24 Bảng 2.7: Các vật liệu chế tạo anot 29 Bảng 2.8: Hằng số mạng của một số kim loại cĩ cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) và lập phương tâm khối (BCC) 32 Bảng 2.9: Khoảng cách phẳng d giữa các mặt tinh thể 33 Bảng 2.10: Hệ số A của phương pháp Ω và ψ 34 Bảng 2.11: Hằng số Scherrer của một vài dạng tinh thể 38 Bảng 3.1: Các thành phần nguyên tố của thép C45 42 Bảng 3.2: Dung dịch mạ và chế độ mạ 44 Bảng 3.3: Chiều dày lớp mạ đo bằng phương pháp ET 45 Bảng 4.1: Thơng số kỹ thuật của máy 47 Bảng 4.2: Kết quả của thí nghiệm mỏi uốn 54 xiii
16. Chương 1 TỔNG QUAN Hiện tượng mỏi là hiện tượng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy cĩ trị số nhỏ hơn giới hạn bền, thậm chí cịn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đĩ. Tuy nhiên nĩ lại gây ra những dạng hư hỏng trầm trọng nhất, khơng phục hồi được, gây ra những hậu quả nguy hiểm và tổn thất nghiêm trọng về kinh tế [1]. Giới hạn mỏi của một chi tiết phụ thuộc vào nhiều nhân tố phức tạp, những nhân tố này cĩ thể hạ thấp giới hạn mỏi của chi tiết. Trong kỹ thuật ngồi việc chọn vật liệu chế tạo cĩ độ bền cao và kết cấu nhỏ, người ta rất chú trọng tìm cách nâng cao giới hạn mỏi của các chi tiết bằng biện pháp chế tạo và cơng nghệ. Bên cạnh biện pháp chế tạo người ta cịn dùng những biện pháp cơng nghệ nhằm nâng cao chất lượng bề mặt của chi tiết. Ðối với các chi tiết chịu uốn hoặc xoắn, ứng suất ở mặt ngồi lớn nhất, sự phát sinh và phát triển những vết nứt về mỏi thường bắt đầu từ mặt ngồi, cho nên cơng nghệ xử lý bề mặt càng được quan tâm do nĩ cĩ ý nghĩa quan trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu. Một trong những giải pháp đĩ là tạo ra một lớp bề mặt cĩ khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như chịu mài mịn, chống ăn mịn, chịu nhiệt Cĩ thể kể đến các phương pháp xử lý bề mặt thường dùng như nhiệt luyện, hố nhiệt luyện, tạo các lớp phủ lên bề mặt (Mạ, nhúng, phun phủ ). Cơng nghệ tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thực chất là tạo ra màng mỏng (thin film) lớp vật liệu rắn cĩ độ dày cỡ từ vài nm đến cỡ 10 μm [16] phủ lên vật liệu nền như kim loại, thủy tinh, gốm sứ, polyme, Hiện nay, màng mỏng được áp dụng nhiều trong các ngành kỹ thuật cao và đã phát triển thêm nhiều phương pháp tạo màng mỏng mới, tuy nhiên, cịn phải tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, loại vật liệu tạo màng, điều kiện về thiết bị và khả năng cơng nghệ để lựa chọn phương pháp phù hợp. Các phương pháp tạo màng mỏng đang được sử dụng rộng rãi bao gồm: 1
17. Phương pháp tạo màng mỏng Phương pháp vật lý Quá trình ion Phương pháp hĩa học Phương pháp nhiệt Phương pháp phún xạ CVD CVD CVD Sol - Gel Plasma Laser Nhiệt Bốc Epitaxy Bốc bay chùm Mạ bay chân Laser phân ion phản khơng tử ứng Trong ngành cơ khí, phương pháp mạ điện đã và đang được áp dụng rộng rãi do những tính năng và ứng dụng vượt trội của nĩ. Hai thuộc tính quan trọng nhất của lớp mạ là sự bám dính vào bề mặt kim loại nền và độ bền của lớp mạ. Trong ngành ơ tơ, lớp mạ phủ Crơm làm tăng độ cứng bề mặt, giảm ma sát, chống mài mịn cho các chi tiết dạng trục do nĩ là kim loại cứng, giịn, cĩ độ nĩng chảy cao. Bề mặt Crơm được bao phủ bởi một lớp màng mỏng Cr2O3, nên cĩ ánh bạc và khả năng chống trầy xước cao. Với những đặc tính vượt trội đĩ, trong thời gian qua đã cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu về màng mỏng Crơm như: − Thí nghiệm và khảo sát số học về lớp Crơm cứng chống ăn mịn với chiều dày từ vài μm đến vài trăm μm [20]. Mục đích của nghiên cứu này là thành lập mối quan hệ giữa mật độ dịng điện phân, mật độ vết nứt và ứng suất dư kéo; làm rõ vai trị của vết nứt tế vi khi ứng suất dư phát triển; tìm ra phương pháp để cải thiện tính tồn vẹn kết cấu của lớp mạ Crơm cứng. − Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên biên dạng xung của dịng điện phân, ứng suất dư của lớp mạ Crơm [21]. Nghiên cứu này quan tâm đến sự thay đổi của chế độ xung, lượng thay đổi ứng suất dư khi xử lý nhiệt liên quan đến giá trị nửa bề rộng của đường nhiễu xạ tia X. − Đo ứng suất thực trong quá trình mỏi [30]. Khảo sát ứng xử của ứng suất dư ngay trong quá trình mỏi bằng phương pháp nhiễu xạ tia X để làm rõ cơ học phá hủy mỏi và dự đốn sự phá hủy ban đầu. Để phát hiện vết nứt ban đầu từ sự thay đổi 2
18. của ứng suất dư là rất khĩ vì nĩ thay đổi khơng đáng kể trong quá trình mỏi. Tuy nhiên, nếu kiểm tra ứng suất bằng tia X với lực tác dụng max ngay trong quá trình mỏi tại một vị trí thì sẽ tìm được vết nứt ban đầu bởi vì ứng suất sẽ dần được giải phĩng bởi vết nứt mở. Ứng suất thực xác định được là tổng của ứng suất dư và ứng suất tải. − Đồ thị d – Sin2ψ của màng mỏng Crơm [31]. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về sự thay đổi ứng xử của Crơm khi chuyển đổi từ pha nửa ổn định β–W, là nguyên nhân tạo ra ứng suất giữa vật liệu nền và màng mỏng đơn pha α–W. Độ bền vật liệu là một vấn đề mà khoa học kỹ thuật hiện đại rất quan tâm, nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để nghiên cứu khảo sát độ bền kim loại. Trong số đĩ, phương pháp nhiễu xạ tia X đĩng vai trị quan trọng. Nĩ đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của lớp Crơm tăng cường bề mặt trong quá trình làm việc. Đây là một việc làm mới, khĩ khăn, địi hỏi các kỹ thuật phức tạp, các thiết bị phân tích hiện đại. Nhiễu xạ tia X mang lại những hiểu biết cần thiết về những sai hỏng do mỏi ảnh hưởng đến độ bền và các tính năng khác của màng mỏng. Nĩ khơng chỉ đo ứng suất mà cịn trở thành một phần của khoa học vật liệu và cũng là cơng cụ khơng thể thiếu trong cơng nghiệp và kỹ thuật. 1. Mục tiêu đề tài Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X để khảo sát trạng thái mỏi của màng mỏng Crơm trên nền thép C45. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là lớp màng mỏng Crơm. Phạm vi nghiên cứu là đánh giá sự biến đổi trong mạng tinh thể của màng mỏng Crơm cứng trên nền thép C45 chịu uốn. 3. Phương pháp nghiên cứu − Dựa vào các lý thuyết màng mỏng và các nghiên cứu đã được cơng bố trên tạp chí khoa học kỹ thuật quốc tế. − Dựa vào các tài liệu hiện cĩ trên thế giới về lý thuyết nhiễu xạ tia X để tìm hiểu cách thức nhiễu xạ của tia X trên vật liệu màng mỏng Crơm. 3
19. − Phương pháp quy hoạch thực nghiệm. − Phương pháp đánh giá chất lượng lớp mạ. − Tiến hành thí nghiệm nhiễu xạ để thu thập số liệu thực nghiệm tại Trung tâm hạt nhân Thành Phố Hồ Chí Minh sau đĩ dựa vào lý thuyết về nhiễu xạ và xử lý số liệu nhiễu xạ để xác định độ biến dạng của màng mỏng Crơm. 4.Tính mới của đề tài Thiết lập, xác định mối liên hệ giữa bề rộng B của đỉnh nhiễu xạ với số chu kỳ mỏi uốn. Từ đĩ giúp ta hiểu biết về ứng xử của màng mỏng Crơm và cĩ cái nhìn đầy đủ, chính xác về độ bền cơ học, gĩp phần dự đốn tuổi thọ chi tiết máy, cơng trình, tránh được những sự cố, tai nạn. 5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp − Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung của đề tài. − Chương 3: Đề xuất thiết kế chi tiết mẫu và tạo màng mỏng Crơm trên nền thép C45 bằng phương pháp mạ điện. − Chương 4: Thí nghiệm mỏi uốn và nhiễu xạ tia X. − Chương 5: Kết quả và thảo luận. 4
20. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết mỏi 2.1.1. Hiện tượng mỏi của kim loại a. Hiện tượng mỏi Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy dần sự phá hủy trong bản thân vật liệu dưới sự tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đĩ các vết nứt mỏi phát triển dẫn tới sự phá hủy mỏi của vật liệu. Hình 2.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại [27] b. Giới hạn mỏi Giới hạn mỏi của vật liệu (Sr) ở một điều kiện nào đĩ là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu khơng bị phá hủy. Mỗi vật liệu cĩ số chu kỳ ứng suất cơ sở (Nf) riêng. 5
21. Bảng 2.1: Số liệu Nf của một số kim loại [1] STT Loại vật liệu Nf 1 Thép cacbon thấp 2. 106 2 Thép cacbon trung bình 2. 106 3 Thép hợp kim 2. 106 4 Kim loại màu 5. 106 5 Gang 1.5 .106 c. Đường cong mỏi Đường cong mỏi là đường biễu diễn mối liên hệ giữa các ứng suất thay đổi với các chu kỳ ứng suất tương ứng. Phương trình biểu diễn đường cong mỏi hay đường cong Wưhler: S = f (N ) (2.1) Số chu kỳ N gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất. Hình 2.2: Đường cong mỏi Wưhler [1] Qua đường cong mỏi ta cĩ thể thấy: Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm. Để xây dựng đường cong mỏi ở một dạng chu kỳ ứng suất trong một điều kiện nào đĩ, người ta phải tiến hành từ 25 đến 100 thí nghiệm cho một loại mẫu được quy chuẩn. Tùy theo phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm, ngày nay đã cĩ hơn 10 cơng thức tốn học biểu diễn đường cong mỏi. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4