Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô

Nội dung text: Nghiên cứu xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô

1. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT DƯ CHO VẬT LIỆU TINH THỂ HẠT THÔ STUDY ON DETERMINING RESIDUAL STRESS CRYSTAL FOR COARSE GRAINED MATERIAL Huỳnh Chí Trường, PGS.TS Lê Chí Cương Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Xác định ứng suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô dùng nhiễu xạ x-quang có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp xác định ứng suất dư khác bởi vì không phá hủy cấu trúc của vật liệu, có thể thực hiện ngay trên chi tiết. Ngoài ra, có thể đo và đánh giá khi chi tiết đang trong giai đoạn sửa chửa và bảo dưỡng Khi dùng phương pháp đo nhiễu xạ X-Quang cho trường hợp các hạt tinh thể lớn, hạt thô, chẳng hạn như mẫu ủ sẽ làm kết quả đo ứng suất dư bị sai lệch bởi vì chùm tia x không nhiễu xạ hết được hạt tinh thể. Điều này xảy ra ngay cả khi thời gian đo được kéo dài. Đây có thể là một vấn đề đối với các phép đo sử dụng mẫu đặt trên mặt phẳng ngang. Để giải quyết vấn đề này, một phương pháp dao động mẫu với góc ∆α sẽ khắc phục được nhược điểm này. Tuy nhiên khi góc ψ được thay đổi, khoảng dao động ∆α này chỉ có giá trị nhỏ vì bước quét góc nhiễu xạ 2θ thay đổi trong quá trình dao động ψ. Điều này ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa các góc nhiễu xạ và góc ψ. Đề tài đã áp dụng phương pháp dao động mẫu để xác định ứng suất dư của mẫu vật liệu sau khi ủ. Kết quả cho thấy giá trị đo ứng suất dư chính xác nhất với góc dao động ∆α = 70 Từ khóa: tài liệu hạt thô, nhiễu xạ tia X, xác định ứng suất, đồ thị không tuyến tính, phương pháp dao động. ABSTRACT Determination of residual stresses of croarse-grain crystal materials using X-ray diffraction has more advantages than other methods, because this method does not damage structure of the material and high accuracy, it can directly measure on part that is working to help easy repair and maintenance.
2. In case, the X-ray diffraction is used for large crystal and croarse grains such as residual stress measurement for annealed specimen will have deviation because the X-ray beam does not diffract on whole crystal grains. This deviation can occur even measurement time is extended. It can be a problem for the measurements using horizontal plane for locating specimen. To solve this problem, a method of oscillated specimen with angle Δα is often used. However, the osiclillation range Δα only uses small value for changing ψ angle, because scanning step of diffraction angle 2θ changes in during oscillate the angle ψ. This affects relationship between the diffraction angle and the angle ψ. Thesis applied the oscillated specimen method to determine the residual stress on annealed specimen. The result shows that the residual stress obtained with high accuracy at the oscillation angle Δα = 7° Keywords: Coarse-grained material, X-ray diffraction, Stress determination, Nonlinear diagram, oscillating method. 1. Giới thiệu Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật Gia công kim loại có phoi và không hiệu quả để xác định ứng suất dư phoi luôn tạo thành ứng suất dư trên bề không phá hủy trong một vùng cục bộ mặt chi tiết. Ứng suất dư ảnh hưởng của vật liệu tinh thể. Tuy nhiên, đối với lớn đến độ bền, đặc biệt độ bền mỏi, các vật liệu tinh thể hạt thô như hàn của chi tiết. hoặc vật liệu đúc, kỹ thuật này có khó khăn do số lượng thấp của hạt nhiễu xạ Ứng suất dư ảnh hưởng mạnh đến khả X-quang trên vòng tròn nhiễu xạ và sự năng chịu mòn, mỏi của chi tiết/cấu tuyến tính sơ đồ d-sin2ψ có thay đổi kiện khi chịu tải trọng động khi so sánh sự tuyến tính sin2ψ phổ Xác định độ lớn của ứng suất dư giúp biến cho các loại vật liệu có hạt tinh dự đoán khả năng làm việc của chi thể nhỏ. Một giải pháp kỹ thuật hiệu tiết/cấu kiện dưới điều kiện môi trường, quả để tăng số lượng các hạt nhiễu xạ tải trọng thực. được sử dụng là phương pháp ψ-dao Đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ X-quang, động, ta thu được sơ đồ sin2ψ hiệu quả là một phương pháp đo phổ biến. tốt hơn.
3. 2. Xác định ứng suất dư bằng của đường nhiễu xạ thì biến dạng của phương pháp nhiễu xạ X-quang và mẫu thử được xác định thông qua cắt lớp. khoảng cách dhkl. Từ biến dạng ta có 2.1. Xác định ứng suất bằng nhiễu thể xác định được ứng suất dư dễ dàng xạ X-quang. thông qua mối quan hệ ứng suất biến dạng theo phương trình sau: ' dd  0 33 d0 1 v 2 11cos  21 sin 2 E 22 22sin  33 sin  (2) 1 vv     EE33 11 22 33 Hình 1. Hệ tọa độ dùng để 1 v cos  sin sin 2  xác định ứng suất E 13 23 Xét hệ tọa độ dùng để đo ứng trong đó E là mođun đàn hồi, v là hệ số suất (hình 2), trong đó Si là hệ tọa độ Poisson. Đối với trường hợp mẫu thử xác định bề mặt mẫu với S1, S2 nằm được xét ở trạng thái ứng suất phẳng, trên bề mặt mẫu. L3 là hệ tọa độ đo, phương trình (2) trở thành: vuông góc với các mặt phẳng nguyên ' dd  0 33 tử (hkl). L2 nằm trên mặt phẳng mẫu d0 (3) tạo với S1 một góc φ. Phép đo ứng suất 1 vv2  sin  11  22 dư được thực hiện dựa trên nhiễu xạ X- EE quang thông qua định luật Bragg [1]: với σφ là ứng suất thành phần theo  2d sin (1) hkl hướng Sφ. Phương trình (3) có thể được trong đó  là bước sóng tia X,  là góc viết lại: Bragg, dhkl là khoảng cách tinh thể của 1 v dd sin2 0 E mặt phẳng nhiễu xạ (hkl). Khi xuất (4) v hiện ứng suất dư trên lớp bề mặt thì dd  0E 11 22 0 khoảng cách dhkl giữa các mặt nguyên Đây là phương trình thể hiện mối quan tử sẽ thay đổi so với khoảng cách ban hệ d-sin2 có hệ số góc m là: đầu d0. Bằng việc tính toán vị trí đỉnh
4. 1 v md  (5) 0 E Từ phương trình (5), ta có thể suy ra ứng suất dư được xác định từ hệ số góc m bằng phương trình: mE  (6) dv 1 0 trong đó d0 là khoảng cách mặt nguyên Hình 2: So sánh các vòng nhiễu xạ, có tử ở trạng thái chưa có ứng suất. Vì là và không có góc ∆ω dao động [3] vật liệu đẳng hướng nên d0 được tính như điểm không phụ thuộc ứng suất trong phương trình tuyến tính d-sin2 như sau: v sin2* (7) 1 v 2.2. Xác định ứng suất bằng nhiễu Hình 3: Hình nón nhiễu xạ [8] xạ X quang cho vật liệu tinh thể hạt 2.3. Chế tạo thiết bị dao động mẫu thô Việc sử dụng dao động giúp phát hiện hơn nhiều điểm nhiễu xạ cải thiện độ chính xác của phương pháp đo, việc thực hiện đo ứng suất với thời gian te khác nhau nhận thấy tối ưu Hình 4. thiết bị dao động mẫu trong khoảng 8 độ 2.4 Qui trình đo mẫu (theo phương Với các mẫu ủ có các hạt tinh pháp dao động) thể lớn khi tăng các góc dao động trong khoảng ∆ω tạo ra vòng nhiễu xạ  Bước 1: Gá mẫu lên kẹp mẫu, siết mạnh với sự hiện diện của nhiều điểm, các bu lông. giải quyết các khó khăn cho các vấn đề  Bước 2: Đặt căn mẫu cho bàn xoay đặt ra cho vật liệu tinh thể có kích về mặt phẳng ngang. thước hạt lớn.  Bước 3: Bật công tắc nguồn.
5.  Bước 4: Chọn Mode 2 có góc Bảng 1: Số lượng mẫu qua xử lý nhiệt ∆α=±30.  Bước 5: Nhấn nút +1deg (Run) bàn nghiêng -30.  Bước 6: Chọn thời gian ∆t = 5S, Nhấn +1deg (Run) 3.2. Phân loại chọn mẫu  Bước 7: Dừng bàn nhấn nút enter (Stop)  Bước 8: Tắt công tắc nguồn kết thúc đo mẫu Đo mode 3 góc α=±50; mode 4 góc α=±70 (thực hiện bước 4 đến bước 8) 3. Tiến trình thực nghiệm Hình 6. chụp tổ chức tế vi mẫu M1 3.1. Mẫu thử Vật liệu: C45, Số lượng: 18, kích thước: vuông 30±0,1 mm; L=60±0,1 mm - Thử nghiệm: ủ mẫu ở nhiệt độ 400oC, giữ nhiệt 2 giờ, làm nguội cùng lò. (hình 5) Hình 7. chụp tổ chức tế vi mẫu M2 - Quan sát nhận thấy kích thước hạt không đồng đều Hình 8. chụp tổ chức tế vi mẫu M3 Hình 5. chụp tổ chức tế vi mẫu thử nghiệm
6. 3.3. Kết quả chọn mẫu Nhiễu xạ X-quang ứng dụng Các mẫu nung cùng một nhiệt phương pháp sin2 để phân tích ứng độ là 4500C giữ nhiệt trong 2, 3, 4 giờ suất dư trên từng mẫu. Giả sử vật liệu (M1, M2, M3) là đồng nhất và ứng suất dư chỉ phụ Hình 6, 7 kích thước hạt chưa thuộc vào độ sâu tính từ bề mặt của đồng đều, còn biến dạng do cán vì thế mẫu. Quy trình ủ mẫu để loại bỏ không chọn đo ứng suất dư, chọn mẫu texture nên mẫu được xem như vật liệu M3 và các mẫu có kích thước hạt theo đẳng hướng(bảng1). Vật liệu thép C45 bảng 2. có hằng số mođun đàn hồi và hệ số Possion tương ứng là 205 GPa và 0,29. Bảng 2: Kích thước hạt theo ASTM Bảng 3. Điều kiện đo ứng suất 4. Kết quả và khảo sát 4.1 Kết quả đo ứng suất. Hình 9 biểu diễn các đường nhiễu xạ được đo tại các góc  = 0; 18,4 và 3.3. Đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ X-quang 26,6 và được nội suy bằng hàm Gauss Sau khi thực nghiệm cắt lớp, tiến để xác định vị trí đỉnh của đường nhiễu hành đo ứng suất dư trên các bề mặt xạ. của mẫu bằng nhiễu xạ X-quang. Phép Phương pháp thực hiện đo mẫu đo được thực hiện trên hệ máy nhiễu với các giá trị ∆α = 00 (đo ở mặt phẳng xạ X’Pert Pro – Panalytical trong đó ngang hình 9a) và ∆α = ±30, ±50, ±70 nguồn phát tia X nhiễu xạ là CuK với ( sử dụng thiết bị dao động mẫu hình phổ nhiễu xạ có góc nhiễu xạ 2θ từ 80 9b, 9c, 9c) cho mẫu M12 đến 85. Tiến hành đo nhiễu xạ với các góc  = 0; 18,43 và 26,56 cho mỗi phép đo.
7. Từ hàm Gauss ta tìm được góc 2θmax, từ đó dựa vào định luật Bragg ta tính được khoảng cách mặt tinh thể cho mẫu M12 tại các góc ψ =00; ψ =18,430; ψ = 26,560 Hình 10 thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách mặt tinh thể d và sin2, được gọi là đồ thị sin2. Ứng suất được xác định từ độ dốc của đường thẳng tuyến tính d-sin2 theo phương trình (6). Ứng suất dư của mẫu M12 bảng 4. Hình 9. Đường nhiễu xạ của M12
8. Ứng suất dư của các mẫu còn lại được trình bày trong bảng 4. Bảng 4: Tổng hợp các mẫu đo ứng suất Hình 10. Đồ thị d-sin2 Nhận xét: Đo ứng suất dư dùng nhiễu xạ X-quang cho hạt tinh thể có kích thước lớn ta thấy: đồ thị d-sin2ψ 5. Kết luận không có góc dao động (∆  có vị Đối với vật liệu tinh thể hạt thô đo trí các điểm phân tán và không tuyến ứng suất dư có sai lệch về kết quả tính, tính (hình 10a). Nếu sử dụng phương cần xoay mẫu tăng diện tích nhiễu xạ pháp sin2ψ để tính ứng suất sẽ gây ra sai số rất lớn cho phép tính. Sử dụng phương pháp dao động kết quả thu được phương trình d-Sin2ψ Việc sử dụng phương pháp dao tuyến tính. động góc (hình 10b, c, d). sẽ làm tăng số lượng hạt tinh thể nhiễu xạ, từ Dựa vào cơ sở lý thuyết tính ứng đó tuyến tính hóa đồ thị d-sin2ψ, qua suất dư cho vật liệu tinh thể hạt thô đó ứng dụng phương pháp sin2ψ để bằng phương pháp dao động trên máy tính giá trị ứng suất một cách chính nhiễu xạ X-quang kết quả thu được các xác. kết luận: Khi đo trên thiết bị dao động - Ứng suất của 9 mẫu đo có kích mẫu với các góc xoay ∆α = ±30, ±50, thước hạt khác nhau tại góc 0 ±70 cho thấy giá trị đo thực tế càng ∆α=0 có sai lệch lớn. tiến gần về đường chuẩn và đạt giá trị - Khi góc ∆α dao động tăng dần, chính xác nhất tại góc ∆α = 70 giá trị ứng suất càng ít sai lệch - Lựa chọn góc dao động ∆α= ±70, 4.2 Tổng hợp đo ứng suất các mẫu có đồ thị d-Sin2 ψ tuyến tính là thích hợp cho mẫu đo có hạt thô.
9. - Hệ số tương quan tăng dần về 1, [5] Xiang-liang Wan, Kai-ming Wu, khi tăng góc dao động ∆α cụ thể : Gang Huang, Ran Wei, and Lin Cheng, In situ observation of austenite grain growth behavior in the simulated coarse-grained heat- affected zone of Ti-microalloyed Lời cảm ơn steels, International Journal of Tác giả chân thành cảm ơn sự Minerals, Metallurgy, and Materials . giúp đỡ của Trung tâm hạt nhân TP. Vol21, Issue 9, pp 878–885, 2014 HCM trong việc hỗ trợ thí nghiệm [6] Daniel H.Herring, Grain Size and Its trong nghiên cứu này. Influence on Materials Properties, Tài liệu tham khảo The Heat Treat Doctor, 2005. [1] Nghiêm Hùng, Kim loại học và nhiệt [7] ASTM E112-12, Standard Test luyện, NXB. Giáo dục, 1993. Methods for Determining Average [2] Le Chi Cuong, Murakami Yuichi. X- Grain Size, ASTM International, ray stress determination for coarse- 2012, grained materials with separation of [8] M.E.Fitzpatrick, .T.Fry,P.Holdway, doublet kα line. Journal of Science & F.A. Kandil, J.Shackleton and L. Technology, Vol. 101, pp.182-187, Suominen, Determination of Residual 2014. Stresses by X-Quang Diffraction [3] Osamu Takakuwa, Hitoshi Soyama, Measurement Good Practice Guide. Optimizing the Conditions for No. 52 , 2005. Residual Stress Measurement Using a [9] Erik Khzouz, Professor Richard D. Two-Dimensional XRD Method with Sisson Jr. Grain Growth Kinetics in Specimen Oscillation, Department of Steels, Worcester Polytechnic Nanomechanics. Advances in Institute, April 28, 2011 Materials Physics and Chemistry. Vol. 3, pp. 8-18, 2013 [4] Osman Anderoglu, B.S. Residual Stress Measurement Using X-ray Diffraction. Master Thesis, 2004
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.