nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ xquang

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


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


LÝ LỊCH KHOA HỌC
C
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢ
ƯỢC
ng Thanh Linh
Họ & tên: Đặ
Đặng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27 – 10 – 1980

Nơi sinh: Long An

Quê quán: Thị trấn Hiệp Hòa – Đức Hòa – Long An

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 808 lô C2 Chung cư Lý Thường Kiệt – Phường 7 – Quận 11 –
Tp.Hồ Chí Minh.
Điện thoại di động: 0939064063
E-mail:
Á TR
O T ẠO
II. QU

QUÁ
TRÌÌNH ĐÀ
ĐÀO
1. Trung học chuy
chuyêên nghi
nghiệệp:
Nơi học: Trường Cao đẳng Công nghiệp 4 – Số 12, Nguyễn Văn Bảo, phường
4, quận Gò Vấp, Tp.Hồ Chí Minh.
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy
2. Đạ
Đạii 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. Th
Thạạc 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


ữ: Anh Văn B1 (Khung tham chiếu Châu Âu).
4. Tr

Trìình độ ngo
ngoạại ng
ngữ
Á TR
ÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHI
ỆP
III. QU
QUÁ
TRÌÌNH CÔNG TÁC CHUY
CHUYÊ
NGHIỆ
ĐẠ
ĐẠII HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

ii

Công việc đảm nhiệm


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan luận văn tốt nghiệp này là công trình do chính tôi nghiên cứu
và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà
không trích dẫn nguồn gốc.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 10 năm 2015

iii


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 hoàn
thành sau hai năm học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp.HCM. Ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, trong quá trình nghiên cứu và
thực hiện tôi đã gặp không ít khó khăn. Để đạt được thành quả ngày hôm nay, tôi đã
rất may mắn khi nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ của tất cả mọi người xung
quanh. Vì vậy, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến:
�

Thầy PGS.TS Lê Chí Cương và thầy PGS.TS Đặng Thiện Ngôn đã rất tâm

huyết, nhiệt tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu.
�

Quý thầy, cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh đã tận tình

giảng dạy, truyền đạt kiến thức trong thời gian tôi học tập tại trường.
�

Công 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 tôi

trong hai năm học vừa qua.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

iv


TÓM TẮT
Lớp màng mỏng Crôm trên nền thép các bon trung bình được tạo thành từ
phương pháp mạ điện. Chiều dày lớp màng mỏng Crôm 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 có 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 Crôm tại mặt nhiễu xạ {211}. Từ biểu đồ quan
hệ B – N giữa FWHM và số chu kỳ mỏi ta có thể dự đoán được tuổi thọ của các chi
tiết máy có lớp Crôm tăng bền bề mặt.

v

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


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
TÓM TẮT...................................................................................................................v
MỤC LỤC................................................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH........................................................................................xi
DANH SÁCH CÁC BẢNG.....................................................................................xiii
ươ
ng 1: TỔNG QUAN
Ch
Chươ

ương
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
ươ
ng 2: CƠ SỞ LÝ THUY
ẾT.............................................................................5
Ch
Chươ
ương
THUYẾ
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 Crôm.....................................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 Crôm...............................................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


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
ươ
ng 3: ĐỀ XU
ẤT THI
ẾT KẾ CHI TI
ẾT MẪU VÀ TẠO MÀNG MỎNG
Ch
Chươ
ương
XUẤ
THIẾ
TIẾ
ÔM TR
ÊN NỀN TH
ÉP C45 BẰNG PH
ƯƠ
NG PH
ÁP MẠ ĐIỆN...............40
CR
CRÔ
TRÊ
THÉ
PHƯƠ
ƯƠNG
PHÁ
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 Crôm bằng phương pháp mạ điện...................................42
3.2.1. Chuẩn bị mẫu.......................................................................................42

3.2.2. Tính toán chế độ mạ Crôm...................................................................43
ươ
ng 4: TH
ỆM MỎI UỐN VÀ NHI
ỄU XẠ TIA X...........................47
Ch
Chươ
ương
THÍÍ NGHI
NGHIỆ
NHIỄ
4.1. Thí nghiệm mỏi uốn...................................................................................47
4.1.1. Máy Thí nghiệm mỏi uốn....................................................................47
4.1.2. Tính toán 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 toán góc nhiễu xạ.........................................................................57
ươ
ng 5: KẾT QU
Ả VÀ TH
ẢO LU
ẬN............................................................68
Ch
Chươ
ương
QUẢ
THẢ

LUẬ
5.1. Kết quả........................................................................................................68
5.2. Thảo luận....................................................................................................68
ỆU THAM KH
ẢO......................................................................................70
TÀI LI
LIỆ
KHẢ

viii


Ữ VI
ẾT TẮT
DANH SÁCH CÁC CH
CHỮ
VIẾ
λ

Chiều dài sóng của tia X

θ ,θ 0

Góc Bragg khi có và không có ứng suất

2θ

Góc 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

Mô-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

Góc 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

Góc giữa pháp tuyến của mặt nhiễu xạ hoặc tia X tới với pháp tuyến của
mẫu trong phương pháp nhiễu xạ nghiêng Iso

η0

Góc 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

Góc 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

Góc 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 có và không có hiệu chỉnh hệ số LPA

µ

Hệ số hấp thu tuyến tính

ix


I0 , I

Cường độ tia X tới và tia X nhiễu xạ

M,N

Hệ số góc và hệ số chặn của đường thẳng trong biểu đồ Sin2ψ

li

Nghịch đảo của hệ số LPA

a, b, c

Các thông số mạng tinh thể

aijX,Y

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 ô đơn vị của tinh thể đơn
R

Bán kính giác kế

c

Vận tốc ánh sáng trong chân không

B, β2θ

Bề rộng một nửa đỉnh phổ nhiễu xạ

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1
2.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi của kim loại.........................................................5
Hình 2.2
2.2: Đường cong mỏi Wöhler............................................................................6
Hình 2.3
2.3: Đường cong phá hủy mỏi thép C45 dạng phương trình Stussi..................7
Hình 2.4
2.4: Những nơi có tập trung ứng suất..............................................................11
Hình 2.5
2.5: Các pha trên đường cong mỏi Wöhler......................................................12
Hình 2.6
2.6: Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi...................................................13
Hình 2.7
2.7: Sơ đồ hệ mạ điện......................................................................................16
Hình 2.8
2.8: Kỹ thuật bố trí anot để lớp mạ đồng đều..................................................19
Hình 2.9
2.9: Dùng màn che để phân bố lại dòng điện..................................................20
Hình 2.10
2.10: Lớp mạ Crôm cứng................................................................................22
Hình 2.11
2.11: Lớp mạ Crôm mỏng đặc.........................................................................23
Hình 2.12
2.12: Đo độ bám dính lớp mạ theo phương pháp bẻ gập 900..........................26
Hình 2.13
2.13: Sơ đồ đo độ bám dính bằng phương pháp tách cơ học..........................27
Hình 2.14
2.14: Sơ đồ nguyên lý ống phát tia X..............................................................27
Hình 2.15

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
2.16: Đường hấp thụ tia X...............................................................................29
Hình 2.17
2.17: Xây dựng hình học của vectơ tán xạ......................................................30
Hình 2.18
2.18: Phương trình Bragg từ phương diện hình học........................................32
Hình 2.19
2.19: Hiệu chỉnh nền của đường nhiễu xạ.......................................................34
Hình 2.20
2.20: Phương pháp nửa bề rộng.......................................................................36
Hình 2.21
2.21: Phương pháp trọng tâm..........................................................................37
Hình 2.22
2.22: Vạch nhiễu xạ bị dịch chuyển và mở rộng do ứng suất.........................37
Hình 3.1
3.1: Mô hình máy tạo mỏi đa năng..................................................................40
Hình 3.2
3.2: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn....................................................................41
Hình 3.3
3.3: Sơ đồ chất tải lên mẫu đường kính quay tròn với tần số ω, 1/s................41
Hình 3.4
3.4: Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm...............................................................42

xi


Hình 3.5
3.5: Mẫu thí nghiệm sau khi gia công bằng phương pháp cắt dây..................43

Hình 3.6
3.6: Mẫu thí nghiệm sau khi mạ Crôm............................................................45
Hình 3.7
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


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1
2.1: Số liệu Nf của một số kim loại...................................................................6
Bảng 2.2
2.2: Số liệu thực nghiệm kích thước hạt ảnh hưởng đến độ bền mỏi................9
Bảng 2.3
2.3: Giá trị tới hạn Katb của một số vật liệu.....................................................15
Bảng 2.4
2.4: Đương lượng điện hóa K của các kim loại..............................................18
Bảng 2.5
2.5: Bán kính hạt tinh thể theo thang 12.........................................................20
Bảng 2.6
2.6: Các dung dịch mạ Crôm...........................................................................24
Bảng 2.7
2.7: Các vật liệu chế tạo anot..........................................................................29

Bảng 2.
2.88: Hằng số mạng của một số kim loại có cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC)
và lập phương tâm khối (BCC).................................................................................32
Bảng 2.9
2.9: Khoảng cách phẳng d giữa các mặt tinh thể............................................33
Bảng 2.10
2.10: Hệ số A của phương pháp Ω và ψ .........................................................34
Bảng 2.11
2.11: Hằng số Scherrer của một vài dạng tinh thể..........................................38
Bảng 3.1
3.1: Các thành phần nguyên tố của thép C45..................................................42
Bảng 3.2
3.2: Dung dịch mạ và chế độ mạ.....................................................................44
Bảng 3.3
3.3: Chiều dày lớp mạ đo bằng phương pháp ET............................................45
Bảng 4.1
4.1: Thông số kỹ thuật của máy.......................................................................47
Bảng 4.2
4.2: Kết quả của thí nghiệm mỏi uốn..............................................................54

xiii


ươ
ng 1
Ch
Chươ
ương

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 có trị số nhỏ hơn giới hạn bền,
thậm chí còn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đó. Tuy nhiên nó lại
gây ra những dạng hư hỏng trầm trọng nhất, không 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 có thể hạ thấp giới hạn mỏi của chi tiết. Trong kỹ thuật ngoài việc chọn
vật liệu chế tạo có 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 công nghệ. Bên cạnh
biện pháp chế tạo người ta còn dùng những biện pháp công nghệ nhằm nâng cao
chất lượng bề mặt của chi tiết. Ðối với các chi tiết chịu uốn hoặc xoắn, ứng suất ở
mặt ngoài lớn nhất, sự phát sinh và phát triển những vết nứt về mỏi thường bắt đầu
từ mặt ngoài, cho nên công nghệ xử lý bề mặt càng được quan tâm do nó có ý nghĩa
quan trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu. Một trong những giải
pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như
chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt...Có thể kể đến các phương pháp xử lý bề
mặt thường dùng như nhiệt luyện, hoá nhiệt luyện, tạo các lớp phủ lên bề mặt (Mạ,
nhúng, phun phủ…).
Công nghệ tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thực chất là tạo ra màng mỏng (thin
film) lớp vật liệu rắn có 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, còn phải tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, loại vật
liệu tạo màng, điều kiện về thiết bị và khả năng công nghệ để lựa chọn phương pháp
phù hợp. Các phương pháp tạo màng mỏng đang được sử dụng rộng rãi bao gồm:

1


Phương pháp tạo màng mỏng

Phương pháp vật lý

Phương pháp nhiệt

Bốc
bay
chân
không

Laser

Phương pháp phún xạ

Epitaxy
chùm
phân
tử

Phương pháp hóa học

Quá trình ion

Mạ
ion

CVD
Plasma

CVD

Laser

CVD
Nhiệt

Sol - Gel

Bốc
bay
phản
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 nó. 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 ô tô, lớp mạ phủ Crôm làm tăng độ cứng bề mặt, giảm ma sát, chống mài
mòn cho các chi tiết dạng trục do nó là kim loại cứng, giòn, có độ nóng chảy cao.
Bề mặt Crôm được bao phủ bởi một lớp màng mỏng Cr2O3, nên có ánh bạc và khả
năng chống trầy xước cao. Với những đặc tính vượt trội đó, trong thời gian qua đã
có nhiều công trình nghiên cứu về màng mỏng Crôm như:
−

Thí nghiệm và khảo sát số học về lớp Crôm cứng chống ăn mòn 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 dòng điện phân, mật độ vết nứt và ứng suất dư kéo; làm rõ vai trò
của vết nứt tế vi khi ứng suất dư phát triển; tìm ra phương pháp để cải thiện tính
toàn vẹn kết cấu của lớp mạ Crôm cứng.
−

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt lên biên dạng xung của dòng điện phân, ứng suất

dư của lớp mạ Crôm [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 đoán sự phá hủy ban đầu. Để phát hiện vết nứt ban đầu từ sự thay đổi

2


của ứng suất dư là rất khó vì nó thay đổi không 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
phóng 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 Crôm [31]. Bài báo này trình bày kết quả

nghiên cứu về sự thay đổi ứng xử của Crôm 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 đó, phương pháp nhiễu xạ tia X đóng vai trò quan trọng. Nó đánh giá
sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của lớp Crôm tăng cường bề mặt trong quá trình làm

việc. Đây là một việc làm mới, khó khăn, đòi 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. Nó
không chỉ đo ứng suất mà còn trở thành một phần của khoa học vật liệu và cũng là
công cụ không thể thiếu trong công nghiệp và kỹ thuật.
1. Mục ti
tiêêu đề tài
Sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X để khảo sát trạng thái mỏi của màng
mỏng Crôm trên nền thép C45.
ng và ph
2. Đố
Đốii tượ
ượng
phạạm vi nghi
nghiêên cứu
Đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là lớp màng mỏng Crôm. Phạm
vi nghiên cứu là đánh giá sự biến đổi trong mạng tinh thể của màng mỏng Crôm
cứng trên nền thép C45 chịu uốn.
3. Phươ
ng ph
ương
phááp nghi
nghiêên cứu
−

Dựa vào các lý thuyết màng mỏng và các nghiên cứu đã được công bố trên tạp

chí khoa học kỹ thuật quốc tế.
−

Dựa vào các tài liệu hiện có 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 Crôm.

3


−

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 đó dựa vào lý thuyết về nhiễu xạ và xử lý số
liệu nhiễu xạ để xác định độ biến dạng của màng mỏng Crôm.
4.T
4.Tíính 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 đó giúp ta hiểu biết về ứng xử của màng mỏng Crôm và có cái nhìn
đầy đủ, chính xác về độ bền cơ học, góp phần dự đoán tuổi thọ chi tiết máy, công
trình, tránh được những sự cố, tai nạn.
5. Kết cấu của lu
luậận văn tốt nghi
nghiệệp

−

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 Crôm 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


ươ
ng 2
Ch
Chươ
ương

ẾT
CƠ SỞ LÝ THUY
THUYẾ
2.1. Cơ sở lý thuy
thuyếết mỏi
ng mỏi của kim lo
ại
2.1.1. Hi
Hiệện tượ
ượng
loạ
ng mỏi
a. Hi
Hiệện tượ
ượng
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 đó các vết nứt mỏi phát triển dẫn tới sự phá hủy mỏi của
vật liệu.

á hủy mỏi ở kim lo
ại [27]
Hình 2.1: Sự tích lũy ph
phá
loạ
ới hạn mỏi
b. Gi
Giớ
Giới hạn mỏi của vật liệu (Sr) ở một điều kiện nào đó 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

không bị phá hủy. Mỗi vật liệu có số chu kỳ ứng suất cơ sở (Nf) riêng.

5


ại [1]
Bảng 2.1: Số li
liệệu Nf của một số kim lo
loạ
STT

Lo
ại vật li
Loạ
liệệu

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

ng cong mỏi
c. Đườ
Đường
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 Wöhler:
S = f (N )

(2.1)

Số chu kỳ N gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất.

Hình 2.2: Đườ
ng cong mỏi Wöhler [1]
Đường
Qua đường cong mỏi ta có 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 đó, 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 có hơn 10
công thức toán học biểu diễn đường cong mỏi.

6


Một số dạng phương trình thường gặp [1]:
aσ a .N = C

(2.2)

σ a .N d = C1

(2.3)

(σ a − σ r )(N − B )m = C2

(2.4)

Hoặc phương trình mỏi của Stussi:
σ T + CN P .σ F
σE =
1 + CN P

(2.5)

Trong đó:
A, d, m, B, C, C1, C2: Các thông số của phương trình
N: Số chu kỳ chất tải
σa: Biên độ ứng suất
σr: Giới hạn mỏi của vật liệu ở chu kỳ ứng suất r
σE: Ứng suất ứng với số chu kỳ N
σF: Giới hạn mỏi của vật liệu
σT: Giới hạn bền kéo tĩnh
C và P: Các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu

ng cong ph
á hủy mỏi th
ươ
ng tr
Hình 2.3: Đườ
Đường
phá
théép C45 dạng ph
phươ
ương
trìình Stussi [1]

7


ững yếu tố ảnh hưở
ng đế

n độ bền mỏi
2.1.2. Nh
Nhữ
ưởng
đến
ng của bản ch
a. Ảnh hưở
ưởng
chấất vật li
liệệu
ng của lệch mạng
Ảnh hưở
ưởng
ng:

−
�

Độ bền lý thuyết của kim loại được xác định từ điều kiện biến dạng hoặc phá

hủy trong vùng đàn hồi của mạng lý tưởng đa tinh thể, trong đó ngoại lực tác dụng
đối ứng với liên kết nguyên tử. Độ bền lý thuyết được tính theo công thức:
1

σ max

⎛ EU s ⎞ 2
⎟⎟
= ⎜⎜
⎝ r0 ⎠

(2.6)

Trong đó:
E: Mô-đun đàn hồi Young (kG/mm2)
Us: Năng lượng bề mặt (kG/mm2)
R0: Khoảng cách giữa các nguyên tử (mm)
Và theo J.K.Mackenzil, N.F.Mott thì ứng suất trượt tương đối giữa 2 mặt
phẳng nguyên tử trong tinh thể là:
τT =

G
30

(2.7)

G: Gradient ứng suất tuyệt đối
�

Độ bền kỹ thuật là sức chống lại biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo và sự

phá hủy của vật rắn thực. Độ bền kỹ thuật được xác định bằng thực nghiệm.
O.Vingsbo, Y.Bertrom, G.Lagerberg đã tìm ra công thức phản ánh ảnh hưởng của
lệch mạng tới sức chống phá hủy mỏi:
σ a = σ 0 + αbG ρ

(2.8)

Trong đó:
σ0: Ứng suất ma sát trượt

α: Hệ số giảm bền vì lệch mạng
G: Mô-đun đàn hồi trượt
B: Vec-tơ Burger
ρ: Mật độ lệch mạng (ρ = L/V)
L: Tổng chiều dài lệch mạng trong tinh thể; V: Thể tích tinh thể

8


ng của tổ ch
ức tế vi - Độ hạt:
Ảnh hưở
ưởng
chứ

−
�

Tổ chức tế vi do quá trình công nghệ luyện kim hay quá trình xử lý nhiệt quyết

định. Những quá trình này tạo ra cấu trúc hạt khác nhau làm ảnh hưởng lớn đến sức
chống mỏi của vật liệu, làm giới hạn mỏi giảm từ 1.7 ÷ 2 lần.
�

Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến độ bền mỏi, giữa chúng có mối liên hệ

theo phương trình:
1

(2.9)

σ F = σ iF + K F h02

Với:
σiF, KF: Các hằng số của vật liệu
h0: Kích thước trung bình của hạt
Kết quả thực nghiệm của G.M.Sinclair, W.J.Craig tiến hành trên mẫu đồng
thau có độ hạt khác nhau:
ực nghi
ướ
ng đế
n độ bền mỏi [1]
Bảng 2.2: Số li
liệệu th
thự
nghiệệm kích th
thướ
ướcc hạt ảnh hưở
ưởng
đến
Số
thứ
tự
1

Kích thước
trung bình
của hạt h0
(mm)
0.00185

So sánh

Giới hạn
chảy σv=σ0,2
(kG/mm2)

Giới hạn mỏi
σv=σ0,2
(kG/mm2)

h0 j h01

σ -1j/σ –l0

47.70

28.10

1.000

1.000

2

0.00205

37.80

21.10

1.108

0.751

3

0.00295

23.90

16.90

1.595

0.601

4

0.01200

4.86

15.40

6.486

0.548

5

0.02600

1.97

11.90

14.054

0.423

6

0.05100

1.56

9.85

27.568

0.351

Từ bảng số liệu ta thấy, khi kích thước hạt tăng lên 70 lần thì giới hạn bền mỏi
giảm đi hơn 3 lần.
ng của ch
ọng
b. Ảnh hưở
ưởng
chếế độ tải tr

trọ
Các vật liệu làm việc trong điều kiện tải trọng không ổn định thường gây ra
những ứng suất khác nhau dẫn đến sự phá hủy mỏi không theo quy luật tuyến tính,
thực nghiệm cho thấy:

9


v

ni

∑N
i =1

=a

với 0.15 ≤ a ≤4

(2.10)

i

Sự phản ứng của vật liệu đối với các phổ tải trọng rất khác nhau và việc đưa ra
một quy luật chung cho mọi trường hợp là không thực hiện được. Các quan sát cũng
cho thấy, nếu chất tải cho mẫu rồi cho mẫu nghỉ thì khả năng chống mỏi của mẫu
tăng sẽ lên.
−

ng của dạng tr

ái ứng su
ất:
Ảnh hưở
ưởng
trạạng th
thá
suấ
�

Ảnh hưởng của dạng chất tải hay dạng trạng thái ứng suất do hai yếu tố gây ra

đó là sự thuần nhất của trạng thái ứng suất và mối tương quan của các ứng suất
chính.
�

Trạng thái ứng suất mà ở đó các trị số của ứng suất chính thay đổi theo từng

thời điểm trên mặt cắt của mẫu hoặc chi tiết máy được gọi là trạng thái ứng suất
không thuần nhất. Đại lượng đặc trưng cho mức độ không thuần nhất của trạng thái
ứng suất là Gradient ứng suất tuyệt đối G hoặc Gradient ứng suất tương đối G .
−

ng của tần số tải tr
ọng:
Ảnh hưở
ưởng
trọ
�

Những máy móc thông thường làm việc với tần số 10000 vòng/phút (≈ 167Hz)

hoặc thấp hơn, ở những máy chuyên dùng, các chi tiết máy chịu lực làm việc ở tần
số cao hơn. Cánh máy nén khí từ 200 ÷ 2000Hz, các cánh tua-bin từ 500 ÷ 3000Hz,
cánh tua-bin động cơ tên lửa từ 700 ÷ 10000Hz. Quan sát thực nghiệm cho thấy, sự
phá hủy mỏi của các cánh tua–bin xuất hiện khi tần số tải trọng đạt đến 25 ÷ 30kHz.
−

ng của hình dạng kết cấu:
Ảnh hưở
ưởng
Hình dạng kết cấu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi, nghĩa là ảnh hưởng đến

khả năng làm việc của chi tiết máy khi chịu ứng suất thay đổi. Dưới tác dụng của tải
trọng, ở những chổ tiết diện chi tiết máy thay đổi như góc lượn, rãnh then, lỗ...có sự
tập trung biến dạng, do đó có sự tập trung ứng suất. Tại đây, ứng suất thực tế lớn
hơn ứng suất danh nghĩa.

10