Nghiên cứu xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN
MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Đà Nẵng - Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN DƯƠNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN
MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP
TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 85.20.10.3

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. TÀO QUANG BẢNG

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi dưới sự hướng dẫn chính
của TS. Tào Quang Bảng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực
và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tài liệu sử dụng tham
khảo được sử dụng đúng mục đích.
Người cam đoan

Lê Văn Dương


NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU
THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG
QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN
Học viên: Lê Văn Dương
Mã số: 8.52.01.03 Khóa: 2019

Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt– Với sự tiến bộ của cơng nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết và thiết
bị kỹ thuật mới được chế tạo ngày càng trở nên nhỏ hơn, ít tốn kém và với tuổi thọ
dài hơn. Trước khi các thành phần này được đưa vào sử dụng trong ứng dụng thực tế,
các đặc tính của chúng ở tỉ lệ vi mơ phải được thí nghiệm, tính tốn phân tích ở tỉ lệ
tương đương. Đối với các thiết bị điện tử, việc xác định cơ tính của mối hàn có ý
nghĩa rất quan trọng và, hiện nay, có nhiều loại thiết bị và kỹ thuật thí nghiệm được
các nhà nghiên cứu sử dụng để đưa ra cơ tính ứng với mỗi loại vật liệu hàn khác nhau.

Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng
không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu. Do đó, việc phát
triển kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự
quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những phương pháp mới
được đưa ra để giải quyết tồn tại đó là phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image
Correlation (DIC). Vì vậy, trong nghiên cứu này, phương pháp tương quan ảnh số sẽ
được sử dụng để xác định trường biến dạng trên tồn bộ cấu kiện. Chúng tơi phát triển
một thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định
trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Bên cạnh đó, các
thơng số cơ bản của vật liệu hàn xuất ra từ phương pháp tương quan ảnh số sẽ được
so sánh với kết quả từ các cảm biển lực và chuyển vị để kiểm chứng. Ngoài ra, xác
định các thông số của vết nứt như hệ số cường độ ứng suất và đường đi của vết nứt
cũng được thực hiện trong đề tài này.
Từ khóa – Trường biến dạng, DIC, Phương pháp tương quan ảnh số, vật liệu
hàn, Cơ tính


FULL-FIELD STRAIN MEASUREMENT OF SOLDER
MATERIAL USING DIGITAL IMAGE CORRELATION AND
FINITE ELEMENT METHOD
Abstract: Up to date, with the advance of micro-fabrication, many new engineering
components are becoming smaller and smaller, less expensive, and with longer life
expectancy. Therefore, before these components are used in engineering applications,
their performance at the micro-scale must be experimentally characterized at the
equivalent size scale. For electronic packaging, nowadays, numerous investigations
have so far been dedicated to the determination of solder joint’s mechanical properties
such as their creep response under thermo-mechanical loading. There are a broad
variety of experimental devices and techniques that researchers have employed for
the studying of different types of solders. However, many studies have been indicated
that the strain measurement techniques currently used do not offer enough

information on the failure mechanism. Therefore, a new testing technique called
Digital Image Correlation (DIC) has been developed for the measurement of full-field
strain over the entire specimen. Thus, in this study, an experimental apparatus is
designed with complemented imaging equipment, giving the ability to perform DIC
for full-field measurements on a novel electronic InnoLot solder material.
Furthermore, material parameters of the solder materials at different testing
conditions are extracted from DIC data. The results obtained from DIC are then
compared with the measures obtained from several conventional techniques. In
addition, some fracture parameters as well as crack propagation are extracted from
DIC method.
Key words – Full-field strain measurement, DIC, Digital Image Correlation, Solder
materials, Mechanical Properties.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................
MỤC LỤC ........................................................................................................................
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.......................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.....................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 2
1.1.Đặt vấn đề ................................................................................................................. 2
1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................. 2
1.2.1.Ngoài nước ............................................................................................................ 2
1.2.2.Trong nước. ........................................................................................................... 5
1.3.Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu. ........................................................................... 5
1.4.Mục tiêu của đề tài.................................................................................................... 5
1.5.Nội dung nghiên cứu. ............................................................................................... 5
1.6.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ........................................................................... 6

1.6.1.Đối tượng nghiên cứu. ........................................................................................... 6
1.6.2.Phạm vi nghiên cứu. .............................................................................................. 6
1.7.Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 6
1.8.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. ................................................................................. 6
1.8.1. Ý nghĩa khoa học: ................................................................................................. 6
1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn. ................................................................................................. 7
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN .................................................................................................. 8
2.1. Phương pháp tương quan ảnh số (DIC) .................................................................. 8
2.1.1. Giới thiệu chung về DIC ...................................................................................... 8
2.1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC). ................................... 9
2.1.2. Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp DIC .................................................... 11
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................... 14
2.2.1. Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................... 14
2.2.2. Các giai đoạn của bài toán phần tử hữu hạn ....................................................... 17
2.3. Lý thuyết đàn hồi, cơ học rạn nứt .......................................................................... 18
2.3.1. Lý thuyết đàn hồi ................................................................................................ 18
2.3.2. Cơ học rạn nứt .................................................................................................... 22
2.4. Giới thiệu chung về phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks .............................. 27
2.4.1. HyperMesh ......................................................................................................... 27


2.4.2. HyperViews ........................................................................................................ 28
2.4.3. HyperGraph ........................................................................................................ 28
2.4.4. HyperCrash ......................................................................................................... 29
2.4.5. Radioss................................................................................................................ 30
2.4.6. Optistruct ............................................................................................................ 30
2.4.7. MotionView ........................................................................................................ 31
2.4.8. Simlab ................................................................................................................. 31
2.5. Ứng dụng phương pháp DIC trong nghiên cứu sự phát triển của vết nứt. ............ 32

2.6. Kết luận.................................................................................................................. 33
CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ Q TRÌNH THÍ NGHIỆM .................................. 34
3.1. Vật liệu và chi tiết thí nghiệm ............................................................................... 34
3.1.1. Vật liệu hàn ......................................................................................................... 34
3.1.2. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm .................................................................. 34
3.2. Hệ thống máy thí nghiệm DIC. ............................................................................. 38
3.3. Kết luận.................................................................................................................. 39
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 40
4.1. Xác định trường biến dạng .................................................................................... 40
4.2. Xác định đường đi vết nứt ..................................................................................... 43
4.3. Xác định các thơng số vết nứt ............................................................................... 44
4.3.1. Phương pháp bình phương nhỏ nhất.................................................................. 44
4.3.2. Áp dụng số ......................................................................................................... 45
4.4. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................. 48
4.4.1. Xây dựng mơ hình Cad và Import dữ liệu Cad vào phần mềm. ......................... 49
4.4.2. Phần xử lý mơ hình phần tử hữu hạn. ............................................................ 50
4.4.3. Giải bài toán........................................................................................................ 53
4.4.4. Truy xuất kết quả. ............................................................................................... 53
4.5. Kết luận.................................................................................................................. 54
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 55
5.1. Kết luận.................................................................................................................. 55
5.2. Hướng phát triển .................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 56


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Phương pháp số trong nghiên cứu sự lan truyền vết nứt trong mối hàn ........ 7
Hình 1.2. Máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ (a) và hệ thống DIC (b) .......................... 7
Hình 2.1. (a) Phương pháp DIC, (b) tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt .......... 10
Hình 2.2. Phương pháp tương quan ảnh số .................................................................. 12

Hình 2.3. Phương pháp tương quan ảnh số trong thí nghiệm kéo ................................ 12
Hình 2.4. Phương pháp tương quan ảnh số trong xác định đường đi vết nứt .............. 13
Hình 2.5. Phương pháp tương quan ảnh số trong địa kỹ thuật ..................................... 13
Hình 2.6. Phương pháp tương quan ảnh số trong y sinh .............................................. 14
Hình 2.7. Các phương pháp giải quyết vấn đề kỹ thuật ............................................... 15
Hình 2.10. Phần tử hai chiều. ....................................................................................... 17
Hình 2.11. Phần tử ba chiều. ........................................................................................ 17
Hình 2.12. Các thành phần ứng suất ............................................................................. 18
Hình 2.13. Mơ hình bài tốn ứng suất phẳng ............................................................... 19
Hình 2.14. Biên S của vật thể ....................................................................................... 21
Hình 2.15. Các kiểu hình thành vết nứt ........................................................................ 22
Hình 2.16. Vết nứt trong trường hợp ứng suất kéo ...................................................... 23
Hình 2.17. Tổng quan về HyperMesh. ......................................................................... 27
Hình 2.18. Tổng quan về HyperView .......................................................................... 28
Hình 2.19. Tổng quan về HyperGraph. ........................................................................ 29
Hình 2.20. Tổng quan về HyperCrash .......................................................................... 29
Hình 2.21. Tổng quan về Radioss ................................................................................ 30
Hình 2.22. Tổng quan về Optistruct ............................................................................. 30
Hình 2.23. Tổng quan về MotionView ......................................................................... 31
Hình 2.24. Tổng quan về Simlab .................................................................................. 31
Hình 3.1. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm ............................................................ 35
Hình 3.2. Chi tiết thí nghiệm ........................................................................................ 35
Hình 3.3. Hệ thống xử lý bề mặt chi tiết ...................................................................... 36
Hình 3.4. Hình ảnh trước (a) và sau khi sơn (b) ........................................................... 37


Hình 3.5. Hệ thống cung cấp ánh sáng ......................................................................... 37
Hình 3.6. Hệ thống thí nghiệm tương quan ảnh số DIC ............................................... 39
Hình 4.1. Hình ảnh sử dụng cho tính tốn DIC: ........................................................... 40
Hình 4.2. Trường biến dạng trên chi tiết thí nghiệm .................................................... 41

Hình 4.3. Sơ đồ q trình tính toán của 2 phương pháp: DIC và cảm biến ................. 41
Hình 4.4. So sánh kết quả giữa 2 phương pháp đo: sử dụng cảm biến và tương quan
ảnh số. ........................................................................................................................... 42
Hình 4.5. Đường đi của vết nứt .................................................................................... 43
Hình 4.6. Mối quan hệ giữa vị trí vết nứt và biến dạng ............................................... 44
Hình 4.7. Sự phát triển của vết nứt ............................................................................... 44
Hình 4.8. Hình dạng hình học của vùng nghiên cứu: ................................................... 46
Hình 4.9. Sự phát triển của yếu tố trong quá trình tải .................................................. 47
Hình 4.10. Tiến trình của vết nứt ở các mức tải khác nhau và biểu thị lỗi điều chỉnh
trong vùng lấy mẫu. ...................................................................................................... 47
Hình 4.11. Cấu trúc tổng thể bài toán bền trong phần mềm Hyperwork ..................... 48
Hình 4.12. Xây dựng mơ hình Cad của chi tiết thí nghiệm. ......................................... 49
Hình 4.13. Mơ hình hóa dữ liệu CAD trên hypermesh ................................................ 50
Hình 4.14. Tiêu chuẩn kích thước xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn ....................... 51
Hình 4.15. Thơng số vật liệu sử dụng phương pháp Jonhson-Cook ............................ 52
Hình 4.16. Đặt điều kiện biên trong hypermesh ........................................................... 53
Hình 4.17. Kết quả mơ phỏng trên hyperview ............................................................. 54


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thành phần hóa học của vật liệu hàn InnoLot ............................................. 34
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của CCD camera ............................................................ 38


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
U, v

Các thành phần chuyển vị của các tập hợp tham chiếu
P(x0,y0)

𝜕𝑢/𝜕𝑥, 𝜕𝑢/𝜕𝑦, 𝜕𝑣/
𝜕𝑥,𝜕𝑣/𝜕𝑦

Các gradient của chuyển vị

f i  f xi , yi 
gi  g xi, yi 

f

Biểu diễn các mức tương phản của điểm i trong tập con
tham chiếu và tập con bị biến dạng tương ứng
Biểu thị các giá trị trung bình của các mức tương phản
của hai tập con.

CZNCC

Hàm tiêu chí ZNCC

CZNSSD

Hàm tiêu chí ZNSSD

 x ,  y ,  z , xy , yz , xz

Các thành phần ứng suất

 0 

Vector biến dạng ban đầu

[C ]

Ma trận hệ số đàn hồi

E

Module đàn hồi



Hệ số possion

G

Module trượt



Hệ số giãn nhiệt

T

Độ thay đổi nhiệt độ.

fx , f y

Các lực khối (như lực trọng trường) trên một đơn vị khối
lượng.

tx , t y

Các lực trên biên theo phương x, y tương ứng

F(a/b)

Hệ số điều chỉnh so với trường hợp tấm vô hạn

KI, KII, KIII

Hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt kiểu I, kiểu II và
kiểu III tương ứng.

KIres

Hệ số cường độ ứng suất

KIC

Hệ số cường độ ứng suất ngưỡng

ch

Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu.



Module cắt

r, 
Tx , T y

R

Tọa độ cực của một điểm được đo tương ứng với
đầu vết nứt.
Đại diện cho các thành phần của dịch theo hướng x và y
Trục quay

Các từ viết tắt
FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn

DIC

Phương pháp tương quan ảnh số

CTE

Hệ số giản nở nhiệt

CTOD

Độ bền chống gãy bên trong vết nứt

SAC

Hợp kim hàn tiêu chuẩn

CAE

Computer Aided Engineering

CAD

Computer Aided design

NLS

Luật phi tuyến tối thiểu

EDM

Phương pháp cắt dây (phương pháp cắt bằng tia lửa điện)

SENT

Tiêu chuẩn Single-Edge Notched Tension


1

MỞ ĐẦU
Việc xác định các thơng số chính của vật liệu cũng như dự đoán sự phát triển của vết
nứt để kiểm soát được sự hư hại của chi tiết là cơng việc rất quan trọng. Có rất nhiều kỹ thuật
được đưa ra để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo
biến dạng hiện đang sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu.

Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại đang nên rất cần thiết và đã nhận được
sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những phương pháp mới được
đưa ra để giải quyết tồn tại đó là phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image Correlation
(DIC). Vì vậy, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu

thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn” để
thực hiện luận văn tốt nghiệp. Trong nghiên cứu này, phương pháp tương quan ảnh số sẽ
được sử dụng để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện. Chúng tơi phát triển một
thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng
trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Bên cạnh đó, các thơng số cơ bản của vật
liệu hàn xuất ra từ phương pháp tương quan ảnh số sẽ được so sánh với kết quả từ các cảm biển
lực và chuyển vị để kiểm chứng. Các thơng số vật liệu của q trình thực nghiệm sẽ được sử
dụng để đưa vào chương trình mơ phỏng, tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm
nghiệm kết quả. Ngồi ra, xác định các thơng số của vết nứt như hệ số cường độ ứng suất và
đường đi của vết nứt cũng được thực hiện trong đề tài này.

Luận văn tốt nghiệp là một phần quan trọng với tất cả nhà nghiên cứu; là sự tổng
hợp tất cả các kiến thức và góp phần cũng cố kiến thức cho học viên cao học trước khi
ra trường. Được sự hướng dẫn tận tình của TS. Tào Quang Bảng cùng với sự nổ lực
của bản thân em đã hồn thành được luận văn tốt nghiệp của mình. Tuy nhiên, do kiến
thức, kinh nghiệm, thời gian và điều kiện có hạn nên đề tài của chúng em sẽ khơng tránh
khỏi những sai sót, vì vậy em rất mong được sự thông cảm và chỉ dạy của thầy cô để
em có thể hồn thành tốt hơn.
Đà Nẵng, ngày 16 tháng 08 năm 2019
Học viên

Lê Văn Dương


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Với sự tiến bộ của công nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết (cấu kiện) và
thiết bị kỹ thuật mới được chế tạo ngày càng trở nên nhỏ hơn, ít tốn kém và với tuổi thọ
dài hơn. Trước khi các thành phần này được đưa vào sử dụng trong ứng dụng kỹ thuật,
các đặc tính của chúng ở tỉ lệ vi mơ (micro) phải được thí nghiệm, tính tốn phân tích
ở tỉ lệ tương đương. Đối với các thiết bị điện tử, việc xác định cơ tính của mối hàn có ý
nghĩa rất quan trọng và, hiện nay, có nhiều loại thiết bị và kỹ thuật thí nghiệm được các
nhà nghiên cứu sử dụng để đưa ra cơ tính ứng với mỗi loại vật liệu hàn. Tuy nhiên,
nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng không cung
cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu. Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo
đạc phân tích hiện đại trở đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự quan tâm lớn của
các nhà khoa học trên thế giới. Bên cạnh đó, trong ngành cơng nghiệp ơtơ, một loại vật
liệu hàn mới thuộc nhóm vật liệu hàn khơng chì (lead-free solders) có tên gọi là InnoLot,
đã bắt đầu được đưa vào sử dụng trong các thiết bị, chi tiết vi mạch điện tử. Tuy nhiên,
hiện nay chưa có nghiên cứu nào được xuất bản về việc kết hợp phương pháp thực
nghiệm và phần tử hữu hạn (FEM) để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện
của vật liệu InnoLot.
Vì vậy, trong đề tài này, một kỹ thuật thử nghiệm mới gọi là Digital Image
Correlation (DIC) sẽ được sử dụng để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện.
Chúng tơi phát triển một thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình
ảnh để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Kế
đến, những đặc tính của vật liệu hàn này ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau được xác
định từ dữ liệu của phương pháp DIC. Kết quả của phương pháp DIC được so sánh với
các kết quả từ các phương pháp đo đạc truyền thống. Sau cùng, dựa trên các đặc tính
nhớt dẻo của vật liệu hàn, chúng tơi tiến hành tính tốn mô phỏng số bằng phương pháp
phần tử hữu hạn để dự đoán lan truyền vết nứt cũng như biến dạng trong chi tiết mối
hàn.
1.2.

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1. Ngoài nước


3
Phương pháp DIC được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu ở Đại học Southern
Carolina (Mỹ) vào đầu những năm 1980. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phương
pháp DIC mới được quan tâm hơn để đo các trường chuyển vị và biến dạng trong nhiều
lĩnh vực ứng dụng khác nhau [1-5]. Cụ thể, nó đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và
cho các vật liệu khác nhau như vật liệu sinh học, kim loại – hợp kim, polyme, hoặc
geomaterials. Hơn nữa, sự kết hợp của DIC với việc đo (kiểm tra) độ bền tại chỗ đã
được phát triển để xác định biến dạng chi tiết ở kích thước micro và nano. Sự kết hợp
này đã được sử dụng rộng rãi để xác định trường phân bố biến dạng, trường biến dạng
gần vết nứt, các tính chất cơ học của vật liệu bao gồm module đàn hồi, hệ số Poisson
cũng như các hệ số cường độ ứng suất.
Ở khía cạnh khác, khi đo chuyển vị bên trong của thiết bị điện tử, việc xác định
biến dạng khá phức tạp. Vì thế, phương pháp quang học, và phương pháp đo khơng tiếp
xúc và đo biến dạng trên tồn bộ chi tiết thí nghiệm, thường được sử dụng bởi vì một
vùng đo nhỏ ngăn cản việc sử dụng phương pháp tiếp xúc truyền thống như cảm biến
chuyển vị (contact extensometer). Để đáp ứng được yêu cầu đó, phương pháp DIC được
sử dụng vì những ưu điểm nổi trội của nó so với các phương pháp đo truyền thống khác.
Thật vậy, ứng dụng DIC cho việc xác định đặc tính cơ-nhiệt và đánh giá độ tin cậy về
cơ-nhiệt trong thiết bị điện tử thường được áp dụng trong đo lường hệ số giản nở nhiệt
(CTE), đo vùng biến dạng của mối hàn, xác định độ bền chống gãy của vật liệu đàn hồi
và kiểm tra độ mỏi của vật rắn không đàn hồi.
Do độ phân giải của phép đo biến dạng với DIC có thể đạt đến tỉ lệ micro, hệ số
giản nở nhiệt của cấu kiện có thể thu được bằng cách tính trung bình một tập hợp của
phép đo biến dạng cục bộ từ phương pháp DIC với độ chính xác tương đương với

phương pháp phân tích cơ-nhiệt truyền thống. Hơn nữa, một số nghiên cứu đã sử dụng
phương pháp DIC để mơ tả đặc tính của vết nứt trong thiết bị điện tử. Ngoài ra, phương
pháp DIC đã được sử dụng để đo độ bền chống gãy bên trong vết nứt (CTOD) giữa các
lớp silicon và phần lõm bề mặt mối hàn. Trong những nghiên cứu này, CTOD của vết
nứt được xác định bằng phương pháp DIC khi được sử dụng để tính tốn độ bền do nứt
(fracture toughness) ở mặt phân giới. Phương pháp này cũng được sử dụng cho các thí
nghiệm kiểm tra độ bền mỏi do nhiệt ứng với chu kỳ thấp của mối hàn mà tại đó phương


4
pháp đo tương quan hình ảnh khơng tiếp xúc được sử dụng để đo sự dịch chuyển chiều
dài của mẫu thay vì một sử dụng một cảm biến đo biến dạng do tiếp xúc.
Một vài nghiên cứu sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn dựa trên mơ hình vật
liệu đơn giản được lấy từ kết quả thí nghiệm của những chi tiết thí nghiệm dạng khối
đã được cơng bố. Tuy nhiên, trong khi tính chất và đặc tính của vật liệu dạng khối có
thể được thu nhận từ những thí nghiệm với quy mơ tỉ lệ lớn, những q trình xảy ra ở
kích thước micro và nano khơng thể được mơ tả hồn tồn đúng dựa trên các thử nghiệm
với kích thước lớn. Mơ phỏng FEM khi đó cũng không thể mô tả ứng xử biến dạng thực
của mối hàn. Vì vậy, một phương pháp thực nghiệm phức tạp hơn để xác định biến dạng
cục bộ, và phân tích mô phỏng mối hàn trở nên rất cần thiết.
Hiện nay, có rất ít những nghiên cứu về việc áp dụng kỹ thuật DIC kết hợp với
phương pháp FEM trong việc xác định cơ tính của vật liệu hàn. Phương pháp DIC sử
dụng cho toàn bộ chi tiết đã được áp dụng để kiểm tra và phân tích biến dạng cục bộ
của vật liệu hàn SAC như SAC105, SAC305, SAC405, và SAC387 đã được đề cập
trong các nghiên cứu đó. Bằng cách sử dụng phương pháp DIC, việc đo biến dạng của
các mối hàn trong các vi mạch điện tử được thực hiện bằng cách kết hợp các thí nghiệm
nén và xử lý DIC. Ngồi ra, mơ hình 3D được cài đặt trong HYPERWORKS để mơ
phỏng các thí nghiệm được trình bày trong nghiên cứu này. Những tính chất cơ tính (hệ
số Poisson, module đàn hồi, …) của vật liệu hàn được trích xuất bằng cách so sánh
tương quan giữa kết quả của phương pháp tính tốn số và phương pháp thí nghiệm.

Thêm vào đó, kết quả đo từ thí nghiệm được so sánh với kết quả từ FEM cho biến dạng
của mối liên kết hàn trong mảng mạch điện tử dạng cầu PBGA) trong chi tiết dưới tác
dụng của tải trọng nhiệt chu kỳ.
Do các thiết bị điện tử trong ôtô đối mặt với nhiều thách thứ về những yêu cầu
về đặc tính cơ-nhiệt của mối hàn. Thứ nhất, các cấu kiện làm việc trong môi trường hoạt
động khắc nghiệt như nhiệt độ, rung động,…. Bên cạnh đó, trong ngành sản xuất ôtô,
người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về tuổi thọ. Tuy nhiên, các hợp kim hàn tiêu
chuẩn SAC có hiệu suất rất tốt vẫn khơng đáp ứng với các yêu cầu khắc nghiệt nhất đó.
Do đó, một hợp kim hàn mới có tên gọi là InnoLot được chế tạo ra để thích ứng với
các điều kiện khắc nghiệt đó. InnoLot được tạo ra dựa trên nền tảng của SAC387 với


5
việc bổ sung những nguyên tố có lợi như Bi, Sb và Ni [6-11]. Ngoài ra, sau khi sàng lọc
tài liệu nghiên cứu cho thấy chưa có nghiên cứu nào cho đến này được xuất bản về việc
kết hợp phương pháp DIC và mô phỏng FEM để xác định biến dạng trên toàn bộ chi
tiết của vật liệu InnoLot này.
1.2.2. Trong nước.
Hiện nay, tại Việt Nam hầu như chưa có các nghiên cứu ngồi nhóm nghiên cứu
của trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng về vật liệu hàn. Một vài nghiên cứu
của những nhà nghiên cứu đến từ Việt Nam hiện đang nghiên cứu sinh ở nước ngoài
liên quan tới việc sử dụng phương pháp DIC trong việc xác định trường ứng suất và
biến dạng của thiết bị điện tử sử dụng vật liệu hàn khơng chì SAC.
1.3.

Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu.
Sự cần thiết của nghiên cứu được trình bày cụ thể như sau:
 Trong cấu kiện điện tử, độ tin cậy của mối hàn là một lĩnh vực nghiên cứu chính

cho việc xác định độ tin cậy lâu dài của mối liên kết hàn chịu tải trọng nhiệt chu kỳ. Do

đó, cần phải có các kỹ thuật thực nghiệm để phân tích biến dạng ở kích thước micro và
cả nano.
 Trong số các kỹ thuật hiện có, kỹ thuật sử dụng kính hiển vi phóng đại cao, như
SEM, AFM, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hoặc DIC, là được sử dụng phổ
biến nhất bởi vì chúng là phương pháp đo khơng phá hủy và cho kết quả với độ chính
xác cao. Tuy nhiên, so với các phương pháp cịn lại thì phương pháp DIC dễ thiết lập
thiết bị với những thiết bị đơn giản và hoạt động với hiệu suất tính tốn cao. Do đó,
trong dự án này, chúng tơi muốn áp dụng kỹ thuật DIC tại chỗ kết hợp với mô hình phần
tử hữu hạn FEM để xác định được trường biến dạng cũng như các tính chất về cơ, lý và
nhiệt của các mối hàn ở kích thước micro.
1.4.

Mục tiêu của đề tài.
Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định được trường biến dạng trên toàn bộ mẫu

thử vật liệu hàn khơng chì mới InnoLot với độ phân giải không gian và thời gian cao
bằng sự kết hợp giữa phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phần tử hữu hạn (FEM).
1.5.

Nội dung nghiên cứu.
 Nội dung thứ nhất: Nghiên cứu lý thuyết về tương quan ảnh số và phần tử hữu

hạn.


6
 Nội dung thứ hai: Nghiên cứu thí nghiệm trên vật liệu hàn để xác định các thơng
số cơ tính cơ bản của vật liệu.
1.6.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

1.6.1. Đối tượng nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là trường biến dạng của mẫu thử vật liệu hàn.
1.6.2. Phạm vi nghiên cứu.
- Tổng quan về phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM).
- Ứng dụng phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu
hạn (FEM) trong xác định trường biến dạng của vật liệu
1.7.

Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu quy trình chế tạo cấu kiện thí nghiệm: quy trình này dựa trên quy trình

chế tạo sản phẩm thực tế (nhiệt độ, thời gian), từ đó tiến hành chế tạo chi tiết thí nghiệm
với nhiều loại khác nhau (dạng khối, dạng mối hàn, dạng vết nứt sẵn có, dạng CT).
- Thiết lập chương trình điều khiển LabVIEW để điều khiển hệ thống cũng như mơ
tả tín hiệu phát và thu của thí nghiệm.
- Thiết lập chương trình tính tốn Matlab dựa trên cơng thức tốn mơ tả phương
pháp DIC để xử lý số liệu, hình ảnh thu được từ phương pháp DIC từ đó xuất ra kết quả
trường biến dạng.
- Thiết lập chương trình tính tốn và phân tích FEM. Kết quả của q trình mơ
phỏng sẽ được so sánh với thực nghiệm.
1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
1.8.1. Ý nghĩa khoa học:
Phạm vi dự án bao gồm phạm vi khoa học hiện đại cũng như thể hiện tính sáng tạo
của nó. Nghiên cứu này với chủ đề chính là ứng dụng kỹ thuật DIC tại chỗ để xác định
được trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết cũng như các đặc tính cơ, lý, và nhiệt của
các mối hàn bao gồm các vật liệu hàn mới và truyền thống ở kích thước vi mơ.

7
Ngồi ra, dựa trên các mơ hình phần tử hữu hạn FEM và phương pháp số sẽ được
thiết lập để mơ phỏng một chi tiết cụ thể từ đó xác định được biến dạng của mối hàn
dưới điều kiện thực nghiệm khác nhau.

Hình 1.1. Phương pháp số trong nghiên cứu sự lan truyền vết nứt trong mối hàn

(a)

(b)

Hình 1.2. Máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ (a) và hệ thống DIC (b)
1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn.
Vật liệu hàn khơng chì InnoLot đã bắt đầu được sử dụng nhiều trong cấu kiện
điện tử đặc biệt là trong ngành công nghiệp ôtô vì nó có nhiều ưu điểm hơn so với các
vật liệu hàn truyền thống. Ngoài ra, các nghiên cứu ban đầu của chúng tôi đã được áp
dụng cho công ty VALEO, Pháp, công ty thiết kế các giải pháp tiên tiến cho xe điện, xe
thông minh, với trọng tâm đặc biệt là lái xe trực quan và giảm phát thải CO2. Trong
tương lai sẽ áp dụng cho các dòng xe của Trường Hải THACO.


8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
2.1. Phương pháp tương quan ảnh số (DIC)
2.1.1. Giới thiệu chung về DIC
Phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation - DIC) là một
phương pháp không tiếp xúc, không phá hủy để đo lường chuyển vị và biến dạng. Bởi

vì điều này, nó có tiềm năng tốt cho các ứng dụng trong hạt nhân nhà máy điện để thực
hiện các phép đo trên cả các thành phần và cấu trúc chủ động và thụ động. DIC có thể
đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng của nhà máy điện hạt nhân trong đó thời gian lưu
trú có thể là hạn chế hoặc khả năng truy cập các thành phần có thể bị hạn chế do các
trường bức xạ hoặc bề mặt bị ô nhiễm. DIC là một phương pháp quang học sử dụng
khớp mẫu và hình ảnh kỹ thuật đăng ký để đo lường chính xác hai và ba chiều các thay
đổi trong hình dạng của một vật phẩm đang được kiểm tra. Phương pháp này có thể
được sử dụng để đo hình dạng, biến dạng, chuyển vị, và biến dạng. Kỹ thuật DIC đã tìm
thấy ứng dụng rộng rãi trong phương pháp kỹ thuật và sản xuất để đo lường sự thay đổi
và cung cấp dịch chuyển và hiểu biết đo lường cho phân tích vật liệu và cấu trúc, xác
minh phân tích phần tử hữu hạn, và kiểm soát chất lượng.
Phương pháp tương quan ảnh số là phương pháp mạnh mẽ để phát hiện biến dạng
trên bề mặt vật liệu hoặc thành phần khác và được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng
dụng liên quan đến:


Kiểm tra vật liệu và đặc tính của nó



Nghiên cứu về sự phá hủy và mỏi



Theo dõi độ tin cậy của chi tiết



Vật liệu có thành phần hoặc hình dạng phức tạp



Đo tĩnh và động của biến dạng hoặc chuyển động.


9
2.1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC).
Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) đề cập đến một kỹ thuật đo
quang và không tiếp xúc, bao gồm các bước thu nhận, lưu trữ và tương quan hình ảnh
được phát minh kể từ những năm 1980 [12-13]. Nó tạo ra trường biến dạng trên toàn
bộ chi tiết theo tất cả các hướng. Phương pháp DIC đã phát triển thành một kỹ thuật cho
thử nghiệm cơ học tại chỗ với độ nhạy cao.
DIC 2-D trong mặt phẳng xuất phát từ khái niệm camera theo dõi chuyển động
tính năng trên bề mặt mẫu. Cảm biến camera tập trung vào bề mặt vật thể phẳng để ghi
lại hình ảnh của mẫu vật dưới các tải khác nhau. Mẫu vật được sơn hoặc phun với các
mẫu màu đen và trắng làm các tính năng để cung cấp cho mỗi pixel một giá trị màu xám
nằm trong khoảng từ 0 (đen) đến 255 (trắng). Các nguồn sáng rất quan trọng để chiếu
sáng các tính năng trắng và đen trên bề mặt mẫu. Ngồi ra, đơn vị tính tốn cơ bản là
tập hợp con, bao gồm một vài pixel. Bằng cách nhóm nhiều pixel vào một tập hợp con,
nó có khả năng tương quan và nhận ra hình dạng và độ dịch chuyển của mọi tập hợp
con. Biến dạng cắt có thể được chứng minh thơng qua so sánh hình dạng tập hợp con.
DIC 2-D đạt được độ chính xác đo 0,02 pixel.
Kỹ thuật tương quan ảnh số bao gồm so sánh các hình ảnh bị biến dạng của bề mặt
mẫu với hình ảnh tham chiếu thu được trước khi biến dạng. Thuật tốn tương quan địi
hỏi các hình ảnh bề mặt phải được "mịn", thu được bằng phương pháp lốm đốm. Mẫu
được sơn bằng máy phun với đường kính vòi phun 0,2 mm. Đầu phun này được điều
chỉnh để tạo ra trên các đốm nhỏ một bề mặt đủ mịn (đốm sơn kích thước nhỏ milimet).
Hình ảnh tham chiếu được chia thành các tập hợp con có vị trí được xác định trên
các hình ảnh bị biến dạng. Xem xét một tập hợp con tập trung vào điểm Px0 , y0  trong
ảnh tham chiếu (xem hình …..). Một điểm Qxi , yi  trong tập hợp con này trở thành điểm

Qxi, yi  sau khi biến dạng trong tập hợp con đích bằng cách biến đổi sau:


10

u
u
x  y
x
y
v
v
yi  yi  v  x  y
x
y

xi  xi  u 

(2.24)

Trong đó:
u và v là các thành phần chuyển vị của các tập hợp tham chiếu P(x0,y0)
𝜕𝑢/𝜕𝑥, 𝜕𝑢/𝜕𝑦, 𝜕𝑣/𝜕𝑥,𝜕𝑣/𝜕𝑦: là các gradient của chuyển vị
∆𝑥 = 𝑥𝑖 − 𝑥0 , ∆𝑦 = 𝑦𝑖 − 𝑦0 .
Để ước tính mức độ tương tự giữa tập hợp tham chiếu và tập hợp con bị biến dạng,
hệ số tương quan được tính theo một tiêu chí cụ thể từ tập hợp các điểm của tập hợp
con. Bằng cách tìm kiếm giá trị cực trị của hệ số này, có thể xác định được độ dịch
chuyển của điểm P.

(a)

(b)

Hình 2.1. (a) Phương pháp DIC, (b) Tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt
Phần mềm được sử dụng trong đề tài này là phần mềm mã nguồn mỡ Ncorr. Trong
phần mềm này hai tiêu chí tương quan được áp dụng liên tiếp. Tiêu chí ZNCC trước
tiên được sử dụng để tìm một giải pháp gần đúng (tương quan tốt theo tiêu chí này gần
với 1), sau đó tiêu chí ZNSSD được sử dụng để tìm một giải pháp chính xác hơn (tương
quan tốt theo tiêu chí này gần bằng 0). Đối với tập hợp con N chứa điểm, biểu thức của
hai tiêu chí này được đưa ra bởi:


11

 f
N

C ZNCC 

i 1

 f


N 
C ZNSSD  i 1 



 f g i  g 

 f

 g

2

N

i 1

i

i

N

i 1

fi  f

 f

 f

2

N

i 1

i



 g

2

i

gi  g

 g
N

i 1

i

 g

2







2

(2.25)

Trong đó:
f i  f xi , yi  và gi  g xi, yi  : biểu diễn các mức tương phản của điểm i trong

tập con tham chiếu và tập con bị biến dạng tương ứng.
f  i 1 f i N et g  i1 g i N : biểu thị các giá trị trung bình của các mức
N

N

tương phản của hai tập con.
2.1.2. Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp DIC
a) Ưu điểm của phương pháp DIC:
Phương pháp tương quan ảnh số hiện nay được sử dụng rất nhiều vì dụng cụ thiết
bị cũng như chi phí rẻ và dể chế tạo. Ngồi ra, phương pháp này cũng khơng q địi
hỏi về chuẩn bị mẫu q cơng phu và có thể sử dụng ở những mơi trường, vị trí khác
nhau. Nó được sử dụng nhiều với những ưu điểm sau:
 Không ảnh hưởng tới chi tiết thí nghiệm
 Khơng tạo ra ứng suất
 Đo được biến dạng trên tồn bộ chi tiết
 Chính xác hơn và dể dàng sử dụng.


12

Hình 2.2. Phương pháp tương quan ảnh số
b) Ứng dụng của phương pháp DIC:

Phương pháp DIC ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật và đời sống vì những ưu điểm
vượt trội của nó nhưng đã liệt kê ở trên, cụ thể:
 Ứng dụng vào thí nghiệm kéo, nén:

Hình 2.3. Phương pháp tương quan ảnh số trong thí nghiệm kéo


13
 Ứng dụng trong xác định đường đi của vết nứt trong chi tiết:

Hình 2.4. Phương pháp tương quan ảnh số trong xác định đường đi vết nứt

 Ứng dụng trong địa kỹ thuật:

Hình 2.5. Phương pháp tương quan ảnh số trong địa kỹ thuật