Nghiên cứu và xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 tại việt nam trên mô hình vết nứt một bên (edge crack)

Nghiên cứu và xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 tại việt nam trên mô hình vết nứt một bên (edge crack) Nghiên cứu và xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 tại việt nam trên mô hình vết nứt một bên (edge crack) Nghiên cứu và xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 tại việt nam trên mô hình vết nứt một bên (edge crack)

TỔNG QUAN

Tổng quan về hướng nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu "Mô phỏng ứng xử đỉnh vết nứt bằng phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng" của tác giả Nguyễn Công Đạt, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM, xuất bản năm 2010, đã trình bày kết quả xấp xỉ trong việc tính toán hệ số cường độ ứng suất dựa trên các mô hình điển hình trong cơ học nứt đàn hồi tuyến tính Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích một tấm phẳng với kích thước W = 0,04 m, H, nhằm cung cấp những hiểu biết quan trọng về ứng xử của vết nứt trong vật liệu.

Trong trường hợp đang xét, vật liệu sử dụng là hợp kim Titanium Ti-6AL-4V với các thông số cơ bản như độ đàn hồi E = 117.10^3 MPa, hệ số Poisson ν = 0,34 và độ bền kéo KIC = 87 MPa.m^1/2 Biến dạng được xem là biến dạng phẳng với ứng suất kéo σ = 1000 MPa Tính chất của vật liệu được xác định là đàn hồi đẳng hướng, với kích thước a = 0,015 m và b = 0,08 m.

Hình 1.1: Tấm phẳng với một vết nứt cạnh

Kết quả giải tích hệ số cường độ ứng suất được tính như sau:

F(a,W) = 1,12 – 0,23(a/W) + 10,55(a/W) 2 – 21,71(a/W) 3 + 30,38(a/W) 4 = 1,9739 Để tiện cho việc so sánh một tấm hình chữ nhật chịu kéo được chia với nhiều lưới phần tử khác nhau như Hình 1.2 a) XFEM b) ABAQUS

Hình 1.2: Mô hình bài toán nứt cạnh a) XFEM b) ABAQUS

Hình 1.3: Chuyển vị theo phương Y của tấm với vết nứt cạnh

Hình 1.4: Ứng suất theo phương Y của tấm với vết nứt cạnh

Bảng 1.1: Kết quả hệ số cường độ ứng suất trong mô hình nứt cạnh

Bài viết "Mô phỏng sự lan truyền vết nứt trong không gian hai chiều" của tác giả Trương Tích Thiện và Trần Kim Bằng từ Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG – HCM, xuất bản năm 2010, trình bày ba lý thuyết chính để dự đoán hướng lan truyền của vết nứt: thuyết ứng suất pháp theo phương tiếp tuyến cực đại (σθθmax), thuyết ứng suất giải phóng năng lượng cực đại (Gmax), và thuyết mật độ năng lượng biến dạng cực tiểu (Smin) Để mô phỏng sự lan truyền của vết nứt, chương trình FRANC2D sẽ được áp dụng dựa trên các lý thuyết này.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi xem xét mô hình tấm phẳng với một vết nứt biên chịu ứng suất tiếp, có kích thước W = 7, H = 8, và a = 3,5 (tất cả đều tính bằng đơn vị dài) Với các thông số vật liệu như E = 30 [(đơn vị lực)/(đơn vị dài)²] và hệ số Poisson ν = 0,25, ứng suất trượt τ được thiết lập là 1 (đơn vị áp suất) Đặc biệt, độ tăng trưởng vết nứt Δa là 0,5 (đơn vị dài), cho thấy sự phát triển của vết nứt dưới tác động của ứng suất.

Hình 1.5: Tấm phẳng với vết nứt biên chịu ứng suất tiếp

Kết quả hình ảnh biến dạng của mô hình sau khi được tính toán bằng FRANC2D như Hình 1.6:

Hình 1.6: Kết quả biến dạng ban đầu và sau khi vết nứt phát triển sau 7 step

Bài viết "Tính toán các tham số cơ học phá hủy bằng phương pháp FEM" của tác giả Ngô Hương Nhu và Nguyễn Trường Giang, Viện cơ học Hà Nội, xuất bản năm 2006, trình bày phương pháp chính để tính toán các tham số cơ học phá hủy thông qua phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Mô hình nghiên cứu sử dụng vết nứt ở giữa với chiều dài vết nứt 2a (với a = 100mm) chịu ứng suất kéo σ = 10 Mpa Chiều rộng tấm được xác định là 2w.

200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, chiều dài tấm 2h với h = 600 mm Tấm làm bằng vật liệu giòn có Modun đàn hồi E = 200000Mpa, ν = 0,3 Hình 1.7

Hình 1.7: Mô hình vết nứt ở giữa

Với mô hình trên thì chúng ta có công thức tính hệ số cường độ ứng suất tới hạn:

Tác giả đã sử dụng phương pháp FEM để phân tích các mô hình vết nứt ở giữa với các tỷ lệ a/W khác nhau, cho ra kết quả được trình bày trong Bảng 1.2 Các kết quả này sau đó được so sánh với phương trình (1.1) để đánh giá tính chính xác và hiệu quả của phương pháp phân tích.

Bảng 1.2: Kết quả tính toán trên mô hình tấm có vết nứt ở giữa với a = 100 mm, w = 200,

1/2 0,05397 0,107372 208,60 210,25 0,794 2,0105 210,21 0,022 1/3 0,04831 0,097504 188,73 190,07 0,714 1,6453 190,16 0,045 1/4 0,04707 0,095050 183,81 184,16 0,190 1,5606 185,20 0,561 1/5 0,04690 0,094550 182,77 181,58 0,650 1,5403 184,16 1,395 Đơn vị KI là Mpa.mm 1/2 , G là Mpa.mm

Khi chiều rộng tấm tăng lên nhưng chiều dài vết nứt không thay đổi, các chỉ số như hệ số cường độ ứng suất KI, mức độ giải phóng năng lượng G, chuyển vị đầu vết nứt Ux và độ mở vết nứt COD đều có xu hướng giảm.

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

“Fracture behavior of stitched warp-knit fabric composites” [4] (Hành vi phá hủy của tấm composites đan kiểu warp-knit), bài báo khoa học của tác giả F G Yuan và

S Yang, xuất bản năm 2000 Tác giả đã nghiên cứu sức bền của vật liệu tấm composites đan kiểu warp-knit bằng phương pháp tích phân J và định lý Betti khi trích xuất các giá trị phá hủy Các hệ số cường độ phá hủy tới hạn KIC, ứng suất T, σy(r,0) gần đỉnh vết nứt được đề ra

Trong nghiên cứu này, vật liệu tổng hợp được sử dụng là sợi carbon AS4 do Công ty Boeing thiết kế Mỗi lớp vải chứa 59,4% sợi AS4, với 44% sợi theo hướng 0 độ, 44% theo hướng ± 45 độ và 12% theo hướng 90 độ Các lớp vải được xếp chồng lên nhau và khâu lại với khoảng cách 0,5 in dọc theo hướng 0 độ.

Các thuộc tính vật liệu:

Trong các mô hình nghiên cứu thì tác giả nghiên cứu mô hình Compact Tension tuân theo tiêu chuẩn ASTM E399

Hình 1.8: Mẫu Compact Tension (Kích thước tính bằng đơn vị Inch)

The scientific article titled "Adaptive Delaunay Triangulation with Object-Oriented Programming for Crack Propagation Analysis," authored by Sutthisak Phongthanapanich and Pramote Dechaumphai in 2003, explores the application of adaptive Delaunay triangulation techniques within the framework of object-oriented programming This innovative approach enhances the analysis of crack propagation by utilizing finite element methods, offering improved accuracy and efficiency in modeling complex structures.

Bài báo này trình bày phương pháp phân tích lan truyền vết nứt thông qua việc tạo lưới tam giác Delaunay, bao gồm các bước tạo lưới, tạo nút và làm mịn lưới, tất cả đều được lập trình theo hướng đối tượng Kết quả thu được về hệ số cường độ ứng suất tới hạn và mô phỏng hành vi lan truyền vết nứt được sử dụng để đánh giá hiệu quả của phương pháp kết hợp Độ chính xác của dự đoán hệ số cường độ ứng suất tới hạn đã được kiểm tra qua ba trường hợp thử nghiệm: tấm bị nứt trung tâm, tấm bị nứt cạnh và mẫu thử Compact Tension.

Hệ số cường độ ứng suất được tính:

E: Modun đàn hồi ν: Hệ số Poisson κ: tham số đàn hồi được xác định: { 3 − 4𝜈 𝑛ếu biến dạng phẳng

L: chiều dài u, v: thành phần chuyển vị của x, y tương ứng

Vị trí của các yếu tố trên như Hình 1.9

Hình 1.9: Các tam giác điểm xung quanh vết nứt

Với mô hình Compact Tension có a= 3 mm, w= 50,8 mm, chiều dày t = 25,4 mm Bằng phương pháp phần tử hữu hạn với lưới cuối cùng hiển thị như Hình 1.10

Hình 1.10: Các tam giác điểm xung quanh vết nứt

Bài báo khoa học “Đánh giá hệ số cường độ ứng suất phá hủy của các vật liệu khác nhau: Phương pháp phần tử hữu hạn” của các tác giả V Chittibabu, K Santarao, P Govinda Rao và M V S Babu, xuất bản năm 2016, sử dụng phần mềm Ansys để tính toán hệ số cường độ ứng suất phá hủy của các vật liệu như Thép mactensit hóa già, hợp kim Nhôm 2024-T3 và Ti-6Al-4V Tác giả so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm nhằm đánh giá độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn Sử dụng các phần tử PLANE 183, SOLID 185, PLANE 182 và MASS 21, nghiên cứu phân tích các mô hình vết nứt khác nhau, bao gồm mô hình vết nứt ở giữa (CCT), mô hình vết nứt một bên (SENT), mô hình hai vết nứt cạnh (DENT) và mô hình Compact Tension, với kết quả phân bố ứng suất được trình bày trong Hình 1.11.

10 a) Mô hình CCT b) Mô hình SENT c) Mô hình DENT d) Mô hình Compact Tension

Hình 1.11: Phân bố ứng suất trên các mô hình mô phỏng

Nghiên cứu này đánh giá hệ số cường độ ứng suất phá hủy thông qua so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm Ansys, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, như được trình bày trong Bảng 1.4.

Bảng 1.4: Kết quả hệ số cường độ ứng suất phá hủy

3 Ti-6Al-4V 57 60,346 57 59,287 57 59,213 57 45,031 A: Kết quả thực nghiệm; B: Kết quả FEM

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số cường độ ứng suất phá hủy được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên các vật liệu như Thép Maraging, hợp kim nhôm 2024-T3 và Ti-6Al-4V tương đồng với kết quả thực nghiệm.

Bài báo khoa học của M.S Raviraj, C.M Sharanaprabhu và G.C Mohankumar, xuất bản năm 2017, nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài vết nứt đến hệ số cường độ ứng suất phá hủy của vật liệu tổng hợp Al6061-TiC thông qua phương pháp thực nghiệm và phương pháp số 3D trên mô hình Compact Tension Tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ABAQUS12 để mô phỏng với các tỷ lệ a/W khác nhau, chỉ xem xét một nửa mẫu do tính đối xứng hình học và tải trọng Nghiên cứu được thực hiện trên các vật liệu với các thành phần khác nhau gồm 3wt%, 5wt% và 7wt% TiC trong Al6061, từ đó xác định và so sánh hệ số cường độ ứng suất phá hủy giữa hai phương pháp.

Hình 1.12: Kết quả hệ số cường độ ứng suất phá hủy

Tính cấp thiết của đề tài

Thép không gỉ SUS 304 là vật liệu phổ biến trong ngành chế tạo máy móc và thiết bị công nghiệp Với tính chất vượt trội của sắt thép cùng với hàm lượng nguyên tố bổ sung, SUS 304 mang lại nhiều ưu điểm như sức bền cao, độ dẻo dai, độ cứng, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn hiệu quả.

Cơ học phá hủy (Fracture mechanics) là một lĩnh vực nghiên cứu sự phát triển của các vết nứt trong vật liệu Ngành này phân tích lực tác động lên các vết nứt nhằm xác định khả năng chịu lực của vật liệu cho đến khi xảy ra hiện tượng phá hủy Thông qua đó, chúng ta có thể lựa chọn loại vật liệu phù hợp và kiểm soát tải trọng để thiết kế cấu trúc an toàn và hiệu quả.

Dự đoán sự phát triển của vết nứt là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá độ an toàn và khả năng hoạt động của chi tiết, kết cấu Điều này giúp đảm bảo rằng các công trình vẫn duy trì được tính bền vững và kinh tế trong suốt quá trình sử dụng.

Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn (KIC) là một thông số quan trọng trong nghiên cứu cơ học phá hủy, mô tả trạng thái ứng suất tại điểm nứt KIC liên quan đến tốc độ phát triển vết nứt và được sử dụng để thiết lập các tiêu chí phá hủy.

Có ba kiểu phá hủy đặc trưng: mở rộng (mode I), trượt (mode II) và xé (mode III), trong đó mode I là phổ biến nhất trong hư hỏng kỹ thuật Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên các vật liệu như đá, kim loại và xi măng, nhưng chưa có công bố nào về nghiên cứu mode I của thép không gỉ SUS 304 trên mô hình vết nứt một bên Do đó, chúng tôi đề xuất nghiên cứu “Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của thép không gỉ SUS 304 tại Việt Nam trên mô hình vết nứt một bên (Edge crack)”.

Mục tiêu đề tài

- Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC của thép không gỉ SUS 304

- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Tổng hợp so sánh đánh giá kết quả đã nghiên cứu với kết quả đã công bố

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

- Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC của thép không gỉ SUS 304

- Làm tài liệu tham khảo cho các nhà khoa học

Khi xuất hiện vết nứt, việc đánh giá chi tiết về kết cấu là rất quan trọng để xác định liệu nó còn an toàn và có thể tiếp tục hoạt động hay không.

- Đối với những chi tiết phức tạp, có thể chưa cần thay mới để giảm chi phí sản xuất.

Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

- Tìm hiểu lý thuyết về Cơ học phá huỷ (Fracure mechanics)

- Xây dựng mô hình, mô phỏng tính toán và lấy dữ liệu trực tiếp trên phần mềm Ansys

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Tính toán và xử lý số liệu

- Tổng hợp so sánh đánh giá kết quả đã nghiên cứu với kết quả đã công bố

1.5.2 Giới hạn đề tài Đề tài nằm trong phạm vi làm luận văn Thạc sĩ nên điều kiện vật chất và thời gian yêu cầu nên chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu dạng phá huỷ mở rộng mode I (Open mode – Vì nó là dạng phá hủy phổ biến) bằng phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm Ansys) và kiểm chứng bằng mô hình thực nghiệm với đối tượng nghiên cứu là vật liệu thép không gỉ SUS 304.

Phương pháp nghiên cứu

- Mô phỏng bằng phần mềm

- Khảo sát và so sánh đánh giá

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Biểu đồ ứng suất – chuyển vị

Hình 2.1: Biểu đồ ứng suất – biến dạng (Hooke-law) [8]

Giai đoạn đàn hồi, được biểu thị bằng đoạn OA, là giai đoạn mà vật liệu thể hiện tính đàn hồi Trong giai đoạn này, khi lực kéo hoặc tải trọng được loại bỏ, mẫu thử sẽ hoàn toàn trở lại trạng thái hình dạng ban đầu của nó.

Trong giai đoạn chảy, khi mẫu được kéo đến điểm B, đồ thị xuất hiện dạng nằm ngang BC, được gọi là mặt chảy Ở giai đoạn này, lực kéo không tăng nhưng mẫu vẫn tiếp tục bị giãn Ứng suất tại điểm C được xác định là giới hạn chảy.

Giai đoạn tái bền, được thể hiện qua đoạn CDE, là giai đoạn mà độ bền của kim loại được khôi phục sau khi hết mặt chảy Cuối giai đoạn này, mẫu thử xuất hiện một chỗ tóp cổ chai, góp phần làm tăng đáng kể độ giãn của thanh Điểm D trong giai đoạn này được xác định là ứng suất cao nhất, được gọi là giới hạn bền 𝜎.

Sau điểm D, đồ thị giảm xuống đến một mức nhất định thì mẫu bắt đầu đứt Nguyên nhân của hiện tượng này là do tại vị trí thót, diện tích tương đối nhỏ, nên lực kéo cần thiết không lớn.

Điểm E trên đồ thị được gọi là điểm đứt hoặc vật liệu bị phá hủy (𝜎f), và nó xuất hiện vào cuối giai đoạn cuối cùng của giản đồ Hooke.

Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ tập trung vào vật liệu tại điểm E, mặc dù quá trình tính toán sẽ được thực hiện tại điểm D Mục tiêu là phân tích sự phá hủy của vật liệu dưới tác động của ứng suất phá hủy (𝜎 f).

Sự hình thành và phát triển vết nứt

Vết nứt được hình thành từ nhiều yếu tố khác nhau:

- Trong quá trình gia công như: tiện, phay, khoan, cắt, … vật liệu

Trong quá trình hình thành và kết tinh vật liệu, sẽ xuất hiện các khuyết tật trong cấu trúc, bao gồm vết nứt tế vi, lỗ rỗng và bọt khí.

Trong quá trình làm việc, ứng suất có thể thay đổi hoặc không, dẫn đến sự hình thành và phát triển của vết nứt Đầu vết nứt có thể có hình dạng nhọn hoặc tù, và tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể, chúng ta có thể áp dụng các phương án tính toán khác nhau.

Giới thiệu về cơ học phá hủy

Cơ học phá hủy là lĩnh vực nghiên cứu sự hình thành và phát triển của vết nứt trên vật liệu, cũng như độ bền và tuổi thọ của chúng Nó giúp định lượng mối quan hệ giữa tính chất vật liệu và ứng suất của vết nứt có thể dẫn đến phá hủy, đồng thời phân tích cơ chế lan truyền của các vết nứt Bằng cách sử dụng các phương pháp phân tích cơ học vật rắn, các nhà nghiên cứu có thể tính toán động lực trên vết nứt và thực hiện các thí nghiệm để mô tả khả năng chống lại sự phá hủy của vật liệu.

2.3.1 Các dạng phá hủy đặc trưng [9]

Có ba kiểu phá hủy đặc trưng: dạng mở rộng (opening – mode I), dạng trượt (sliding – mode II) và dạng xé (tearing – mode III) Hình 2.2

Dạng I (Open mode) là hiện tượng bề mặt phá hủy bị tách theo hướng vuông góc với mặt đầu của vết nứt, trong đó ứng suất kéo cũng vuông góc với mặt phẳng của vết nứt Đây là dạng thường gặp nhất trong các nghiên cứu về phá hủy vật liệu, và hệ số cường độ ứng suất KI là đại lượng đặc trưng cho dạng này.

Dạng II (Shear mode) xảy ra khi các bề mặt trượt lên nhau theo hướng vuông góc với mặt đầu của vết nứt Trong trường hợp này, ứng suất cắt tác động song song với mặt phẳng của vết nứt, tạo ra lực làm cho các bề mặt này di chuyển và dẫn đến sự hình thành hoặc phát triển của vết nứt.

17 vuông góc với mặt đầu của vết nứt Đại lượng đặc trưng là hệ số cường độ ứng suất

Dạng III (Tearing mode) là hiện tượng mà các bề mặt bị tách theo hướng song song với mặt đầu vết nứt Trong trường hợp này, ứng suất cắt tác động song song với mặt phẳng và mặt đầu của vết nứt Tình huống này xảy ra không thường xuyên như hai dạng khác Hệ số cường độ ứng suất KIII là đại lượng đặc trưng cho dạng này.

Hình 2.2: Các dạng phá hủy đặc trưng

2.3.2 Các phương pháp phân tích sự phá hủy

Có 2 phương pháp phân tích sự phá hủy đó là phương pháp tiêu chuẩn năng lượng và phương pháp cường độ ứng suất Hai phương pháp này tương đương trong một số trường hợp nhất định

Phương pháp tiêu chuẩn năng lượng:

Sự phát triển của vết nứt bắt đầu khi năng lượng sẵn có đủ để vượt qua sức bền chống phá hủy của vật liệu Các yếu tố ảnh hưởng đến sức bền này bao gồm năng lượng bề mặt, độ dẻo, và các loại tiêu tán năng lượng liên quan đến quá trình lan truyền vết nứt.

Mức độ giải phóng năng lượng G được xác định là sự thay đổi thế năng liên quan đến diện tích vết nứt trong vật liệu đàn hồi tuyến tính Khi đạt đến điểm phá hủy, G = Gc, đây là mức độ giải phóng năng lượng tới hạn, phản ánh độ bền chống phá hủy của vật liệu Đối với vết nứt có chiều dài 2a trong tấm chịu ứng suất kéo từ xa, mức độ giải phóng năng lượng được thể hiện trong Hình 2.3.

E: Modul Young σ: Ứng suất tác dụng a: Độ dài vết nứt

Tại thời điểm phá hủy G = Gc, Gc là sức bền chống phá hủy của vật liệu

Hình 2.3: Một tấm phẳng dưới sự tác dụng của ứng suất σ, chiều dài vết nứt 2a, bề rộng B

Phương pháp cường độ ứng suất

Hệ số cường độ ứng suất KI là một hằng số quan trọng trong việc tính toán phân bố ứng suất tại đầu vết nứt trong vật liệu đàn hồi, như minh họa trong Hình 2.3 Mỗi thành phần ứng suất tỉ lệ với KI, cho phép xác định toàn bộ phân bố ứng suất nhờ các phương trình trong Hình 2.4 Hệ số này đặc trưng cho điều kiện đầu vết nứt trong vật liệu đàn hồi tuyến tính Khi vật liệu bị phá hủy tại một ứng suất nhất định, sự gãy sẽ xảy ra tại cường độ ứng suất quan trọng KIC, do đó KIC được sử dụng để thay thế cho sức bền chống phá hủy Gc.

Hệ số cường độ ứng suất tại đầu vết nứt của vật liệu đàn hồi được xác định cho tấm phẳng như minh họa trong Hình 2.3.

𝐾 𝐼 = 𝜎√𝜋𝑎 (2.3) Phá hủy xảy ra khi KI = KIC

2.3.3 Cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính

Hệ số cường độ ứng suất là một chỉ số quan trọng trong cơ học phá hủy, phản ánh mức độ tập trung ứng suất tại đỉnh vết nứt Trong không gian ba chiều, ba hệ số cường độ ứng suất chính là KI, KII và KIII, tương ứng với ba dạng chuyển vị độc lập của vết nứt: dạng mở rộng (mode I), dạng trượt (mode II) và dạng xé (mode III).

Các trường ứng suất trước đầu vết nứt dạng Mode I, Mode II được nêu trong Bảng 2.1 của [10]:

Bảng 2.1: Các trường ứng suất trước đầu vết nứt dạng Mode I, Mode II

Chuyển vị đầu vết nứt dạng Mode I và Mode II được nêu trong Bảng 2.2 [10]

Bảng 2.2: Chuyển vị đầu vết nứt dạng Mode I và Mode II

K = (3 – v)/(1 + v) (ứng suất phẳng) Ứng suất và chuyển vị dạng Mode III được nêu trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Ứng suất và chuyển vị dạng Mode III [10]

Các mô hình vết nứt đặc trưng theo tiêu chuẩn ASTM E399

Hệ số cường độ ứng suất được tính theo công thức cơ bản ở phương trình (2.3)

Trong thực tế với từng mô hình của vết nứt thì ta có hệ số cường độ ứng suất được tính theo công thức tổng quát:

Hệ số cường độ ứng suất trong cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính được xây dựng dựa trên một số mô hình theo tiêu chuẩn ASTM E399

2.4.1 Mô hình Vết Nứt Một Bên (Single Edge Notched Tension) (SENT)

Hình 2.5: Mô hình Vết Nứt Một Bên (SENT) [11]

Ngoài ra hệ số cường độ ứng suất trong mô hình này còn có thể tính theo công thức (2.8) [10]

2.4.2 Mô hình Vết Nứt Ở Giữa (Center Cracked Tension) [12]

Hình 2.6: Mô hình Vết Nứt Ở Giữa (CCT)

2.4.3 Mô hình 2 Vết Nứt Cạnh (Double Edge Notched Tension) [11]

Hình 2.7: Mô hình 2 Vết Nứt Cạnh (DENT)

Mẫu thử này được áp dụng phổ biến trong cơ học vết nứt và thử nghiệm ăn mòn, nhằm xác định độ bền phá hủy và thu thập dữ liệu cho quá trình phát triển vết mỏi.

2.4.5 Mô hình dạng Đĩa (Disk Shaped Tension) [14]

Hình 2.8: Mô hình dạng Đĩa (Disk Shaped Tension)

2.4.6 Mô hình dạng cung tròn (Arc Shaped Tension) [15]

Hình 2.9: Mô hình dạng cung tròn (Arc Shaped Tension)

Cơ tính cơ bản của vật liệu thép không gỉ SUS 304 [16]

Bảng 2.4: Cơ tính cơ bản vật liệu thép không gỉ SUS 304

C Cr Fe Mn Ni P S Si

Max 0,03 Max 1 Đặc tính cơ học

(g/cc) Độ bền kéo (MPa)

Giới hạn đàn hồi (MPa)

Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K) Độ dãn dài %

XÂY DỰNG MÔ HÌNH & KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Giới thiệu mô hình thực nghiệm

Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC cho chế độ Mode I của vật liệu SUS 304 chưa được xác định thông qua mô phỏng FEM và thí nghiệm thực tế.

Trong nghiên cứu này, phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để mô phỏng và tính toán hệ số KIC, đồng thời xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm xác định hệ số KIC Nghiên cứu dựa trên các điều kiện thực tế với một số chi tiết kẹp như được thể hiện trong Hình 3.1.

Hình 3.1: Một số chi tiết kẹp

Hoặc là móc cẩu chữ C như Hình 3.2

Nên trong đề tài này chúng tôi xây dựng theo mô hình Compact Tension tuân theo tiêu chuẩn ASTM E399 như Hình 3.3

Hình 3.3: Mô hình thực nghiệm

Vật liệu thép không gỉ SUS 304 với W = 100 mm, chiều dài vết nứt a với a lần lượt 10 mm, 25 mm, 50 mm, bề dày 3 mm Hệ số Poisson ν = 0,29 Modun đàn hồi

Thực nghiệm

- Xác định lực kéo đứt ứng với từng trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 trên các mô hình thực nghiệm

- Xác định độ giãn dài lớn nhất ứng với từng trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 trên các mô hình thực nghiệm

Sử dụng kết quả này xác định:

- Xác định hệ số cường độ ứng suất tới hạn ứng với từng trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 bằng mô hình lý thuyết

- Xác định hệ số cường độ ứng suất tới hạn ứng với từng trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 bằng phương pháp FEM trên Ansys

- So sánh độ giãn dài ứng với từng trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 giữa phương pháp FEM trên Ansys và thực nghiệm

Mẫu thực nghiệm được thiết kế theo mô hình như Hình 3.3, sử dụng vật liệu thép không gỉ SUS 304 Vết nứt có chiều dài lần lượt là 10 mm, 25 mm và 50 mm, với chiều dày mẫu là 3 mm.

Với chiều dài vết nứt a = 10 mm, ta có các mẫu A1, A2, A3, A4, A5

Hình 3.4: Mẫu thực nghiệm với chiều dài vết nứt a = 10 mm

Với chiều dài vết nứt a = 25 mm, ta có các mẫu B1, B2, B3, B4, B5

Với chiều dài vết nứt a = 50 mm, ta có các mẫu C1, C2, C3, C4, C5

3.2.3 Thiết bị thí nghiệm Độ bền kéo của các mẫu SUS 304 được đo trên máy kéo nén vạn năng WEW – 1000B, Seri 2003046 tại Phòng thí nghiệm kiểm định Công ty Cổ phần Tư vấn kiểm định công trình Miền Nam

Hình 3.7: Máy kéo nén vạn năng WEW – 1000B

Mỗi loại mẫu thử được thực hiện 5 lần, gá đặt kéo như Hình 3.8, sau đó kết quả tính bằng cách lấy giá trị trung bình

Hình 3.8: Gá đặt mẫu kéo trên máy kéo vạn năng WEW – 1000B

Bảng 3.1: Mẫu trước và sau khi thực nghiệm

Mẫu Trước khi thực nghiệm Sau khi thực nghiệm

Mẫu thực nghiệm ứng với chiều dài vết nứt 10 mm

Bảng 3.2: Kết quả thực nghiệm kéo

STT Tên Mẫu Giới hạn chảy

Từ kết quả thực nghiệm ta có:

Giới hạn bền kéo trung bình ứng với chiều dài vết nứt a = 10 mm:

4 = 420 𝑀𝑝𝑎 Giới hạn bền kéo trung bình ứng với chiều dài vết nứt a = 25 mm:

Giới hạn bền kéo trung bình ứng với chiều dài vết nứt a = 50 mm:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG – TÍNH TOÁN

Tính toán theo mô hình lý thuyết

4.1.1 Trường hợp chiều dài vết nứt a = 10 mm (a/W = 1/10)

Trong trường hợp này giới hạn bền kéo trung bình là 420 Mpa

• Áp dụng công thức tổng quát (Basic) 2.3 ta có:

• Áp dụng công thức 2.7 (SENT) ta có:

• Áp dụng công thức 2.9 (CCT) ta có:

• Áp dụng công thức 2.10 (DENT) ta có:

Trong trường hợp này ứng suất tác dụng là 348 Mpa

• Áp dụng công thức 2.9 (CCT) ta có:

Trong trường hợp này ứng suất tác dụng là 240 Mpa

K IC = 1,12𝜎√𝜋𝑎 = 106,51 Mpa.m 1/2 Áp dụng công thức 2.9 (CCT) ta có:

Mô phỏng tính toán

➢ Xác định loại hình phần tử

Hình 4.1: Giao diện phần mềm Ansys Mechanical APDL 16

Hình 4.2: Xác định phần tử

➢ Khai báo thông số vật liệu

Các đặc tính của vật liệu được khai báo trong phần mềm được chỉ ra trong Hình 4.3, với hệ số Poisson là ν = 0,29 và mô đun đàn hồi E = 200000 Mpa Hình 4.4

Hình 4.3: Các đặc tính của vật liệu được chọn trong phần mềm

Hình 4.4: Khai báo hệ số Poisson và mô đun đàn hồi trong phần mềm

➢ Thiết lập mô hình hình học, phân chia mạng lưới phần tử

Xác định tọa độ các điểm đặc trưng của mô hình Bảng 4.1

Bảng 4.1: Tọa độ các điểm đặc trưng của mô hình (a/W = 1/10)

Hình 4.5: Nhập tọa độ điểm đặc trưng số 5 của mô hình (a/W = 1/10)

Tạo bề mặt mô hình như Hình 4.6

Hình 4.6: Bề mặt mô hình (a/W = 1/10)

Thiết lập ứng suất tác dụng Hình 4.7

Hình 4.7: Thiết lập ứng suất tác dụng (a/W = 1/10)

Kết quả phân chia lưới phần tử và điều kiện biên được trình bày trong Hình 4.8 cho thấy rằng với điều kiện biên này, mô hình sẽ không bị uốn khi có tải trọng tác động.

Hình 4.8: Lưới phần tử và điều kiện biên của mô hình (a/W = 1/10)

➢ Kết quả chạy trên phần mềm mô phỏng Ansys 16

Giá trị hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC ở Hình 4.9

Hình 4.9: Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC = 68,881 Mpa.m 1/2

Giá trị ứng suất Von Mises ở Hình 4.10

Hình 4.10: Ứng suất Von Mises (a/W = 1/10)

Các bước mô phỏng tương tự với tọa độ các điểm đặc trưng ở trường hợp này như Bảng 4.2

Bảng 4.2: Tọa độ các điểm đặc trưng của mô hình (a/W = 1/4)

Ta được kết quả phân chia lưới phần tử và điều kiện biên như Hình 4.11

Kết quả chạy trên phần mềm mô phỏng Ansys 16: KIC = 102,18 Mpa.m 1/2

Các bước mô phỏng tương tự với tọa độ các điểm đặc trưng ở trường hợp này như Bảng 4.3

Bảng 4.3: Tọa độ các điểm đặc trưng của mô hình (a = 50 mm)

Ta được kết quả phân chia lưới phần tử như Hình 4.14

Kết quả chạy trên phần mềm mô phỏng Ansys 16: KIC = 147,16 Mpa.m1/2

Kết quả

Theo các mô hình lý thuyết và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), bảng 4.4 trình bày kết quả hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn với tỷ lệ a/W khác nhau.

Bảng 4.4 trình bày kết quả tính toán hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC (MPa.m 1/2) của mô hình vật liệu thép không gỉ SUS 304 với các kích thước vết nứt a = 10, 25, 50 mm và chiều rộng W = 100 mm, trong đó tỷ lệ a/W được xem xét.

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ

Kết quả

Chúng tôi nghiên cứu hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của thép không gỉ SUS 304 tại Việt Nam, sử dụng mô hình vết nứt một bên theo lý thuyết Cơ học phá hủy Nghiên cứu này bao gồm việc xây dựng mô hình thực nghiệm và thực hiện mô phỏng tính toán, với dữ liệu được thu thập trực tiếp từ phần mềm Ansys.

Hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC đã được xác định trên các mô hình lý thuyết và mô hình phần tử hữu hạn, như thể hiện trong Hình 5.1, tương ứng với các trường hợp a/W = 1/10, 1/4 và 1/2.

Hình 5.1: Đồ thị so sánh hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn KIC

Để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy trong kết quả nghiên cứu, chúng tôi cần so sánh với các mô hình nghiên cứu của các tác giả trước Kết quả này sẽ giúp các nhà kỹ thuật yên tâm hơn khi tra cứu hệ số KIC cho phép của vật liệu SUS304.

Với tỉ lệ chiều dài vết nứt (a/W) khác nhau, chúng tôi đã áp dụng các công thức tính hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn theo các mô hình lý thuyết và phương pháp phần tử hữu hạn Kết quả thu được về hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn được trình bày trong Hình 5.1 Từ Hình 5.1, có thể thấy rõ mối quan hệ giữa tỉ lệ chiều dài vết nứt và hệ số cường độ ứng suất phá hủy.

Khi chiều dài vết nứt nhỏ (a/W= 1/10), các giá trị KIC tương đối đồng nhất Tuy nhiên, khi tăng chiều dài vết nứt lên (a/W= 1/4), mô hình SENT [11] bắt đầu thể hiện sự khác biệt về giá trị Đặc biệt, khi tỷ lệ chiều dài vết nứt tiếp tục tăng (a/W= 1/2), sự khác biệt giữa mô hình SENT [11] và FEM trở nên rõ rệt nhất.

Kết luận

Luận văn đã hoàn tất và đạt được các yêu cầu đề ra, trong đó bao gồm:

- Xác định ứng suất phá hủy tới hạn cho các trường hợp

Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 với vết nứt một bên là rất quan trọng, đặc biệt trong các trường hợp a/W = 1/10, 1/4 và 1/2 Các mô hình lý thuyết được áp dụng để phân tích và đánh giá khả năng chịu lực của vật liệu, giúp hiểu rõ hơn về hành vi của SUS 304 dưới tác động của ứng suất.

Xác định hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của SUS 304 với vết nứt một bên được thực hiện qua các trường hợp a/W = 1/10, 1/4, 1/2 Nghiên cứu này áp dụng mô hình mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm Ansys để thu thập dữ liệu chính xác.

- Đã so sánh và đánh giá kết quả hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn của phương pháp FEM với các mô hình lý thuyết.

Kiến nghị

Trong nghiên cứu hiện tại, em chỉ tập trung vào tải trọng tĩnh của tấm vật liệu SUS304 khi làm việc theo phương Y Do đó, em đề xuất hướng phát triển tiếp theo cho đề tài này là mở rộng nghiên cứu sang các loại tải trọng động và ứng dụng của vật liệu trong các điều kiện khác nhau.

Với ngân sách và cơ sở vật chất hạn chế, tôi chỉ thực hiện một số lượng mẫu thí nghiệm tương đối ít Do đó, cần tiến hành thêm nhiều thí nghiệm để tăng cường độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

- Tiếp tục nghiên ở trạng thái có trường nhiệt độ thay đổi

- Mô phỏng và thực nghiệm theo tải trọng động (va đập)

- Và mô phỏng kết hợp ở trạng thái nhiệt độ lớn hơn và tải trọng động

- Cần tiến hành nhiều phương pháp mô phỏng kết hợp với thực nghiệm để tìm ra hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn

Tiếp tục thực hiện việc tìm kiếm và so sánh đánh giá các phương pháp, mô hình và kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước để đối chiếu với các kết quả đã được nghiên cứu trước đó.

Nghiên cứu đa dạng các loại vật liệu giúp xây dựng cơ sở dữ liệu phong phú về hệ số cường độ ứng suất phá hủy tới hạn.

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	7,16 MB