Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu đến ứng suất tập trung ứng suất dư trong liên kết hàn góc

Trong luận văn này, thí nghiệm đo đạc và khảo sát ảnh hưởng của hailoại ứng suất trên sẽ được thực hiện với bốn loại mẫu, mẫu không xử lý, mẫu xử lý mài ngay tại chân đường hàn và hai mẫ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn 1: TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

Cán bộ hướng dẫn 2: TS BÙI ĐỨC VINH

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS ĐINH THẾ HƯNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh,ngày 22 tháng 12 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTXD

PGS.TS Nguyễn Văn Hiệp TS Nguyễn Minh Tâm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: VÕ TRẦN MINH NHỰT Phái: Nam

Ngày sinh: 22 – 02 – 1990 Nơi sinh: TP.HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp MSHV: 13210150

Khóa: 2013

I TÊN ĐỀ TÀI:

“Ảnh hưởng của các phương pháp xử lý bề mặt kết cấu đến ứng suất tập trung

& ứng suất dư trong liên kết hàn góc”

I NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

hàn đang được áp dụng tại Việt Nam, chú trọng đến việc xử lý bề mặtbằng phương pháp phun bi

và không có xử lý bề mặt

và ứng suất tập trung trong liên kết hàn góc

suất dư và ứng suất tập trung bằng PTHH

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07 – 07 – 2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22 – 12 – 2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

- TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

- TS BÙI ĐỨC VINH

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thôngqua.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 7 năm 2014

HỘI ĐỒNG NGÀNH

TRƯỞNG KHOA

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Phước Nhân và thầy BùiĐức Vinh đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Thầy

đã cung cấp những tài liệu rất quý giá cho luận văn và đưa ra những gợi ý hợp

lý vào những thời điểm khó khăn trong quá trình nghiên cứu Tôi đã học được ởthầy phương pháp làm nghiên cứu khoa học, các kiến thức mà một người nghiêncứu cần phải có, đây chính là mục tiêu chính của luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.Xin dành tặng luận văn này đến gia đình của tôi Xin gửi lời cảm ơn chân thànhnhất đến ba, mẹ của tôi Cảm ơn ba, mẹ đã động viên con và tạo mọi điều kiệnthuận lợi nhất để con yên tâm hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập của mình Cóthể nói, nếu không có gia đình của mình bên cạnh, tôi sẽ không thể hoàn thànhđược luận văn này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến các anh học chung caohọc, các bạn bè thân thiết, những người đã luôn sát cánh hỗ trợ tôi trong suốtthời gian làm luận văn Xin được cảm ơn sâu sắc đến Giám đốc và các Anh Chịtrong Ban QLDA-ADB-TCT Cấp Nước SG đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ tôitrong quá trình thực hiện luận văn này

Với những tình cảm đó, tôi tự hứa sẽ luôn cố gắng phấn đấu để xứng đáng vớitình cảm của mọi người dành cho mình

Võ Trần Minh Nhựt

TÓM TẮT

Ứng suất tập trung và ứng suất dư trong liên kết hàn góc là hai nhân tốchủ yếu gây nên phá hoại mỏi cho kết cấu chịu tải trọng động Việc làm giảmhai loại ứng suất này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ bền mỏi chokết cấu Ngày nay, trong quá trình gia công chế tạo kết cấu thép, trước khi sơnphủ bảo vệ cấu kiện, người ta thường tiến hành xử lý bề mặt bằng phương phápphun bi nhằm mục đích làm sạch, loại bỏ các bụi bẩn, tăng độ bám dính chocấu kiện được sơn Tuy nhiên, ảnh hưởng của quá trình này lên hai loại ứng suấttrên trong liên kết hàn góc vẫn chưa được xem xét trong các tiêu chuẩn về thiết

kế mỏi Trong luận văn này, thí nghiệm đo đạc và khảo sát ảnh hưởng của hailoại ứng suất trên sẽ được thực hiện với bốn loại mẫu, mẫu không xử lý, mẫu xử

lý mài ngay tại chân đường hàn và hai mẫu phun bi với đường kính khác nhau

sơn phủ đến hai loại ứng suất, từ đó làm tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu

Từ khóa: Ứng suất tập trung; Ứng suất dư; Xử lý bề mặt; Tuổi thọmỏi; Liên kết hàn góc; Nhiễu xạ tia X; Phương pháp phần tử hữu hạn

Concentration and Residual stresses in fillet welded joints are two main tors causing fatigue damage for cyclic loading steel structure The reduction ofthese stresses has a significant role in improving fatigue strength Nowadays, infabrication process, before coating to protect the structure, it is often to carryout a surface treatment by blasting to clean, removing dust, increasing adhe-sive property of applied components However the effect of surface treatment onthese stresses of fillet welded joints is not considered in Fatigue Design Codes

fac-In this thesis, experimental measurement and investigation of two stresses abovewere carried out on four types of fillet welded joints: as-welded specimens, burr-grinding specimens at the weld toe and two types of blasting specimens withdifferent diameters The experimental results show that the concentration stress

blasting specimens in comparision with that of as welded specimens With ual stress, the results show that the larger diameter blasting specimens decreased

that of as welded specimens Thus, it can be included that surface treatment byblasting influences on two types of stresses which increase the fatigue life ofstructures

Keywords: Stress concentration; Residual stress; Surface treatment;Fatigue life; Fillet weld; X-ray diffraction; Finite element method

Lời cam đoan

Tôi tác giả của luận văn này cam đoan rằng

dưới sự hướng dẫn của TS Lê Văn Phước Nhân và TS Bùi Đức Vinh

chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 7 tháng 12 năm 2014

Học viên

Võ Trần Minh Nhựt

Mục lục

Trang

1.1 Giới thiệu chung về hiện tượng mỏi trong liên kết hàn 1

1.2 Các nguyên nhân gây phá hoại mỏi 4

1.2.1 Cơ chế phá hoại mỏi 4

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu mỏi của kết cấu sử dụng liên kết hàn 4

1.2.2.1 Ứng suất 4

1.2.2.2 Các yếu tố khác 5

1.3 Sơ lược về xử lý bề mặt kết cấu 7

1.4 Động lực nghiên cứu 8

1.5 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 9

1.5.1 Mục tiêu 9

1.5.2 Giới hạn đề tài 9

1.6 Phương pháp nghiên cứu 10

1.6.1 Khảo sát bằng thực nghiệm 10

1.6.2 Khảo sát bằng mô hình PTHH 10

1.7 Ý nghĩa của đề tài 11

1.7.1 Ý nghĩa thực tiễn 11

1.7.2 Ý nghĩa khoa học 11

1.8 Cấu trúc luận văn 11

2 Tổng quan nghiên cứu 12 2.1 Ứng suất tại vị trí đường hàn 12

2.1.1 Ứng suất tập trung 12

2.1.1.1 Thành phần ứng suất trong đường hàn 12

2.1.1.2 Ứng suất danh định (nominal stress) 13

2.1.1.3 Ứng suất kết cấu (Hotspot stress) 15

2.1.1.4 Ứng suất do ảnh hưởng của khấc (Notch stress) 16

2.1.2 Ứng suất dư 16

2.2 Phương pháp xác định ứng suất tập trung 17

2.2.1 Hiện tượng tập trung ứng suất tại đường hàn 17

2.2.2 Hệ số tập trung ứng suất tại đường hàn 18

2.2.3 Phương pháp xác định ứng suất tập trung và hệ số Kpeak 20

2.3 Phương pháp xác định ứng suất dư 21

2.3.1 Khái niệm nhiễu xạ tia X 22

2.3.2 Nguyên lý nhiễu xạ - Công thức Bragg 22

2.3.3 Phương pháp tính ứng suất thông qua nhiễu xạ 24

2.4 Phương pháp xử lý bề mặt 27

2.4.1 Phương pháp đầu mài (Burr grinding) 27

2.4.2 Phương pháp phun bi 27

3 Khảo sát thực nghiệm 30 3.1 Giới thiệu 30

3.2 Kích thước mẫu thí nghiệm 30

3.3 Đặc trưng vật liệu 32

3.4 Chế tạo mẫu 33

3.5 Nguyên lý khảo sát thực nhiệm 38

3.5.1 Ứng suất tập trung 38

3.5.2 Ứng suất dư 40

3.6 Quy trình thí nghiệm 42

3.6.1 Ứng suất tập trung 42

3.6.1.1 Thiết bị thí nghiệm 43

3.6.1.2 Đo đạc kích thước chân đường hàn 43

3.6.1.3 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 44

3.6.1.4 Thực hiện thí nghiệm 44

3.6.2 Ứng suất dư 44

3.6.2.1 Thiết bị thí nghiệm 45

3.6.2.2 Thông số cài đặt vào máy 45

3.6.2.3 Thực hiện thí nghiệm 46

3.7 Kết quả thí nghiệm và nhận xét 46

3.7.1 Ứng suất tập trung 46

3.7.1.1 Quan hệ ứng suất biến dạng của 4 nhóm mẫu 46

3.7.1.2 Ảnh hưởng của biện pháp xử lý đến ứng suất Hotspot (mục 2.1.1.3) 50

3.7.1.3 Ảnh hưởng của đặc trưng hình học 59

3.7.2 Ứng suất dư 61

3.7.2.1 Mẫu không xử lý (KXL) 61

3.7.2.2 Mẫu xử lý phun bi đường kính D1 (D1) 64

3.7.2.3 Mẫu xử lý phun bi đường kính D2 (D2) 66

3.7.2.4 Ảnh hưởng của xử lý phun bi lên ứng suất dư 68

4 Mô phỏng phần tử hữu hạn 70

4.1 Giới thiệu 70

4.2 Mô hình vật liệu thép 71

4.2.1 Ứng suất tập trung 71

4.2.2 Ứng suất dư 72

4.3 Mô hình PTHH cho mẫu thí nghiệm 74

4.3.1 Ứng suất tập trung 74

4.3.1.1 Mô hình hóa hình học 74

4.3.1.2 Chia lưới phần tử 75

4.3.1.3 Nguyên lý mô phỏng 76

4.3.2 Ứng suất dư 77

4.3.2.1 Mô hình hóa hình học 77

4.3.2.2 Chia lưới phần tử 77

4.3.2.3 Nguyên lý mô phỏng 78

4.4 Kết quả mô phỏng 79

4.4.1 Ứng suất tập trung 79

4.4.1.1 Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng 79

4.4.1.2 So sánh giữa thực nghiệm & mô phỏng 82

4.4.1.3 So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm & mô phỏng 90 4.4.2 Ứng suất dư 92

4.4.2.1 Kết quả quá trình truyền nhiệt 92

4.4.2.2 Kết quả quá trình phân tích ứng suất 93

4.5 Kết luận 95

5 Kết luận 96 5.1 Kết luận 96

5.2 Hướng phát triển đề tài 97

Danh sách hình vẽ

1.1 Ảnh hưởng của cường độ thép lên sức bền mỏi [1] 2

1.2 Vết nứt trên dầm cầu có liên kết hàn [2] 3

1.3 Vết nứt tại sườn gia cường của cầu Marquam , Portland, Oregon [3] 3

1.4 Các mode phá hoại do mỏi [4] 4

1.5 Ảnh hưởng của biên độ ứng suất [1] 5

1.6 Ảnh hưởng của kích thước hình học [1] 6

1.7 Ảnh hưởng của môi trường [5] 7

2.1 Các thành phần ứng suất [6], [7] 13

2.2 Ứng suất danh định trong cấu kiện dầm [6] 14

2.3 Minh họa về ảnh hưởng của dạnh hình học [6] 14

2.4 Minh họa về ảnh hưởng của lực tập trung [6] 14

2.5 Minh họa về ảnh hưởng của sự không thẳng hàng [6] 15

2.6 Định nghĩa về ứng suất kết cấu (hotspot stres) [6] 15

2.7 Phân loại ứng suất Hotspot [6] 16

2.8 Ứng suất dư phân bố trong đường hàn [1] 17

2.9 Thông số hình học mối hàn góc [8] 18

2.10 Định nghĩa các loại ứng suất tập trung [8] 18

2.11 Vị trí dán strain gage cho loai “a” ứng suất Hotspot.[6] 20

2.12 Chi tiết liên kết hàn góc [8] 21

2.13 Nguyên lý nhiễu xạ khi tia X chạm vào mạng tinh thể [9] 23

2.14 Hệ tọa độ trực giao để tính toán ứng suất và biến dạng [9] 25

2.15 Hệ tọa độ chuyển đổi ứng với các góc xoay của mẫu [9] 25

2.16 Các phương pháp xử lý bề mặt 28

2.17 Thiết bị mài bằng hơi [10] 29

2.18 Cơ cấu tác động của kỹ thuật phun bi [11] 29

3.1 Chi tiết dầm và vị trí trích mẫu thí nghiệm 31

3.2 Chi tiết kích thước mẫu thí nghiệm 31

3.3 Mẫu thí nghiệm kéo thép 32

3.4 Đồ thị quan hệ ứng suất biến dạng 33

3.5 Quá trình hàn mẫu 35

3.6 Dụng cụ mài & đầu mài 36

3.7 Chỉ dẫn mài theo IIW [10] 36

3.9 Đường kính bi 2mm 37

3.10 Quá trình đưa mẫu vào máy để xử lý phun bi 37

3.11 4 loại mẫu thí nghiệm : KXL, M, D1, D2 38

3.12 Sơ đồ dầm đơn giản chịu uốn 39

3.13 Sơ đồ bố trí Strain gage trên mẫu thí nghiệm 40

3.14 Cấu tạo máy đo nhiễu xạ X’pert Pro 41

3.15 Phương pháp đo ψ trong đó cố định góc ψ 42

3.16 Dạng biểu đồ nhiễu xạ được ghi nhận từ máy đo [12] 42

3.17 Máy kéo thép 43

3.18 Thiết bị ghi nhận số liệu 43

3.19 Qui trình lấy mẫu và đo đạc đường hàn 44

3.20 Mẫu thí nghiệm đã được dán Strain gage 45

3.21 Mẫu thí nghiệm đã được đưa vào máy kéo 45

3.22 Hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro - Ha Lan) 46

3.23 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu KXL (mẫu không xử lý) 47

3.24 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu M (mẫu mài) 48

3.25 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu D1 (phun bi với đường kính D1) 49

3.26 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu D2 (phun bi với đường kính D2) 49

3.27 Quan hệ ứng suất biến dạng 4 nhóm mẫu tại vị trí S1 50

3.28 Quan hệ ứng suất biến dạng 4 nhóm mẫu tại vị trí S2 51

3.29 Quan hệ ứng suất biến dạng 4 nhóm mẫu tại vị trí S3 52

3.30 Biểu đồ ứng suất theo vị trí ở cấp ứng suất 50MPa 56

3.31 Biểu đồ ứng suất theo vị trí ở cấp ứng suất 100MPa 56

3.32 Biểu đồ ứng suất theo vị trí ở cấp ứng suất 150MPa 57

3.33 Biểu đồ ứng suất theo vị trí ở cấp ứng suất 200MPa 57

3.34 Đồ thị nhiễu xạ và đường nội suy ứng với góc ψ của mẫu KXL 62

3.35 Quan hệ d − sin2ψ của mẫu KXL 63

3.36 Đồ thị nhiễu xạ và đường nội suy ứng với góc ψ của mẫu D1 64

3.37 Quan hệ d − sin2ψ của mẫu D1 65

3.38 Đồ thị nhiễu xạ và đường nội suy ứng với góc ψ của mẫu D2 66

3.39 Quan hệ d − sin 2 ψ của mẫu D2 67

4.1 Đồ thị quan hệ US-BD của thép trong PTHH 71

4.2 Đặc trưng mô hình vật liệu có ảnh hưởng của nhiệt độ 72

4.3 Mô hình mẫu thí nghiệm 74

4.4 Mô hình phần tử C3D20/DC3D20 trong ABAQUS 75

4.5 Khuyến nghị chia lưới theo IIW [6] 75

4.6 Lưới phần tử mẫu chia theo khuyến nghị của IIW 76

4.7 Điều kiện biên và tải trọng tác dụng trong mô hình ứng suất tập trung 76 4.8 Lưới phần tử mẫu cho mô phỏng ứng suất dư 78

4.9 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu không xử lý trong mô phỏng 80

4.10 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu mài trong mô phỏng 81 4.11 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu phun bi đường kính D1 trong mô phỏng 81 4.12 Quan hệ ứng suất biến dạng mẫu phun bi đường kính D2 trong mô phỏng 82

4.13 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S1 mẫu KXL 83 4.14 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S2 mẫu KXL 83 4.15 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S3 mẫu KXL 84 4.16 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S1 mẫu M 85 4.17 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S2 mẫu M 85 4.18 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S3 mẫu M 86 4.19 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S1 mẫu D1 87 4.20 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S2 mẫu D1 87 4.21 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S3 mẫu D1 88 4.22 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S1 mẫu D2 88 4.23 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S2 mẫu D2 89 4.24 So sánh kết quả giữa thực nghiệm và mô phỏng tại vị trí S3 mẫu D2 89 4.25 Quá trình phân tích truyền nhiệt 93 4.26 Phân bố ứng suất dư 94

Danh sách bảng

3.1 Chi tiết các nhóm mẫu 31

3.2 Thành phần hóa học của thép A572 33

3.3 Kết quả kéo thép 33

3.4 Thông số dây hàn 34

3.5 Thông số máy hàn tự động FKR500 (DC) 34

3.6 Thông số đường hàn 35

3.7 Thông số máy phun bi HGP0816 37

3.8 Bảng tổng hợp giá trị biến dạng ứng với 4 cấp ứng suất của 4 nhóm mẫu tại vị trí S1 51

3.9 Bảng tổng hợp giá trị biến dạng ứng với 4 cấp ứng suất của 4 nhóm mẫu tại vị trí S2 52

3.10 Bảng tổng hợp giá trị biến dạng ứng với 4 cấp ứng suất của 4 nhóm mẫu tại vị trí S3 53

3.11 Bảng giá trị ứng suất hotspot của mẫu KXL ứng với các cấp ứng suất 53 3.12 Bảng giá trị ứng suất hotspot của mẫu M ứng với các cấp ứng suất 54

3.13 Bảng giá trị ứng suất hotspot của mẫu D1 ứng với các cấp ứng suất 54

3.14 Bảng giá trị ứng suất hotspot của mẫu D2 ứng với các cấp ứng suất 55

3.15 Giá trị trung bình và độ lệch chuẩn đặc trưng hình học đường hàn 59

3.16 So sánh mức độ ảnh hưởng của các phương pháp xử lý lên ứng suất Hotspot 59

3.17 So sánh mức độ ảnh hưởng của các phương pháp xử lý lên ứng suất tập trung 60

3.18 Bảng kết quả d − sin 2 ψ của mẫu KXL ứng với các góc ψ 61

3.19 Bảng kết quả d − sin 2 ψ của mẫu D1 ứng với các góc ψ 65

3.20 Bảng kết quả d − sin2ψ của mẫu D2 ứng với các góc ψ 67

3.21 Kết quả ứng suất dư các loại mẫu 68 4.1 So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu KXL 90 4.2 So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu M 91 4.3 So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu D1 91 4.4 So sánh ứng suất hotspot giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu D2 92

lý bề mặt bằng cách phun bi sắt đến ứng suất tập trung và ứng suất dư trongliên kết hàn góc của kết cấu thép.

kết hàn

Hàn là phương pháp liên kết phổ biến nhất đối với các kết cấu kim loại ngàynay Ứng dụng trong công nghiệp của nó là vô cùng quan trọng và rất nhiều cáccông trình lớn được thiết kế và lắp dựng trong những thập kỷ qua sẽ không thểthực hiện được nếu không có công nghệ hàn Ví dụ điển hình như cầu thép, kếtcấu tàu thuyền, kết cấu lớn ngoài khơi để khai thác dầu (giàn khoan trên biển).Phân tích cường độ của kết cấu sử dụng liên kết hàn cũng được quan tâm như

qua thiết kế phù hợp, việc lựa chọn vật liệu và kích thước tiết diện Các tiêuchuẩn thiết kế về chảy dẻo, mất ổn định, từ biến, ăn mòn, và mỏi phải đượckiểm tra cẩn thận trong từng điều kiện tải và môi trường cụ thể Tuy nhiên,một thực tế là mối nối hàn đặc biệt dễ bị phá hoại mỏi khi chịu tải trọng lặp(tải trọng động) Vết nứt do mỏi sẽ hình thành và phát triển trong vùng lân cậncủa các mối hàn trong quá trình sử dụng hàng ngày ngay cả khi ứng suất động

là nhỏ và thấp hơn giới hạn dẻo [8]

Vấn đề trở nên rất rõ ràng nếu kết cấu được tối ưu hóa bằng cách lựa chọn thépcường độ cao Lý do cho sự lựa chọn này là để có ứng suất cao hơn và kích thướctiết diện giảm xuống, tận dụng lợi ích của vật liệu có độ bền cao với giới hạnchảy cao Tuy nhiên, cường độ mỏi của liên kết hàn không phải bị chi phối chủyếu bởi cường độ của vật liệu cấu thành liên kết, mà chủ yếu bị chi phối bởikích thước hình học tổng thể và cục bộ của mối nối Do đó, dù giới hạn chảytăng cao nhưng cường độ mỏi không cải thiện đáng kể Hình 1.1 mô tả so sánhsức bền mỏi của mẫu thép tấm trơn, mẫu đục lỗ và mẫu có đường hàn góc theocường độ, nhận thấy rằng với cường độ càng tăng, thì sức bền mỏi càng tăngứng với mẫu thép trơn và mẫu đục lỗ, tuy nhiên với mẫu hàn thì sức bền mỏihầu như không tăng nhiều Điều này đã nói rõ lên vấn đề phá hoại do mỏi mới

là vấn đề chính cần được qua tâm Bỏ qua vấn đề này có thể dẫn đến phá hoại

do mỏi và kéo theo những hậu quả nghiêm trọng [8]

Hình 1.1: Ảnh hưởng của cường độ thép lên sức bền mỏi [1]

Một số hình ảnh phá hoại do mỏi trong dầm cầu thép chịu tải trọng lập đượcminh họa trong hình 1.2 & 1.3.

Hình 1.2: Vết nứt trên dầm cầu có liên kết hàn [2]

Hình 1.3: Vết nứt tại sườn gia cường của cầu Marquam , Portland, Oregon [3]

1.2 Các nguyên nhân gây phá hoại mỏi

1.2.1 Cơ chế phá hoại mỏi

Phá hoại do mỏi là một hiện tượng tự nhiên của vật liệu kim loại khi chịu tảitrọng và ứng suất lặp đi lặp lại, do có sự tách lớp, trượt hoặc xoắn giữa các thớvật liệu với nhau, dẫn đến những vết nứt nhỏ trong vùng có ứng suất hay biếndạng lớn, dần dần các vết nứt nhỏ này hình thành nên vết nứt lớn hơn rồi dẫnđến phá hoại như hình 1.4 Một phá hoại do mỏi sẽ bao gồm 3 giai đoạn sau :hình thành vết nứt, phát triển vết nứt và phá hoại cục bộ tiết diện [13]

Hình 1.4: Các mode phá hoại do mỏi [4]

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu mỏi của kết

• Ứng suất dư

Ứng suất dư sinh ra do quá trình nguội không đồng đều của kết cấu kimloại trong quá trình hàn Ứng suất dư gây nén nhìn chung sẽ làm tăng khảnăng chịu mỏi, ngược lại, ứng suất dư gây kéo sẽ làm tăng ứng suất trungbình, dẫn đến khả năng chịu mỏi giảm và phá hoại sớm

1.2.2.2 Các yếu tố khác

Là độ chênh lệch giữa ứng suất cực đại với ứng suất cực tiểu của tải trọnglặp (Hình 1.5) Biên độ ứng suất có ảnh hưởng quan trọng tới sự phát triểnvết nứt tại khu vực lân cận vết nứt [14]

Hình 1.5: Ảnh hưởng của biên độ ứng suất [1]

Các nghiên cứu trước cho thấy tần số của tải trọng không gây ảnh hưởng

tầng số có thể gây ra những thay đổi đối với cường độ mỏi [14]

Kích thước cấu kiện có ảnh hưởng lên sức bề mỏi của kết cấu theo qui luật

tỉ lệ nghịch, sức bền mỏi sẽ giảm khi kích thước tăng Ảnh hưởng của kíchthước cũng tăng với cấu kiện chịu uốn mỏng, nó có thể làm tăng sức kháng

Hình 1.6: Ảnh hưởng của kích thước hình học [1]

Một cách tổng quát thì sức kháng mỏi phụ thuộc vào đặc trưng vật, nghiêncứu thực nghiệm chỉ ra rằng, trong những điều kiện lý tưởng thì giới hạn

tố làm ảnh hưởng đến kết quả trên Chi tiết được minh họa trong hình 1.1[8]

Các yếu tố tác động của môi trường cũng là điều quan trọng đối với sứckháng mỏi của kết cấu ví dụ như trong môi trường nước biển, có sự ănmòn xảy ra, sẽ tác động làm để nhanh tiến trình mỏi từ đó dẫn đến sự pháhoại Hình 1.7 thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố môi trường lên sức bềnmỏi [8]

Trong luận văn này, vấn đề về ứng suất tập trung, ứng suất dư và ảnhhưởng của nó sẽ được quan tâm nghiên cứu

Hình 1.7: Ảnh hưởng của môi trường [5]

Việc xử lý bề mặt kết cấu thép bao gồm 2 mục đích:

kết cấu khỏi bị ăn mòn

Việc xử lý cục bộ đường hàn tại vị trí nguy hiểm bằng các phương pháp như đĩamài, búa rèn, TIG có tác dụng cải thiện dạng hình học tại chân đường hàn,làm giảm ứng suất tập trung tại vị trí chân đường hàn, đồng thời giảm ứng suất

dư gây kéo hoặc tạo ứng suất dư gây nén nhằm tăng khả năng chịu mỏi của kếtcấu

Việc xử lý tổng thể nhằm mục đích làm sạch bề mặt kết cấu cũng như tạo độnhám của bề mặt để tăng độ bám dính của sơn vào kết cấu Tuy nhiên, việc xử

lý tổng thể này có thể tác động hiệu quả đến việc làm giảm ứng suất tập trung

và ứng suất dư trong đường hàn, góp phần tăng tuổi thọ mỏi cho công trình

là một đề tài rất hay, đã được nhiều tác giả nổi tiếng nghiên cứu từ nhiều thậpniên trước, và được xem như các chuyên gia đầu ngành về hiện tượng mỏi trongkết cấu, cụ thể như Maddox [1], Neuber H [17], Walter D [18] Tuy nhiên ởViệt Nam, những nghiên cứu về lĩnh vực này hầu như chưa có dẫn đến việc tìmhiểu ảnh hưởng của ứng suất tập trung và ứng suất dư tại vị trí đường hàn đếntuổi thọ mỏi của liên kết là điều cần thiết Hơn nữa, ảnh hưởng của việc xử lý

bề mặt lên hai giá trị ứng suất này như thế nào trong quá trình chuẩn bị choviệc sơn phủ bảo vệ kết cấu cũng chưa được quan tâm Liệu việc xử lý này cóđóng góp cho việc tăng cường tuổi thọ mỏi của liên kết hay không, sẽ được làm

rõ trong nghiên cứu này

Đối với các dầm có chiều cao lớn, hay tại những vị trí lực tập trung, nơi có giátrị ứng suất nguy hiểm, người ta thường hàn thêm sườn gia cường để đảm bảo

sự ổn định của kết cấu trong quá trình làm việc Tuy nhiên đường hàn tại đây

là nơi có nguy cơ dễ bị phá hoại mỏi Trong nghiên cứu này mối nối tại vị tríliên kết sườn gia cường với bản cánh trong dầm sẽ được nghiên cứu cụ thể, từ

đó sẽ có được cơ sở trong việc tìm cách để hạn chế ứng suất tập trung và ứngsuất dư nhằm tăng cường khả năng kháng mỏi cho kết cấu.

1.5.1 Mục tiêu

Trên cơ sở thừa kế những nghiên cứu đi trước và vận dụng phù hợp với điềukiện thực tế tại Việt Nam, trong nghiên cứu này sẽ lần lượt trình bày các vấn

đề sau:

ra bởi các nghiên cứu trước;

phương pháp phun bi, đầu mài đến ứng suất tập trung và ứng suất dư

ảnh hưởng như thế nào đến ứng suất dư và ứng suất tập trung

dư tại đường hàn Chỉ thực hiện khảo sát với liên kết chịu tải vuông góc vớiđường hàn, không đưa ra đáng giá tuổi thọ mỏi của toàn bộ kết cấu nếu có nhiềuloại liên kết khác nhau Các phương pháp xử lý bề mặt được đề xuất ứng vớimôi trường thực tế tại Việt Nam.

1.6.1 Khảo sát bằng thực nghiệm

Khảo sát bằng thực nghiệm là phần chính nhất trong đề tài này, nhằm đưa rađược kết quả thực tế về vấn đề nghiên cứu Trên cơ sở đo đạc trực tiếp ứng suấttập trung và ứng suất dư, đánh giá xem việc xác định ứng suất tập trung giữathực nghiệm và mô phỏng có đáng tin cậy hay không, bên cạnh đó, xem xét mức

độ ảnh hưởng của ứng suất dư đến sức bền mỏi

So sánh kết quả thí nghiệm của mẫu nguyên và mẫu được xử lý bề mặt, để đánhgiá mức độ tác động đến mẫu Qua đó, có thể khuyến nghị phương pháp làmgia tăng độ bền của kết cấu

1.6.2 Khảo sát bằng mô hình PTHH

Mô phỏng số được xem như thí nghiệm số, vì số mẫu thực nghiệm là có giới hạn

do đó mô phỏng số sẽ được thay thế cho những thí nghiệm chưa áp dụng được

Từ đó đánh giá xem việc dự đoán ứng suất tập trung và ứng suất dư bằng môphỏng có đáng tin cậy để đánh giá cho những chi tiết phức tạp mà khó có thể

đo đạc được từ thực nghiệm

Trong phạm vi khảo sát của đề tài này kết cấu sẽ được mô phỏng bằng phầnmềm ABAQUS, với phân tích phi tuyến được áp dụng trong trường hợp này,mục tiêu làm thế nào để mô phỏng càng phù hợp với kết cấu thực càng tốt

1.7 Ý nghĩa của đề tài

1.7.1 Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này góp phần cung cấp thêm kiến thức về ảnh hưởng của các biệnpháp xử lý đến ứng suất dư và ứng suất tập trung, từ đó có thể giúp đưa ranhững đề nghị để làm tăng độ bền mỏi cho kết cấu bằng các biện pháp xử lý

bề mặt phục vụ cho việc sơn phủ, góp phần đem lại hiệu quả cao trong chế tạocấu kiện cho công trình thực tế Nghiên cứu cũng cho thấy việc dự đoán bằngphần tử hữu hạn đòi hỏi một sự am hiểu sâu sắc và kinh nghiệm trong việc môhình cấu kiện do sự phức tạp của ứng suất tại vị trí đường hàn Để có được kếtquả đáng tin cậy trong mô phỏng cần phải dựa trên dữ liệu cũng như kết quả

từ thực nghiệm để kiểm chứng

1.7.2 Ý nghĩa khoa học

Qua khảo sát này, với những kết quả thu được từ thực nghiệm và mô phỏng số

sẽ góp phần nào bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức bổ sung và là nguồn

dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

Luận văn được trình bày gồm những phần chính sau:

Chương 2

Tổng quan nghiên cứu

Trong chương này sẽ đề cập đến ứng suất tập trung và ứng suất dư tại vị tríchân đường hàn, nguyên nhân hình thành, sự phân bố ứng suất và tác động của

nó lên kết cấu Ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt đến ứng suất tập trung và ứngsuất dư trong kết cấu thép có liên kết hàn

2.1.1.1 Thành phần ứng suất trong đường hàn

Các thành phần ứng suất tại vị trí lân cận đường hàn được mô tả như hình 2.1,trong đó ứng suất phân bố phi tuyến trong suốt chiều dày tấm [6], [7], [19].Trong đó:

Hình 2.1: Các thành phần ứng suất [6], [7]

suốt chiều dày tấm, là hằng số trong suốt chiều dày

tấm, độ dốc được chọn sao cho phần ứng suất phi tuyến còn lại là cânbằng

của ứng suất

2.1.1.2 Ứng suất danh định (nominal stress)

Ứng suất danh định được tính toán trên tiết diện xem xét, bỏ qua ảnh hưởngtăng ứng suất cục bộ do đường hàn, nhưng vẫn kể đến tăng ứng suất do yếu tốhình học của cấu kiện gần khu vực mối nối Tất cả đánh giá dựa trên ứng xửđàn hồi

Ứng suất danh định có thể khác ở nhiều tiết diện, tuy nhiên, có thể được tínhtoán dựa trên lý thuyết dầm đơn giản Cụ thể như hình 2.2, nhưng bỏ qua ảnhhưởng của cấu kiện hàn vào

Ảnh hưởng của dạng hình học cũng như trường ứng suất gần khu vực chịu lựctập trung phải được kể đến trong tính toán ứng suất danh định Ứng suất uốn

do sự không thẳng hàng cũng phải được kể đến nếu nó vượt quá lượng đã được

kể đến trong đường con sức kháng mỏi cho chi tiết kết cấu Hình 2.3, 2.4, 2.5minh họa cụ thể cho trường hợp trên

Hình 2.2: Ứng suất danh định trong cấu kiện dầm [6]

Hình 2.3: Minh họa về ảnh hưởng của dạnh hình học [6]

Hình 2.4: Minh họa về ảnh hưởng của lực tập trung [6]

Hình 2.5: Minh họa về ảnh hưởng của sự không thẳng hàng [6]

2.1.1.3 Ứng suất kết cấu (Hotspot stress)

Ứng suất kết cấu (Structual stress) hay Hotspot stress được minh họa trong hình2.6 là ứng suất bao gồm tất cả các yếu tố làm tăng ứng suất do chi tiết kết cấu

mà không kể đến đường hàn Tức là không kể đến non-linear stress peak gây rabởi ảnh hưởng của khấc tại chân đường hàn (notch effect)

Ứng suất kết cấu phụ thuộc vào hình dáng tổng thể của cấu kiện và tải trọngtác dụng lên nó Ứng suất kết cấu thường được định nghĩa cho kết cấu tấm, vỏ,

và ống Nó có thể được xách định bằng cách ngoại suy giá trị ứng suất tại mộtvài điểm qui chiếu (điểm chuẩn) đến chân đường hàn được đề cập trong phần2.2.3

Hình 2.6: Định nghĩa về ứng suất kết cấu (hotspot stres) [6]

Hình 2.7: Phân loại ứng suất Hotspot [6]

Có 2 loại ứng suất Hotspot được mô tả trong hình 2.7, loại “a” là ứng suấtHotspot tại chân đường hàn trên mặt tấm, loại “b” là ứng suất Hotspot tại chânđường hàn trên biên tấm

2.1.1.4 Ứng suất do ảnh hưởng của khấc (Notch stress)

Ứng suất notch stress là tổng ứng suất tại chân đường hàn kể đến ảnh hưởngcủa đặc trưng hình học của đường hàn, ảnh hưởng chính của notch stress là gây

ra sự phân bố ứng suất phi tuyến tập trung cao tại chân đường hàn, vì vậy trongkhu vực này, sẽ xảy ra ứng xử đàn dẻo của vật liệu Sự khác nhau giữa notchstress và hotspot stress là tương đối lớn, một sự thay đổi nhỏ của đặc trưng

sẽ dẫn đến sự khác biệt lớn về giá trị cho ứng suất notch stress Hình 2.6 chothấy sự tăng đột biến của ứng suất tập trung tại chân đường hàn

2.1.2 Ứng suất dư

Ứng suất dư hình thành do quá trình nguội không đều của mối nối hàn và tồntại trong kết cấu ở trạng thái “tự cân bằng”, sự xuất hiện của ứng suất dư cóthể gây ra tác động có lợi hoặc có hại đối với kết cấu Ứng suất dư gây kéo cótác hại cho liên kết vì nó đóng góp vào quá trình phát triển vết nứt, ngược lại

ứng suất dư gây nén có tác dụng làm tăng tuổi thọ mỏi của kết cấu Hình 2.8

mô tả sự phân bố ứng suất dư trong đường hàn

(a) Ứng suất dư song song với đường hàn (b) Ứng suất dư vuông góc với đường hàn

Hình 2.8: Ứng suất dư phân bố trong đường hàn [1]

2.2.1 Hiện tượng tập trung ứng suất tại đường hàn

Như đã đề cập phía trên 2.1.1.4, hiện tượng notch effect gây ra bởi sự tập trungứng suất xảy ra tại vị trí chân đường hàn, và trong trường hợp với đường hàngóc, hiện tượng notch effect lại càng ảnh hưởng dữ dội hơn do độ dốc của đườnghàn góc (flank angle) Bên cạnh đó, bản thân phần hàn vào (attachment) cũng

đã gây ra ứng suất tập trung của chính nó bởi sự không liên tục trong kết cấu,

vì thế ứng suất notch stress tại đây sẽ bao gồm 2 thành phần gây tập trung làphần hàn vào (attachment) và bản thân đường hàn, đặc trưng của đường hàn

Cụ thể với đường hàn góc giữa sườn cứng vào bản cánh được minh họa tronghình 2.9, cần phân biệt giữa các thông số đặc trưng hình học :

Hình 2.9: Thông số hình học mối hàn góc [8]

2.2.2 Hệ số tập trung ứng suất tại đường hàn

Cần làm rõ các loại ứng suất tập trung, từ đó, sẽ xác định được các hệ số ứngsuất tập trung, cụ thể xem xét hình 2.10, với liên kết của sườn vào bản thép,chiều dày bản tấm là T, chiều dài của sườn và chiều cao lần lượt là L và H

nằm ở chân đường hàn phía đầu sườn, ký hiệu A-A như trong hình 2.10

Hình 2.10: Định nghĩa các loại ứng suất tập trung [8]

Như trên hình 2.10, có thể thấy có 3 loại ứng suất như sau:

diện B-B)

Thực sự, chỉ có ứng suất danh định và notch stress là thực sự xuất hiện trongkết cấu, còn hotspot stress là một khái niệm theo lý thuyết Mối quan hệ giữacác ứng suất trên được cho bởi công thức (2.1), (2.2) và (2.2) như sau [8]:

Trong đó :

sườn tác dụng gây ra, trong trường hợp không có đường hàn, có thể tưởngtượng là sườn được dán vào bản thép bằng keo SCF này phụ thuộc vàochiều cao H và L của sườn

hơn cho liên kết

Như vậy, có thể xác định được ứng suất tập trung bằng công thức (2.2) thông

đặc trưng hình học đường hàn

2.2.3 Phương pháp xác định ứng suất tập trung và hệ số Kpeak

Như đã phân tích phía trên trong mục 2.2.2, ứng suất Hotspot sẽ được tính theo

đề nghị của IIW [6] như sau:

Trong nghiên cứu này ứng suất Hotspot thuộc loại “a”, nên đo đạc ứng suấtHotspot bằng cách sử dụng strain gage (SG) để đo biến dạng, dán sao cho trọngtâm của strain gauge đầu tiên có chiều dài không vượt quá 0.2t, được đặt tạikhoảng cách 0.4t cách chân đường hàn như hình 2.11 Biến dạng Hotspot sẽđược tính bằng công thức (2.4)

hs = 1.67 ×  0.4t − 0.67 ×  1.0t (2.4)

bằng công thức (2.5)

σhs = E × hs (2.5)

Hình 2.11: Vị trí dán strain gage cho loai “a” ứng suất Hotspot.[6]

2.12, được tính bằng công thức (2.6) [8], [20], [21]

Kpeak = 1 + 0.51 × θ0.25×



T ρ

(2.6)

bán kính chân đường hàn, T là chiều dày bản thép

Hình 2.12: Chi tiết liên kết hàn góc [8]

Đo đạc ứng suất dư trong thực nghiệm có rất nhiều phương pháp và phân thành

2 loại là phá hủy và không phá hủy [22], [23] Các phương pháp phá hủy có ưuđiểm là dễ thực hiện và dựa trên nguyên lý cơ bản là ứng suất suất dư sẽ đượcgiải phóng khi phá hủy mẫu, từ đó sẽ xác định giá trị của ứng suất Tuy nhiên,quá trình đo sẽ rất dễ gặp sai số, cần phải làm với số mẫu nhiều và mẫu sẽ bịphá hủy Các phương pháp phá hủy mẫu như cắt lớp với độ sâu tăng dần (Crackcompliance method), khoan lỗ (Hole drilling, Ring core drilling), phương pháptách lớp (Layer removal) Còn đối với các phương pháp không phá hủy, là kiểuphương pháp hiện đại, tiên tiến, có thể đo được ứng suất dư mà không cần pháhủy mẫu, thiết bị đo đạc được chế tạo sẵn, kết quả sẽ có độ chính xác cao hơnnhư phương pháp siêu âm (Ultrasonic), nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction), haychụp ảnh (photoelastic) Mỗi loại phương pháp đều có ưu khuyết điểm riêng của

nó, các ưu khuyết điểm này được đề cập cụ thể trong rất nhiều bài báo của cáctác giả như Withers [24], Schajer [22]

Trong nghiên cứu này, với phạm vi thí nghiệm nhỏ, thực hiện xác định ứng suất

dư bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (X-Ray diffraction) Cơ bản về phươngpháp nhiễu xạ được tóm tắt bên dưới

2.3.1 Khái niệm nhiễu xạ tia X

Tia X là tia bức xạ điện từ năng lượng cao (từ 20eV đến 1MeV), phát sinh khicác điện tử hoặc các hạt mang điện khác bị hãm bởi một vật chắn và xuất hiện

Nhiễu xạ là sự giao thoa tăng cường của nhiều hơn một sóng tán xạ

Người ta dùng hiện tượng nhiễu xạ X quang để xác định ứng suất trong vật liệu,phân tích cấu trúc tinh thể, xác định thành phần trong vật liệu

2.3.2 Nguyên lý nhiễu xạ - Công thức Bragg

tả trong hình 2.13 Sự giao thoa của tia X tán xạ 1’ và 2’ xảy ra nếu hiệu quãngđường 1-P-1’ và 2-Q-2’, tức SQ + QT, bằng số nguyên lần bước sóng [25] Nhưvậy điều kiện nhiễu xạ là được thể hiện bằng công thức (2.7), (2.8)

nλ = 2dhklsinθ (2.8)

Phương trình 2.8 chính là định luật Bragg biểu thị mối quan hệ đơn giản giữagóc của tia nhiễu xạ với bước sóng tia X tới và khoảng cách giữa các mặt phẳng

chất sẽ không có vì cường độ nhiễu xạ thu được là rất nhỏ Trong hầu hết cáctrường hợp, bậc phản xạ thứ nhất được sử dụng, n = 1, do đó định luật Bragg(2.8) được viết như sau:

λ = 2dhklsinθ (2.9)

Hình 2.13: Nguyên lý nhiễu xạ khi tia X chạm vào mạng tinh thể [9]

Khi một chùm tia X chiếu vào vật rắn sẽ sinh ra hiện tượng nhiễu xạ nếu địnhluật Bragg (2.8) thỏa mãn như công thức (2.10)

λ = 2d0sinθ0 = 2dnsinθn (2.10)

Trong đó:

cường độ nhiễu xạ

Khi tồn tại ứng suất trong tinh thể, khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên

vậy biến dạng được xác định nhờ chệnh lệch góc nhiễu xạ, từ biến dạng đó, taxác định được ứng xuất nhờ vào quan hệ ứng suất - biến dạng

2.3.3 Phương pháp tính ứng suất thông qua nhiễu xạ

Ứng suất không đo trực tiếp bởi các nhiễu xạ X-quang, nó được đo bởi biếndạng Sau đó, ứng suất được tính bằng cách sử dụng phương trình thích hợpcủa tính đàn hồi

ứng suất dư trong lớp bề mặt và do chiều dày của lớp này quá mỏng nên có

là khoảng cách mạng tinh thể khi không bị biến dạng, phương trình biến

z = dn− d 0

Như vậy biến dạng trên mặt của vật liệu có thể đo được bằng cách so

Hình 2.14: Hệ tọa độ trực giao để tính toán ứng suất và biến dạng [9]

phương trình 2.11 để tính biến dạng có thể viết thành phương trình 2.12.Hình 2.15 thể hiện trục tọa độ chuyển đổi ứng với góc xoay của mẫu [9]