Nghiên cứu áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT CƠ PHÁ HUỶ TRONG KIỂM TRA,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT CƠ PHÁ HUỶ TRONG KIỂM TRA, ÐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ÐỘ BỀN CAO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Page iv

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài:

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN

CAO

- Mã số: T2013 - 96

- Chủ nhiệm: GV.ThS Nguyễn Nhựt Phi Long

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013

2 Mục tiêu:

- Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học Công Nghệ Kim Loại

3 Tính mới và sáng tạo:

- Đưa vào trong môn học Công Nghệ Kim Loại để sinh viên có thể tự nghiên cứu

4 Kết quả nghiên cứu:

- Hoàn thiện mục tiêu đề ra, xây dựng được bài thí nghiệm

5 Sản phẩm:

- Bản thiết kế và cụm thiết bị hàn hồ quang dưới thuốc

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Có khả năng áp dụng tại bộ môn Công nghệ Kim loại và một số trường khác tuỳ điều kiện cụ thể

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên, đóng dấu)

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

Page v

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC v

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước 1

2 Tính cấp thiết : 1

3 Mục tiêu: 1

4 Cách tiếp cận: 1

5 Phương pháp nghiên cứu 1

6 Đối tượng nghiên cứu: 1

7 Phạm vi nghiên cứu: 1

8 Nội dung nghiên cứu : 2

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao 3

1.2 Khái quát về lý thuyết cơ học phá hủy 20

CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CƠ HỌC PHÁ HỦY TRONG KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN THÉP 34

2.1 Kiểm tra độ dai va đập ak 34

2.2 Kiểm tra độ dai phá hủy biến dạng phẳng KIC 41

KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

Page 1

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài nước

Nguyên nhân chính của hầu hết các sự cố kỹ thuật trong thực tế đều là quá trình hình thành, phát triển vết nứt, và đi đến phá hủy Thế giới tập trung nghiên cứu cơ chế phá hủy trong các kết cấu và các mối ghép, từ lý thuyết tổng quát đến các vật liệu cụ thể, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, nghiên cứu xác định nguyên nhân, dự đoán và phòng tránh các tai nạn, sự cố tiềm năng Trong những năm gần đây, Việt Nam cũng có các nghiên cứu và một số kết quả được quốc tế chú ý

2 Tính cấp thiết :

Phá hủy kết cấu hàn đã được quan tâm từ lâu Đánh giá độ bền và độ ổn định của kết cấu hàn định kỳ theo từng khoảng thời gian trong quá trình làm việc là yêu cầu rất quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn Thực tế Việt Nam, tại các Công ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Công ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rượu, Bia và Nước giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí, Công ty IMECO, … quá trình phá hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn là điều đáng lo ngại

3 Mục tiêu:

- Nghiên cứu lý thuyết cơ học phá hủy

- Áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

4 Cách tiếp cận:

- Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài

5 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát thực tế

- Nghiên cứu tài liệu

- Thực nghiệm

6 Đối tượng nghiên cứu:

- Lý thuyết cơ học phá hủy

- Mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

7 Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết cơ học phá hủy

Page 2

- Áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

8 Nội dung nghiên cứu :

- Khái niệm chung về thép hợp kim thấp độ bền cao

- Khái quát về lý thuyết cơ phá hủy

- Ứng dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn thép

Page 3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao

Khái niệm chung

Thép hợp kim thấp có độ bền cao (Thép HSLA: High Strength Low Alloy Steel) là nhóm thép hợp kim có hàm lượng cacbon thấp và hàm lượng nhỏ các nguyên

tố hợp kim chẳng hạn như: Mangan, Silic, nhôm, vanadi, titan, molipden, đồng, … Do các đặt điểm như vậy nên chúng có các đặc tính chất như: độ bền và độ dai va đập cao,

có tính hàn tốt Độ bền cao được sinh ra do chúng được thêm vào một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim có hàm lượng nhỏ hơn 0.1% Giới hạn chảy của chúng lớn Nhờ vậy nhóm thép này có các thông số yêu cầu về độ dẻo, độ dai, tính hàn và tính chống

ăn mòn rất tốt Hàm lượng các thành phần nguyên tố hợp kim được điều chình tùy vào yêu cầu làm việc của từng loại thép

Thép HSLA có thể được chia thành sáu loại sau:

Thép hợp kim thấp Ferite – Pearlite: có chứa bổ sung rất nhỏ (bé hơn 0,1%) cacbite mạnh hay carbonitride hình thành như Nb, V, Ti, để tăng cường độ bền, làm mịn hạt

Thép cán Pearlite: bao gồm thép C - Mn nhưng cũng có thể bổ sung lượng nhỏ nguyên tố hợp kim khác để tăng cường độ bền, dẻo dai và tính hàn

Thép Ferrite hình kim: (cacbon thấp bainite) cacbon thấp (ít hơn 0,05% C) độ bền cao, (690 MPa) khả năng hàn và tính dẻo dai tốt

Thép song pha:trong đó có một cấu trúc tinh thể của mactenxit phân tán trong

ma trận Ferite và tạo một hợp chất có độ dẻo và độ bền kéo cao

Thép tạo hình: bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim Ca, Zr, Ti để cải thiện tính dẻo dai của thép

Thành phần hóa học và Cơ tính theo tiên chuẩn của một số Quốc gia

Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam

TCVN 1659 – 75 quy định phương pháp biểu thi ̣ mác thép Ký hiệu mác thép HSLA gồm hai phần : 2 chữ số đứng đầu biểu thi ̣ hàm lượng cacbon trung bình theo phần va ̣n và ký hiê ̣u chỉ nguyên tố hợp kim đứng sa u thường là Mn , Cr, Si, Ni,… Nếu hàm lượng hợp kim khoảng 1% thì sau nguyên tố hợp kim không có chữ số , nếu vươ ̣t quá 1.5% thì thêm số 2

Ví dụ : thép 12MnSi – thép chứa cacbon trung bình 0.12%, hàm lượng Mn khoảng 1% và hàm lươ ̣ng Si khoảng 1%

Tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ)

Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam biểu thi ̣ mác thép gần giống tiêu chuẩn của Nga (tiêu chuẩn ΓΟCT) Sau đây là bảng biểu thi ̣ tên nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu chuẩn ΓΟCT (Trang 130 Sổ tay mác thép thế giới)

Ký hiệu theo tiêu chuẩn TCVN

≤0,12 0,12÷0,18 0,11÷0,16 0,12÷0,18

0,17÷0,37 0,17÷0,37 0,25÷0,55 0,50÷0,80 0,50÷0,80 0,17÷0,37 0,40÷0,70 0,40÷0,70

0,7÷1,0 1,4÷1,5 1,2÷1,6 0,5÷1,2 1,3÷1,7 0,9÷1,2 0,9÷1,2 0,4÷0,7

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5÷0,8 0,6÷0,9

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3÷0,6

0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,2÷0,4

0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035 0,035

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,6÷0,9 0,4÷0,7

0,8÷1,2 1,5÷1,7

0,3 0,9÷1,2

0,3 0,3

0,3 0,3

0,04 0,04

0,045 0,045

Zr:

0,07÷0,14

≤0.12

≤ 0.12

≤ 0.12

≤ 0.12 0.12÷ 0.18 0.12÷ 0.18 0.12÷ 0.18 0.12÷ 0.18 0.12÷ 0.18

0.17 ÷ 0.37 0.17 ÷ 0.37 0.5 ÷ 0.8 0.5÷ 0.8 0.4 ÷ 0.7 0.4 ÷ 0.6 0.5 ÷ 0.8 0.5 ÷ 0.8 0.8 ÷ 1.1 0.8 ÷ 1.1 0.17 ÷ 0.37 0.17 ÷ 0.37 0.4 ÷ 0.7 0.4 ÷ 0.7 0.3 ÷ 0.6

1.4 ÷ 1.8 1.4 ÷ 1.8 1.2 ÷ 1.6 0.8 ÷ 1.2 0.9 ÷ 1.2

÷ 1.40 1.3 ÷ 1.7 1.3 ÷ 1.7 1.3 ÷ 1.65 1.3 ÷ 1.65 1.3 ÷ 1.65 0.9 ÷ 1.2 1.3 ÷ 1.7 1.3 ÷ 1.7 1.2 ÷ 1.6

0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035

0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008 As≤0.08 Ni≤0.008

V0.05÷0.12 As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

≤ 0.12

0.3 ÷ 0.6 0.3 ÷ 0.6 0.30 ÷ 0.60

≤ 0.17 0.17 ÷ 0.37 0.17 ÷ 0.37

1.20÷ 1.60 1.30÷ 1.70 1.30 ÷ 1.70 1.30 ÷ 1.70 1.20 ÷ 1.60 1.20÷ 1.60

0.035 0.035 0.035 0.035 0.035 0.035

0.040 0.040 0.040 0.040 0.040 0.040

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.05÷0.12

As≤0.08,Ni≤0.008 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025 V0.08÷0.14,As≤0.08 No0.015÷0.025

Page 8

Theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ

Theo tiêu chuẩn SAE quy đi ̣nh về phương pháp biểu thi ̣ mác thép , trong đó thép HSLA đươ ̣c ký hiê ̣u như sau :

Chữ số thứ nhất là số

Hai chữ số tiếp theo là giới ha ̣n chảy tối thiểu theo đơn vi ̣ K

Tiếp theo là chữ cái A, B, C, D hoă ̣c X để phân biê ̣t các thành phần khác nhau trong nhóm mác có cùng giới ha ̣n chảy

Theo tiêu chuẩn ASTM thì biểu thi ̣ thép HSLA như sau

Chữ thứ nhất là Grade

Hai chữ số tiếp theo chỉ giới ha ̣n chảy tối thiểu theo đ ơn vi ̣ Ksi hoă ̣c các chữ cái

Ni 0.5÷0.7 Ti0.03 ÷0.05 Cr0.4 ÷0.7

Ni 0.4

Mo 0.1 Nb0.005÷0.05

Page 9

Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE

Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C

1,35 1,35 1,35 1,65 1,35

0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

0,15÷0,40 0,15÷0,40 _

_ _

Mác thép

Hàm lƣợng (%)

R0,2 (min, Ksi)

1,35 1,00 1,40 1,35 1,30 1,30 1,60 1,60 1,35 1,35 1,45 1,45 1,65 1,65

0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90

0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040

0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050 0,050

Page 10

Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C

Grade

(mm)

Mẫu 50 (mm)

0,23 0,26 0,28

0,60÷0,90 0,85÷1,20 0,85÷1,00

0,04 0,04 0,04

0,050 0,050 0,050

0,10÷0,35 0,15÷0,40 0,15÷0,40

Bảng 1.9: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573-89

ASTM

(mm)

Mẫu 50 (mm)

58÷71 65÷77 70÷79

100÷150 (mm)

1,0÷1,35 1,0÷1,6 1,15÷1,5

-

- 1,15÷1,5

0,04 0,04 0,04

0,05 0,05 0,05

0,15÷0,5 0,15÷0,5 0,15÷0,5

0,05

- 0,01÷0,0

5

-

- 0,04÷0,11

- 0,35

-

- 0,25

-

- 0,25

-

- 0,08

430÷570 450÷590 550÷690

-

- 515÷655

Page 12

Tiêu chuẩn Nhâ ̣t Bản

Tiêu chuẩn Nhâ ̣t JIS quy đi ̣nh phương pháp biểu thi ̣ mác thép gồm ba phần :

Chữ cái thứ nhất biểu thi ̣ thép S (Steel)

Chữ cái thứ hai biểu thi ̣ công dụng H (Hot rolling) cán nóng

Ba chữ số tiếp theo biểu thi ̣ gi á trị thấp nhất của độ bền Ngoài ra các mác thép đôi khi có thể có thêm ký hiê ̣u biểu thi ̣ hình da ̣ng vâ ̣t liê ̣u thép , phương pháp chế ta ̣o

và nhiệt luyện P (Plate) thép tấm, S thép băng

Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319-88

2,0 1,8

0,030 0,035

0,03 0,03

0,4 0,4

0,15 0,15

Bảng 1.13: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319-88

JIS R0,2 (min)

(MPa)

Rm (min) (MPa)

A (%) SH590P

Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G3128-87

0,030 0,030 0,015

0,025 0,025 0,015

0,50 0,50 0,50

- 0,70÷1,50 0,70÷1,50

1,20 0,80 0,80

0,60 0,60 0,60

0,10 0,10 0,10

0,005 0,005 0,005

Cơ tính của cả 3 mác thép SHY-685, SHY685N, SHY685NS đều đảm bảo:

R0.2 ≥ 685 Mpa

Rm ≥ 785 MPa(Trích từ sổ tay mác thép thế giới trang 294)

Tiêu chuẩn Trung Quốc

0.80 ÷ 1.50 0.80 ÷1.50

0.55 0.55

0.045 0.040

0.045 0.040

0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02

0.20 0.20 0.20 0.18 0.18

1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15 0.02 ÷ 0.15

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.60 1.00 ÷ 1.60 1.00÷1.60 1.00÷1.60 1.00 ÷1.60

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015

0.20 0.20 0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70 1.00÷1.70 1.00÷1.70 1.00 ÷ 1.70

0.55 0.55 0.55 0.55 0.55

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.045 0.040 0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060 0.015 ÷ 0.060

0.02 0.02 0.02 0.02 0.02

-

-

0.015 0.015 0.015Q460

C

D F

0.20 0.20 0.20

1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70 1.00 ÷ 1.70

0.55 0.55 0.55

0.035 0.030 0.025

0.035 0.030 0.025

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20 0.02 ÷ 0.20

0.02 0.02 0.02

0.015 0.015 0.015

Độ giãn dài δ (%)

Độ dai va đập Uốn cong 108o

o

C

≤ Akv/J ≤ 16 >16÷100

B

295 295

275 275

255 255

235 235

390 ÷ 570

390 ÷ 570

23 23

- +20

- 34

d = 2a

d = 2a

d = 3a

d = 3a

Page 14

Bảng 1.16:

Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB159 1- 94

295

295

295

295 295

275

275

275

275 275

- +20

0 -20 -40

-

34

34

34 27

370

370

370

370 370

350

350

350

350 350

0 -20 -40

0 -20 -40

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 15

Theo tiêu chuẩn GB 1591 – 94 thì mác thép HSLA được biểu thị như sau : Chữ cái đứng đầu mác thép là chữ cái “Q” , chữ số đứng sau chỉ giá trị giới hạn chảy thấp nhất( Trang 179 Sổ tay sử dụng mác thép thế giới)

Theo tiêu chuẩn Đức

Tiêu chuẩn DIN 17006 quy đi ̣nh phương pháp biểu thi ̣ mác thép theo đô ̣ bền của vật liệu như sau : (trang 340 sổ tay mác thép thế giới)

Chữ cái đầu tiên biểu thi ̣ phương pháp luyê ̣n hoă ̣c đă ̣c tính ban đầu :

Q: có thể dập nguội (có thể ép, có thể biến dạng nguội )

Z: có thể kéo chuốt

Hai chữ cái tiếp theo là St (Stahl) và theo sau là giá trị độ bền kéo (MPa)

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5

1.3 1.5 1.4 1.6 1.6 1.7 1.8 2.1 1.2 1.4 1.5 1.6 1.6 1.6 1.7 1.7

~ 1.55

0.03 0.025 0.03 0.25 0.25 0.25 0.25 0.025 0.025 0.025 0.03 0.025 0.03 0.025 0.03 0.03 0.035

0.03 0.02 0.03 0.015 0.015 0.015 0.015 0.02 0.02 0.02 0.03 0.015 0.03 0.015 0.03 0.03 0.035

0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015

- 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015 0.025

0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.06 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09

-

0.22 0.15 0.22 0.15 0.15 0.15 0.15 0.22 0.15 0.15 0.22 0.15 0.22 0.15 0.22 0.22 0.2

- 0.2

- 0.2 0.2 0.2 0.2

- 0.1 0.1

- 0.1

- 0.1

-

-

-

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 17

Tổ chức tế vi điển hình

Hình 1.1 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở trạng thái cơ bản và ở vùng hàn

Hình 1.2 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 18

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép HSLA a.As-rolled; b tempered at 200°C; c tempered at 400°C; d tempered at 600°C; e tempered at 700°C

Hình 1.4 Tổ chức tế vi của thép HSLA-340 đã ram

Hình 1.5 Tổ chức tế vi của thép HSLA cán nguội, tôi

Một số ứng dụng

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Những năm gần đây, Tổng Công Ty Thép Việt Nam ở phía nam đã sản xuất và cung cấp cho thị trường một số mác thép cốt bê tông HSLA như :SD390 theo tiêu chuẩn JIS G 3112-1987.Gr60 theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M-96

Một số chi tiết trong ô tô

Hình 1.6 Một số bộ phận của một chiếc xe CADILLAC sử dụng thép HSLA

(4) Đoạn ray ở khoan trước của xe,(11) Nút dự phòng trong khung điều khiển, (17) Ray thay thế bên dưới thân xe, (18) Đoạn ray bên dưới phía sau xe, (20) Ray thay thế

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 20

Hình 1.7 (a) bánh xe,(b) hệ thồng giá đỡ với cấp độ cao, (c) các biên dạng khác nhau dùng trong ôtô, (d) trục khuỷu, (e) khung xe tải, (f) cột buồm cung cấp cho máy phát điện gi

1.2 Khái quát về lý thuyết cơ học phá hủy

Sự phá hủy vật liệu dưới góc độ nguyên tử

Mục này sẽ nêu ra một mô hình đơn giản để đánh giá độ bền kết dính cực đại lý thuyết trong vật rắn Việc tiếp cận hiện tượng phá hủy của vật liệu ở mức độ vi mô dựa trên quá trình đứt gãy liên kết giữa các nguyên tử sẽ giúp người đọc hiểu rõ quá trình hình thành vết nứt giòn ở một vật thể còn nguyên vẹn

Xét lực tương tác giữa hai nguyên tử khi khoảng cách giữa chúng có sự thay đổi Trong mọi trường hợp sự ảnh hưởng của lực đẩy và lực hút giữa các nguyên tử có thể được minh họa qua đồ thị hình 3.1

Hình 1.8 Mô hình đơn giản về mối quan hệ giữa lực tác động F với khoảng cách giữa hai

nguyên tử

Với x là khoảng cách bất kỳ giữa hai nguyên tử, b0 là khoảng cách giữa hai nguyên tử khi ở vị trí cân bằng và ( + b0) là khoảng cách giữa hai nguyên tử khi lực hút giữa chúng còn tác dụng Theo hình 3.1, để làm giảm khoảng cách b0, phải tác động một lực nén sao cho vượt qua lực đẩy giữa các nguyên tử Còn để khoảng cách b0 tăng lên một đoạn u, phải tác động

một lực kéo F sao cho lớn hơn lực hút của nguyên tử; và khi F tăng đến Fc (lúc đó, x = b0 + u

= b0 + /2) thì liên kết giữa các nguyên tử sẽ bị suy yếu Từ thời điểm này (u = /2), nếu tiếp tục kéo dài x thì lực F cần thiết để làm gia tăng x sẽ càng lúc càng suy giảm Đường cong thể

hiện mối liên hệ giữa lực F và chuyển vị u giữa hai nguyên tử có thể được xấp xỉ ở dạng

đường sin với chiều dài bước sóng là 2 Khi đó thì:

(3.1) F=0 u>λ (3.2)

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 21

Với u = x–b0, là chuyển vị của nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng và là giới hạn của

chuyển vị u để cho lực hút giữa hai nguyên tử còn tác dụng

Giả sử ứng suất được định nghĩa ở dạng sau:

Với một chuyển vị u rất nhỏ, hàm sin có thể được xấp xỉ với sin(x) = xvà do

vậy, công thức (3.4) có thể được viết lại là

(3.6)

Giả sử chuyển vị u giữa hai nguyên tử tuân theo định luật Hook thì mối quan hệ

giữa ứng suất và biến dạng là:

(3.7) Với E là module đàn hồi Khi đó, công thức (3.6) sẽ trở thành

(3.8) Khi vật liệu bị phá hủy làm cho một vết nứt được hình thành thì hai bề mặt mới sẽ được tạo ra Khi ấy, năng lượng bề mặt là 2 Hệ số 2 được sử dụng ở đây là để nhấn mạnh sự hình thành 2 bề mặt mới Công cần thiết để tạo ra hai bề mặt phải bằng với công của lực tác dụng trong khoảng diện tích đang xét Ta có:

(3.9)

Ở đây, theo hình 3.1, để cho vết nứt hình thành thì liên kết giữa hai nguyên tử phải bị

phá vỡ hay chuyển vị u phải tiến tới Do vậy, phải xét công của lực tác dụng trong khoảng

từ 0 đến Kết hợp công thức (3.9) với công thức (3.4), ta có:

Với nhiều vật liệu, năng lượng bề mặt có giá trị khoảng Eb0/100 Do đó, công thức (3.11) có thể được xấp xỉ như sau:

(3.12)

Những tính toán khác về độ bền kết dính vật rắn dựa trên các mô hình phức tạp

và chính xác hơn đã đưa ra giá trị nằm trong khoảng ( )E Những giá trị này

có thể thu được chỉ khi vật liệu được thí nghiệm với những thớ rất mỏng Tuy nhiên,

độ bền kết dính thực sự của vật rắn thấp hơn nhiều so với Một trong những nguyên nhân gây ra chính là sự tồn tại của các khuyết tật trong cấu trúc vi mô của vật rắn

Ứng suất tập trung tại đỉnh vết nứt, hệ số cường độ ứng suất

Bài toán Westergaard

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Trang 22

Khi vết nứt xuất hiên, tại vùng gần đỉnh của vết nứt có suất hiện ứng suất tập trung, để biểu thị cho mức độ tập trung của ứng suất tại vùng gần đỉnh của vết nứt người ta dùng hệ số K được gọi là hệ số cường độ ứng suất

Xét bài toán khe nứt elip trong tấm phẳng có kích thước lớn vô hạn (Westergaard):

Hình 1.9 Biểu diễn trục tọa độ tại đỉnh vết nứt Hình

1.10 Tấm phẳng vô hạn với vết nứt elip

số cường độ ứng suất KI, KII, KIII

Hình 1.11 Ba dạng độc lập của sự chuyển vị vết nứt

Dạng mở rộng: mode I (a) các bề mặt phá hủy bị tách theo phương Y

Dạng trượt: mode II (b) các bề mặt trượt lên nhau theo phương X

Dạng trượt xoay: mode III (c) các bề mặt trượt lên nhau và xé ra theo phương

Z

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

(3.18) Với là hàm phụ thuộc vào các dạng mô hình nứt khác nhau

Hệ số cường độ ứng suất thể hiện mức độ tập trung ứng suất tại đỉnh vết nứt và là một thông số quan trọng để dự đoán khả năng phát triển của vết nứt Chẳng hạn như với một mô hình vết nứt chịu tải trọng tác dụng sao cho vết nứt ở dạng mở rộng thuần túy (mode I), thì vết nứt sẽ phát triển khi KI = KIC Đây là một tiêu chuẩn phá hủy đơn giản, còn được gọi là tiêu chuẩn hệ số cường độ ứng suất K Với KIC là độ bền phá hủy của vật liệu

Độ bền phá hủy của vật liệu

Khi hệ số cường độ ứng suất KI tiến đến một giá trị giới hạn KC thì vết nứt sẽ phát triển Trong quá trình đo giới hạn phá hủy (fracture toughness test), khi độ dày của mẫu vật bé (ứng suất phẳng), độ bền phá hủy KC sẽ thay đổi theo độ dày của mẫu vật thí nghiệm Khi độ dày của vật tăng đến một giới hạn nào đó (biến dạng phẳng) thì KC sẽ tiến đến một giá trị hằng số là KIC Lúc này, KIC sẽ trở thành hằng số vật liệu và giá trị này sẽ được sử dụng để tính toán sức bền chống rạn nứt

K IC được gọi là sức bền chống rạn nứt trong trường hợp biến dạng phẳng

(plane strain fracture toughness) Trong một số ít trường hợp, để thuận tiện, những nhà thiết kế có thể sử dụng KC để tính toán nhưng vì lý do an toàn, hầu hết đều sử dụng

KIC Trong thực tế, trạng thái vết nứt thường ở dạng hỗn hợp nhưng sự phá hủy xảy ra

ở hầu hết các loại vật liệu là do mode I gây ra Do đó, mode I được xem là quan trọng nhất trong ba mode Mode II và mode III thường không dẫn đến sự phá hủy Mặt khác,

KIIC và KIIIC thường lớn hơn so với KI C Vì vậy, đa số các thí nghiệm đo sức bền phá hủy chỉ xét các mô hình mode I Độ bền phá hủy KIC của một vật liệu cụ thể được xác định qua thực nghiệm

Theo tiêu chuẩn ASTM E399, có 4 mô hình được chọn để đo giới hạn phá hủy Các mô hình này được phác họa trong hình 3.6