Đánh giá ứng suất dư

Khi 2 lớp vật liệu/2 loại vật sát nhau/liên kết với nhau mà giữa chúng có sự không đồng nhất về cấu trúc hoặc kích thước độ hạt hoặc cơ tính nói chung thì ứng suất có thể xuất hiện giữa chúng. Ứng suất có thể gọi là ứng suất dư (residual stress) hoặc ứng suất bề mặt/ứng suất nội (internal stress). Về cơ bản, chúng cùng thể hiện một vấn đề. Tuy nhiên vẫn đề đó được xuất phát từ hai nguyên nhân khác nhau.

Ứng suất nói chung có 2 loại, ứng suất nén và ứng suất kéo. Trong kỹ thuật, ứng suất kéo được biểu thị bằng giá trị dương và ứng suất nén được biểu thị bằng dấu ngược lại.

Ảnh: Các loại ứng suất giữa 2 lớp vật liệu liên kết không có cùng cơ tính

Nhìn chung, ứng suất không có lợi cho độ bền của chi tiết máy. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, nếu bề mặt chi tiết có ứng suất nén thì độ bền mỏi của chúng được cải thiện. Đối với các sản phẩm chế tạo bằng màng mỏng, ứng suất giữa các lớp vật liệu lớn có thể gây nên các vết nứt hoặc thậm chí bị tách rời các lớp vật liệu thành phần. Ứng suất của lớp mạ giảm dần khi chiều dày của chúng tăng lên; ứng suất của lớp biến cứng sẽ khác nhau theo chiều sâu của vật liệu.

Ảnh: Ứng suất của lớp mạ giảm dần khi chi tiết được mạ dày hơn

Các phương pháp đánh giá ứng suất (internal stress và residual stress) được chia thành 2 loại: đánh giá phá hủy và đánh giá không phá hủy.

Một số phương pháp để đánh giá ứng suất của các chi tiết máy/lớp mạ, phủ được sử dụng phổ biến là: đánh gia qua đường cong biến dạng của chi tiết (bent curvature); đánh giá qua chiều và độ lớn xoắn của lò xo chuẩn (spial contractometer); đánh giá qua chiều và độ lớn biến dạng của mẫu chẻ đôi chuẩn (bent strip); đánh giá thông qua sự thay đổi chiều dài của mẫu thử (change of length); đánh giá thông qua tín hiệu phản hồi của tia X-quang; đánh giá qua ứng suất kéo/nén thay đổi khi khoan 1 lỗ trên chi tiết (ring core/hole drilling).

Ảnh: Ví dụ về lắp đặt thiết bị để đo đường cong trên mẫu đo ứng suất dư

Mục tiêu của phương pháp này là phải xác định chính xác giá trị bán kính cong của vật mẫu cần đo ứng suất. Mẫu sẽ có thể có 2 chiều cong, và được hiểu là hai loại ứng suất kéo/nén. Cách xác đinh bán kính cong có thể được thực hiện bằng cách xác định tọa độ của một số điểm trên đường cong, sau đó sử dụng các phép nội suy để biết bán kính cong. Thực hiện càng nhiều điểm đo, độ chính xác của bán kính cong càng cao. Cuối cùng, ứng suất dư được tính toán bằng một số công thức thực nghiệm, Stoney là một trong số công thức được sử dụng phổ biến.

Ảnh: Thiết bị sử dụng đo bằng phương pháp mẫu bổ đôi và thay đổi chiều dài

Các phương pháp này được thực hiện và tính toán như phương pháp xác định ứng suất thông qua bán kính cong của mẫu. Tuy nhiên, trong trường hợp mẫu bổ đôi, mẫu được chế tạo thành 2 nửa có phần gắn liền một đầu. Mẫu được mạ/phủ 1 mặt, và như vậy, ứng suất kéo và ứng suất nén sẽ làm 2 nửa của mẫu bị uốn cong về 1 phương nhất định. Phương pháp này, mẫu đo yêu cầu được thực hiện bằng các mẫu tiêu chuẩn. Phương pháp đo ứng suất thông qua sự thay đổi chiều dài của mẫu đo được thực hiện như trên hình ngoài cùng bên phải. Ứng suất được xác định bằng công thức Dvorak-Vrobel.

Ảnh: Nguyên lý đo ứng suất dư bằng công nghệ X-quang

Ảnh: Phương pháp đo ứng suất thông qua đánh giá ứng suất thay đổi sau khi khoan

Phương pháp dùng tia X-quang dựa trên nguyên lý, khi có ứng suất thì cấu trúc mạng tinh thể sẽ thay đổi. Sự thay đổi đó làm thay đổi chùm tia phản xạ của X-quang khi được chiếu vào. Trong khi đó, phương pháp khoan lỗ lại dựa vào nguyên lý, khi cô lập một vùng vật liệu có ứng suất thì các ứng suất kéo nén của nó sẽ thay đổi so với các giá trị này ở vật liệu ban gốc. Quá trình đo được thực hiên đồng thời theo 3 phương tạo với nhau 120 độ.