Ứng suất nội tại là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Ứng suất nội tại là gì?

Ứng suất nội tại (residual stress) là ứng suất tồn tại trong vật liệu khi không có lực ngoài tác động. Nó được hình thành do sự phân bố không đồng đều của biến dạng trong vật liệu và tồn tại ngay cả khi các tải trọng bên ngoài được loại bỏ. Ứng suất nội tại có thể xuất hiện trong tất cả các loại vật liệu, từ kim loại, hợp kim, gốm sứ, đến vật liệu composite, và có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ bền, độ cứng, tuổi thọ và khả năng chịu mỏi của chi tiết.

Ứng suất nội tại không chỉ là hệ quả của các quá trình cơ học mà còn của các quá trình nhiệt và hóa học. Ví dụ, trong các chi tiết kim loại sau hàn hoặc đúc, sự nguội không đồng đều tạo ra sự co rút cục bộ dẫn đến ứng suất nội tại. Ứng suất cũng hình thành trong quá trình tôi luyện, nơi thay đổi pha hoặc biến dạng nhựa cục bộ xảy ra. Việc nhận biết và kiểm soát ứng suất nội tại là quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất của chi tiết trong các ứng dụng kỹ thuật.

Ứng suất nội tại có thể mang tính tích cực hoặc tiêu cực. Ứng suất nén bề mặt, ví dụ từ xử lý peening hoặc tôi luyện, giúp tăng khả năng chống mỏi và chống nứt bề mặt. Ngược lại, ứng suất kéo hoặc phân bố không đều có thể dẫn đến biến dạng, nứt hoặc giảm tuổi thọ chi tiết. Kiểm soát ứng suất nội tại là một phần quan trọng trong thiết kế và sản xuất hiện đại.

Nguyên nhân hình thành ứng suất nội tại

Ứng suất nội tại hình thành do sự phân bố không đồng đều của biến dạng hoặc nhiệt độ trong vật liệu. Các nguyên nhân cơ học bao gồm uốn, kéo, cắt hoặc mài không đều, tạo ra sự thay đổi cục bộ về hình dạng mà không cân bằng nội tại. Quá trình gia công cơ học tạo ra các vùng nén và kéo cục bộ, dẫn đến phân bố ứng suất phức tạp ngay cả khi chi tiết không chịu tải bên ngoài.

Nguyên nhân nhiệt là một yếu tố quan trọng trong hình thành ứng suất nội tại. Khi vật liệu được gia nhiệt không đồng đều, sự giãn nở hoặc co rút không đồng bộ giữa các vùng khác nhau tạo ra ứng suất dư. Trong hàn và đúc, tốc độ làm nguội cao làm tăng sự khác biệt về nhiệt độ, dẫn đến ứng suất kéo hoặc nén cục bộ. Các hiện tượng thay đổi pha hoặc biến dạng nhựa trong quá trình nhiệt cũng góp phần hình thành ứng suất nội tại.

Nguyên nhân hóa học và vi cấu trúc cũng ảnh hưởng đến ứng suất nội tại. Biến đổi pha, kết tinh, co ngót, và sự không đồng nhất của cấu trúc vi mô tạo ra các vùng ứng suất vi mô. Những ứng suất này có thể ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt vi mô và khả năng chịu tải lâu dài của vật liệu. Bảng dưới đây minh họa các nguyên nhân chính và cơ chế hình thành ứng suất nội tại:

Nguyên nhân	Cơ chế
Gia công cơ học	Biến dạng nhựa không đồng đều dẫn đến ứng suất kéo/nén cục bộ
Gia nhiệt/Quá trình hàn, đúc	Giãn nở và co rút không đồng bộ giữa các vùng vật liệu
Biến đổi pha	Thay đổi thể tích cục bộ do kết tinh hoặc chuyển pha tạo ứng suất vi mô
Khuyết tật vi mô	Không đồng nhất về mật độ hạt, lỗ rỗng hoặc tạp chất dẫn đến phân bố ứng suất

Phân loại ứng suất nội tại

Ứng suất nội tại được phân loại dựa trên phạm vi và nguyên nhân hình thành. Phân loại cơ bản gồm ứng suất macro và micro. Ứng suất macro tồn tại trên phạm vi lớn, có thể đo trực tiếp và ảnh hưởng đến hình dạng tổng thể của chi tiết. Ứng suất micro xuất hiện trên cấp độ vi mô, liên quan đến hạt tinh thể, biên giới hạt hoặc các liên kết hóa học, ảnh hưởng đến các tính chất cơ học cục bộ.

Ứng suất cũng được phân loại dựa trên nguyên nhân thành ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt. Ứng suất cơ học phát sinh do biến dạng nhựa hoặc lực cơ học bên ngoài trước đó, trong khi ứng suất nhiệt xuất hiện do sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều hoặc quá trình làm nguội nhanh. Một số ứng suất nội tại có thể kết hợp cả cơ học và nhiệt, tạo ra phân bố phức tạp trong chi tiết.

Danh sách phân loại ứng suất nội tại:

• Ứng suất macro: ảnh hưởng đến toàn bộ chi tiết, dễ đo bằng kỹ thuật phi phá hủy như XRD hoặc neutron diffraction
• Ứng suất micro: xuất hiện trên cấp độ hạt, liên quan đến vi cấu trúc và vi khuyết tật
• Ứng suất cơ học: phát sinh từ biến dạng nhựa hoặc gia công cơ học
• Ứng suất nhiệt: xuất hiện từ sự thay đổi nhiệt độ không đồng đều

Công thức liên quan và mô hình tính toán

Ứng suất nội tại có thể mô tả bằng lý thuyết cơ học vật rắn. Trong trường hợp đơn giản của ứng suất bia trục, ứng suất nội tại $\sigma$ được tính bằng công thức:

$\sigma = E \cdot \varepsilon_{res}$

Trong đó:

• $\sigma$: ứng suất nội tại
• E: mô đun đàn hồi của vật liệu
• $\varepsilon_{res}$: biến dạng dư (residual strain)

Mô hình phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để dự đoán phân bố ứng suất nội tại trong chi tiết phức tạp. Các phần mềm FEA cho phép mô phỏng chi tiết ảnh hưởng của các quá trình gia công, hàn, đúc và nhiệt trên phân bố ứng suất. Việc sử dụng mô hình giúp xác định các vùng ứng suất cao và tối ưu quy trình sản xuất để giảm nguy cơ nứt hoặc biến dạng.

Thông tin chi tiết và các ví dụ về mô phỏng có thể tham khảo tại ScienceDirect: Residual Stress.

Phương pháp đo ứng suất nội tại

Có nhiều kỹ thuật để đo ứng suất nội tại, được chia thành phương pháp phi phá hủy, phương pháp phá hủy và phương pháp quang học. Mỗi kỹ thuật có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại vật liệu và yêu cầu đo lường.

Phương pháp phi phá hủy phổ biến bao gồm:

• X-ray diffraction (XRD): đo ứng suất bề mặt bằng cách phân tích sự dịch chuyển của các mặt phẳng tinh thể, thích hợp với kim loại và hợp kim mỏng.
• Neutron diffraction: đo ứng suất sâu trong vật liệu nhờ khả năng xuyên thấu của neutron, phù hợp cho chi tiết dày hoặc phức tạp.
• Electron backscatter diffraction (EBSD): cung cấp thông tin về ứng suất vi mô và hướng tinh thể trong vật liệu, hữu ích trong nghiên cứu cấu trúc vi mô.

Phương pháp phá hủy bao gồm hole-drilling, contour method và sectioning. Hole-drilling đo ứng suất bằng cách khoan lỗ nhỏ và quan sát biến dạng xung quanh. Contour method cắt vật liệu và đo biến dạng bề mặt để tái tạo phân bố ứng suất. Sectioning là kỹ thuật cắt vật liệu thành nhiều lớp để xác định ứng suất nội tại theo từng lớp.

Phương pháp quang học như digital image correlation (DIC) và photoelasticity sử dụng hình ảnh và ánh sáng phân cực để quan sát biến dạng và phân bố ứng suất. Những kỹ thuật này không phá hủy vật liệu, cung cấp dữ liệu thời gian thực và có thể áp dụng cho vật liệu phi kim loại hoặc composite.

Ảnh hưởng của ứng suất nội tại đến vật liệu

Ứng suất nội tại có thể tác động tích cực hoặc tiêu cực tùy thuộc vào bản chất và phân bố của nó. Ứng suất nén bề mặt giúp tăng khả năng chống mỏi, ngăn nứt bề mặt và cải thiện độ bền tổng thể. Đây là cơ chế được ứng dụng trong các kỹ thuật như shot peening hoặc tôi luyện bề mặt.

Ngược lại, ứng suất kéo hoặc phân bố không đồng đều có thể dẫn đến biến dạng, nứt hoặc giảm tuổi thọ chi tiết. Trong các chi tiết hàn, ứng suất kéo tích tụ tại vùng nhiệt ảnh hưởng có thể gây ra nứt nóng. Trong các chi tiết đúc, ứng suất dư không kiểm soát có thể làm cong chi tiết hoặc phá hủy cấu trúc vi mô. Bảng dưới đây minh họa tác động của ứng suất nội tại:

Loại ứng suất	Tác động
Nén bề mặt	Tăng khả năng chống mỏi, giảm nguy cơ nứt bề mặt
Kéo cục bộ	Gây biến dạng, nứt, giảm tuổi thọ chi tiết
Ứng suất vi mô	Ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt và khả năng chịu tải lâu dài

Ứng suất nội tại trong các ngành công nghiệp

Ứng suất nội tại là yếu tố quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, ảnh hưởng đến độ bền, tuổi thọ và hiệu suất của vật liệu. Trong ngành hàng không và ô tô, ứng suất nội tại ảnh hưởng đến kết cấu kim loại, các bộ phận động cơ và khung xe, quyết định độ an toàn và tuổi thọ chi tiết.

Trong công nghiệp đúc và hàn, kiểm soát ứng suất nội tại giúp giảm biến dạng, tránh nứt và tăng độ chính xác kích thước chi tiết. Trong vật liệu composite và điện tử, ứng suất nội tại ảnh hưởng đến hiệu năng kết nối, độ bền cơ học và khả năng dẫn nhiệt hoặc dẫn điện. Do đó, việc đo, phân tích và giảm thiểu ứng suất nội tại là bước quan trọng trong thiết kế và sản xuất hiện đại.

Phương pháp giảm ứng suất nội tại

Các kỹ thuật giảm ứng suất nội tại được áp dụng để cải thiện độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Tôi luyện hoặc gia nhiệt (stress-relief annealing) là phương pháp phổ biến, trong đó vật liệu được gia nhiệt tới nhiệt độ nhất định và giữ ổn định để giảm ứng suất dư. Sau đó, làm nguội từ từ giúp phân bố lại ứng suất và giảm căng thẳng cục bộ.

Gia công cơ học kiểm soát như shot peening hoặc peening bằng con lăn tạo ra ứng suất nén bề mặt, cải thiện khả năng chống mỏi. Thiết kế tối ưu và kiểm soát quy trình sản xuất cũng giúp giảm ứng suất dư, bao gồm điều chỉnh tốc độ làm nguội, đồng đều hóa nhiệt độ và cân bằng lực cơ học trong quá trình gia công.

Danh sách các phương pháp giảm ứng suất nội tại:

• Tôi luyện giảm ứng suất (stress-relief annealing)
• Gia công bề mặt kiểm soát (shot peening, roller peening)
• Thiết kế tối ưu và kiểm soát tải trọng trong quá trình sản xuất
• Đồng đều hóa nhiệt độ trong đúc, hàn, hoặc tôi luyện

Mô phỏng và dự đoán ứng suất nội tại

Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) là công cụ quan trọng trong dự đoán ứng suất nội tại. FEA cho phép mô phỏng chi tiết ảnh hưởng của gia công cơ học, hàn, đúc và nhiệt đến phân bố ứng suất trong chi tiết. Việc mô phỏng giúp xác định vùng ứng suất cao, đánh giá nguy cơ nứt, biến dạng và tối ưu quy trình sản xuất.

Phần mềm FEA kết hợp với dữ liệu đo thực nghiệm cung cấp công cụ mạnh mẽ để dự đoán và giảm thiểu ứng suất nội tại. Các kỹ thuật mô phỏng hiện đại còn có thể mô phỏng ứng suất vi mô, liên quan đến cấu trúc hạt, biến dạng nhựa cục bộ và sự thay đổi pha. Thông tin chi tiết tham khảo tại Springer: Residual Stress Modeling.

Tài liệu tham khảo

• ScienceDirect. Residual Stress. Link
• ASTM E837-20. Standard Test Method for Residual Stress Measurement. Link
• TWI. What are Residual Stresses? Link
• Springer Reference. Residual Stress Modeling. Link
• Withers, P. J., & Bhadeshia, H. K. D. H. (2001). Residual stress. Part 1 – Measurement techniques. Materials Science and Technology, 17(4), 355–365. Link
• Hauk, V. (1997). Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods. Elsevier. Link
• Rhoades, K. et al. (2010). Residual stress measurement techniques and applications. International Journal of Materials Research, 101(3), 230–246. Link