Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới nanoindentation trong đánh giá tính chất cơ học vật liệu kết cấu hạ tầng (18/05/2025)

Công nghệ nanoindentation là một kỹ thuật mạnh mẽ để đo các tính chất cơ học của nhiều loại vật liệu. Công nghệ nanoindentation cho thấy nhiều lợi thế so với các phương pháp khác nhờ tính đơn giản, không phá hủy mẫu, khả năng áp dụng lớp và đặc biệt có thể tiến hành thuận tiện ở các tỷ lệ, kích thước mẫu, cấu kiện khác nhau. Việc áp dụng công nghệ nanoindentation để xác định các tính chất cơ học khác của một số loại vật liệu đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên chưa được tiến hành ở Việt Nam.  Với mục tiêu nghiên cứu, đề xuất được phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu kết cấu hạ tầng sử dụng công nghệ nanoindentation; ứng dụng xác định được tính chất cơ học trong vật liệu kết cấu hạ tầng, đánh giá hiện trạng kết cấu hạ tầng. Trường Đại học Xây dựng Hà Nộiđã triển khai nhiệm vụ “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới nanoindentation trong đánh giá tính chất cơ học vật liệu kết cấu hạ tầng” do PGS.TS. Phạm Thái Hoàn làm chủ nhiệm.

Mô hình 3D mô phỏng thí nghiệm nanoindentation mũi kim Berkovich

Triển khai đề tài, nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu tổng quan công nghệ nanoindentation kết quả cho thấy mục tiêu của phần lớn các thí nghiệm nanoindentation là để xác định mô đun đàn hồi và độ cứng của vật liệu mẫu từ đường cong lực-chuyển vị. Trong thí nghiệm xác định độ cứng thông thường, diện tích tiếp xúc được đo trực tiếp từ kích thước của vết lõm trên bề mặt vật liệu. Tuy nhiên, với thí nghiệm nanoindentation, kích thước của vết lõm quá nhỏ để có thể đo trực tiếp được, vì vậy thường người ta sẽ xác định diện tích tiếp xúc một cách gián tiếp thông qua hình dạng và chiều sâu của vết lõm trên bề mặt vật liệu. Với việc hình dạng của mũi kim đã được xác định trước, chiều sâu của vết lõm cho phép xác định diện tích tiếp xúc ở trạng thái gia tải lớn nhất. Từ các mối quan hệ đó, dựa trên nhưng thông số đã biết nghiên cứu tìm ra tính chất cơ học của vật liệu.

Nghiên cứu trình bày mô hình vật liệu và các phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu thép từ thí nghiệm nanoindentation với mũi kim nhọn, kết hợp nanoindentation với hai mũi kim nhọn, hoặc thí nghiệm nanoindentation với mũi kim cầu. Kết quả cho thấy, các phương pháp đề xuất cho phép xác định được đầy đủ các tính chất vật liệu thép hoặc kim loại có quan hệ ứng suất – biến dạng tuân theo biểu thức. Từ đó, các phương pháp này có thể áp dụng để nghiên cứu và đánh giá tính chất vật liệu trong mối hàn thép và kim loại tương ứng do phép đo có kích thước nhỏ, có thể thực hiện trên các cùng khác nhau rất nhỏ của mối hàn. Tuy nhiên với vật liệu thép kết cấu, là loại thép carbon thấp, xuất hiện thềm chảy trong đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng nên các phương pháp đề xuất trên không áp dụng được. Do đó, cần thiết phải có các nghiên cứu để đề xuất phương pháp xác định tính chất vật liệu từ phép đo nanoidentation cho loại vật liệu thép này. Với phương pháp xác định tính chất cơ học của thành phần vi cấu trúc trong vật liệu bê tông tính năng siêu cao (UHPC) sử dụng nanoindentation cho thấy phương pháp thống kê kết quả từ lưới thí nghiệm nanoindentation đề xuất cho phép xác định được mô đun đàn hồi và độ cứng của các vi cấu trúc trong UHPC. Phương pháp này có thể áp dụng để nghiên cứu và đánh giá tính chất pha vật liệu UHPC, từ đó có cơ sở để đánh giá tính chất của vật liệu UHPC.

Nghiên cứu thiết lập mối quan hệ giữa đặc trưng cơ học của thép kết cấu và thông số thí nghiệm nanoindentation với mũi kim Berkovich cho thấy đường cong lực – độ sâu (P-h) tạo nên trên bề mặt vật liệu ứng với quá trình gia tải và dở tải trong thí nghiệm. Mũi kim Berkovich là mũi kim phổ biến nhất trong công nghệ nanoindentation có dạng hình kim tự tháp 3 mặt với góc nghiêng mỗi mặt là q = 65,3^o. Đường cong P-h cung cấp nhiều dữ liệu phản ánh mối liên hệ giữa đặc trưng cơ học của vật liệu được thí nghiệm và mũi kim, từ đó có thể xác định được đặc trưng cơ học của vật liệu một khi các mối liên hệ ứng với mỗi loại mũi kim được xác định. Thí nghiệm nanoindentation với mũi kim cầu kết quả thu được từ thí nghiệm là đường cong P-h cũng có dạng như trong thí nghiệm nanoindentation với mũi kim Berkovich. Từ đường cong P-h, nhóm nghiên cứu có thể xác định mô đun đàn hồi của mẫu vật liệu thí nghiệm. Việc kết hợp thí nghiệm nanoindentation với cả hai loại mũi kim Berkovich và mũi kim cầu sẽ đảm bảo chắc chắn việc xác định được kết quả đặc trưng cơ học duy nhất từ thí nghiệm nanoidentation bao gồm cường độ chảy dẻo, chỉ số cứng hóa theo biến dạng n, và hệ số a. Để kết hợp được kết quả thí nghiệm nanoidentation với hai mũi kim khác nhau, phương pháp đường chuẩn được đề xuất bởi Phadikar và nkk. sẽ được hiệu chỉnh để áp dụng vào dữ liệu thu được từ 2 thí nghiệm với hai mũi kim khác nhau. Từ kết quả nghiên cứu trên, nhóm đề tài xây dựng quy trình và thuật toán xác định tính chất cơ học của vật liệu thép, trong mối hàn thép kết cấu thí nghiệm nanoindentation mũi kim Berkovich, mũi kim cầu, thí nghiệm nanoindentation với hai loại mũi kim khác nhau. Ngoài ra, đề xuất quy trình và thuật toán xác định tính chất cơ học, tỷ lệ của thành phần vi cấu trục của vật liệu UHPC từ lưới nanoindentation và phân tích giải mã thống kê.

Quá trình thực nghiệm kiểm chứng kết quả thực hiện theo quy trình và các thuật toán sẽ được tiến hành từ việc lựa chọn mẫu thép, mẫu chứa mối hàn thép và mẫu UHPC. Mẫu thép và mẫu chứa mối hàn thép sử dụng cho thí nghiệm nanoindentation có kích thước 8x20 mm được cắt trực tiếp từ thép tấm hoặc mối hàn tương ứng. Trong đó mẫu chứa mối hàn được cắt sao cho chứa cả các vùng khác nhau trong mối hàn như vùng thép nguyên bản vùng bị ảnh hưởng nhiệt trong quá trình hàn và vùng vật liệu hàn. Các mẫu thép được cắt ra sau đó được sử dụng để tạo mẫu sử dụng trong thí nghiệm nanoindentation theo đúng hướng dẫn của tiêu chuẩn ASTM E3-01. Mẫu thép trước tiên được gắn chặt vào khuôn epoxy, sau đó được mài theo một quy trình gồm tối thiểu 7 bước với mục đích tạo được bề mặt của mẫu thử thật nhẵn và phẳng. Quy trình mài nhẵn và đánh bóng bao gồm tối thiểu 6 bước sử dụng giấy silicon carbide, poly diamond particles, và colloidal silica với cấp độ mịn tăng lên dần cho đến khi độ phẳng của mặt mẫu đạt 40 nm. Với các thí nghiệm nanoindentation với mũi kim Berkovich trên mẫu thép và mẫu thép chứa mối hàn, thí nghiệm được tiến hành với tải trọng lớn nhất 150 mN và 160 mN với tốc độ gia tải và giỡ tải như nhau tương ứng là 300 mN/min và 320 mN/min. Trong khi thí nghiệm nanoindentation với mũi kim cầu được tiến hành theo chế độ kiểm soát chuyển vị với độ sâu thâm nhập lớn nhất hm = 0,3R = 0,15 mm, thời gian gia tải và dỡ tải 30s. Ngoài ra cũng phụ thuộc vào mục đích thí nghiệm mà thí nghiệm sẽ được tiến hành tại các vị trí cần xác định đặc trưng cơ học với số lượng phù hợp. Với thí nghiệm xác định đặc trưng cơ học của vật liệu, tiến hành 9 thí nghiệm nanoindentation trên một mẫu vật liệu tại vị trí bất kì trên bề mặt mỗi mẫu. Với mẫu có mối hàn, thí nghiệm được tiến hành dạng lưới chạy ngang qua khu vực chứa cả 3 vùng mối hàn để có thể xem xét được sự phân bố đặc trưng cơ học trong các khu vực thuộc mối hàn. Lưới nanoindentation gồm 130 điểm tạo thành từ 5 hàng gồm 26 điểm cách nhau 200 mm.

Mẫu UHPC được lựa chọn là 3 mẫu trụ đường kính 20mm, dày 10mm sẽ được cắt ra để chế tạo mẫu, bao gồm S1, S2, S3. Các mẫu này sau đó cũng được đúc vào khuôn exopy và mài nhẵn, phẳng mặt theo đúng quy trình với các bước như đối với mẫu thép để đạt được độ mịn, phẳng của bề mặt mẫu tối thiểu 40 nm. Quy trình này cũng tuân thủ các quy định trong tiêu chuẩn ASTM E3-01. Với mục đích kiểm xác định đặc trưng cơ học và tỷ lệ thành phần vi cấu trúc của vật liệu UHPC, lưới nanoindentation bao gồm 550 điểm tạo thành từ 5 hàng, mỗi hàng 110 điểm với khoảng cách các điểm l = 10 mm được tiến hành với bằng chế độ kiểm soát tải trọng. Nanoindentation được tiến hành với tải trọng lớn nhất 2 mN dưới tốc độ gia tải 4 mN/min cho cả quá trình gia tải và dỡ tải. Để đảm bảo tính chính xác và phổ quát trong kết quả thí nghiệm, hai hàng điểm nanoindentation được tiến hành trên mẫu S1, một hàng trên mẫu S2 và một hàng trên mẫu S3. Số lượng điểm, khoảng cách giữa chúng, tải trọng thí nghiệm được lựa chọn cẩn thận dựa trên các tài liệu tham khảo có liên quan với mục đích thỏa mãn các yêu cầu trong kỹ thuật phân tích giải mã thống kê.

Kết quả áp dụng các quy trình và thuật toán đề xuất trong đề tài này để xác định tính chất cơ học của thép kết cấu, mối hàn thép kết cấu cũng như đặc trưng cơ học và tỷ lệ thành phần vi cấu trúc của vật liệu UHPC từ thí nghiệm nanoindentation, kết hợp kiểm chứng bằng kết quả thí nghiệm kéo mẫu và phân tích phần tử hữu hạn cho thấy các thuật toán đề xuất cho kết quả chính xác và đáng tin cậy.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.