Tài liệu Nghiên cứu mô phỏng và ứng dụng vật liệu hợp kim nhớ hình (sma)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG NGỌC QUÝ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU HỢP KIM NHỚ HÌNH (SMA) LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG NGỌC QUÝ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU HỢP KIM NHỚ HÌNH (SMA) Ngành: Cơ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 8520101.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN TRƯỜNG GIANG Hà Nội – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu mô phỏng và ứng dụng vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA)” là công trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trường Giang. Các tài liệu được sử dụng đều có nguồn gốc rõ ràng và được ghi trong phần tài liệu tham khảo. Số liệu tính toán và kết quả của luận văn hoàn toàn trung thực. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và các hình thức kỉ luật của nhà trường. Tác giả Hoàng Ngọc Quý ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong thời gian tôi học tập tại khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, trường Đại học Công nghệ – ĐHQG HN. Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Nguyễn Trường Giang và các cộng sự đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả Hoàng Ngọc Quý iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU HỢP KIM NHỚ HÌNH (SMA)......................................................................................................... 2 1.1. Tổng quan về sự phát triển của hợp kim nhớ hình trong khoa học ......... 2 1.1.1. Tổng quan tình hình ngoài nước ................................................... 2 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................. 4 1.2. Đặc điểm chung của vật liệu hợp kim nhớ hình ...................................... 5 1.2.1. Hiện tượng chuyển đổi pha của vật liệu hợp kim nhớ hình .......... 5 1.2.2. Hiệu ứng nhớ hình......................................................................... 7 1.2.3. Hiệu ứng siêu đàn hồi ................................................................... 9 1.3. Ứng dụng của SMA ............................................................................... 11 1.4. Kết luận chương 1.................................................................................. 15 Chương 2. NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA SMA VÀ ỨNG DỤNG GIẢM CHẤN CHO CÁP CẦU DÂY VĂNG ............................................................... 16 2.1. Ứng xử của SMA ................................................................................... 16 2.1.1. Mô hình mô phỏng dựa theo sơ đồ ứng xử ................................. 16 2.1.2. Mô hình mô phỏng ứng xử sử dụng biến nội bộ vô hướng ........ 18 2.2. Ứng dụng giảm chấn cho cáp cầu dây văng .......................................... 23 2.2.1. Phương trình dao động của cáp nghiêng ..................................... 23 2.2.2. Lực giảm chấn tối đa khi sử dụng SMA. .................................... 28 2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................. 29 Chương 3. THỰC HIỆN TÍNH TOÁN SỐ VÀ CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN30 3.1. Kết quả so sánh biên độ dao động Mori – Tanaka và Reuss ................. 34 3.2. Kết quả so sánh giữa có và không có giảm chấn SMA ......................... 34 3.3. Ảnh hưởng của diện tích mặt cắt SMA ................................................. 35 3.4. Ảnh hưởng của chiều dài dây SMA....................................................... 35 3.5. Ảnh hưởng của vị trí lắp giảm chấn SMA ............................................. 36 3.6. Kết luận chương 3 .................................................................................. 37 iv KẾT LUẬN ......................................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 41 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ........................................................................................................ 46 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 47 v DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT KÝ HIỆU / CHỮ VIẾT TẮT TÊN GỌI ĐƠN VỊ 1 Hợp kim nhớ hình SMA 2 Pha austenite A 3 Pha martensite M 4 Đường kính cáp D m 5 Chiều dài dây cáp L m 6 Đường kính dây SMA DSMA m 7 Chiều dài dây SMA LSMA m 8 Ứng suất bắt đầu chuyển đổi martensite σMs Mpa 9 Ứng suất kết thúc chuyển đổi martensite σMf Mpa 10 Ứng suất bắt đầu chuyển đổi austenite σAs Mpa 11 Ứng suất kết thúc chuyển đổi austenite σAf Mpa 12 Góc giữa dây cáp và phương ngang θ rad 13 Độ cứng k 14 Hệ số cản c 15 Khối lượng cáp m kg 16 Modun đàn hồi cáp E Mpa 17 Modun đàn martensite hồi pha 18 Modun đàn austenite hồi pha 19 Biến Martensite 𝜉𝑆 20 Vị trí lắp đặt giảm chấn xc 21 Biến dạng đàn hồi 𝜀𝑒 22 Biến dạng dư lớn nhất 𝜀𝐿 23 Chiều dài tối ưu SMA LoptSMA EM EA Mpa m m vi 24 Lực của SMA fc(t) N 25 Nhiệt độ bắt đầu chuyển đổi martensite Ms ℃ 26 Nhiệt độ kết thúc chuyển đổi martensite Mf ℃ 27 Nhiệt độ bắt đầu chuyển đổi austenite As ℃ 28 Nhiệt độ kết thúc chuyển đổi austenite Af ℃ 29 Biến dạng bắt đầu chuyển đổi martensite 𝜀𝑀𝑆 30 Biến dạng kết thúc chuyển đổi martensite 𝜀𝑀𝑓 31 Biến dạng bắt đầu chuyển đổi austenite 𝜀𝐴𝑆 32 Biến dạng kết thúc chuyển đổi austenite 𝜀𝐴𝑓 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Chuyển đổi pha do nhiệt độ gây ra. ...................................................... 6 Hình 1.2. Sơ đồ hiệu ứng nhớ hình dạng của SMA cho thấy sự detwinning của SMA với ứng suất. ................................................................................................ 6 Hình 1.3. Sơ đồ hiệu ứng bộ nhớ hình của một SMA cho thấy quá trình dỡ tải và sau đó làm nóng để trở về austenite trong điều kiện không tải............................. 7 Hình 1.4. Sơ đồ ứng suất - biến dạng - nhiệt độ của một mẫu NiTi SMA. .......... 8 Hình 1.5. Sơ đồ pha và hai đường gia tải siêu đàn hồi. ........................................ 9 Hình 1.6. Một chu trình gia tải siêu đàn hồi của một SMA điển hình ................ 10 Hình 1.7. Cần đẩy nắp ca-pô sử dụng vật liệu SMA .......................................... 11 Hình 1.8. Thiết bị khí động học sử dụng vật liệu SMA ...................................... 12 Hình 1.9. (a) Thiết kế kẹp SMA và (b) bố trí mẫu của thiết kế mạch LC .......... 12 Hình 1.10. Bàn tay robot ..................................................................................... 13 Hình 1.11. Chuồn chuồn robot ............................................................................ 13 Hình 1.12. Stent trong mạch máu........................................................................ 13 Hình 1.13. Thiết bị hỗ trợ trong chữa lành gãy xương ....................................... 14 Hình 1.14. Mặt cắt của bộ giảm chấn SMA ........................................................ 14 Hình 1.15. Thiết bị lai do Miller và cộng sự đề xuất .......................................... 14 Hình 1.16. Thiết bị lai do Yang et al đề xuất ...................................................... 15 Hình 1.17. (a) Bốn dây cáp dài 50 m và (b) Bộ giảm chấn NiTi SMA được sử dụng trong Công việc của Torra và cộng sự ....................................................... 15 Hình 2.1. Vòng lặp ứng xử cho vật liệu SMA. ................................................... 16 Hình 2.2. Mô hình kéo đơn trục của SMA .......................................................... 19 Hình 2.3. Sơ đồ cáp nghiêng dao động ............................................................... 24 Hình 2.4. Phần tử của dây ................................................................................... 24 Hình 3.1. Thanh chịu kéo một trục ..................................................................... 30 Hình 3.2. Hàm tải trọng theo thời gian ............................................................... 30 Hình 3.3. Kết quả tính toán mô phỏng theo mô hình Mori – Tanaka và Reuss . 31 Hình 3.4. Sơ đồ khối tính toán ............................................................................ 32 Hình 3.5. Biên độ dao động theo Mori – Tanaka và Reuss ................................ 34 Hình 3.6. Biên độ dao động của cáp khi có và không có giảm chấn SMA. ....... 34 Hình 3.7. Ảnh hưởng của diện tích mặt cắt dây SMA. ....................................... 35 Hình 3.8. Ảnh hưởng của chiều dài dây SMA. ................................................... 36 Hình 3.9. Ảnh hưởng của vị trí lắp đặt giảm chấn SMA. ................................... 36 viii Hình 3.10. Quan hệ giữa đường kính, vị trí và lực SMA tương ứng LSMAopt = 0,116m. ................................................................................................................ 37 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Các thông số đầu vào của chương trình tính toán .............................. 33 1 MỞ ĐẦU Trong vài thập niên qua, những công trình cầu dây văng đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới chủ yếu do sự tiến bộ nhanh chóng trong phương pháp thiết kế và công nghệ xây dựng. Cáp là thành phần kết cấu quan trọng của những cây cầu dây văng. Do tính linh hoạt lớn, khối lượng nhỏ nhưng trong điều kiện độ ẩm thấp, ảnh hưởng của gió, mưa và các dao động do các phương tiện trên cầu đã gây ra sự không ổn định của cáp dẫn đến đứt cáp sau một thời gian sử dụng. Giải thích cho sự mất ổn định này, người ta cho rằng vì cáp dây văng có tỷ lệ giảm chấn thấp, lại chịu tải trọng tĩnh và tải trọng động gây ra dao động với biên độ lớn dẫn tới phá hoại mỏi làm giảm tuổi thọ công trình cầu và thậm chí có thể phá hoại công trình. Để giảm thiểu các tác động kể trên đã có nhiều nghiên cứu được đưa ra để nâng cao tuổi thọ cho dây cáp. Phương pháp cơ học dựa trên việc sử dụng bộ giảm chấn cơ học cũng là một phương pháp làm giảm đáng kể sự rung động và dễ chế tạo cũng như lắp đặt [1]. Một trong các loại giảm chấn cơ học đó là bộ giảm chấn dựa trên vật liệu hợp kim nhớ hình (Shape memory alloy) viết tắt là SMA, một loại vật liệu có khả năng giảm chấn đáng kể. Để đánh giá tiềm năng tiêu tán năng lượng dao động dựa trên SMA trong điều khiển kết cấu thụ động, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu mô phỏng và ứng dụng vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA)”. Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả mô phỏng ứng xử của vật liệu SMA dưới tác dụng của tải trọng và ứng dụng vào giảm dao động cáp cầu dây văng. Luận văn được chia thành 3 chương chính ngoài ra còn có phần Mở đầu, Kết luận và danh sách các Tài liệu tham khảo. Các công trình của tác giả liên quan được liệt kê ở cuối luận văn. Nội dung của các chương như sau: - Chương 1. Tổng quan và ứng dụng của vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA). - Chương 2. Nghiên cứu ứng xử của SMA và ứng dụng hợp kim nhớ hình trong giảm chấn cáp cầu dây văng. - Chương 3. Thực hiện tính toán số và trình bày các kết quả tính toán. 2 Chương 1. TỔNG QUAN VÀ ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU HỢP KIM NHỚ HÌNH (SMA) 1.1. Tổng quan về sự phát triển của hợp kim nhớ hình trong khoa học Vật liệu thông minh đã ngày một phổ biến trong những thập kỷ gần đây. Nghiên cứu của BCC [20] cho thấy thị trường toàn cầu về vật liệu thông minh là khoảng 19,6 tỷ USD năm 2010, 22 tỷ USD vào năm 2011 và đạt hơn 40 tỷ USD vào năm 2016. Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các thiết bị và ứng dụng sáng tạo, tận dụng những vật liệu thông minh này. Một trong những vật liệu thông minh đó là hợp kim nhớ hình (Shape Memory Alloy). Ngày nay vật liệu hợp kim nhớ hình (SMA) đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh, ô tô và hàng không vũ trụ dựa trên các tính chất đặc biệt. Chúng có các phẩm chất quan trọng như chống ăn mòn, tương thích sinh học, chống mỏi, chống xoắn đặc biệt là khả năng siêu đàn hồi và hiệu ứng nhớ hình dạng dựa trên sự chuyển đổi pha từ pha mẹ austenite ổn định ở nhiệt độ cao hơn và ứng suất thấp hơn thành pha martensite ổn định ở nhiệt độ thấp hơn và ứng suất cao hơn và ngược lại. Từ đó cho phép chế tạo ra các thiết bị có khả năng chịu được các tải trọng, biến dạng lớn và có tính chất chu kỳ. Sự tiêu hao năng lượng, là một khả năng mong muốn khi ứng phó với kiểm soát địa chấn của các kết cấu. Các ứng xử siêu linh hoạt cũng cho phép sử dụng các yếu tố pha austenite của SMA để lấy lại hình dạng ban đầu của chúng sau khi bị biến dạng vượt quá 6-8% biến dạng. Sự phục hồi hình dạng này là kết quả của các biến đổi pha có thể được gây ra bởi sự biến dạng hoặc thay đổi nhiệt độ. Ngoài những tính năng chính, khả năng tuyệt vời khác của dây SMA có thể khai thác trong các ứng dụng công trình dân dụng, chẳng hạn như chịu mỏi tốt và khả năng chống ăn mòn, khả năng giảm chấn lớn, có nhiều hình dạng và cấu hình tốt. 1.1.1. Tổng quan tình hình ngoài nước Hợp kim nhớ hình (SMA) hoặc hợp kim thông minh, được phát hiện lần đầu tiên bởi Arne Ölander vào năm 1932 [29], và thuật ngữ “nhớ hình” được Vernon mô tả lần đầu tiên vào năm 1941 [41] cho vật liệu nha khoa polymer. Tầm quan trọng của vật liệu nhớ hình (SMM) không được công nhận cho đến khi William Buehler và Frederick Wang tiết lộ hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) trong hợp kim niken-titan (NiTi) vào năm 1962 [6]. Kể từ đó nhu cầu về SMA cho các ứng dụng kỹ thuật ngày càng tăng trong nhiều lĩnh vực thương mại chẳng hạn như các sản phẩm tiêu dùng và ứng dụng công nghiệp, vật liệu tổng hợp, ô tô, hàng không vũ trụ, hệ thống cơ điện tử (MEMS, robotics), y sinh và thậm chí trong thời trang. 3 Từ những năm 1990, thì thiết kế ứng dụng SMA đã thay đổi theo nhiều cách và đã được ứng dụng thương mại trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm ô tô, hàng không vũ trụ, robot và y sinh. Hiện nay, thiết bị truyền động SMA đã được ứng dụng thành công trong các ứng dụng rung ở tần số thấp [4] và truyền động. Do đó, vẫn cần nhiều nghiên cứu có hệ thống và chuyên sâu để nâng cao hiệu quả hoạt động của các SMA, đặc biệt là để tăng tuổi thọ chịu mỏi. Gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện một cách tiếp cận thử nghiệm để nâng cao các thuộc tính của SMA, bằng cách cải thiện thành phần vật liệu (định lượng nhiệt độ chuyển pha SMA [9] ) để đạt được phạm vi nhiệt độ làm việc rộng hơn, và độ ổn định vật liệu tốt hơn. SMA sở hữu các tính năng cơ lý làm cho nó có thể sử dụng trong các ứng dụng xây dựng, kỹ thuật. Chủ yếu dây SMA đóng một vai trò then chốt trong việc phát triển các vật liệu, thiết bị thông minh mà có thể được tích hợp vào kết cấu cung cấp các chức năng như cảm biến, tiêu hao năng lượng, dẫn động, giám sát, tự thích nghi, và làm liền các kết cấu. Trong những thập kỷ gần đây, nỗ lực nghiên cứu chuyên sâu tập trung trong lĩnh vực kỹ thuật, kết cấu, nhằm thiết kế thông minh cho các ứng dụng công trình dân dụng, với sự nhấn mạnh đặc biệt để kiểm soát đáp ứng địa chấn của các kết cấu. Một số hệ thống và thiết bị tiên tiến, chủ yếu sử dụng các NiTi và Cu-based SMA, đã được phát triển để hấp thụ một phần năng lượng địa chấn và giảm lực động đất tác động lên kết cấu, để giảm thiểu chấn động, cải thiện kết cấu. Thiết bị có nhiều hình dạng và cấu hình, chẳng hạn như dạng dây, băng, dải, ống và thanh. Một số ưu điểm chính của SMA bao gồm:  Tương thích sinh học  Lĩnh vực ứng dụng đa dạng  Tính chất cơ học tốt Bên cạnh những ưu điểm tốt thì vật liệu SMA có một số nhược điểm cần khắc phục để có thể phát huy hết tiềm năng như giá thành còn cao so với thép và nhôm, cường độ chịu kéo thấp hơn thép. Các nghiên cứu chuyên sâu đã được tiến hành để mô tả ứng xử cơ học phức tạp của SMA. Đặc biệt, nhiều nỗ lực để phát triển các mô hình giúp hiểu các cơ chế vật lý cơ sở cho các biến đổi do ứng suất và nhiệt độ, tái định hướng martensite hoặc các hiệu ứng mỏi. Những mô hình này có thể được phân loại thành micro, micro – macro, hoặc macro. Nhìn chung, có ba hướng chủ yếu được đề xuất để mô tả hiện tượng trễ trong SMA. Cách tiếp cận thứ nhất là ứng xử cơ nhiệt vĩ mô (macroscopic) có thể thu bằng cách sử dụng một tỉ lệ thể tích trung bình của martensite và sự biến đổi trung bình của martensite và biến dạng 4 chuyển đổi trung gian được xem như một biến nội bộ (Auricchio và Lubliner, 1997) [3], (Lexcellent và cộng sự, 2002) [17], (Lagoudas và cộng sự., 2006) [14]. Cách tiếp cận này chỉ đề cập đến thang đo vĩ mô nhưng các ứng xử thu được nói chung phù hợp với nhiệt động lực học và thực nghiệm đơn giản. Tuy nhiên theo hướng này, các mối quan hệ giữa đáp ứng cấp vĩ mô, tính chất cơ bản của vật liệu và sự phát triển cấu trúc vi mô trong quá trình chịu tải cơ nhiệt không được thể hiện. Cách tiếp cận thứ hai xem xét sự biến đổi pha ở mức đơn tinh thể thông qua một mô hình thích hợp xuất phát từ ứng xử cấp vĩ mô. Mô hình cục bộ nhằm mục đích thiết lập một liên kết trực tiếp giữa đáp ứng trễ và các sự kiện cơ bản ở các thang thời gian khác nhau. Hướng này giả sử có nhiều cách diễn giải hiện tượng trễ như mất ổn định vi mô, vật liệu không đồng nhất hay đưa vào kích cỡ hạt (Patoor và cộng sự., 2006) [30], (Sun và He, 2008) [32], (Maynadier và cộng sự, 2011) [18]. Cách tiếp cận thứ ba là sự pha trộn giữa hai cách tiếp cận đã nói ở trên, tìm cách mô tả hiện tượng trễ trong SMA bởi việc chấp nhận định nghĩa về lực điều chỉnh nhiệt động học tham gia vào các vùng biên giữa hai pha hoặc tập hợp các biến thể. Các lực này phải vượt qua được ngưỡng để lan truyền (Siredey và cộng sự, 1999) [32], (Lagoudas và cộng sự, 2006) [14], (Lagoudas và cộng sự, 2016) [15]. Ngoài ra cũng có một số nghiên cứu đã tiếp cận theo hướng mô phỏng động lực học phân tử (MD) tuy nhiên kết quả thu được khá hạn chế, yêu cầu tính toán quá mạnh gây khó khăn trong việc mô phỏng. Bên cạnh mô hình ứng xử, mô phỏng siêu nhỏ được tìm thấy là rất hữu ích để hiểu rõ và mô tả các cơ chế biến dạng của SMA, như Zhong và cộng sự [39] nghiên cứu PE và SME của SMA với mô phỏng động lực phân tử (MD). Mirzaeifar và cộng sự [22] đã thực hiện các mô phỏng MD để nghiên cứu các biến đổi cấu trúc của B2 austenitic thành pha martensitic B19 trong các dây nano NiTi. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam hiện nay, trong lĩnh vực vật liệu nhớ hình SMA cũng đã có một số nghiên cứu cụ thể như đề tài “Nghiên cứu công nghệ tổng hợp hệ vật liệu nhớ hình NiTi xốp bằng phương pháp phản ứng nhiệt tự sinh (SHS) và một số tính chất của hệ vật liệu này” của GS. Hồ Kí Thanh thuộc trường đại học Thái Nguyên năm 2012. Tác giả Đỗ Văn Phú và Nguyễn Phi Luân đã nghiên cứu một cách tiếp cận mới về mô hình trễ và xác định tham số bằng thuật toán di truyền tại trường đại học Ulsan Hàn Quốc. Để chứng minh tính hiệu quả của mô hình 5 đề xuất, các kết quả thử nghiệm về xác định độ trễ của thiết bị truyền động quay SMA được cung cấp và so sánh, kêt quả được công bố năm 2013. Một nghiên cứu về vật liệu SMA của tác giả Nguyễn Ngọc Sơn và Hồ Phạm Huy Anh thuộc trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh về điều khiển trực tuyến bộ truyền động hợp kim nhớ hình dựa trên mạng nơ-ron [26], các tác giả đã đề xuất điều khiển dịch chuyển trực tuyến tương thích của bộ truyền động SMA được tạo ra bằng cách kết hợp mô hình mạng nơ ron chuyển dữ liệu đầu vào tương thích (AFNNs) và bộ điều khiển phản hồi PID để tăng độ chính xác và loại bỏ lỗi về trạng thái ổn định trong quá trình kiểm soát vị trí dịch chuyển của thiết bị truyền động SMA công bố năm 2015. Gần đây nhất ở Viện Cơ học có đề tài “Nghiên cứu, đánh giá hiệu quả của vật liệu nhớ hình SMA trong giảm chấn cáp cầu dây văng” của TS. Nguyễn Trường Giang và cộng sự đăng trong tạp chí Hội nghị Cơ học kĩ thuật toàn quốc, Kỉ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, 9/4/2019 [27]. Nhóm tác giả đã ứng dụng vật liệu SMA vào việc giảm rung cho cáp cầu dây văng với một số kết quả thu được về sự ảnh hưởng của đường kính dây SMA, chiều dài dây SMA và vị trí lắp đặt SMA vào dây cáp cầu đến biên độ dao động của cáp cầu, để từ đó nâng cao được tuổi thọ của công trình cầu. 1.2. Đặc điểm chung của vật liệu hợp kim nhớ hình 1.2.1. Hiện tượng chuyển đổi pha của vật liệu hợp kim nhớ hình Vật liệu SMA có hai pha, mỗi pha có cấu trúc tinh thể khác nhau và do đó có các tính chất khác nhau. Một là pha nhiệt độ cao được gọi là austenite (A) và một là pha nhiệt độ thấp gọi là martensite (M). Austenite (nói chung là hình khối) có cấu trúc tinh thể khác với martensite (tứ giác, hình thoi hoặc mặt nghiêng). Sự chuyển đổi từ một cấu trúc này sang cấu trúc khác không xảy ra do sự khuếch tán của các nguyên tử, mà là do sự biến dạng. Chuyển đổi như vậy được gọi là chuyển đổi martensitic. Mỗi tinh thể martensitic hình thành có thể có một định hướng khác nhau, được gọi là một biến thể. Việc lắp ráp các biến thể martensitic có thể tồn tại dưới hai dạng: twinned martensite (Mt), được hình thành bởi sự kết hợp của các biến thể martensitic tự điều chỉnh, và detwinned (Md) hoặc định hướng lại trong đó một biến thể cụ thể chiếm ưu thế. Sự chuyển đổi pha đảo ngược từ austenite (pha mẹ) thành martensite (pha sản phẩm) và ngược lại tạo thành cơ sở cho ứng xử thú vị của SMA [16]. Khi làm lạnh trong trường hợp không có tải trọng tác dụng, cấu trúc tinh thể thay đổi từ austenite sang martensite. Chuyển pha từ austenite sang martensite được gọi là chuyển đổi về phía trước. Việc sắp xếp các biến thể xảy 6 ra sao cho thay đổi hình dạng vĩ mô trung bình là không đáng kể, dẫn đến twinned martensite. Khi vật liệu được làm nóng từ pha martensite, cấu trúc tinh thể biến đổi thành austenite, và quá trình chuyển đổi này được gọi là chuyển đổi ngược. Một sơ đồ cấu trúc tinh thể của twinned martensite và austenite cho SMA và sự chuyển đổi giữa chúng được thể hiện trong hình 1.1. Có bốn nhiệt độ đặc trưng liên quan đến việc chuyển pha. Trong quá trình chuyển đổi về phía trước, austenite, dưới tải trọng bằng không, bắt đầu chuyển thành twinned martensite ở nhiệt độ bắt đầu martensite (Ms) và hoàn thành chuyển đổi thành martensite ở nhiệt độ kết thúc martensite (Mf). Ở giai đoạn này, quá trình biến đổi hoàn tất và vật liệu hoàn toàn trong giai đoạn twinned martensite. Tương tự, trong quá trình gia nhiệt, phép biến đổi ngược bắt đầu ở nhiệt độ bắt đầu austenite (As) và quá trình biến đổi được hoàn thành ở nhiệt độ kết thúc austenite (Af) [16]. Hình 1.1. Chuyển đổi pha do nhiệt độ gây ra [16]. Hình 1.2. Sơ đồ hiệu ứng nhớ hình dạng của SMA cho thấy sự detwinning của SMA với ứng suất [16]. 7 Nếu tải trọng cơ học được áp dụng cho vật liệu trong pha twinned martensitic (ở nhiệt độ thấp), nó có thể detwin martensite bằng cách định hướng lại một số biến thể nhất định (xem hình 1.2). Quá trình detwin dẫn đến thay đổi hình dạng vĩ mô, hình dạng bị biến dạng được giữ lại khi tải trọng được loại bỏ, lúc này làm nóng SMA đến nhiệt độ trên Af sẽ dẫn đến một phép chuyển đổi pha đảo ngược (từ martensite đã chuyển sang austenite) và dẫn đến phục hồi hình dạng hoàn chỉnh (xem Hình 1.3). Làm lạnh trở lại nhiệt độ dưới Mf (chuyển đổi về phía trước) dẫn đến sự hình thành của twinned martensite một lần nữa mà không có thay đổi hình dạng. Hình 1.3. Sơ đồ hiệu ứng bộ nhớ hình của một SMA cho thấy quá trình dỡ tải và sau đó làm nóng để trở về austenite trong điều kiện không tải [16]. Quá trình được mô tả ở trên được gọi là hiệu ứng nhớ hình (SME). Tải được áp dụng phải đủ lớn để bắt đầu quá trình detwin. Ứng suất tối thiểu cần thiết để bắt đầu detwinning được gọi là ứng suất bắt đầu detwinning (σs). Mức tải cao sẽ dẫn đến việc detwinning hoàn toàn của martensite lúc này mức ứng suất tương ứng được gọi là ứng suất kết thúc detwinning (σf). 1.2.2. Hiệu ứng nhớ hình Một vật liệu SMA thể hiện hiệu ứng nhớ hình dạng (SME) khi nó bị biến dạng trong pha twinned martensite và dỡ bỏ tải trọng ở nhiệt độ dưới As. Khi nó được làm nóng trên Af, SMA sẽ lấy lại hình dạng ban đầu của nó bằng cách chuyển trở lại pha austenite mẹ [16]. Bản chất của hiệu ứng nhớ hình có thể được hiểu rõ hơn bằng cách đi theo con đường cơ - nhiệt trong một không gian ứng suất - biến dạng - nhiệt độ kết hợp như trong hình 1.4. Trong hình 1.4 thể hiện dữ liệu thử nghiệm cho một mẫu NiTi điển hình được thử nghiệm dưới tải trọng một trục. Ứng suất σ là ứng suất đơn trục trên mẫu vật do tải trọng tác 8 dụng. Biến dạng tương ứng ε là sự thay đổi độ dài của mẫu dọc theo hướng tải trọng được áp dụng, được chuẩn hóa theo độ dài ban đầu. Hình 1.4. Sơ đồ ứng suất - biến dạng - nhiệt độ của một mẫu NiTi SMA [16]. Bắt đầu từ pha mẹ (điểm A trong hình 1.4), việc làm lạnh austenite không ứng suất dưới nhiệt độ chuyển đổi (Ms và Mf) dẫn đến sự hình thành twinned martensite (điểm B). Khi twinned martensite chịu ứng suất vượt quá mức ứng suất bắt đầu (σs), quá trình định hướng lại được bắt đầu, dẫn đến sự tăng trưởng của các biến thể martensite. Mức ứng suất cho việc định hướng lại các biến thể thấp hơn nhiều so với ứng suất dẻo vĩnh cửu của martensite. Quá trình detwin được hoàn thành ở một ứng suất, σf, được đặc trưng bởi sự kết thúc của đường ngang trong biểu đồ σ-ε trong hình 1.4. Vật liệu sau đó được đàn hồi xuống từ C đến D và trạng thái martensite được giữ lại. Khi gia nhiệt trong trường hợp không có ứng suất, phép biến đổi ngược bắt đầu khi nhiệt độ đạt đến As, (tại E) và được hoàn thành ở nhiệt độ Af (điểm F), ở trên chỉ tồn tại pha austenite mẹ. Trong trường hợp không có biến dạng dẻo vĩnh cửu được tạo ra trong quá trình detwinn, hình dạng ban đầu của SMA được lấy lại (được chỉ ra ở điểm A). Biến dạng được phục hồi do sự chuyển pha từ detwinned martensite thành austenite được gọi là biến dạng chuyển đổi. Việc làm lạnh tiếp theo với martensite một lần nữa sẽ dẫn đến sự hình thành các biến thể twinned martensite mà không có thay đổi hình dạng, và toàn bộ chu kỳ của SME có thể được lặp lại. Hiện tượng mô tả ở trên được gọi là hiệu ứng nhớ hình dạng một chiều, vì phục hồi hình dạng chỉ đạt được trong quá trình gia nhiệt sau khi vật liệu đã được detwin bởi một tải trọng cơ học tác dụng. 9 1.2.3. Hiệu ứng siêu đàn hồi Ứng xử siêu đàn hồi của SMA có liên quan đến sự biến đổi do ứng suất gây ra, dẫn đến tạo ra sự biến dạng trong quá trình gia tải và sự phục hồi của biến dạng khi dỡ tải ở nhiệt độ trên Af. Ứng xử siêu đàn hồi thường bắt đầu ở nhiệt độ đủ cao, nơi austenite ổn định tồn tại, sau đó phát triển theo tác dụng của tải trọng đến trạng thái mà tại đó detwinned martensite ổn định, và cuối cùng trở về giai đoạn austenite khi trạng thái ứng suất bằng không. Một ví dụ về đường này (a → b → c → d → e → a) được chỉ ra trong hình 1.5 là đường dẫn 1. Thông thường, một thử nghiệm siêu đàn hồi được thực hiện ở nhiệt độ không đổi trên Af. Đường dẫn tải cho một thử nghiệm như vậy được hiển thị như đường 2 trong hình 1.5. Để minh họa cho ứng xử siêu đàn hồi chi tiết hơn, chúng ta hãy xem xét các đường tải cơ nhiệt (A → B → C → D → E → F → A) trong hình 1.5, bắt đầu ở ứng suất bằng không ở nhiệt độ trên Af. Các dữ liệu thực nghiệm về σ-ε tương ứng cho đường tải trọng được hiển thị trong hình 1.6. Khi tải trọng cơ học được áp dụng, pha mẹ (austenite) trải qua gia tải đàn hồi (A → B). Ở một mức tải cụ thể, đường gia tải giao cắt bề mặt để bắt đầu chuyển đổi martensite trên sơ đồ pha. Điều này đánh dấu mức độ ứng suất (σMs) khi bắt đầu chuyển đổi thành martensite. Lưu ý rằng sự biến đổi do ứng suất gây ra từ austenite đến martensite đi kèm với sự tạo ra các biến dạng không đàn hồi lớn như thể hiện trong sơ đồ ứng suất của hình 1.6. Giai đoạn chuyển đổi (B → C), đến mức ứng suất (σMf) trong đó đường gia tải sẽ giao cắt bề mặt chuyển đổi tại Mf, cho biết kết thúc của phép biến đổi [16]. Hình 1.5. Sơ đồ pha và hai đường gia tải siêu đàn hồi [16]. 10 Hình 1.6. Một chu trình gia tải siêu đàn hồi của một SMA điển hình [16] Việc hoàn thành chuyển đổi martensite được biểu thị bằng một sự thay đổi rõ rệt về độ dốc trên đường cong σ-ε, và giao nhau với đường gia tải đàn hồi của pha martensite. Sự gia tăng tiếp theo trong ứng suất không gây ra sự biến đổi nào nữa và chỉ có sự biến dạng đàn hồi của detwin martensite xảy ra (C → D). Khi ứng suất được giải phóng dần bằng cách dỡ tải, martensite đàn hồi unload dọc theo đường (D → E). Tại điểm E, đường dẫn dỡ tải giao cắt bề mặt bắt đầu của austenite (tại σAs), khiến cho martensite quay trở lại austenite. Quá trình này được đi kèm với sự phục hồi của biến dạng do chuyển pha ở cuối quá trình dỡ tải. Sự kết thúc của phép biến đổi trở lại thành austenite được biểu thị bằng điểm mà tại đó đường cong dỡ tải σ-ε nối lại vùng đàn hồi của austenite (điểm F tương ứng với ứng suất σAf). Vật liệu sau đó dỡ tải đàn hồi xuống A, phép biến đổi pha và ngược lại trong một chu kỳ siêu đàn hồi hoàn chỉnh trong một độ trễ, trong không gian σ-ε, biểu thị năng lượng tiêu tán trong chu kỳ chuyển đổi. Mức độ ứng suất chuyển đổi và kích thước của độ trễ thay đổi tùy thuộc vào vật liệu SMA và điều kiện thử nghiệm. Các detwinned martensite hình thành từ austenite như là kết quả của ứng suất tác dụng trong đường 1 hoặc 2 trong hình 1.5 là một dạng của martensite gây ra bởi ứng suất. Nói chung martensite hình thành từ austenite khi có ứng suất. Có rất nhiều đường cơ - nhiệt có thể dẫn đến sự hình thành martensite. Việc chuyển đổi pha đảo ngược được mô tả ở trên gây ra bởi một đường cơ - nhiệt được gọi là hiệu ứng siêu đàn hồi. Các hiệu ứng giống như cao su là một ứng xử riêng biệt của giai đoạn martensite và xảy ra do sự định hướng ngược lại