Tài liệu Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn

NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN MẪU THỬ VẬT LIỆU HÀN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN Học viên: Lê Văn Dương Mã số: 8.52.01.03 Khóa: 2019 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt– Với sự tiến bộ của công nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết và thiết bị kỹ thuật mới được chế tạo ngày càng trở nên nhỏ hơn, ít tốn kém và với tuổi thọ dài hơn. Trước khi các thành phần này được đưa vào sử dụng trong ứng dụng thực tế, các đặc tính của chúng ở tỉ lệ vi mô phải được thí nghiệm, tính toán phân tích ở tỉ lệ tương đương. Đối với các thiết bị điện tử, việc xác định cơ tính của mối hàn có ý nghĩa rất quan trọng và, hiện nay, có nhiều loại thiết bị và kỹ thuật thí nghiệm được các nhà nghiên cứu sử dụng để đưa ra cơ tính ứng với mỗi loại vật liệu hàn khác nhau. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu. Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những phương pháp mới được đưa ra để giải quyết tồn tại đó là phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image Correlation (DIC). Vì vậy, trong nghiên cứu này, phương pháp tương quan ảnh số sẽ được sử dụng để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện. Chúng tôi phát triển một thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Bên cạnh đó, các thông số cơ bản của vật liệu hàn xuất ra từ phương pháp tương quan ảnh số sẽ được so sánh với kết quả từ các cảm biển lực và chuyển vị để kiểm chứng. Ngoài ra, xác định các thông số của vết nứt như hệ số cường độ ứng suất và đường đi của vết nứt cũng được thực hiện trong đề tài này. Từ khóa – Trường biến dạng, DIC, Phương pháp tương quan ảnh số, vật liệu hàn, Cơ tính FULL-FIELD STRAIN MEASUREMENT OF SOLDER MATERIAL USING DIGITAL IMAGE CORRELATION AND FINITE ELEMENT METHOD Abstract: Up to date, with the advance of micro-fabrication, many new engineering components are becoming smaller and smaller, less expensive, and with longer life expectancy. Therefore, before these components are used in engineering applications, their performance at the micro-scale must be experimentally characterized at the equivalent size scale. For electronic packaging, nowadays, numerous investigations have so far been dedicated to the determination of solder joint’s mechanical properties such as their creep response under thermo-mechanical loading. There are a broad variety of experimental devices and techniques that researchers have employed for the studying of different types of solders. However, many studies have been indicated that the strain measurement techniques currently used do not offer enough information on the failure mechanism. Therefore, a new testing technique called Digital Image Correlation (DIC) has been developed for the measurement of full-field strain over the entire specimen. Thus, in this study, an experimental apparatus is designed with complemented imaging equipment, giving the ability to perform DIC for full-field measurements on a novel electronic InnoLot solder material. Furthermore, material parameters of the solder materials at different testing conditions are extracted from DIC data. The results obtained from DIC are then compared with the measures obtained from several conventional techniques. In addition, some fracture parameters as well as crack propagation are extracted from DIC method. Key words – Full-field strain measurement, DIC, Digital Image Correlation, Solder materials, Mechanical Properties. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. MỤC LỤC ........................................................................................................................ DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH....................................................................................... DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..................................................................................... DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 2 1.1.Đặt vấn đề ................................................................................................................. 2 1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................. 2 1.2.1.Ngoài nước ............................................................................................................ 2 1.2.2.Trong nước. ........................................................................................................... 5 1.3.Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu. ........................................................................... 5 1.4.Mục tiêu của đề tài.................................................................................................... 5 1.5.Nội dung nghiên cứu. ............................................................................................... 5 1.6.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ........................................................................... 6 1.6.1.Đối tượng nghiên cứu. ........................................................................................... 6 1.6.2.Phạm vi nghiên cứu. .............................................................................................. 6 1.7.Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................... 6 1.8.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. ................................................................................. 6 1.8.1. Ý nghĩa khoa học: ................................................................................................. 6 1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn. ................................................................................................. 7 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN .................................................................................................. 8 2.1. Phương pháp tương quan ảnh số (DIC) .................................................................. 8 2.1.1. Giới thiệu chung về DIC ...................................................................................... 8 2.1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC). ................................... 9 2.1.2. Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp DIC .................................................... 11 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................... 14 2.2.1. Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................... 14 2.2.2. Các giai đoạn của bài toán phần tử hữu hạn ....................................................... 17 2.3. Lý thuyết đàn hồi, cơ học rạn nứt .......................................................................... 18 2.3.1. Lý thuyết đàn hồi ................................................................................................ 18 2.3.2. Cơ học rạn nứt .................................................................................................... 22 2.4. Giới thiệu chung về phần mềm phần tử hữu hạn Hyperworks .............................. 27 2.4.1. HyperMesh ......................................................................................................... 27 2.4.2. HyperViews ........................................................................................................ 28 2.4.3. HyperGraph ........................................................................................................ 28 2.4.4. HyperCrash ......................................................................................................... 29 2.4.5. Radioss................................................................................................................ 30 2.4.6. Optistruct ............................................................................................................ 30 2.4.7. MotionView ........................................................................................................ 31 2.4.8. Simlab ................................................................................................................. 31 2.5. Ứng dụng phương pháp DIC trong nghiên cứu sự phát triển của vết nứt. ............ 32 2.6. Kết luận.................................................................................................................. 33 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM .................................. 34 3.1. Vật liệu và chi tiết thí nghiệm ............................................................................... 34 3.1.1. Vật liệu hàn ......................................................................................................... 34 3.1.2. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm .................................................................. 34 3.2. Hệ thống máy thí nghiệm DIC. ............................................................................. 38 3.3. Kết luận.................................................................................................................. 39 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 40 4.1. Xác định trường biến dạng .................................................................................... 40 4.2. Xác định đường đi vết nứt ..................................................................................... 43 4.3. Xác định các thông số vết nứt ............................................................................... 44 4.3.1. Phương pháp bình phương nhỏ nhất.................................................................. 44 4.3.2. Áp dụng số ......................................................................................................... 45 4.4. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................. 48 4.4.1. Xây dựng mô hình Cad và Import dữ liệu Cad vào phần mềm. ......................... 49 4.4.2. Phần xử lý mô hình phần tử hữu hạn. ............................................................ 50 4.4.3. Giải bài toán........................................................................................................ 53 4.4.4. Truy xuất kết quả. ............................................................................................... 53 4.5. Kết luận.................................................................................................................. 54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 55 5.1. Kết luận.................................................................................................................. 55 5.2. Hướng phát triển .................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 56 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Phương pháp số trong nghiên cứu sự lan truyền vết nứt trong mối hàn ........ 7 Hình 1.2. Máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ (a) và hệ thống DIC (b) .......................... 7 Hình 2.1. (a) Phương pháp DIC, (b) tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt .......... 10 Hình 2.2. Phương pháp tương quan ảnh số .................................................................. 12 Hình 2.3. Phương pháp tương quan ảnh số trong thí nghiệm kéo ................................ 12 Hình 2.4. Phương pháp tương quan ảnh số trong xác định đường đi vết nứt .............. 13 Hình 2.5. Phương pháp tương quan ảnh số trong địa kỹ thuật ..................................... 13 Hình 2.6. Phương pháp tương quan ảnh số trong y sinh .............................................. 14 Hình 2.7. Các phương pháp giải quyết vấn đề kỹ thuật ............................................... 15 Hình 2.10. Phần tử hai chiều. ....................................................................................... 17 Hình 2.11. Phần tử ba chiều. ........................................................................................ 17 Hình 2.12. Các thành phần ứng suất ............................................................................. 18 Hình 2.13. Mô hình bài toán ứng suất phẳng ............................................................... 19 Hình 2.14. Biên S của vật thể ....................................................................................... 21 Hình 2.15. Các kiểu hình thành vết nứt ........................................................................ 22 Hình 2.16. Vết nứt trong trường hợp ứng suất kéo ...................................................... 23 Hình 2.17. Tổng quan về HyperMesh. ......................................................................... 27 Hình 2.18. Tổng quan về HyperView .......................................................................... 28 Hình 2.19. Tổng quan về HyperGraph. ........................................................................ 29 Hình 2.20. Tổng quan về HyperCrash .......................................................................... 29 Hình 2.21. Tổng quan về Radioss ................................................................................ 30 Hình 2.22. Tổng quan về Optistruct ............................................................................. 30 Hình 2.23. Tổng quan về MotionView ......................................................................... 31 Hình 2.24. Tổng quan về Simlab .................................................................................. 31 Hình 3.1. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm ............................................................ 35 Hình 3.2. Chi tiết thí nghiệm ........................................................................................ 35 Hình 3.3. Hệ thống xử lý bề mặt chi tiết ...................................................................... 36 Hình 3.4. Hình ảnh trước (a) và sau khi sơn (b) ........................................................... 37 Hình 3.5. Hệ thống cung cấp ánh sáng ......................................................................... 37 Hình 3.6. Hệ thống thí nghiệm tương quan ảnh số DIC ............................................... 39 Hình 4.1. Hình ảnh sử dụng cho tính toán DIC: ........................................................... 40 Hình 4.2. Trường biến dạng trên chi tiết thí nghiệm .................................................... 41 Hình 4.3. Sơ đồ quá trình tính toán của 2 phương pháp: DIC và cảm biến ................. 41 Hình 4.4. So sánh kết quả giữa 2 phương pháp đo: sử dụng cảm biến và tương quan ảnh số. ........................................................................................................................... 42 Hình 4.5. Đường đi của vết nứt .................................................................................... 43 Hình 4.6. Mối quan hệ giữa vị trí vết nứt và biến dạng ............................................... 44 Hình 4.7. Sự phát triển của vết nứt ............................................................................... 44 Hình 4.8. Hình dạng hình học của vùng nghiên cứu: ................................................... 46 Hình 4.9. Sự phát triển của yếu tố trong quá trình tải .................................................. 47 Hình 4.10. Tiến trình của vết nứt ở các mức tải khác nhau và biểu thị lỗi điều chỉnh trong vùng lấy mẫu. ...................................................................................................... 47 Hình 4.11. Cấu trúc tổng thể bài toán bền trong phần mềm Hyperwork ..................... 48 Hình 4.12. Xây dựng mô hình Cad của chi tiết thí nghiệm. ......................................... 49 Hình 4.13. Mô hình hóa dữ liệu CAD trên hypermesh ................................................ 50 Hình 4.14. Tiêu chuẩn kích thước xây dựng mô hình phần tử hữu hạn ....................... 51 Hình 4.15. Thông số vật liệu sử dụng phương pháp Jonhson-Cook ............................ 52 Hình 4.16. Đặt điều kiện biên trong hypermesh ........................................................... 53 Hình 4.17. Kết quả mô phỏng trên hyperview ............................................................. 54 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thành phần hóa học của vật liệu hàn InnoLot ............................................. 34 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của CCD camera ............................................................ 38 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu U, v Các thành phần chuyển vị của các tập hợp tham chiếu P(x0,y0) 𝜕𝑢/𝜕𝑥, 𝜕𝑢/𝜕𝑦, 𝜕𝑣/ 𝜕𝑥,𝜕𝑣/𝜕𝑦 Các gradient của chuyển vị f i  f xi , yi  gi  g xi, yi  f Biểu diễn các mức tương phản của điểm i trong tập con tham chiếu và tập con bị biến dạng tương ứng Biểu thị các giá trị trung bình của các mức tương phản của hai tập con. CZNCC Hàm tiêu chí ZNCC CZNSSD Hàm tiêu chí ZNSSD  x ,  y ,  z , xy , yz , xz Các thành phần ứng suất  0  Vector biến dạng ban đầu [C ] Ma trận hệ số đàn hồi E Module đàn hồi  Hệ số possion G Module trượt  Hệ số giãn nhiệt T Độ thay đổi nhiệt độ. fx , f y Các lực khối (như lực trọng trường) trên một đơn vị khối lượng. tx , t y Các lực trên biên theo phương x, y tương ứng F(a/b) Hệ số điều chỉnh so với trường hợp tấm vô hạn KI, KII, KIII Hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt kiểu I, kiểu II và kiểu III tương ứng. KIres Hệ số cường độ ứng suất KIC Hệ số cường độ ứng suất ngưỡng ch Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu.  Module cắt r,  Tx , T y R Tọa độ cực của một điểm được đo tương ứng với đầu vết nứt. Đại diện cho các thành phần của dịch theo hướng x và y Trục quay Các từ viết tắt FEM Phương pháp phần tử hữu hạn DIC Phương pháp tương quan ảnh số CTE Hệ số giản nở nhiệt CTOD Độ bền chống gãy bên trong vết nứt SAC Hợp kim hàn tiêu chuẩn CAE Computer Aided Engineering CAD Computer Aided design NLS Luật phi tuyến tối thiểu EDM Phương pháp cắt dây (phương pháp cắt bằng tia lửa điện) SENT Tiêu chuẩn Single-Edge Notched Tension 1 MỞ ĐẦU Việc xác định các thông số chính của vật liệu cũng như dự đoán sự phát triển của vết nứt để kiểm soát được sự hư hại của chi tiết là công việc rất quan trọng. Có rất nhiều kỹ thuật được đưa ra để giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu. Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Một trong những phương pháp mới được đưa ra để giải quyết tồn tại đó là phương pháp tương quan ảnh số - Digital Image Correlation (DIC). Vì vậy, em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, xác định trường biến dạng trên mẫu thử vật liệu hàn sử dụng phương pháp tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn” để thực hiện luận văn tốt nghiệp. Trong nghiên cứu này, phương pháp tương quan ảnh số sẽ được sử dụng để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện. Chúng tôi phát triển một thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Bên cạnh đó, các thông số cơ bản của vật liệu hàn xuất ra từ phương pháp tương quan ảnh số sẽ được so sánh với kết quả từ các cảm biển lực và chuyển vị để kiểm chứng. Các thông số vật liệu của quá trình thực nghiệm sẽ được sử dụng để đưa vào chương trình mô phỏng, tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn để kiểm nghiệm kết quả. Ngoài ra, xác định các thông số của vết nứt như hệ số cường độ ứng suất và đường đi của vết nứt cũng được thực hiện trong đề tài này. Luận văn tốt nghiệp là một phần quan trọng với tất cả nhà nghiên cứu; là sự tổng hợp tất cả các kiến thức và góp phần cũng cố kiến thức cho học viên cao học trước khi ra trường. Được sự hướng dẫn tận tình của TS. Tào Quang Bảng cùng với sự nổ lực của bản thân em đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình. Tuy nhiên, do kiến thức, kinh nghiệm, thời gian và điều kiện có hạn nên đề tài của chúng em sẽ không tránh khỏi những sai sót, vì vậy em rất mong được sự thông cảm và chỉ dạy của thầy cô để em có thể hoàn thành tốt hơn. Đà Nẵng, ngày 16 tháng 08 năm 2019 Học viên Lê Văn Dương 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Với sự tiến bộ của công nghệ thiết kế cấu trúc vi mô, nhiều chi tiết (cấu kiện) và thiết bị kỹ thuật mới được chế tạo ngày càng trở nên nhỏ hơn, ít tốn kém và với tuổi thọ dài hơn. Trước khi các thành phần này được đưa vào sử dụng trong ứng dụng kỹ thuật, các đặc tính của chúng ở tỉ lệ vi mô (micro) phải được thí nghiệm, tính toán phân tích ở tỉ lệ tương đương. Đối với các thiết bị điện tử, việc xác định cơ tính của mối hàn có ý nghĩa rất quan trọng và, hiện nay, có nhiều loại thiết bị và kỹ thuật thí nghiệm được các nhà nghiên cứu sử dụng để đưa ra cơ tính ứng với mỗi loại vật liệu hàn. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng các kỹ thuật đo biến dạng hiện đang sử dụng không cung cấp đầy đủ thông tin về cơ chế phá hủy của vật liệu. Do đó, việc phát triển kỹ thuật đo đạc phân tích hiện đại trở đang nên rất cần thiết và đã nhận được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới. Bên cạnh đó, trong ngành công nghiệp ôtô, một loại vật liệu hàn mới thuộc nhóm vật liệu hàn không chì (lead-free solders) có tên gọi là InnoLot, đã bắt đầu được đưa vào sử dụng trong các thiết bị, chi tiết vi mạch điện tử. Tuy nhiên, hiện nay chưa có nghiên cứu nào được xuất bản về việc kết hợp phương pháp thực nghiệm và phần tử hữu hạn (FEM) để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện của vật liệu InnoLot. Vì vậy, trong đề tài này, một kỹ thuật thử nghiệm mới gọi là Digital Image Correlation (DIC) sẽ được sử dụng để xác định trường biến dạng trên toàn bộ cấu kiện. Chúng tôi phát triển một thiết bị thí nghiệm kết hợp với những thiết bị trích xuất hình ảnh để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu hàn mới InnoLot. Kế đến, những đặc tính của vật liệu hàn này ở các điều kiện thí nghiệm khác nhau được xác định từ dữ liệu của phương pháp DIC. Kết quả của phương pháp DIC được so sánh với các kết quả từ các phương pháp đo đạc truyền thống. Sau cùng, dựa trên các đặc tính nhớt dẻo của vật liệu hàn, chúng tôi tiến hành tính toán mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn để dự đoán lan truyền vết nứt cũng như biến dạng trong chi tiết mối hàn. 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1. Ngoài nước 3 Phương pháp DIC được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu ở Đại học Southern Carolina (Mỹ) vào đầu những năm 1980. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phương pháp DIC mới được quan tâm hơn để đo các trường chuyển vị và biến dạng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau [1-5]. Cụ thể, nó đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực và cho các vật liệu khác nhau như vật liệu sinh học, kim loại – hợp kim, polyme, hoặc geomaterials. Hơn nữa, sự kết hợp của DIC với việc đo (kiểm tra) độ bền tại chỗ đã được phát triển để xác định biến dạng chi tiết ở kích thước micro và nano. Sự kết hợp này đã được sử dụng rộng rãi để xác định trường phân bố biến dạng, trường biến dạng gần vết nứt, các tính chất cơ học của vật liệu bao gồm module đàn hồi, hệ số Poisson cũng như các hệ số cường độ ứng suất. Ở khía cạnh khác, khi đo chuyển vị bên trong của thiết bị điện tử, việc xác định biến dạng khá phức tạp. Vì thế, phương pháp quang học, và phương pháp đo không tiếp xúc và đo biến dạng trên toàn bộ chi tiết thí nghiệm, thường được sử dụng bởi vì một vùng đo nhỏ ngăn cản việc sử dụng phương pháp tiếp xúc truyền thống như cảm biến chuyển vị (contact extensometer). Để đáp ứng được yêu cầu đó, phương pháp DIC được sử dụng vì những ưu điểm nổi trội của nó so với các phương pháp đo truyền thống khác. Thật vậy, ứng dụng DIC cho việc xác định đặc tính cơ-nhiệt và đánh giá độ tin cậy về cơ-nhiệt trong thiết bị điện tử thường được áp dụng trong đo lường hệ số giản nở nhiệt (CTE), đo vùng biến dạng của mối hàn, xác định độ bền chống gãy của vật liệu đàn hồi và kiểm tra độ mỏi của vật rắn không đàn hồi. Do độ phân giải của phép đo biến dạng với DIC có thể đạt đến tỉ lệ micro, hệ số giản nở nhiệt của cấu kiện có thể thu được bằng cách tính trung bình một tập hợp của phép đo biến dạng cục bộ từ phương pháp DIC với độ chính xác tương đương với phương pháp phân tích cơ-nhiệt truyền thống. Hơn nữa, một số nghiên cứu đã sử dụng phương pháp DIC để mô tả đặc tính của vết nứt trong thiết bị điện tử. Ngoài ra, phương pháp DIC đã được sử dụng để đo độ bền chống gãy bên trong vết nứt (CTOD) giữa các lớp silicon và phần lõm bề mặt mối hàn. Trong những nghiên cứu này, CTOD của vết nứt được xác định bằng phương pháp DIC khi được sử dụng để tính toán độ bền do nứt (fracture toughness) ở mặt phân giới. Phương pháp này cũng được sử dụng cho các thí nghiệm kiểm tra độ bền mỏi do nhiệt ứng với chu kỳ thấp của mối hàn mà tại đó phương 4 pháp đo tương quan hình ảnh không tiếp xúc được sử dụng để đo sự dịch chuyển chiều dài của mẫu thay vì một sử dụng một cảm biến đo biến dạng do tiếp xúc. Một vài nghiên cứu sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn dựa trên mô hình vật liệu đơn giản được lấy từ kết quả thí nghiệm của những chi tiết thí nghiệm dạng khối đã được công bố. Tuy nhiên, trong khi tính chất và đặc tính của vật liệu dạng khối có thể được thu nhận từ những thí nghiệm với quy mô tỉ lệ lớn, những quá trình xảy ra ở kích thước micro và nano không thể được mô tả hoàn toàn đúng dựa trên các thử nghiệm với kích thước lớn. Mô phỏng FEM khi đó cũng không thể mô tả ứng xử biến dạng thực của mối hàn. Vì vậy, một phương pháp thực nghiệm phức tạp hơn để xác định biến dạng cục bộ, và phân tích mô phỏng mối hàn trở nên rất cần thiết. Hiện nay, có rất ít những nghiên cứu về việc áp dụng kỹ thuật DIC kết hợp với phương pháp FEM trong việc xác định cơ tính của vật liệu hàn. Phương pháp DIC sử dụng cho toàn bộ chi tiết đã được áp dụng để kiểm tra và phân tích biến dạng cục bộ của vật liệu hàn SAC như SAC105, SAC305, SAC405, và SAC387 đã được đề cập trong các nghiên cứu đó. Bằng cách sử dụng phương pháp DIC, việc đo biến dạng của các mối hàn trong các vi mạch điện tử được thực hiện bằng cách kết hợp các thí nghiệm nén và xử lý DIC. Ngoài ra, mô hình 3D được cài đặt trong HYPERWORKS để mô phỏng các thí nghiệm được trình bày trong nghiên cứu này. Những tính chất cơ tính (hệ số Poisson, module đàn hồi, …) của vật liệu hàn được trích xuất bằng cách so sánh tương quan giữa kết quả của phương pháp tính toán số và phương pháp thí nghiệm. Thêm vào đó, kết quả đo từ thí nghiệm được so sánh với kết quả từ FEM cho biến dạng của mối liên kết hàn trong mảng mạch điện tử dạng cầu PBGA) trong chi tiết dưới tác dụng của tải trọng nhiệt chu kỳ. Do các thiết bị điện tử trong ôtô đối mặt với nhiều thách thứ về những yêu cầu về đặc tính cơ-nhiệt của mối hàn. Thứ nhất, các cấu kiện làm việc trong môi trường hoạt động khắc nghiệt như nhiệt độ, rung động,…. Bên cạnh đó, trong ngành sản xuất ôtô, người sử dụng ngày càng yêu cầu cao hơn về tuổi thọ. Tuy nhiên, các hợp kim hàn tiêu chuẩn SAC có hiệu suất rất tốt vẫn không đáp ứng với các yêu cầu khắc nghiệt nhất đó. Do đó, một hợp kim hàn mới có tên gọi là InnoLot được chế tạo ra để thích ứng với các điều kiện khắc nghiệt đó. InnoLot được tạo ra dựa trên nền tảng của SAC387 với 5 việc bổ sung những nguyên tố có lợi như Bi, Sb và Ni [6-11]. Ngoài ra, sau khi sàng lọc tài liệu nghiên cứu cho thấy chưa có nghiên cứu nào cho đến này được xuất bản về việc kết hợp phương pháp DIC và mô phỏng FEM để xác định biến dạng trên toàn bộ chi tiết của vật liệu InnoLot này. 1.2.2. Trong nước. Hiện nay, tại Việt Nam hầu như chưa có các nghiên cứu ngoài nhóm nghiên cứu của trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng về vật liệu hàn. Một vài nghiên cứu của những nhà nghiên cứu đến từ Việt Nam hiện đang nghiên cứu sinh ở nước ngoài liên quan tới việc sử dụng phương pháp DIC trong việc xác định trường ứng suất và biến dạng của thiết bị điện tử sử dụng vật liệu hàn không chì SAC. 1.3. Sự cần thiết tiến hành nghiên cứu. Sự cần thiết của nghiên cứu được trình bày cụ thể như sau:  Trong cấu kiện điện tử, độ tin cậy của mối hàn là một lĩnh vực nghiên cứu chính cho việc xác định độ tin cậy lâu dài của mối liên kết hàn chịu tải trọng nhiệt chu kỳ. Do đó, cần phải có các kỹ thuật thực nghiệm để phân tích biến dạng ở kích thước micro và cả nano.  Trong số các kỹ thuật hiện có, kỹ thuật sử dụng kính hiển vi phóng đại cao, như SEM, AFM, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), hoặc DIC, là được sử dụng phổ biến nhất bởi vì chúng là phương pháp đo không phá hủy và cho kết quả với độ chính xác cao. Tuy nhiên, so với các phương pháp còn lại thì phương pháp DIC dễ thiết lập thiết bị với những thiết bị đơn giản và hoạt động với hiệu suất tính toán cao. Do đó, trong dự án này, chúng tôi muốn áp dụng kỹ thuật DIC tại chỗ kết hợp với mô hình phần tử hữu hạn FEM để xác định được trường biến dạng cũng như các tính chất về cơ, lý và nhiệt của các mối hàn ở kích thước micro. 1.4. Mục tiêu của đề tài. Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định được trường biến dạng trên toàn bộ mẫu thử vật liệu hàn không chì mới InnoLot với độ phân giải không gian và thời gian cao bằng sự kết hợp giữa phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phần tử hữu hạn (FEM). 1.5. Nội dung nghiên cứu.  Nội dung thứ nhất: Nghiên cứu lý thuyết về tương quan ảnh số và phần tử hữu hạn. 6  Nội dung thứ hai: Nghiên cứu thí nghiệm trên vật liệu hàn để xác định các thông số cơ tính cơ bản của vật liệu. 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 1.6.1. Đối tượng nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là trường biến dạng của mẫu thử vật liệu hàn. 1.6.2. Phạm vi nghiên cứu. - Tổng quan về phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). - Ứng dụng phương pháp tương quan ảnh số (DIC) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong xác định trường biến dạng của vật liệu 1.7. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu quy trình chế tạo cấu kiện thí nghiệm: quy trình này dựa trên quy trình chế tạo sản phẩm thực tế (nhiệt độ, thời gian), từ đó tiến hành chế tạo chi tiết thí nghiệm với nhiều loại khác nhau (dạng khối, dạng mối hàn, dạng vết nứt sẵn có, dạng CT). - Thiết lập chương trình điều khiển LabVIEW để điều khiển hệ thống cũng như mô tả tín hiệu phát và thu của thí nghiệm. - Thiết lập chương trình tính toán Matlab dựa trên công thức toán mô tả phương pháp DIC để xử lý số liệu, hình ảnh thu được từ phương pháp DIC từ đó xuất ra kết quả trường biến dạng. - Thiết lập chương trình tính toán và phân tích FEM. Kết quả của quá trình mô phỏng sẽ được so sánh với thực nghiệm. 1.8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 1.8.1. Ý nghĩa khoa học: Phạm vi dự án bao gồm phạm vi khoa học hiện đại cũng như thể hiện tính sáng tạo của nó. Nghiên cứu này với chủ đề chính là ứng dụng kỹ thuật DIC tại chỗ để xác định được trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết cũng như các đặc tính cơ, lý, và nhiệt của các mối hàn bao gồm các vật liệu hàn mới và truyền thống ở kích thước vi mô. 7 Ngoài ra, dựa trên các mô hình phần tử hữu hạn FEM và phương pháp số sẽ được thiết lập để mô phỏng một chi tiết cụ thể từ đó xác định được biến dạng của mối hàn dưới điều kiện thực nghiệm khác nhau. Hình 1.1. Phương pháp số trong nghiên cứu sự lan truyền vết nứt trong mối hàn (a) (b) Hình 1.2. Máy thí nghiệm kéo nén dạng nhỏ (a) và hệ thống DIC (b) 1.8.2. Ý nghĩa thực tiễn. Vật liệu hàn không chì InnoLot đã bắt đầu được sử dụng nhiều trong cấu kiện điện tử đặc biệt là trong ngành công nghiệp ôtô vì nó có nhiều ưu điểm hơn so với các vật liệu hàn truyền thống. Ngoài ra, các nghiên cứu ban đầu của chúng tôi đã được áp dụng cho công ty VALEO, Pháp, công ty thiết kế các giải pháp tiên tiến cho xe điện, xe thông minh, với trọng tâm đặc biệt là lái xe trực quan và giảm phát thải CO2. Trong tương lai sẽ áp dụng cho các dòng xe của Trường Hải THACO. 8 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1. Phương pháp tương quan ảnh số (DIC) 2.1.1. Giới thiệu chung về DIC Phương pháp tương quan ảnh số (Digital Image Correlation - DIC) là một phương pháp không tiếp xúc, không phá hủy để đo lường chuyển vị và biến dạng. Bởi vì điều này, nó có tiềm năng tốt cho các ứng dụng trong hạt nhân nhà máy điện để thực hiện các phép đo trên cả các thành phần và cấu trúc chủ động và thụ động. DIC có thể đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng của nhà máy điện hạt nhân trong đó thời gian lưu trú có thể là hạn chế hoặc khả năng truy cập các thành phần có thể bị hạn chế do các trường bức xạ hoặc bề mặt bị ô nhiễm. DIC là một phương pháp quang học sử dụng khớp mẫu và hình ảnh kỹ thuật đăng ký để đo lường chính xác hai và ba chiều các thay đổi trong hình dạng của một vật phẩm đang được kiểm tra. Phương pháp này có thể được sử dụng để đo hình dạng, biến dạng, chuyển vị, và biến dạng. Kỹ thuật DIC đã tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong phương pháp kỹ thuật và sản xuất để đo lường sự thay đổi và cung cấp dịch chuyển và hiểu biết đo lường cho phân tích vật liệu và cấu trúc, xác minh phân tích phần tử hữu hạn, và kiểm soát chất lượng. Phương pháp tương quan ảnh số là phương pháp mạnh mẽ để phát hiện biến dạng trên bề mặt vật liệu hoặc thành phần khác và được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng liên quan đến:  Kiểm tra vật liệu và đặc tính của nó  Nghiên cứu về sự phá hủy và mỏi  Theo dõi độ tin cậy của chi tiết  Vật liệu có thành phần hoặc hình dạng phức tạp  Đo tĩnh và động của biến dạng hoặc chuyển động. 9 2.1.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp tương quang ảnh số (DIC). Phương pháp tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC) đề cập đến một kỹ thuật đo quang và không tiếp xúc, bao gồm các bước thu nhận, lưu trữ và tương quan hình ảnh được phát minh kể từ những năm 1980 [12-13]. Nó tạo ra trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết theo tất cả các hướng. Phương pháp DIC đã phát triển thành một kỹ thuật cho thử nghiệm cơ học tại chỗ với độ nhạy cao. DIC 2-D trong mặt phẳng xuất phát từ khái niệm camera theo dõi chuyển động tính năng trên bề mặt mẫu. Cảm biến camera tập trung vào bề mặt vật thể phẳng để ghi lại hình ảnh của mẫu vật dưới các tải khác nhau. Mẫu vật được sơn hoặc phun với các mẫu màu đen và trắng làm các tính năng để cung cấp cho mỗi pixel một giá trị màu xám nằm trong khoảng từ 0 (đen) đến 255 (trắng). Các nguồn sáng rất quan trọng để chiếu sáng các tính năng trắng và đen trên bề mặt mẫu. Ngoài ra, đơn vị tính toán cơ bản là tập hợp con, bao gồm một vài pixel. Bằng cách nhóm nhiều pixel vào một tập hợp con, nó có khả năng tương quan và nhận ra hình dạng và độ dịch chuyển của mọi tập hợp con. Biến dạng cắt có thể được chứng minh thông qua so sánh hình dạng tập hợp con. DIC 2-D đạt được độ chính xác đo 0,02 pixel. Kỹ thuật tương quan ảnh số bao gồm so sánh các hình ảnh bị biến dạng của bề mặt mẫu với hình ảnh tham chiếu thu được trước khi biến dạng. Thuật toán tương quan đòi hỏi các hình ảnh bề mặt phải được "mịn", thu được bằng phương pháp lốm đốm. Mẫu được sơn bằng máy phun với đường kính vòi phun 0,2 mm. Đầu phun này được điều chỉnh để tạo ra trên các đốm nhỏ một bề mặt đủ mịn (đốm sơn kích thước nhỏ milimet). Hình ảnh tham chiếu được chia thành các tập hợp con có vị trí được xác định trên các hình ảnh bị biến dạng. Xem xét một tập hợp con tập trung vào điểm Px0 , y0  trong ảnh tham chiếu (xem hình …..). Một điểm Qxi , yi  trong tập hợp con này trở thành điểm Qxi, yi  sau khi biến dạng trong tập hợp con đích bằng cách biến đổi sau: 10 u u x  y x y v v yi  yi  v  x  y x y xi  xi  u  (2.24) Trong đó: u và v là các thành phần chuyển vị của các tập hợp tham chiếu P(x0,y0) 𝜕𝑢/𝜕𝑥, 𝜕𝑢/𝜕𝑦, 𝜕𝑣/𝜕𝑥,𝜕𝑣/𝜕𝑦: là các gradient của chuyển vị ∆𝑥 = 𝑥𝑖 − 𝑥0 , ∆𝑦 = 𝑦𝑖 − 𝑦0 . Để ước tính mức độ tương tự giữa tập hợp tham chiếu và tập hợp con bị biến dạng, hệ số tương quan được tính theo một tiêu chí cụ thể từ tập hợp các điểm của tập hợp con. Bằng cách tìm kiếm giá trị cực trị của hệ số này, có thể xác định được độ dịch chuyển của điểm P. (a) (b) Hình 2.1. (a) Phương pháp DIC, (b) Tham chiếu cực liên quan đến đầu vết nứt Phần mềm được sử dụng trong đề tài này là phần mềm mã nguồn mỡ Ncorr. Trong phần mềm này hai tiêu chí tương quan được áp dụng liên tiếp. Tiêu chí ZNCC trước tiên được sử dụng để tìm một giải pháp gần đúng (tương quan tốt theo tiêu chí này gần với 1), sau đó tiêu chí ZNSSD được sử dụng để tìm một giải pháp chính xác hơn (tương quan tốt theo tiêu chí này gần bằng 0). Đối với tập hợp con N chứa điểm, biểu thức của hai tiêu chí này được đưa ra bởi: 11  f N C ZNCC  i 1  f  N  C ZNSSD  i 1     f g i  g   f  g 2 N i 1 i i N i 1 fi  f  f  f 2 N i 1 i   g 2 i gi  g  g N i 1 i  g 2      2 (2.25) Trong đó: f i  f xi , yi  và gi  g xi, yi  : biểu diễn các mức tương phản của điểm i trong tập con tham chiếu và tập con bị biến dạng tương ứng. f  i 1 f i N et g  i1 g i N : biểu thị các giá trị trung bình của các mức N N tương phản của hai tập con. 2.1.2. Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp DIC a) Ưu điểm của phương pháp DIC: Phương pháp tương quan ảnh số hiện nay được sử dụng rất nhiều vì dụng cụ thiết bị cũng như chi phí rẻ và dể chế tạo. Ngoài ra, phương pháp này cũng không quá đòi hỏi về chuẩn bị mẫu quá công phu và có thể sử dụng ở những môi trường, vị trí khác nhau. Nó được sử dụng nhiều với những ưu điểm sau:  Không ảnh hưởng tới chi tiết thí nghiệm  Không tạo ra ứng suất  Đo được biến dạng trên toàn bộ chi tiết  Chính xác hơn và dể dàng sử dụng.