Xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết mối hàn bằng phương pháp tương quan ảnh số

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 1 XÁC ĐỊNH TRƯỜNG BIẾN DẠNG TRÊN TOÀN BỘ CHI TIẾT MỐI HÀN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG QUAN ẢNH SỐ FULL-FIELD STRAIN MEASUREMENT OF SOLDER JOINTS BY USING DIGITAL IMAGE CORRELATION METHOD Tào Quang Bảng1, Bùi Hệ Thống2 1Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng; tqbang@dut.udn.vn 2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - 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. Vì vậy, trong bài báo này, một kỹ thuật thử nghiệm mới có tên gọi là Tương quan ảnh số - 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. 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 biến lực và chuyển vị để kiểm chứng. Abstract - Many studies have indicated that strain measurement techniques currently in use fail to offer sufficient information on the mechanism for material destruction. Therefore, it is necessary to develop modern analysis and measurement techniques, which has attracted great attention from scientists in the world. Hence in this paper, a new testing technique called Digital Image Correlation (DIC) is employed to determine full-field strain over an entire specimen. An experimental apparatus has been developed and combined with image extraction equipment to determine full-field strain over all details of the novel InnoLot solder material. Besides, fundamental material parameters of the solder material extracted from the DIC are compared with results obtained from force sensors and transposition for the sake of verification. Từ khóa - vật liệu hàn; cơ tính; tương quan ảnh số; DIC; trường biến dạng. Key words - solder material; mechanical properties; digital image correlation; DIC; Full-field strain measurement. 1. Đặt vấn đề Vật liệu hàn có chứa chì (Pb-based solder) vẫn là lựa chọn đầu tiên cho nhiều ứng dụng với nhiệt độ cao bởi vì nhiều ưu điểm, ví dụ như độ chảy dẻo tốt, điểm nhiệt độ cùng tinh thấp,... Tuy nhiên, năm 2006, hai tổ chức Restriction of hazardous substances (RoHS) và Waste Electrical and Electronic Equipment Directive (WEEE) đã đưa ra luật hạn chế sử dụng vật liệu hàn có chứa chì trong các sản phẩm điện tử, bởi tác hại của chì đối với sức khỏe con người và cả môi trường sống [1]. Vì vậy, các nhà sản xuất đang theo đuổi một thế hệ mới của vật liệu hàn không chì mà vẫn đảm bảo duy trì và cải thiện đặc tính của vật liệu hàn. Vì vậy, việc sử dụng các chất hàn không chì đã trở nên phổ biến kể từ khi có hiệu lực pháp luật cấm trên. Trong số các vật liệu hàn không chì mới được tạo ra, hợp kim SAC (Sn (thiếc)/Ag (bạc)/Cu (đồng)) đặc biệt thích hợp cho các mối hàn ứng dụng trong khối điện tử công suất. Mặc khác, trong điều kiện vận hành công suất cao, các mối hàn trong các mô-đun này chịu tác động của nhiệt cao, do đó có thể gây ra sự phá hủy của chúng do nứt mỏi. Sự phá hủy cũng có thể được tạo ra bởi shock hoặc rung động cơ học trên cụm điện tử. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu về độ tin cậy của vật liệu hàn trong thiết bị điện tử vẫn là một thách thức hiện nay và được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Một vài nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, những đặc tính của vật liệu hàn SAC có thể tăng lên sau khi thêm vào các nguyên tố Bi, Ni, Zn, Mn, Sb, Fe, [2-9]. Trong số những vật liệu hàn không chì mới đó thì SAC387-3Bi-1,5Sb-0,15Ni, có tên thương mại là InnoLot, được lựa chọn như là vật liệu hàn chính cho các mối hàn của mạch điện tử ngày nay, đặc biệt là trong công nghiệp ôtô. SAC387-3Bi-1,5Sb-0,15Ni là một vật liệu hàn được tạo ra dựa vào vật liệu chính SAC387 và thêm vào 3 nguyên tố Bi, Sb và Ni để sử dụng cho những chi tiết trong các điều khiện khắc nghiệt. Tác dụng của các nguyên tố Ni, Bi và Sb khi thêm vào vật liệu hàn đã được nghiên cứu trong nhiều nghiên cứu [3, 5, 8-10]. Trong những nghiên cứu này, khi thêm vào dù chỉ 0,05%Ni nhưng nó cũng thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu: cấu trúc mịn hơn, đồng đều thành phần hóa học hơn vì thế làm tăng cơ tính và độ cứng tế vi. Khi thêm Sb và Bi vào thì làm cho ma trận Sn trở nên mịn hơn và làm tăng độ cứng tuy nhiên thêm Sb vào cũng có nhược điểm là làm tăng nhiệt độ nóng chảy. Hiện nay, có nhiều phương pháp cơ tính của vật liệu, trường biến dạng hay xác định đường đi của vết nứt trong chi tiết được sử dụng và một trong những phương pháp được sử dụng nhiều nhất là tương quan ảnh số (DIC – Digital Image Correlation). Phương pháp DIC được đề xuất bởi các nhà nghiên cứu [11-13] ở Đại học Southern Carolina (Mỹ) vào đầu những năm 1980. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, phương pháp tương quan ảnh số DIC mới được quan tâm hơn để đo các trường biến dạng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau [14]. 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 [15-18]. 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 [19]. Với những ưu điểm trên của phương pháp tương quan ảnh số DIC, trong bài báo này, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp này để xác định trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết thí nghiệm của vật liệu hàn không chì InnoLot. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm, xử lý bề mặt chi tiết cũng như thiết lập hệ thống thí nghiệm DIC được trình bày trong bài báo này. Kết quả của nghiên cứu chứng minh rằng, việc sử dụng phương pháp DIC giúp xác định chính xác trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết thí nghiệm và từ 2 Tào Quang Bảng, Bùi Hệ Thống đó dể dàng xác định các thông số cơ tính của vật liệu. 2. Vật liệu và chi tiết thí nghiệm 2.1. Vật liệu hàn Như đã trình bày ở trên, trong nghiên cứu này, vật liệu hàn không chì InnoLot được chọn để nghiên cứu. Thành phần hóa học của vật liệu này được thể hiện ở Bảng 1. Bảng 1. Thành phần hóa học của vật liệu hàn InnoLot Sn Ag Cu Sb Bi Fe Al As Ni Tchảy Tnguội 90,8 3,8 0,7 1,54 3,0 0,003 <0,001 0,005 0,15 2180C 2060C 2.2. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm 2.2.1. Chế tạo chi tiết Để xác định chính xác các thông số cơ học của vật liệu thì yêu cầu chi tiết thí nghiệm phải có kích thước tương đương hoặc bằng với kích thước chi tiết sử dụng thực tế. Các chi tiết có mối hàn sử dụng trong ôtô đều có kích thước rất nhỏ từ vài trăm micromet tới milimet, vì thế tác giả đã lựa chọn chế tạo chi tiết thí nghiệm với kích thước tối đa tới mm. Qui trình chế tạo được thể hiện trên Hình 1, theo các bước sau: B1) Đầu tiên vật liệu Hàn được nung chảy trong lò với nhiệt độ lớn hơn 1000C so với nhiệt độ nóng chảy của vật liệu trong cái cốc được chế tạo từ vật liệu graphite; B2) Sau khi vật liệu hàn đã chảy loãng sẽ được rót nhanh chóng vào khuôn kim loại, khuôn kim loại này được chế tạo từ vật liệu 304-Inox với kích thước 80x18x16mm. Bên cạnh đó, khuôn được đặt trong nước với nhiệt độ của nước được giữ ở khoảng 250C - 350C; B3) Sau khoảng 3-5 phút, vật đúc nguội và được lấy ra dể dàng từ khuôn (Hình 1a); B4) Vật đúc được đem đi cắt thành nhiều chi tiết nhỏ, mỏng bằng phương pháp cắt dây EDM. Chi tiết sau khi cắt có kích thước 20x5x1 mm với bán kính góc lượn 17mm để giảm tập trung ứng suất (Hình 1b); B5) Cuối cùng, trước khi thí nghiệm, chi tiết được Ram ở nhiệt độ 1000C trong 2h sau đó làm nguội trong môi trường không khí tĩnh để loại bỏ hoàn toàn ứng suất dư trong quá trình cắt EDM. a) b) Hình 1. Qui trình chế tạo chi tiết thí nghiệm Đối với phương pháp tương quan ảnh số, độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như độ phân giải của camera, nguồn sáng, lens, chất lượng bề mặt chi tiết, độ tương phản của bề mặt chi tiết, . Tuy nhiên, độ tương phản của hình ảnh khi chụp bề mặt chi tiết là yếu tố quyết định nhất. Vì vậy, việc chuẩn bị bề mặt chi tiết sử dụng cho phương pháp tương quan ảnh số được chuẩn bị rất kỹ lưỡng. Phương pháp thường được sử dụng là phương pháp tạo vết đốm (speckling). Trong nghiên cứu này, bề mặt chi tiết được phủ một lớp sơn mỏng với các đốm trắng và đen xen kẻ và không bóng để giảm thiểu phản xạ trong quá trình chụp ảnh. Để làm được điều đó, một hệ thống phun sơn đầu kim được sử dụng với kích thước vòi phun 0,2mm dưới sự trợ giúp của bình nén khí có áp suất làm việc 2 bar. Hệ thống xử lý bề mặt chi tiết được thể hiện trong Hình 2. Sự khác nhau giữa trước và sau speckling được thể hiện trong Hình 3. Chúng ta có thể kết luận rằng, hình ảnh sau khi speckling tốt hơn rất nhiều so với tự nhiên vì độ mịn của hình ảnh. Hình 2. Hệ thống xử lý bề mặt chi tiết a) b) Hình 3. Hình ảnh trước (a) và sau khi sơn (b) 2.2.2. Hệ thống máy thí nghiệm DIC Để tiến hành thí nghiệm với hệ thống DIC, một máy thí nghiệm kéo nén cở nhỏ được thiết kế. Hệ thống này sau đó được tích hợp thêm với một CCD Camera và lens với độ phân giải lớn. Các thông số của CCD camera và lens được thể hiện trong Bảng 2. Ngoài ra, một hệ thống thanh trượt bao gồm hệ điều chỉnh micromet theo phương dọc và ngang được lắp đặt trên camera để điều chỉnh vị trí chính xác camera so với chi tiết thí nghiệm. Bên cạnh đó, để tăng chất lượng của hình ảnh thu nhận được qua CCD camera, điều kiện về ánh sáng được quan tâm. Cụ thể, nguồn sáng nhân tạo từ đèn LED được sử dụng để giúp tạo ra ánh sáng phẳng với cường độ ổn định và tốt. Hệ thống thí nghiệm sử dụng phương pháp tương quan ảnh số được thể hiện trong Hình 4. Bảng 2. Thông số kỹ thuật của CCD camera Thông số Đặc tính Resolution (Độ phân giải) 1360 x 1024 pixels Pixel size (kích thước điểm ảnh) 4,65 x 4,65 µm Pixel format (định dạng điểm ảnh) 8-bit, 10-bit Imaging frequency (tần số ảnh) 0,1-15 fps Exposure time (thời gian phơi sáng) 100µs ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 2 3 Hình 4. Hệ thống thí nghiệm tương quan ảnh số DIC 3. Kết quả và thảo luận Sau khi thiết lập thí nghiệm hoàn chỉnh, chi tiết được thí nghiệm với tốc độ kéo 2,0x10-4mm/s. CCD camera được điều chỉnh để có thể chụp 1ảnh/1s và những ảnh được chụp được lưu lại trong máy tính. Sau đó các ảnh này sẽ được trích xuất sử dụng cho chương trình tính toán. Chương trình tính toán ở đây có tên gọi là Ncorr [20], được viết bằng Mathlab và là nguồn mở. Kết quả sau khi chạy Ncorr thể hiện trường biến dạng trên toàn bộ chi tiết thí nghiệm, từ đó có thể xác định được các thông số cơ tính của vật liệu đó. Hình 5, 2 hình ảnh ví dụ thu được trước và sau khi biến dạng. Chương trình tính toán Ncorr sẽ so sánh sự khác nhau giữa hình ảnh trước và sau khi biến dạng để từ đó đưa ra trường biến dạng của chi tiết. (a) (b) Hình 5. Hình ảnh sử dụng cho tính toán DIC: a) trước biến dạng b) sau biến dạng Hình 6. Trường biến dạng trên chi tiết thí nghiệm Kết quả của tính toán trường biến dạng sử dụng phương pháp tương quan ảnh số DIC được thể hiện trong Hình 6. Kết quả đo này sẽ được kiểm nghiệm với kết quả đo sử dụng cảm biến. Hai cảm biến được sử dụng ở trong thí nghiệm này gồm cảm biến lực và cảm biến chuyển vị. Kết quả nhận được từ 2 cảm biến này sử dụng để vẽ ra đường cong biến dạng và ứng suất và từ đó có thể xác định được các thông số cơ tính của vật liệu. Thực vậy, Hình 7 thể hiện sự so sánh của kết quả từ phương pháp DIC với kết quả thu được từ phương pháp đo truyền thống sử dụng các cảm biến: lực và chuyển vị (Hình 7). Hình 7. So sánh kết quả giữa 2 phương pháp đo: sử dụng cảm biến và tương quan ảnh số Từ Hình 7, dễ dàng nhận thấy rằng các thông số cơ tính của vật liệu hàn này được xuất ra từ hai phương pháp trên gần giống nhau, mô-đun đàn hồi lần lượt là 36GPa so với 34GPa cho phương pháp DIC và cảm biến LVDT. Hệ số Poisson của vật liệu hàn này với 2 phương pháp này là như nhau và bằng 0,24. Ngoài ra, hình ảnh trường biến dạng cũng chứng tỏ rằng hiệu quả hơn rất nhiều so với phương pháp đo vật lý (sử dụng cảm biến) vì phương pháp DIC có thể xác định được điểm bắt đầu của nứt xuất phát từ đâu dựa vào biểu đồ trường ứng suất. Dựa vào trường biến dạng xuất ra được từ phương pháp tương quan ảnh số DIC, chúng ta có thể xác định được nơi nào của chi tiết thí nghiệm bị phá hủy đầu tiên và rất quan trọng trong nghiên cứu xác định vết nứt ban đầu của chi tiết. 4. Kết luận Trong bài báo này, phương pháp tương quan ảnh số DIC được sử dụng để xác định trường biến dạng của vật liệu hàn không chì InnoLot. Quy trình chế tạo chi tiết thí nghiệm sử dụng cho phương pháp tương quan ảnh số DIC cũng như hệ thống thí nghiệm được trình bày trong nghiên cứu này. Kết quả của nghiên cứu này chứng tỏ, phương pháp tương quan ảnh số cho kết quả tốt hơn so với phương pháp đo truyền thống (sử dụng các 2 cảm biến) trong việc xác định được điểm bắt đầu của vết nứt trong chi tiết thí nghiệm. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng trong đề tài mã số B2018-ĐN02-38. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ch%E1%BB%89_th%E1%BB%8B_ v%E1%BB%81_h%E1%BA%A1n_ch%E1%BA%BF_c%C3%A1 c_ch%E1%BA%A5t_nguy_hi%E1%BB%83m [2] Zhang L., Xue S.B., Gao L.L., Zeng G, “Effects of rare earths on properties and microstructures of lead-free solder alloys”, Journal of Materials Science, vol. 20(8), 2009, pp. 685-694. [3] Hammad A.E, “Evolution of microstructure, thermal and creep properties of Ni-doped Sn–0.5Ag–0.7Cu low-Ag solder alloys for electronic applications”, Materials and Design, vol. 52, 2013, pp. 663-670. [4] Mahdavifard M.H., Sabri M.F.M., Shnawah D.A., Said S.M, “The effect of iron and bismuth addition on the microstructural, mechanical, and thermal properties of Sn–1Ag–0.5Cu solder alloy”, Microelectronics Reliability, vol. 55(9–10), 2015, pp. 1886-1890. [5] El-Daly A.A., Hammad A.E., Fawzy A., Nasrallh D. A, “Microstructure, mechanical properties, and deformation behavior 4 Tào Quang Bảng, Bùi Hệ Thống of Sn–1.0Ag–0.5Cu solder after Ni and Sb additions”, Materials and Design, vol. 43, 2013, pp. 40-49. [6] El-Daly A.A., El-Taher A.M, “Improved strength of Ni and Zn-doped Sn–2.0Ag–0.5Cu lead-free solder alloys under controlled processing parameters”, Materials and Design, vol. 47, 2013, pp. 607-614. [7] Yu D.Q., Zhao J., Wang L, “Improvement on the microstructure stability, mechanical and wetting properties of Sn–Ag–Cu lead-free solder with the addition of rare earth elements”, Journal of Alloys and Compound, vol. 376(1–2), 2004, pp. 170-175. [8] Cheng F., Nishikawa H., Takemoto T, “Microstructural and mechanical properties of Sn–Ag–Cu lead-free solders with minor addition of Ni and/or Co”, Journal of Materials Science, vol. 43(10), 2008, pp. 3643-3648. [9] Hammad A.E., “Investigation of microstructure and mechanical properties of novel Sn–0.5Ag–0.7Cu solders containing small amount of Ni”, Materials and Design, vol. 50, 2013, pp. 108-116. [10] Q.B. Tao, L. Benabou, V.N. Le, H. Hwang, D.B. Luu, “Viscoplastic characterization and post-rupture microanalysis of a novel lead-free solder with small additions of Bi, Sb and Ni”, Journal of Alloys and Compound, vol. 694, 2017, pp. 892-904. [11] Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., Ranson W.F., McNeill S.R., “Determination of displacements using an improved digital correlation method”, Image and Vision Computing, vol. 1, 1983, pp. 133–139. [12] Peters W.H., Ranson W.F, “Digital imaging techniques in experimental stress analysis”, Optical Engineering, vol. 21(3), 1982, pp. 427–32. [13] Chu T.C., Ranson W.F., Sutton M.A., Peters W.H, “Applications of digital image correlation techniques to experimental mechanics”, Experimental Mechanics, vol. 25,1985, pp. 232–244. [14] Kammers A.D., Daly S, “Small-scale patterning methods for digital image correlation under scanning electron microscopy” Measurement Science and Technology, vol. 22, 2011, pp. 125-131. [15] Zhang D., Arola D.D, “Applications of digital image correlation to biological tissues”, Journal of Biomedical Optics, vol. 9, 2004, pp. 691–699. [16] Rossi M., Broggiato G.B., Papalini S, “Application of digital image correlation to the study of planar anisotropy of sheet metals at large strains” Meccanica, vol. 43, 2008, pp. 185–199. [17] Chevalier L., Calloch S., Hild F., Marco Y, “Digital image correlation used to analyze the multiaxial behavior of rubber-like materials” European Journal of Mechanics A/Solid, vol. 20, 2005, pp. 169–187. [18] Wang L.L., Bornert M., Héripré E., Chanchole S., Tanguy A, “Full- field measurements on low-strained geomaterials using environmental scanning electron microscopy and digital image correlation: improved imaging conditions”, Strain, vol. 50, 2014, pp. 370–380. [19] Berfield T.A., Patel J.K., Shimmin R.G., Braun P.V., Lambros J., Sottos N.R, “Micro- and Nanoscale Deformation Measurement of Surface and Internal Planes via Digital Image Correlation”, Experimental Mechanics, vol. 45, 2007, pp. 51-62. [20] (BBT nhận bài: 27/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/10/2018)