Các nhà khoa học đã tìm ra giải pháp mới nhằm tăng cường độ an toàn lâu dài cho tàu ngầm hạt nhân của Hải quân Mỹ: sử dụng chùm neutron để nghiên cứu và ngăn ngừa hiện tượng nứt mối hàn.
Áp lực khủng khiếp dưới độ sâu 244 mét
Thân chịu áp lực của tàu ngầm hạt nhân Mỹ được cấu tạo từ nhiều tấm thép khổng lồ, dài khoảng 30 mét, ghép nối bằng kỹ thuật hàn thủ công hoặc robot với độ chính xác cao.
Khi hoạt động, tàu thường lặn sâu hơn 244 mét dưới mặt nước, nơi áp lực bên ngoài vượt quá 2.390.000 newton trên mỗi mét vuông. Trong điều kiện này, chỉ một vết nứt siêu nhỏ ở thân thép hoặc mối hàn cũng có thể gây nguy hiểm nghiêm trọng cho thủy thủ đoàn và ảnh hưởng đến độ bền kết cấu lâu dài của tàu.
Một vấn đề phổ biến là hiện tượng ductility dip cracking (DDC) – nứt do giảm độ dẻo. Nó xảy ra khi kim loại hàn nguội và rắn lại, tạo ra các khe nứt li ti có thể phát triển dần theo thời gian. Hợp kim đồng-niken (70% đồng, 30% niken) vốn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hải quân cũng không tránh khỏi nguy cơ này.
Để giải quyết, Hải quân Mỹ phối hợp cùng Electric Boat, Đại học Connecticut và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ.
Tại đây, nhóm nghiên cứu đã dùng kỹ thuật tán xạ neutron trên thiết bị High Intensity Diffractometer for Residual Stress Analysis (HIDRA) đặt tại lò phản ứng neutron cường độ cao HFIR của ORNL.
Neutron soi thấu mối hàn
Khác với tia X, neutron có khả năng xuyên sâu vào kim loại dày mà không gây hư hại. Nhờ phương pháp nhiễu xạ neutron, các nhà khoa học đo được sự thay đổi khoảng cách mạng tinh thể do ứng suất nội tại.
Đồng thời, kỹ thuật chụp ảnh neutron cho phép phát hiện biến đổi mật độ và những đặc điểm ẩn bên trong mối hàn.
Tiến sĩ Lesley Frame, giảng viên khoa khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Connecticut, cho biết nghiên cứu này lần đầu tiên xem xét các yếu tố phi vi cấu trúc của DDC, bao gồm ứng suất dư sinh ra từ nhiệt trong quá trình hàn.
Nhờ nguồn neutron trực tiếp từ lò HFIR với năng lượng cao và số lượng lớn, việc đo đạc có thể hoàn tất chỉ trong vài giờ thay vì kéo dài hàng tuần.
Nghiên cứu sinh Matt Caruso bổ sung rằng hàn là một quá trình động, nên việc lập bản đồ ứng suất sau hàn giúp đối chiếu với mô hình máy tính đang được phát triển. Mục tiêu là xây dựng mô hình dự đoán chính xác khi nào điều kiện hàn có thể gây nứt, từ đó tìm cách tránh hoặc giảm thiểu.
Ngoài neutron, nhóm cũng kết hợp thử nghiệm tia X tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven để có cái nhìn toàn diện hơn về cơ chế vật lý gây nứt. “Chúng tôi đang cố gắng lập bản đồ ứng suất trong vật liệu hàn mà không phá hủy nó,” Frame nhấn mạnh.
Caruso kết luận: “Nghiên cứu này sẽ giúp hiểu rõ hơn về hiện tượng DDC và đưa ra giải pháp giảm thiểu. Ngăn chặn nứt DDC đồng nghĩa với việc tàu ngầm của Hải quân sẽ an toàn hơn.”
