TỔNG QUAN
Hiện tượng mỏi
2.1.1 Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi
Một trong những giả thiết cơ bản của sức bền vật liệu là yêu cầu vật liệu phải liên tục, đồng nhất và đẳng hướng Tuy nhiên, trong thực tế, cấu trúc của các vật liệu kim loại như thép cacbon và thép hợp kim thường tồn tại những khuyết tật ban đầu Những khuyết tật này có thể xuất phát từ sự lệch mạng tinh thể, liên kết biên giữa các hạt, sự tập chất, hoặc lỗ hổng do quy trình công nghệ luyện kim gây ra.
Có nhiều thuyết giải thích cơ chế của hiện tượng mỏi, trong đó thuyết dịch chuyển mạng tinh thể được coi là một trong những lý thuyết quan trọng Nghiên cứu về quá trình phá hủy mỏi của mẫu đồng chịu uốn chu kỳ đối xứng đã chỉ ra những đặc điểm đáng chú ý trong cơ chế này.
Trong giai đoạn I, khi ứng suất đạt mức cao, các hạt bắt đầu có sự chuyển vị biên, chiếm khoảng 1/200 tổng số chu kỳ ứng suất của mẫu Trong tinh thể, hướng trượt giữa các mạng tinh thể hình thành, dẫn đến sự xuất hiện của các đường trượt, và các đường này kết nối với nhau qua các biên giới hạt.
Hình 2.1: Cơ chế phá hủy mỏi theo giai đoạn I và II của mẫu làm từ đồng, chịu uốn chu kỳ
Giai đoạn II của quá trình nứt mỏi diễn ra khi ứng suất nhỏ, với số chu kỳ ứng suất tăng lên Trong giai đoạn này, các quá trình (a), (b) và (c) tiếp tục diễn ra bên trong và trên bề mặt mẫu, dẫn đến sự hình thành vết nứt mỏi có chiều dài xác định Số chu kỳ ứng suất trong giai đoạn này khoảng 1/100 tuổi thọ N của mẫu.
Khi tiếp tục giảm ứng suất, bên trong mẫu sẽ diễn ra các quá trình (a), (b) và (c), trong khi đó, vết nứt đã hình thành trên bề mặt mẫu sẽ lan truyền vào sâu bên trong thân mẫu.
Nghiên cứu của W.A Wood và cộng sự chỉ ra rằng, các vết nứt có chiều dài ban đầu bằng độ lớn của khuyết tật kỹ thuật và phát triển lớn lên theo chiều dài l Những khuyết tật thẳng trong mạng tinh thể, được gọi là sự lệch mạng, làm phá vỡ trật tự của các bề mặt nguyên tử và dẫn đến sự tập trung ứng suất cục bộ Tính toán cho thấy, ứng lực cần thiết để làm cho mặt phẳng nguyên tử trượt tương đối so với mặt phẳng khác tại khu vực có lệch mạng giảm đáng kể so với mạng tinh thể lý tưởng.
2.1.2 Các pha trên đường cong mỏi W𝒐̈hler
Pha I đặc trưng bởi việc chịu tải lớn và chu kỳ ứng suất thấp, trong đó hành vi của vật liệu tương tự như khi nó chịu ứng suất tĩnh.
Pha II là giai đoạn quan trọng, liên quan đến sự phá hủy mỏi ở mức độ cao Trong giai đoạn này, vết nứt vi mô hình thành từ bề mặt hạt, phát sinh từ sự sai lệch trong mạng tinh thể hoặc từ các khuyết tật kỹ thuật ban đầu có trong vật liệu, chẳng hạn như tạp chất trong quá trình luyện kim.
Hình 2.2: Các pha trên đường cong mỏi W𝑜̈hler
Pha III là giai đoạn xảy ra hiện tượng phá hỏng ở cường độ ứng suất thấp, với số chu kỳ ứng suất lớn Trong giai đoạn này, vết nứt có khả năng ngừng phát triển hoặc phát triển một cách ổn định.
Các dạng hỏng do mỏi thường gặp
Chi tiết thường xuyên làm việc quá tải xảy ra do thiết kế không tính toán và đánh giá đúng tải trọng tác dụng Hệ quả là trong quá trình làm việc, trục phải chịu quá tải liên tục, dẫn đến sự hình thành các vết nứt tế vi và giảm diện tích chịu lực Sự phát triển dần dần của những vết nứt này có thể gây ra gãy chi tiết, như minh họa trong hình 2.3.
Hình 2.3: Trục gãy do quá tải lâu dài [5]
Sự tập trung ứng suất trong kết cấu như vai trục, rãnh then, và lỗ có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng Đặc biệt, trong trường hợp trục bậc, sự thay đổi đột ngột về tiết diện hoặc đường kính sẽ dẫn đến phân bố tải trọng không đồng đều dọc theo chiều dài trục Hơn nữa, tại những vị trí như vai trục và rãnh then, việc thiếu góc lượn có thể làm gia tăng sự tập trung ứng suất, từ đó giảm khả năng chịu tải và tuổi thọ làm việc của trục.
Hình 2.4: Chân vịt bị nứt do mỏi [6]
Chất lượng chế tạo kém có thể dẫn đến các khuyết tật trên bề mặt trục như vết xước và gỉ sét, gây ra nứt tế vi và giảm tuổi thọ làm việc của trục Ngoài ra, quy trình nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng và thời gian hoạt động của trục.
Hình 2.5: Khuyết tật bên trong vật liệu [7]
- Sử dụng và lắp ráp không đúng kỹ thuật hoặc lắp không đúng kiểu lắp ghép (không làm khe hở bù trừ nhiệt, ổ trục điều chỉnh không đúng,…)
Hình 2.6: Thanh truyền sử dụng không đúng [8]
Các phương pháp kiểm tra mỏi
2.3.1 Xác định mỏi trên kính hiển vi
Các mẫu cần xác định mỏi được phân tích qua kính hiển vi điện tử (SEM), cho phép khảo sát các sai hỏng ở cấu trúc vi mô và sự thay đổi trên bề mặt của mẫu.
Hình 2.7: Kiểm tra bề mặt gãy Hình 2.8: Kiểm tra các khuyết tật vật liệu
Một kính hiển vi điện tử phản xạ (SEM) thường được sử dụng để kiểm tra vật liệu có nguyên lý hoạt động được trình bày ở hình 2.8
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử phản xạ (SEM)
2.3.2 Kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
Hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro) nhập khẩu từ Hà Lan đã được lắp đặt tại phòng Vật lý của Trung tâm hạt nhân, phục vụ cho việc kiểm tra mỏi Các quy trình hoạt động của hệ thống này được minh họa qua các hình 2.9, 2.10 và 2.11.
Hình 2.10: Ảnh nhiễu xạ gồm một loạt các vết đặc trưng cho tính đối xứng của tinh thể
Hình 2.11: Cấu tạo cơ bản của máy nhiễu xạ tia X
- Tia X: ống phát PW3373/00 Ceramic Tube Cu LFF, bước sóng đặc trưng
- Ống đếm tỉ lệ (P3011/20 Proportional Detector) hiệu suất cao với bước sóng
𝑘 𝛼−𝜆 cho vật liệu anode đồng (Cu)
Các mẫu sau khi cắt, chỉ lấy vùng tập trung ứng suất, được quét trên hệ nhiễu xạ tia X với phổ từ 30° đến 120° Điện áp cao 45kV và dòng điện 40mA được sử dụng, với tốc độ quét duy trì ở mức 0,033°/s để đảm bảo thống kê đủ tốt (10,000 counting/peak) cho phân tích đỉnh nhiễu xạ.
Phần mềm HighScore-2007 với thư viện chuẩn ICDD-2008 đã được sử dụng để phân tích các đỉnh nhiễu xạ
Hình 2.13: Hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical Hà Lan)
2.3.3 Xác định mỏi trên máy thí nghiệm mỏi
2.3.3.1 Máy thí nghiệm mỏi uốn
Máy thí nghiệm mỏi kiểu uốn quay 4 điểm của trường University Sint-Lieven Shent (Bỉ) được thiết kế dựa trên nguyên lý tạo mỏi bằng cách áp dụng momen uốn không đổi lên mẫu thử Thiết bị này kết hợp với chuyển động quay, tạo ra chu kỳ ứng suất liên tục tác động lên chi tiết mẫu cho đến khi xảy ra hiện tượng mỏi.
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi của máy uốn 4 điểm
Hình 2.15: Hình ảnh tổng quan của máy Ưu điểm của máy:
- Thí nghiệm cho các chi tiết mỏi dạng uốn
- Kết cấu phức tạp, chi phí cao
2.3.3.2 Máy thí nghiệm mỏi xoắn
Máy thí nghiệm LiTeM torsion fatigue hoạt động với sơ đồ nguyên lý như hình 2.15, trong đó chi tiết được cố định giữa hai cụm chủ động và bị động Khi máy hoạt động, cụm chủ động tạo ra lực xoay lên chi tiết, khiến chi tiết bị xoắn theo một chu kỳ nhất định Quá trình sẽ dừng lại khi chi tiết bị phá hủy do chu kỳ hoạt động vượt quá chu kỳ mỏi xoắn.
Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.17: Máy thí nghiệm mỏi LiTeM torsion fatigue[19] Ưu điểm của máy:
- Thí nghiệm cho các chi tiết lò xo, trục
- Chỉ kiểm tra được các chi tiết nhỏ
Mỏi do kéo – nén
2.4.1 Hiện tượng mỏi kéo - nén
Mỏi do kéo – nén là quá trình tích lũy sự phá hỏng trong vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất này xuất hiện khi chi tiết máy bị kéo – nén theo chu kỳ Trong thực tế, các chi tiết máy hoạt động trong môi trường có tải trọng thay đổi hoặc không thay đổi theo chu kỳ khác nhau, dẫn đến ứng suất trong chi tiết cũng biến đổi theo chu kỳ.
Hiện tượng chi tiết bị hư hỏng do mỏi kéo – nén có thể được minh họa qua ví dụ sợi kẽm Khi sợi kẽm này bị gập mở nhiều lần tại một điểm, sau khi vượt qua giới hạn bền mỏi của vật liệu, nó sẽ dẫn đến tình trạng gãy.
Hình 2.18: Sợi kẽm gãy do mở - gập nhiều lần[15]
Hình 2.19: Lò xo bị gãy[15]
Lò xo thường được sử dụng để giảm chấn cho kết cấu, với ứng suất bên trong thay đổi theo các chu kỳ, dẫn đến hiện tượng mỏi do kéo - nén Hình 2.18 minh họa hư hỏng do mỏi này Tay biên (thanh truyền) chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo ra lực kéo - nén liên tục ở hai đầu lắp Khi lực này vượt quá giới hạn bền mỏi, chi tiết sẽ gãy tại điểm có tiết diện yếu nhất.
Hình 2.20: Thanh truyền bị gãy [20]
Hình 2.20 mô tả chi tiết thanh nối từ bàn đạp đến đĩa xích trên xe đạp, nơi mà lực tác động liên tục lên bàn đạp tạo ra hai lực kéo khi bàn đạp ở điểm thấp nhất và một lực nén khi ở điểm cao nhất Sau một thời gian sử dụng, chu kỳ tải của chi tiết có thể vượt quá giới hạn bền mỏi, dẫn đến hiện tượng đứt gãy tại điểm có tiết diện yếu nhất.
Hình 2.21: Giò đĩa bị gãy [15]
Dựa trên các dạng hư hỏng thường gặp, nhiều nguyên lý đã được phát triển để kiểm tra độ bền mỏi của các chi tiết với tiết diện khác nhau Những nguyên lý này được hình thành từ các nghiên cứu khoa học trên toàn cầu.
2.4.2 Nguyên lý của máy thí nghiệm mỏi kéo - nén
Trên thực tế có rất nhiều nghiên cứu về nguyên lý chuyển động liên quan đến đề tài, dưới đây là một số các nguyên lý phổ biến:
Nguyên lý thanh truyền trục khuỷu mô tả chuyển động của cơ cấu khi trục khuỷu quay, thanh truyền gắn với đầu piston di chuyển trong ống trượt Đầu piston tác động để nén lò xo, tạo ra lực vào vật mẫu với tần số và lực xác định.
3 Thanh truyền; 4 Đầu piston; 5 Lò xo; 6 Mẫu thí nghiệm
Hình 2.22: Nguyên lý thí nghiệm mỏi kéo - nén ứng dụng thanh truyền trục khuỷu [9]
Nguyên lý Schenck dựa trên lực ly tâm, trong đó các đối trọng quay với tốc độ giống nhau nhưng ngược chiều nhau, tạo ra lực dọc trục Lực này có thể được điều chỉnh trong quá trình hoạt động thông qua bộ chuyển đổi.
A, B : Hai phần đối trọng quay đối diện nhau
S: Mẫu thí nghiệm; M: lò xo nén; H: Ổ chứa đối trọng; W: Tay quay tác dụng lực
Hình 2.23: Nguyên lý thí nghiệm mỏi kéo nén Schenck [9]
Nguyên lý ứng dụng thủy lực sử dụng động cơ servo thủy lực để điều khiển xylanh tịnh tiến, từ đó tạo ra lực tác động trực tiếp lên mẫu Hệ thống này hoạt động hiệu quả ở tần số thấp, đảm bảo độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành.
3 Đồng hồ đo lực nén
4 Đồng hồ đo lực kéo
Hình 2.24: Nguyên lý thí nghiệm mỏi kéo nén ứng dụng thủy lực [9]
Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Trên thị trường hiện nay, có nhiều nhà sản xuất máy móc và thiết bị phục vụ ngành vật liệu, cùng với các nhà khoa học toàn cầu chế tạo máy thí nghiệm độ bền mỏi kéo – nén chuyên dụng Dựa vào nhu cầu của thị trường, các nhà sản xuất máy thí nghiệm nổi tiếng đã nghiên cứu và phát triển một số sản phẩm phục vụ cho thí nghiệm này, tạo ra sự phổ biến trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu.
Tại Việt Nam, do sự thiếu phát triển trong ngành vật liệu và nhu cầu hạn chế, các máy thí nghiệm chuyên dụng như Zwick/roell và ADMET ít được chú ý Thông tin về sản phẩm và nghiên cứu liên quan đến "máy thí nghiệm mỏi kéo – nén" cũng rất khan hiếm Dưới đây là một số mẫu máy thí nghiệm tiêu biểu từ các nhà sản xuất hàng đầu trên thế giới.
2.5.1 Các máy dựa trên nguyên lý bánh lệch tâm
2.5.1.1 Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Rainer Schwab
Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén do Rainer Schwab từ đại học khoa học ứng dụng Karlsruhe (Đức) phát triển dựa trên tính hồi hồi của lò xo Thiết bị này truyền lực lên mẫu thí nghiệm thông qua lò xo bị nén (nằm bên phải mẫu) khi quay quanh tâm của bánh lệch tâm, với đoạn dịch chuyển nhỏ đủ để tạo ra lực nén và kéo Lực tác dụng được đo bằng loadcell, được đặt phía bên trái mẫu thí nghiệm.
Hình 2.25: Nguyên lý máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Rainer Schwab [15]
Kết cấu thức tế của máy thí nghiệm mỏi kéo – nén Rainer Schwab được trình bày ở hình 2.25 gồm các thành phần:
- Loadcell: để đo lực tác dụng và gửi tín hiệu (giá trị lực) về bộ điều khiển;
- Cụm kẹp: dùng để giữ chi tiết mẫu
- Lò xo: tạo ra lực kéo – nén lên chi tiết mẫu
- Bánh lệch tâm: cơ cấu sinh lực chính của cụm làm việc
Hình 2.26: Cụm làm việc chính của máy thí nghiệm mỏi RS [15]
- Đường kính mẫu thử: 6 – 12 mm
- Tần số tối đa: 25 Hz
- Phạm vi ứng dụng: Chi tiết dạng trục Ưu điểm:
- Mất nhiều thời gian tháo lắp mẫu
- Đầu kẹp không tương thích với các mẫu có hình dạng phức tạp
2.5.1.2 Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén ADMET
Nguyên lý kết cấu của máy thí nghiệm mỏi kéo - nén ADMET được trình bày ở hình 2.26
Loadcell Cụm kẹp Lò xo Cam lệch tâm
Hình 2.27: Máy thí nghiệm eXpert 3910
- Hộp truyền động: cơ sinh lực kéo – nén
- Trục dẫn: dẫn hướng cho cụm chủ động
- Cụm kẹp: giữ chi tiết mẫu
- Tủ điều khiển: gồm các thiết bị thu, xuất dữ liệu ra màn hình
- Phạm vi ứng dụng: Vật liệu đàn hồi, các mô xương sinh học Ưu điểm:
- Đầu kẹp tương thích với các mẫu có hình dạng phức tạp
Hình 2.28: Máy thí nghiệm eXpert 3930
- Phạm vi ứng dụng: vật liệu composite, đàn hồi… Ưu điểm:
- Đầu kẹp tương thích với các mẫu có hình dạng phức tạp
2.5.2 Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén dựa trên nguyên lý ứng dụng thủy lực
Nhà sản xuất Zwick/roell và Instron đã phát triển máy thí nghiệm mỏi kéo-nén, sử dụng lực tác động trực tiếp vào mẫu thông qua xylanh thủy lực, được điều khiển bởi động cơ servo thủy lực.
2.5.2.1 Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Zwick/roell
Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Zwick/roell có các thành phần chính như ở hình 2.28
Hình 2.29: Dòng máy thí nghiệm mỏi kéo – nén HA
- Phạm vi ứng dụng: chi tiết dạng trục, thanh… Ưu điểm:
- Đầu kẹp tương thích với các mẫu có hình dạng phức tạp
- Máy hoạt động gây tiếng ồn
2.5.2.2 Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Instron
Máy thí nghiệm mỏi kéo – nén của Instron có các thành phần chính như ở hình 2.29
Hình 2.30: Dòng máy thí nghiệm mỏi kéo – nén Instron 8802
- Phạm vi ứng dụng: chi tiết dạng trục, thanh… Ưu điểm:
- Đầu kẹp tương thích với các mẫu có hình dạng phức tạp
- Máy hoạt động gây tiếng ồn
Bài viết này sẽ trình bày kết quả khảo sát các máy thí nghiệm mỏi kéo - nén từ các nhà sản xuất toàn cầu, bao gồm thông số kỹ thuật, ưu điểm và nhược điểm của từng loại máy, được tổng hợp và đánh giá trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Bảng so sánh các tiêu chí
Nguyên lý Cam lệch tâm Ứng dụng thuỷ lực
Không gian làm việc Lớn Nhỏ
Thiết bị đo lực Loadcell Loadcell
Bộ gá kẹp Cơ Thủy lực
Phạm vi sử dụng Chi tiết dạng trục Hình dạng phức tạp
Cơ cấu tạo lực Thanh truyền trục khuỷu Thủy lực
2.5.3 Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, chưa có báo cáo đầy đủ về máy thí nghiệm mỏi kéo - nén tại Việt Nam, đặc biệt là tại TP Hồ Chí Minh, do hạn chế về thời gian và nguồn tài liệu tham khảo.
Kết luận
Qua khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, ta có thể kết luận một số vấn đề sau:
- Chưa tìm thấy các công liên quan về thiết kế, chế tạo máy thí nghiệm mỏi kéo – nén ở Việt Nam
Trong thiết kế và chế tạo máy thí nghiệm mỏi kéo - nén, có ba nguyên lý cơ bản tạo lực Tuy nhiên, trong thực tế, nguyên lý Schenck không được áp dụng rộng rãi; thay vào đó, nguyên lý cam lệch tâm và ứng dụng thuỷ lực là hai phương pháp chính được sử dụng để tạo ra lực tác dụng.
Nguyên lý cam lệch tâm, mặc dù tạo ra lực tác dụng nhỏ hơn so với nguyên lý ứng dụng thủy lực, nhưng lại có tần số hoạt động cao hơn đáng kể Với mục tiêu phát triển máy thí nghiệm mỏi kéo – nén cho các chi tiết dạng trục có kích thước mẫu nhỏ hơn hoặc bằng 6 mm, nguyên lý cam lệch tâm đã được lựa chọn làm giải pháp tối ưu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỎI
Hiện tượng mỏi của kim loại
Hiện tượng mỏi của vật liệu kim loại được phát hiện bởi nhà khoa học Đức August Wohler hơn một thế kỷ trước Ông đã xây dựng đường cong mỏi, thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ ứng suất.
Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy sự phá hỏng trong vật liệu do ứng suất thay đổi theo thời gian Ứng suất này gây ra các vết nứt mỏi, và khi các vết nứt này phát triển, chúng dẫn đến sự phá hủy của vật liệu.
Hình 3.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại 3.1.2 Giới hạn mỏi
Giới hạn mỏi của vật liệu là giá trị tối đa của ứng suất thay đổi theo thời gian mà vật liệu có thể chịu đựng mà không bị hư hại, tương ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở riêng biệt cho từng loại vật liệu Số chu kỳ ứng suất cơ sở được ký hiệu là Nf, và thông tin chi tiết có thể tham khảo trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 : Số liệu Nf của một số kim loại thường dùng
Dựa trên kết quả thí nghiệm mỏi, đường cong mỏi được xây dựng để thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất lớn nhất 𝜎 và số chu kỳ thay đổi ứng suất.
Để xây dựng đường cong mỏi cho mẫu chi tiết máy trong điều kiện ứng suất nhất định, cần thực hiện từ 25 đến 100 thí nghiệm cho mỗi loại mẫu quy chuẩn cho đến khi hỏng.
Hình 3.2: Đường cong mỏi Veller
Số chu kỳ N được gọi là tuổi thọ tương ứng với mức ứng suất 𝜎 Đồ thị đường cong mỏi có dạng như hình 3.2
Qua đồ thị đường cong mỏi ta thấy:
- Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm,
Giảm ứng suất đến một giới hạn 𝜎r nhất định có thể làm tăng tuổi thọ N của vật liệu mà không gây hư hại cho chi tiết Giới hạn này được gọi là giới hạn bền mỏi (dài hạn) của vật liệu.
Phương trình đường cong mỏi có thể viết dưới dạng:
( a r )(NB) m C 2 (3.3) Trong đó: a, d, m, B, C, C1, C – các thông số của các phương trình
r - giới hạn mỏi của vật liệu ở chu kỳ ứng xuất r.
Những chỉ tiêu phá hủy mỏi
3.2.1 Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng
Nếu gọi S là ứng suất, N là số chu kỳ ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng lần lượt là:
Trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với N chu kỳ
S - ứng suất ứng với N chu kỳ
Kn - số mũ của đường cong Wohler
Hình 3.3: Đường cong Wohler trong hệ trục logarit
Trong đó: ep – độ dãn dài tương ứng với lúc phá hủy,
Np – số chu kỳ ứng suất ứng với lúc phá hủy, k – số mũ (~0,01÷0,1),
3.2.2 Chỉ tiêu về năng lượng
C E Felner và J D Marrow đã đưa ra chỉ tiêu với nội dung như sau: Sự phá hủy mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh
Hình 3.4: Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhẳm xây dựng chỉ tiêu năng lượng
Từ hình 3.6 các tác giả đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật liệu sau N chu kỳ ứng suất là:
Số chu kỳ ứng suất (hay tuổi thọ) khi phá hủy Np được xác định từ phương trình:
𝑛 𝑛+1 n – hằng số tăng bền do biến dạng chu kỳ,
K – hằng số phụ thuộc vật liệu
3.2.3 Chỉ tiêu về vết nứt mỏi
Quá trình phá hủy mỏi diễn ra qua nhiều giai đoạn, bao gồm sự hình thành và phát triển của vết nứt Vết nứt mỏi lan truyền với một tốc độ nhất định, và khi đạt đến độ sâu nhất định trong vật liệu, sẽ dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn Sự tích lũy phá hủy mỏi là một quá trình kéo dài, trong khi sự phá hủy xảy ra một cách tức thời Tốc độ lan truyền vết nứt, ký hiệu là v, là yếu tố quan trọng trong việc đánh giá sự phá hủy này.
Trong đó: S- trạng thái ứng suất,
F- đặc trưng hình học của chi tiết máy, C- điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết máy.
Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
Bản chất của vật liệu được xác định bởi cấu trúc vi mô trong các điều kiện nhất định, thể hiện qua nhiều đặc trưng cơ học và hóa học Cấu trúc vi mô này được hình thành qua các quy trình công nghệ như nhiệt luyện và xử lý nhiệt, ảnh hưởng đến độ bền mỏi của vật liệu thông qua việc tạo ra các cấu trúc hạt khác nhau.
Vật liệu đóng vai trò quan trọng trong độ bền mỏi của chi tiết máy Chi tiết được chế tạo từ vật liệu có cơ tính cao sẽ có độ bền mỏi tốt hơn, do khả năng xuất hiện vết nứt thấp hơn Thép có hàm lượng cacbon cao thường có giới hạn bền mỏi cao hơn so với thép có hàm lượng cacbon thấp Ngoài ra, thép hợp kim cũng cho thấy độ bền mỏi vượt trội so với thép cacbon thông thường.
Các thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc xác định bản chất của vật liệu, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi Việc phân tích tác động của các thành phần này có thể được thực hiện từ góc độ lý thuyết hệ thống.
Trong nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến đặc trưng cơ học của vật liệu, thành phần các nguyên tố hóa học chính cùng mã số tương ứng được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3.2: Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu
STT Thành phần hóa học (%) Cu Mg Mn
Để hiểu rõ ảnh hưởng của thành phần hóa học đến giới hạn mỏi, có thể sử dụng công thức Roger để xác định giới hạn mỏi một cách định lượng, với các mức dưới 3,70, 1,25 và 0,65.
Trong đó: 𝜎 𝐹 - Giới hạn mỏi
𝜎 𝑇 – Giới hạn bền kéo tĩnh,
𝜎 𝑌 – Giới hạn chảy khi kéo tĩnh
− 0,70𝑥 2 𝑥 3 (Lưu ý: Các ký hiệu ở đây có thể khác so với TCVN, tùy theo quy ước của từng quốc gia nhưng về bản chất là giống nhau.)
3.3.2 Quá trình xử lý nhiệt Ở quá trình xử lý nhiệt chúng ta khảo sát một số ảnh hưởng như sau:
- Ảnh hưởng của tổ chức tế vi:
Tổ chức tế vi của vật liệu được xác định bởi quá trình luyện kim, gia công và nhiệt luyện, tạo ra các cấu trúc hạt khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi Cấu trúc tế vi theo chế độ nhiệt luyện có thể làm thay đổi giới hạn mỏi của vật liệu từ 1.7-2 lần Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của tổ chức tế vi yếu hơn khi có sự xuất hiện của các yếu tố tập trung ứng suất.
- Ảnh hưởng của kích thước hạt:
G M Sinclair và W J Craig đã tiến hành thí nghiệm uốn quay tròn mẫu do= 7 mm làm từ đồng thau mác 70/30 có các độ hạt khác nhau và cho kết quả như bảng 3.3
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền mỏi
Kích thước trung bình của hạt, ho (mm)
Giới hạn mỏi, 𝜎 𝐹 𝜎 −1 , kG/mm 2
Theo bảng số liệu, khi kích thước hạt tăng lên 70 lần, giới hạn bền mỏi giảm hơn 3 lần Mối quan hệ này cho thấy ảnh hưởng rõ rệt của kích thước hạt đến độ bền mỏi.
Trong đó: - 𝜎 𝑖𝐹 , 𝐾 𝐹 là các hằng số vật liệu,
- ho là kích thước trung bình của hạt
Các vật liệu làm việc dưới điều kiện tải không ổn định thường trải qua các ứng suất khác nhau, dẫn đến sự phá hủy mỏi không theo quy luật tuyến tính Ứng suất của vật liệu đối với tải trọng rất đa dạng, do đó không thể thiết lập một quy luật chung cho mọi trường hợp Nghiên cứu cho thấy, nếu mẫu được cho nghỉ giữa các lần tải, khả năng chống mỏi của nó sẽ được cải thiện Trong quá trình làm việc, tải trọng tác động lên chi tiết máy có thể tạo ra nhiều loại ứng suất như kéo, nén, uốn, xoắn, dập, cắt và tiếp xúc Ứng suất trong chi tiết máy có thể thay đổi hoặc giữ nguyên, và một vòng thay đổi ứng suất từ trị số giới hạn này sang trị số giới hạn khác rồi trở về giá trị ban đầu được gọi là chu trình ứng suất, với thời gian thực hiện được gọi là chu kỳ ứng suất.
Chu trình ứng suất được đặc trưng bởi hình 3.7
Hình 3.5: Chu trình ứng suất
Hệ số tính chất chu trình:
Chi tiết máy thường chịu ứng suất thay đổi theo chu trình không đối xứng, với các giới hạn ứng suất (𝜎 𝑚𝑎𝑥 , 𝜎 𝑚𝑖𝑛 ) không bằng nhau Ứng suất tác động lên chi tiết máy được chia thành hai phần: ứng suất trung bình 𝜎 𝑚, nguyên nhân chính gây ra sự mỏi, và ứng suất thay đổi với biên độ 𝜎 𝑎 Khi ứng suất trung bình là kéo (𝜎 𝑚 > 0) càng lớn, giới hạn biên độ ứng suất 𝜎 𝑎 càng giảm, cho thấy ngay cả biên độ nhỏ cũng có thể gây ra sự phá hủy mỏi Trong chu trình đối xứng với 𝜎 𝑚 = 0, biên độ ứng suất 𝜎 𝑎 bằng giới hạn bền mỏi trong chu trình đối xứng 𝜎 −1 Ngược lại, khi ứng suất trung bình là nén (𝜎 𝑚 < 0), giới hạn biên độ ứng suất 𝜎 𝑎 tăng lên, cho thấy chi tiết máy chịu ứng suất tĩnh nén có thể có giới hạn biên độ cao hơn giới hạn bền mỏi trong chu trình đối xứng 𝜎 −1.
Hầu hết các máy móc thông thường hoạt động ở tần số khoảng 10.000 vòng/phút (167Hz) hoặc thấp hơn Tuy nhiên, các máy chuyên dụng và các chi tiết máy chịu lực cần hoạt động ở tần số cao hơn Chẳng hạn, máy nén khí có tần số từ 200-2000Hz, lá tuabin từ 500-3000Hz, và cánh tuabin của động cơ tên lửa có thể đạt từ 7000-10000Hz Thực nghiệm cho thấy, sự phá hủy mỏi của các cánh tuabin bắt đầu xuất hiện khi tần số tải trọng đạt đến 25-30kHz.
Bảng 3.4 Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu
STT Vật liệu Giới hạn bền
Giới hạn mỏi kéo 𝜎 −1𝑘 , MPa
Giới hạn mỏi uốn 𝜎 −1𝑢 , MPa
Giớ hạn mỏi xoắn 𝜎 −1𝑥 , MPa
Trong trường hợp chi tiết máy phải chịu ứng suất phức tạp, chẳng hạn như đồng thời chịu uốn và xoắn, hoặc khi có sự tác động của ứng suất thay đổi với biên độ ứng suất pháp, việc phân tích và thiết kế chi tiết là rất quan trọng Điều này giúp đảm bảo độ bền và hiệu suất của chi tiết máy trong quá trình hoạt động.
Để đánh giá độ bền mỏi của chi tiết máy, người ta sử dụng thuyết bền ứng suất tiếp lớn nhất hoặc thuyết bền thế năng biến đổi hình dạng Trong một số trường hợp, hệ thức Gauss được áp dụng và tìm ra qua thực nghiệm để hỗ trợ tính toán.
Nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng độ bền mỏi của cùng một loại vật liệu dưới các điều kiện làm việc khác nhau như kéo-nén, uốn và xoắn có sự khác biệt rõ rệt Theo bảng 3.4, độ bền mỏi khi chịu xoắn là thấp nhất, đặc biệt là trong môi trường ăn mòn, điều này càng làm nổi bật sự yếu kém của vật liệu trong trường hợp này.
Thực nghiệm cho thấy khi kích thước tuyệt đối của chi tiết máy tăng lên, giới hạn bền mỏi sẽ giảm Để đánh giá ảnh hưởng của kích thước, người ta sử dụng hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối 𝜀 𝜎 cho ứng suất pháp và 𝜀 𝜏 cho ứng suất tiếp, được tính bằng tỷ số giữa giới hạn bền mỏi của chi tiết máy có đường kính d so với giới hạn bền mỏi của mẫu chuẩn với đường kính 𝑑 0 = 6 ÷ 10mm.
Mẫu thử
Yêu cầu chung của mẫu thí nghiệm:
- Phần làm việc của các mẫu phải được chế tạo với các cấp chính xác không thấp hơn cấp chính xác 3
- Độ nhám bề mặt phần làm việc của mẫu phải tương ứng với 𝑅 𝑎 = 0.32 ÷ 0.16𝜇𝑚 theo TCVN2511-78
Bề mặt mẫu cần phải sạch sẽ, không có vết gỉ, vết rỗ, khuyết tật gia công hay vết biến màu do nhiệt, trừ khi những yếu tố này được sử dụng trong nghiên cứu.
Cắt phôi, đánh dấu và gia công mẫu cần được thực hiện cẩn thận để không làm ảnh hưởng đến tính chất mỏi của vật liệu ban đầu Nhiệt độ sinh ra trong quá trình gia công phải được kiểm soát để tránh biến đổi cấu trúc và các biến đổi hóa lý trong kim loại Việc lựa chọn lượng dư gia công, các thông số chế độ cắt và trình tự gia công là rất quan trọng, nhằm giảm thiểu hiện tượng biến cứng và ngăn ngừa sự hình thành nhiệt cục bộ quá lớn, dẫn đến nứt và các khuyết tật khác.
- Trong một loạt mẫu thử các mẫu phải cùng loại vật liệu, công nghệ chế tạo mẫu phải giống nhau
- Không được làm hư hỏng bề mặt khi đo lần cuối các kích thước phần làm việc của mẫu
- Phần làm việc của mẫu được đo với sai số không quá 0.01mm
- Thí nghiệm mỏi kim loại được thực hiện trên các mẫu nhẵn có mặt cắt tròn hay mặt cắt hình chữ nhật
3.4.1 Một số loại mẫu thí nghiệm
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8185-2009-ISO 1099 : 2006, ASTM:
E606/E606M – 12 có các kiểu chi tiết mẫu như sau:
- Chi tiết mẫu dạng mặt cắt ngang là hình tròn gồm các loại chi tiết:
+ Dạng phẳng: vật liệu thường dùng để kiểm tra độ mỏi là thép 40, C40, C45, Thép 40CrNi …, gồm các chi tiết máy như: trục, bu long, đinh ốc,…
Hình 3.7: Mẫu thí nghiệm kéo – nén theo ASTM: E606/E606M – 12
+ Dạng có rãnh khía: vật liệu thường dùng để kiểm tra độ mỏi là thép 40, C40, C45, Thép 40CrNi …, gồm các chi tiết máy như: khớp nối, trục khuỷu, …
Hình 3.8: Mẫu dùng trong thí nghiệm kéo - nén có rãnh khía
- Chi tiết mẫu dạng mặt cắt ngang là hình chữ nhật gồm các loại chi tiết:
Hình 3.9: Mẫu dùng trong thí nghiệm kéo - nén
Tùy thuộc vào loại máy thí nghiệm và mục đích nghiên cứu, mẫu thử nghiệm có thể có nhiều hình dạng khác nhau Đối với các mẫu có rãnh khía, sự tập trung ứng suất xảy ra và hệ số tập trung ứng suất lý thuyết thường được tính toán bằng công thức của Neuber hoặc Peterson Công thức tổng quát thường được sử dụng là:
[(𝛼 𝑑 − 1) 2 + (𝛼 𝑠 − 1) 2 ] 1/2 Trong đó: - 𝛼 𝑑 là hệ số tập trung ứng suất rãnh khía sâu,
- 𝛼 𝑠 là hệ số tập trung ứng suất rãnh khía nông
- Trường hợp mẫu phẳng chịu lực kéo-nén:
- Trường hợp mẫu tròn khi bị kéo-nén:
Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI KÉO - NÉN
Đề xuất nhiệm vụ, yêu cầu thiết kế
Dựa trên việc phân tích đối tượng thiết kế và đánh giá những ưu nhược điểm của các máy móc thí nghiệm mỏi hiện có cả trong và ngoài nước, tác giả đã đề xuất các giải pháp công nghệ chủ yếu liên quan đến nhiệm vụ và yêu cầu thiết kế.
- Máy thực hiện được thí nghiệm mỏi kéo - nén
- Số vòng quay trục chính nmax = 3000 vòng/phút
- Lực tác dụng lên mẫu Pmax = 3000 N
- Tháo lắp mẫu nhanh chóng, máy làm việc êm, ổn định
- Kết cấu nhỏ gọn, dễ gia công chế tạo
Đề xuất mẫu thí nghiệm
4.2.1 Mẫu thí nghiệm mỏi kéo - nén
Từ chương 3, chúng ta đã phân tích các đặc trưng cơ bản của mẫu tiêu chuẩn và dựa vào điều kiện công nghệ hiện có, quyết định chọn mẫu thí nghiệm kéo-nén theo tiêu chuẩn ASTM: E606/E606M – 12 Mẫu thí nghiệm này có dạng tròn với mặt cắt ngang hình tròn và hai phần kẹp là trụ trơn Theo các thông số thiết kế máy, đường kính của mẫu thử được chọn là