Chương 1: Tổng quan 1. Tổng quan về hướng nghiên cứu Đối với các thiết bị trong công nghiệp vận tải hoặc sản phẩm công nghiệp, vật liệu phải có độ bền cao, chịu nhiệt, hệ số ma sát thấp, có khả năng chống mài mòn, tự bôi trơn, hấp thụ sốc và làm ồn, chống dầu, và quan trọng nhất là nhẹ. Chính vì lí do đó, nhựa PA gia cố sợi thủy tỉnh đã được nghiên cứu trong các năm qua và đưa vào sử dụng trong thực tế. PA6 – 30% GF hiện nay được sử dụng trong các ứng dụng kĩ thuật, có yêu cầu cao trong kĩ thuật.
Nhiều doanh nghiệp đã lựa chọn PA6-30% để làm các sản phẩm như tay thắng xe đạp, tay nắm cửa ô tô, bánh răng, ống cuộn sợi, khung motor,… Trong thời gian sử dụng, ở những nơi chịu lực của sản phẩm sẽ bị phá hủy. Việc khảo sát cơ tính của nhựa PA6-30% GF cả về độ bền tĩnh và độ bền mỏi là một điều cần thiết, giúp cho việc thiết kế sản phẩm tốt hơn để sử dụng trong đời sống, đồng thời có độ an toàn cao, bảo vệ người sử dụng. Các nghiên cứu trong và ngoài nước Có rất nhiều bài viết nghiên cứu về độ bền mỏi của nhựa PA6-30% GF, có thể được tóm tắt lại như sau: - “Cơ chế phá hủy do mỏi của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh (PA6-30%)” của tác giả Hedi Nouri, C. Nhóm nghiên cứu cho thử nghiệm kéo mẫu ở các mức biến dạng khác nhau để thử nghiệm độ bền mỏi kéo của vật thể thử nghiệm làm từ vật liệu PA6-30% GF.
Kết luận của bài nghiên cứu cho thấy khi mức biến dạng càng cao thì độ bền mỏi của vật thử càng thấp. Ngoài ra xác định được 3 giai đoạn phá hủy của độ bền mỏi đối với vật liệu này, gồm 3 giai đoạn là: 1) Giảm độ cứng của vật liệu và xuất hiện vết nứt tế vi, 2) Các vết nứt tế vi lan rộng, 3) Sự phá hủy khi các vết nứt phát triển đủ lớn. Kết quả thử nghiệm theo phương dọc mẫu [14] Từ Hình 1.1, ta thấy rằng khi mẫu thử bị biến dạng ở mức 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 20% − 40% 𝜀𝑟𝑢𝑝 thì độ bền mỏi của vật mẫu không thay đổi quá nhiều, tuy nhiên độ bền mỏi sẽ giảm mạnh, chỉ còn 1/2 khi mức chuyển vị đạt cao tới 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 45% 𝜀𝑟𝑢𝑝. - “Tính chất độ bền mỏi của vật liệu nhựa polyamide có gia cường sợi thủy tinh ngắn: phân tích hình thái và hiệu ứng định hướng sợi” của tác giả F.
Tác giả chỉ ra độ bền mỏi của vật liệu nhựa gia cường sợi thủy tinh sẽ phụ thuộc vào hướng của sợi. Tuy nhiên, hướng của sợi thủy tinh sẽ phụ thuộc vào quy trình sản xuất, đặc biệt là dựa vào quy trình ép nhựa. Trong suốt quá trình ép, sợi thủy tinh sẽ được phân tán vào hỗn hợp nhựa, và hướng của sợi trong sản phẩm sau khi được ép ra là kết quả của các hiện tượng phức tạp liên quan đến cơ học chất lỏng, độ nhớt, vận tốc, hình dáng sản phẩm, chế độ ép, dòng chảy tương tác với thành khuôn… Hình 1. Hướng phun nhựa của thí nghiệm [15] Tác giả đã cho thực nghiệm tạo mẫu thử bằng cách phun nhựa từ hai hướng như Hình 1.
Sau khi tạo mẫu, tác giả đã tiến hành thử nghiệm độ bền mỏi, và thấy rằng mẫu được phun ép từ hướng dọc sẽ có cơ tính tốt hơn được phun từ hướng ngang. Thử nghiệm độ bền mỏi của mẫu được phun ép từ các hướng khác nhau [15] - “Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ dày đối với vật liệu polyamide gia cố sợi thủy tinh 6.6 khi chịu tải tuần hoàn” của tác giả M. Tác giả khảo sát đặc điểm dị hướng của vật liệu nhựa PA66-GF35 dưới tác dụng tải trọng kéo tuần hoàn, thực hiện trên mẫu được chế tạo từ khuôn ép nhựa 80 x 80mm, với 3 độ dày khác nhau t (từ 1 – 3 mm) và với 3 hướng sợi khác nhau 𝜃 (00 , 300 , 900 ). Kết luận là độ bền của vật mẫu sẽ bị tác động bởi độ dày của vật liệu, vật mẫu càng mỏng thì càng nâng cao độ dị tính trong vật liệu, qua đó độ bền mỏi sẽ giảm mạnh như Hình 1.
Ngoài ra nhiệt độ tăng cao sẽ làm độ bền mỏi giảm nghiêm trọng. Độ bền mỏi của vật mẫu với độ dày và hướng sợi khác nhau [16] - “Đặc điểm của nhựa polyamide gia cường sợi thủy tinh khi chịu tải tuần hoàn” của tác giả Launay [17]. Trong bài nghiên cứu, tác giả cố gắng thể hiện hành vi cấu thành của vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh polyamide ngắn và sử dụng năng lượng tiêu tán để ước tính độ bền mỏi. - “Nghiên cứu về ảnh hưởng của độ ẩm đối với cơ chế phá hủy do mỏi trong vật liệu nhựa polyamide gia cố bằng sợi thủy tinh PA66-35% GF bằng cách sử dụng phát xạ âm và quang nhiệt hồng ngoại” của tác giả Malpot [18].
Với nghiên cứu này, tác giả đã đưa ra các kết luận về việc độ ẩm sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết khi vật thể có mức ứng suất cao, tuy nhiên khi ở mức ứng suất thấp thì độ ẩm không có ảnh hưởng nhiều. Các kết quả thử nghiệm được khảo sát như trên Hình 1. Khảo sát vật mẫu với 3 mức độ ẩm (RH0, RH50 và RH100) với 2 hướng sợi khác nhau. Các nghiên cứu trong nước hiện nay ít đề cập đến độ bền mỏi của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh mà chủ yếu các thông tin đều đến từ nghiên cứu ở ngoài nước.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm độ bền mỏi đối với loại vật liệu này ở nhiều chế độ, nhiều các tỷ lệ biến dạng hoặc ở các mức ứng suất khác nhau, thử nghiệm để xác định nhiều đặc điểm cơ học phức tạp, cũng như mối quan hệ giữa chúng (ví dụ độ ẩm và nhiệt đối với cơ tính). Các nghiên cứu đã làm nổi vật một số hiện tượng phức tạp đối với loại vật liệu này như: hiệu ứng tiêu tán năng lượng ở các thang thời gian khác nhau, cơ chế không thể phục hồi, sự mất độ cứng theo chu kỳ,… Một trong những đặc điểm của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh là chúng được chế tạo từ khuôn ép nhựa, và do đó thông số ép nhựa và quy trình ép sẽ ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết được ép ra. Sợi thủy tinh có thể không phân bố đồng nhất trong hỗn hợp nhựa, hướng của sợi phụ thuộc vào dòng chảy trong khuôn, vị trí bơm nhựa,… Bản thân hỗn hợp cũng cực kì nhạy cảm đối với các thông số như nhiệt độ khuôn, nhiệt độ nhiệt, áp suất phun, … và kết quả là có thể tạo ra mạng lưới tinh thể không đồng nhất. Ngoài ra, khi sản phẩm đã thành hình, độ bền mỏi cũng có thể thay đổi tùy theo vị trí tiết diện cắt ngang, tại các nơi tập trung ứng suất,…Các vấn đề khảo sát về thông số ép nhựa tới độ bền mỏi của sản phẩm nhựa PA6-GF30 hiện nay chưa có.Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu độ bền mỏi do chuyển vị của đường hàn trên sản phẩm nhựa PA6-30%”.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Hiện nay, các đề tài nghiên cứu có liên quan đến ảnh hưởng của các thông số ép khi ép nhựa tới độ bền mỏi của sản phẩm nhựa PA6-30GF chưa nhiều. Hầu hết chỉ khảo sát về cơ tính và các đường cong mỏi của sản phẩm sau khi ép. Cần phải thực hiện nghiên cứu và thí nghiệm để khảo sát về các thông số ép nhựa đến đặc tính độ bền mỏi của sản phẩm. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để tạo ra các sản phẩm được làm từ vật liệu nhựa PA6-30GF có độ bền mỏi cao, có độ bền bỉ hơn trong sử dụng.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số ép tới độ bền mỏi của vật liệu nhựa PA6- 30% GF. Qua đó lựa chọn được thông số ép tối ưu để tăng cường độ bền mỏi của chi tiết. Đối tượng nghiên cứu Do chỉ giới hạn nghiên cứu về lí thuyết nên sẽ tiến hành thí nghiệm trên các máy móc và điều kiện đang có: - Máy phun ép nhựa - Máy thử độ bền mỏi - Phần mềm phân tích Minitab 1. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lí luận: - Tổng hợp lí thuyết - Thiết kế thí nghiệm - Phương pháp phân tích FEA.
- Phương pháp Taguchi. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: - Thí nghiệm và phân tích thí nghiệm. - Quan sát khoa học. - Phương pháp thực nghiệm khoa học.
Kế hoạch thực hiện - Nghiên cứu tổng quan - Tìm hiểu lí thuyết và xây dựng bài toán thí nghiệm - Phân tích kết quả thí nghiệm - Kết luận 1. Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia thành các chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lí thuyết độ bền mỏi Chương 3: Thiết kế thí nghiệm Chương 4: Phân tích thí nghiệm Chương 5: So sánh kết quả Chương 6: Kết luận và kiến nghị Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo sẽ được trình bày trong các chương cuối cùng của luận văn. Chương 2: Cơ sở lí thuyết 2. Giới thiệu Phần lớn hư hỏng trong máy móc, các chi tiết máy là do các lực tuần hoàn theo thời gian gây ra.
Những hư hỏng này xảy ra ở ứng suất thấp hơn nhiều so với độ bền chảy của vật liệu. Vì lí do đó, chỉ sử dụng lí thuyết phá hủy tĩnh là không đủ an toàn để thiết kế các chi tiết trong thực tế. Phá hủy do mỏi ảnh hưởng lớn tới nền kinh tế. Theo các báo cáo của chính phủ Hoa Kỳ, thiệt hại hàng năm do phá hủy mỏi của vật liệu gây ra đối với nền kinh tế vào những năm 1982 vào khoảng 100 tỉ USD, khoảng 3% tổng sản phẩm quốc nội hàng năm (GNP) [1].
Chi phí này gia tăng do việc ngăn ngửa hư hỏng do độ bền mỏi gây ra đối với các phương tiện mặt đất, phương tiện đường sắt, hàng không, cầu, cẩu, thiết bị nhà máy điện, … và nhiều loại máy móc và thiết bị khác. Ứng suất thay đổi Các tải trọng có biên độ thay đổi tuần hoàn theo thời gian có khả năng gây ra sự phá hủy mỏi. Biểu đồ ứng suất – chu kỳ hoặc biến dạng – chu kỳ sẽ có dạng chung với biểu đồ tải trọng – thời gian. Các yếu tố quan trọng nhất chính là biên độ và giá trị trung bình của biểu ứng suất – chu kỳ, số chu kỳ mà vật liệu chịu được trước khi bị phá hủy.