Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nh phục vụ n

• Tác giả: Đặng Thanh Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Chí Cương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt trong quá trình làm việc bằng phương pháp nhiễu xạ X-quang
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về trạng thái mỏi của lớp tăng bền

Trạng thái mỏi của lớp tăng bền là một hiện tượng phức tạp xảy ra khi ứng suất thay đổi theo thời gian tác dụng lên bề mặt chi tiết máy. Mặc dù giá trị ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền của vật liệu, nhưng nó gây ra những hư hỏng trầm trọng và không phục hồi được. Lớp tăng bền bề mặt được tạo ra bằng các phương pháp công nghệ như mạ điện để nâng cao khả năng chịu mỏi. Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi là việc theo dõi sự thay đổi của lớp bề mặt trong quá trình làm việc dưới tác dụng của ứng suất lặp lại. Hiểu rõ trạng thái mỏi giúp dự báo tuổi thọ chi tiết và tối ưu hóa các quy trình sản xuất trong kỹ thuật cơ khí.

1.1. Định nghĩa hiện tượng mỏi trong kim loại

Hiện tượng mỏi xảy ra khi tác dụng của ứng suất lặp lại lên vật liệu kim loại gây ra sự nứt gãy dần dần. Ứng suất này có thể nhỏ hơn giới hạn đàn hồi nhưng vẫn gây hại. Quá trình này bao gồm ba giai đoạn: khởi tạo vết nứt, lan truyền vết nứt, và gãy hoàn toàn. Đây là nguyên nhân chính gây ra hỏng hóc chi tiết máy trong các ngành công nghiệp.

1.2. Vai trò của lớp tăng bền bề mặt

Lớp tăng bền bề mặt được tạo bằng phương pháp mạ điện Crôm nhằm cải thiện độ bền mỏi. Lớp này cung cấp khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt. Việc tạo lớp bề mặt mới giúp nâng cao giới hạn mỏi và kéo dài tuổi thọ của các chi tiết chịu uốn hoặc xoắn trong máy móc.

II. Phương pháp nhiễu xạ X quang xác định trạng thái mỏi

Phương pháp nhiễu xạ X-quang là công cụ hiệu quả để xác định trạng thái mỏi của lớp tăng bền bề mặt. Kỹ thuật này dựa trên nguyên lý tương tác tia X với cấu trúc tinh thể của vật liệu, cho phép phát hiện những thay đổi về ứng suất dư và cấu trúc vi mô. Phương pháp này không phá huỷ mẫu vật, cho phép theo dõi liên tục sự phát triển của mỏi. Phân tích phổ nhiễu xạ cung cấp thông tin chi tiết về sự thay đổi pha tinh thể, khoảng cách mạng tinh thể và độ bền cơ học. Ứng dụng phương pháp này trong nghiên cứu luận văn ThS giúp hiểu sâu hơn về cơ chế phá vỡ bề mặt.

2.1. Nguyên lý hoạt động của tia X

Tia X được phát sinh từ quá trình gia tốc electron đập vào kim loại. Khi electron mất năng lượng, nó phát ra bức xạ điện từ có bước sóng rất ngắn. Phương trình Bragg (nλ = 2d sinθ) mô tả điều kiện để tia X bị nhiễu xạ bởi các mặt phẳng nguyên tử trong tinh thể. Hiện tượng này cho phép xác định cấu trúc tinh thể và ứng suất dư trong vật liệu.

2.2. Ứng dụng phân tích phổ nhiễu xạ

Phân tích phổ nhiễu xạ tia X cung cấp thông tin về sự thay đổi cấu trúc của lớp bề mặt sau khi chịu tác dụng mỏi. Các đỉnh phổ thể hiện các pha tinh thể và vị trí của chúng cho biết ứng suất còn lại. Phương pháp này giúp phát hiện sớm dấu hiệu của mỏi trước khi gãy hoàn toàn xảy ra.

III. Quy trình tạo mẫu và mạ điện Crôm

Quy trình tạo mẫu thí nghiệm là bước chuẩn bị quan trọng để xác định trạng thái mỏi. Mẫu được chế tạo từ thép C45, một loại thép có độ bền cao, thích hợp cho thí nghiệm mỏi uốn. Mạ điện Crôm là phương pháp tạo lớp bề mặt mới trên nền thép, tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn. Chế độ mạ Crôm cần được tính toán cẩn thận để đảm bảo lớp mạ có độ bám dính tốt và độ dày đều. Quá trình chuẩn bị mẫu bao gồm làm sạch bề mặt, loại bỏ các tạp chất, và điều chỉnh các thông số mạ như dòng điện, thời gian, và nồng độ axit.

3.1. Thiết kế chi tiết mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm mỏi uốn được thiết kế với hình dạng đặc biệt để tập trung ứng suất tại một khu vực nhỏ. Mẫu có phần cần lỏng ở giữa để dễ uốn, và phần đầu được thiết kế để gắn vào máy thí nghiệm. Kích thước mẫu được lựa chọn theo tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo so sánh được các kết quả. Vật liệu thép C45 được chọn vì có độ bền vừa phải và khả năng mạ tốt.

3.2. Công nghệ mạ điện Crôm

Mạ điện Crôm là quá trình electron hóa tạo ra lớp Crôm trên bề mặt thép. Dòng điện được điều chỉnh để kiểm soát tốc độ mạ, axit Crom được sử dụng làm chất điện li. Độ dày lớp mạ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống mỏi. Nhiệt độ mạ và thời gian mạ phải được kiểm soát chặt chẽ để tạo ra lớp bề mặt chất lượng cao.

IV. Thí nghiệm mỏi uốn và xử lý kết quả

Thí nghiệm mỏi uốn là quá trình tác dụng ứng suất lặp lại lên mẫu để mô phỏng điều kiện làm việc thực tế. Máy thí nghiệm mỏi uốn được thiết kế để tạo ra chuyển động uốn định kỳ, từ đó gây ra ứng suất xoay chiều trên mẫu. Tính toán lực P tác dụng dựa trên kết cấu mẫu và độ bền mong muốn. Quy hoạch thực nghiệm bao gồm xác định số chu kỳ tải, độ lớn của lực, và các điểm lấy mẫu. Sau khi thí nghiệm, mẫu được xử lý bằng nhiễu xạ X-quang để phân tích sự thay đổi cấu trúc và ứng suất dư. Kết quả thí nghiệm cho phép đánh giá mức độ hư tổn và độ bền mỏi thực tế của lớp bề mặt.

4.1. Thiết bị và phương pháp thí nghiệm

Máy thí nghiệm mỏi uốn sử dụng cơ cấu cam hoặc cơ cấu xích để tạo ra chuyển động uốn. Thiết bị X'Pert Pro là thiết bị nhiễu xạ tia X tiên tiến dùng để phân tích cấu trúc sau thí nghiệm. Góc nhiễu xạ được tính toán dựa trên công thức Bragg để tìm các đỉnh đặc trưng của pha Crôm và thép. Điều kiện thí nghiệm như tần số dao động, số chu kỳ tải, và độ lớn ứng suất được ghi nhận chi tiết.

4.2. Phân tích và đánh giá kết quả

Kết quả thí nghiệm được phân tích bằng cách so sánh phổ nhiễu xạ trước và sau tải mỏi. Sự dịch chuyển đỉnh phổ cho biết ứng suất dư trong lớp bề mặt. Độ rộng đỉnh thể hiện độ hư tổn cấu trúc. Đánh giá trạng thái mỏi bao gồm xác định mức độ suy giảm độ bền và tốc độ lan truyền vết nứt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. − Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung của đề tài. − Chương 3: Đề xuất thiết kế chi tiết mẫu và tạo màng mỏng Crôm trên nền thép C45 bằng phương pháp mạ điện. − Chương 4: Thí nghiệm mỏi uốn và nhiễu xạ tia X.

− Chương 5: Kết quả và thảo luận. 4 Ch ươ Chươ ng 2 ương CƠ SỞ LÝ THUY THUYẾẾT thuyếết mỏi 2. Cơ sở lý thuy Hiệện tượ 2. Hi ng mỏi của kim lo ượng loạại Hiệện tượ a.

Hi ng mỏi ượng Hiện tượng mỏi là quá trình tích lũy dần sự phá hủy trong bản thân vật liệu dưới sự tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi phát triển dẫn tới sự phá hủy mỏi của vật liệu.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim lo phá ại [27] loạ b. Giới hạn mỏi Giớ Giới hạn mỏi của vật liệu (Sr) ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu không bị phá hủy. Mỗi vật liệu có số chu kỳ ứng suất cơ sở (Nf) riêng.

5 liệệu Nf của một số kim lo Bảng 2.1: Số li ại [1] loạ STT Loại vật li Loạ liệệu Nf 1 Thép cacbon thấp 2. 106 2 Thép cacbon trung bình 2. 106 3 Thép hợp kim 2. 106 4 Kim loại màu 5.

Đườ ng cong mỏi Đường Đường cong mỏi là đường biễu diễn mối liên hệ giữa các ứng suất thay đổi với các chu kỳ ứng suất tương ứng. Phương trình biểu diễn đường cong mỏi hay đường cong Wöhler: S = f (N ) (2.1) Số chu kỳ N gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất.2: Đườ ng cong mỏi Wöhler [1] Đường Qua đường cong mỏi ta có thể thấy: Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm. Để xây dựng đường cong mỏi ở một dạng chu kỳ ứng suất trong một điều kiện nào đó, người ta phải tiến hành từ 25 đến 100 thí nghiệm cho một loại mẫu được quy chuẩn. Tùy theo phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm, ngày nay đã có hơn 10 công thức toán học biểu diễn đường cong mỏi.

6 Một số dạng phương trình thường gặp [1]: aσ a .4) Hoặc phương trình mỏi của Stussi: σ T + CN P .5) 1 + CN P Trong đó: A, d, m, B, C, C1, C2: Các thông số của phương trình N: Số chu kỳ chất tải σa: Biên độ ứng suất σr: Giới hạn mỏi của vật liệu ở chu kỳ ứng suất r σE: Ứng suất ứng với số chu kỳ N σF: Giới hạn mỏi của vật liệu σT: Giới hạn bền kéo tĩnh C và P: Các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu Hình 2.3: Đườ ng cong ph Đường á hủy mỏi th phá théép C45 dạng ph ươ phươ ng tr ương trìình Stussi [1] 7 2. Những yếu tố ảnh hưở Nhữ ng đế ưởng đếnn độ bền mỏi a. Ảnh hưở ng của bản ch ưởng chấất vật li liệệu − Ảnh hưở ng của lệch mạng ưởng ng: � Độ bền lý thuyết của kim loại được xác định từ điều kiện biến dạng hoặc phá hủy trong vùng đàn hồi của mạng lý tưởng đa tinh thể, trong đó ngoại lực tác dụng đối ứng với liên kết nguyên tử. Độ bền lý thuyết được tính theo công thức: 1 ⎛ EU s ⎞ 2 σ max = ⎜⎜ ⎟⎟ (2.6) ⎝ r0 ⎠ Trong đó: E: Mô-đun đàn hồi Young (kG/mm2) Us: Năng lượng bề mặt (kG/mm2) R0: Khoảng cách giữa các nguyên tử (mm) Và theo J.Mott thì ứng suất trượt tương đối giữa 2 mặt phẳng nguyên tử trong tinh thể là: G τT = (2.7) 30 G: Gradient ứng suất tuyệt đối � Độ bền kỹ thuật là sức chống lại biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo và sự phá hủy của vật rắn thực.

Độ bền kỹ thuật được xác định bằng thực nghiệm.Lagerberg đã tìm ra công thức phản ánh ảnh hưởng của lệch mạng tới sức chống phá hủy mỏi: σ a = σ 0 + αbG ρ (2.8) Trong đó: σ0: Ứng suất ma sát trượt α: Hệ số giảm bền vì lệch mạng G: Mô-đun đàn hồi trượt B: Vec-tơ Burger ρ: Mật độ lệch mạng (ρ = L/V) L: Tổng chiều dài lệch mạng trong tinh thể; V: Thể tích tinh thể 8 − Ảnh hưở ng của tổ ch ưởng ức tế vi - Độ hạt: chứ � Tổ chức tế vi do quá trình công nghệ luyện kim hay quá trình xử lý nhiệt quyết định. Những quá trình này tạo ra cấu trúc hạt khác nhau làm ảnh hưởng lớn đến sức chống mỏi của vật liệu, làm giới hạn mỏi giảm từ 1. � Kích thước hạt cũng ảnh hưởng đến độ bền mỏi, giữa chúng có mối liên hệ theo phương trình: 1 σ F = σ iF + K F h02 (2.9) Với: σiF, KF: Các hằng số của vật liệu h0: Kích thước trung bình của hạt Kết quả thực nghiệm của G.Craig tiến hành trên mẫu đồng thau có độ hạt khác nhau: liệệu th Bảng 2.2: Số li ực nghi thự nghiệệm kích th ướ ướcc hạt ảnh hưở thướ ng đế ưởng đếnn độ bền mỏi [1] Kích thước So sánh Số Giới hạn Giới hạn mỏi trung bình thứ chảy σv=σ0,2 σv=σ0,2 của hạt h0 h0 j h01 σ -1j/σ –l0 tự (kG/mm2) (kG/mm2) (mm) 1 0.351 Từ bảng số liệu ta thấy, khi kích thước hạt tăng lên 70 lần thì giới hạn bền mỏi giảm đi hơn 3 lần. Ảnh hưở ng của ch ưởng chếế độ tải tr trọọng Các vật liệu làm việc trong điều kiện tải trọng không ổn định thường gây ra những ứng suất khác nhau dẫn đến sự phá hủy mỏi không theo quy luật tuyến tính, thực nghiệm cho thấy: 9 v ni ∑N =a i =1 với 0.10) i Sự phản ứng của vật liệu đối với các phổ tải trọng rất khác nhau và việc đưa ra một quy luật chung cho mọi trường hợp là không thực hiện được.

Các quan sát cũng cho thấy, nếu chất tải cho mẫu rồi cho mẫu nghỉ thì khả năng chống mỏi của mẫu tăng sẽ lên. − Ảnh hưở ng của dạng tr ưởng trạạng th tháái ứng su suấất: � Ảnh hưởng của dạng chất tải hay dạng trạng thái ứng suất do hai yếu tố gây ra đó là sự thuần nhất của trạng thái ứng suất và mối tương quan của các ứng suất chính. � Trạng thái ứng suất mà ở đó các trị số của ứng suất chính thay đổi theo từng thời điểm trên mặt cắt của mẫu hoặc chi tiết máy được gọi là trạng thái ứng suất không thuần nhất. Đại lượng đặc trưng cho mức độ không thuần nhất của trạng thái ứng suất là Gradient ứng suất tuyệt đối G hoặc Gradient ứng suất tương đối G.

− Ảnh hưở ng của tần số tải tr ưởng trọọng: � Những máy móc thông thường làm việc với tần số 10000 vòng/phút (≈ 167Hz) hoặc thấp hơn, ở những máy chuyên dùng, các chi tiết máy chịu lực làm việc ở tần số cao hơn. Cánh máy nén khí từ 200 ÷ 2000Hz, các cánh tua-bin từ 500 ÷ 3000Hz, cánh tua-bin động cơ tên lửa từ 700 ÷ 10000Hz. Quan sát thực nghiệm cho thấy, sự phá hủy mỏi của các cánh tua–bin xuất hiện khi tần số tải trọng đạt đến 25 ÷ 30kHz. − Ảnh hưở ng của hình dạng kết cấu: ưởng Hình dạng kết cấu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi, nghĩa là ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chi tiết máy khi chịu ứng suất thay đổi.

Dưới tác dụng của tải trọng, ở những chổ tiết diện chi tiết máy thay đổi như góc lượn, rãnh then, lỗ.có sự tập trung biến dạng, do đó có sự tập trung ứng suất. Tại đây, ứng suất thực tế lớn hơn ứng suất danh nghĩa.4: Những nơi có tập trung ứng su Nhữ suấất [1] � Hệ số tập trung ứng suất lý thuyết: Là tỉ số giữa ứng suất lớn nhất (σmax hoặc τmax) tại chổ tập trung ứng suất với ứng suất danh nghĩa (σ hoặc τ): σ max τ ασ = ; ατ = max (2.11) σ τ Trị số ασ và ατ phụ thuộc vào hình dạng kích thước chỗ chuyển tiếp (Bán kính góc lượn ρ), có khi chúng đạt trị số khá lớn từ 3 ÷ 4 hoặc lơn hơn. � Hệ số tập trung ứng suất thực tế (kσ và kτ ): Là trị số giữa giới hạn mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất và giới hạn mỏi của mẫu có tập trung ứng suất (kσ < ασ và kτ < ατ ).12) σ rc τ rc Với: σr, τr: Giới hạn mỏi của mẫu không có tập trung ứng suất σrc, τrc: Giới hạn mỏi của mẫu có tập trung ứng suất Giá trị của kσ và kτ được tra trong sổ tay thiết kế cơ khí hoặc tính trực tiếp theo hình dạng và kích thước cụ thể những chỗ tập trung ứng suất trên từng loại chi tiết. Ảnh hưở ng của môi tr ưởng ườ trườ ng ường Những thí nghiệm ở nhiệt độ cao cho thấy: Nhiệt độ càng cao thì giới hạn mỏi của vật liệu càng giảm và ngược lại, khi nhiệt độ càng giảm thì giới hạn mỏi của vật liệu càng tăng.

Hiện tượng được giải thích như sau: Khi nhiệt độ môi trường giảm xuống sẽ có một nhiệt độ quá độ mà ở đó các vết nứt mỏi bắt đầu phát triển ổn định. Nếu nhiệt độ tiếp tục giảm, vết nứt mỏi phát triển chậm dần và có thể ngừng hẳn. Trong môi trường ăn mòn, sức chống mỏi của vật liệu sẽ giảm rõ rệt. Vật liệu chịu ảnh hưởng của nồng độ môi trường, số chu kỳ chất tải, dạng ứng suất.

Ảnh hưở ng của hi ưởng hiệện tượ ng Fretting ượng Hiện tượng Fretting là hiện tượng phá hủy mỏi dưới tác động trực tiếp của môi trường ăn mòn và sự bào mòn cơ học. Hiện tượng phá hủy này cùng lúc xảy ra quá trình cơ học và quá trình lý – hóa. Quá trình phá hủy này rất phổ biến trong nhiều chi tiết máy và thiết bị. Nó xuất hiện ở những chi tiết máy tiếp xúc với chi tiết máy khác, vừa chịu ảnh hưởng của ứng suất thay đổi, vừa rung động, đồng thời vừa bị xâm thực bởi môi trường.

chếế lan truy 2. Cơ ch truyềền vết nứt mỏi trêên đườ a. Các pha tr ng cong mỏi Wöhler đường − Pha I: Ứng với việc chất tải lớn, số chu kỳ ứng suất thấp. Sự ứng xử của vật liệu trong pha này gần tương tự như khi vật liệu chịu ứng suất tĩnh.

− Pha II: Ứng với sự phá hủy mỏi ở cấp độ cao, là pha quan trọng.