Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của lớp phủ bề mặt đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục

• Tác giả: Nguyễn Vĩnh Phối
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Thiện Ngôn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Lớp Phủ Bề Mặt Đến Độ Bền Mỏi Chi Tiết Máy Trục
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• Trang tựa
• Quyết định giao đề tài
• Lý lịch cá nhân
• Lời cam đoan
• Cảm tạ
• Tóm tắt
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái quát về hiện tượng mỏi
• 1.2. Đặc điểm của bề mặt gãy mỏi
• 1.3. Phun phủ HVOF
• 1.4. Lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn
• 1.5. Lớp phủ chức năng
• 1.6. Lớp phủ phục hồi mài mòn
• 1.7. Thực trạng nghiên cứu về mỏi ở Việt Nam
• 1.8. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.8.1. Các nghiên cứu của nước ngoài
• 1.8.2. Các nghiên cứu trong nước
• 1.9. Các tồn tại và định hướng nghiên cứu
• 1.10. Định hướng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lý thuyết mỏi và những khái niệm
• 2.2. Hiện tượng mỏi
• 2.3. Giới hạn mỏi
• 2.4. Đường cong mỏi
• 2.5. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi
• 2.6. Những chỉ tiêu phá hủy mỏi
• 2.7. Độ bám dính và phương pháp đánh giá
• 2.8. Độ bền mỏi và phương pháp đánh giá
• 2.9. Nguyên lý mạ và tính chất của lớp phủ crôm
• 2.9.1. Nguyên lý của quá trình mạ crôm
• 2.9.2. Tính chất của lớp mạ crôm
• 2.10. Phun phủ HVOF
• 2.10.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ
• 2.10.2. Tính chất của lớp phủ
• 2.11. Nhiễu xạ tia X và ứng dụng đo ứng suất dư
• 2.11.1. Hiện tượng nhiễu xạ tia X
• 2.11.2. Định luật Bragg và điều kiện nhiễu xạ
• 2.11.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ nhiễu xạ LPA
• 2.11.4. Chiều sâu xuyên qua của tia X
• 2.11.5. Tính ứng suất
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU - THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
• 3.1. Vật liệu thí nghiệm
• 3.1.1. Vật liệu nền
• 3.1.2. Vật liệu crôm cứng
• 3.1.3. Vật liệu carbide vonfram
• 3.2. Thiết bị phục vụ thực nghiệm
• 3.2.1. Máy quang phổ xác định thành phần vật liệu
• 3.2.2. Máy đo độ bền kéo - nén
• 3.2.3. Máy đo chiều dày lớp phủ
• 3.2.4. Thiết bị đánh giá tổ chức tế vi lớp phủ
• 3.2.5. Máy nhiễu xạ tia X
• 3.2.6. Máy thí nghiệm mỏi uốn 4 điểm MU-2016
• 3.2.7. Kính hiển vi điện tử quét
• 3.3. Nghiên cứu đề xuất kết cấu và quy trình chế tạo chi tiết mẫu
• 3.3.1. Kết cấu chi tiết mẫu
• 3.3.2. Quy trình chế tạo chi tiết mẫu
• 3.3.3. Thiết kế thí nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3.3.4. Lựa chọn số lần thí nghiệm
• 3.3.5. Quá trình thí nghiệm mỏi
• 3.3.6. Phân tích, xác định chiều dày mạ phủ
• 3.3.7. Quy trình mạ crôm và phủ carbide vonfram
• 3.3.7.1. Quy trình mạ crôm
• 3.3.7.2. Quy trình phủ HVOF
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT
• 4.1. Mô hình toán đường cong mỏi cho chi tiết dạng trục
• 4.2. Sơ đồ mô hình thí nghiệm mỏi
• 4.3. Hàm hấp thu tia X trong quá trình đo ứng suất
• 4.3.1. Giới thiệu về hàm hấp thu tia X
• 4.3.2. Phương pháp đo kiểu Ω và kiểu Ψ
• 4.3.3. Tính sai số cho ứng suất
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Nghiên cứu đề xuất quy trình xử lý nhiệt cho chi tiết mẫu
• 5.2. Tôi và ram
• 5.3. Kết quả đo các thông số của mẫu
• 5.4. Ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi
• 5.4.1. Kết quả đo thông số lớp mạ crôm
• 5.4.2. Ứng suất dư của lớp mạ crôm
• 5.4.3. Ảnh hưởng của lớp mạ crôm đến độ bền mỏi
• 5.5. Ảnh hưởng của lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi
• 5.5.1. Kết quả đo thông số lớp phủ
• 5.5.2. Tính toán ứng suất dư của lớp phủ carbide vonfram
• 5.5.3. Ảnh hưởng của lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi
• 5.6. Đánh giá ảnh hưởng của lớp mạ crôm và lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi và khả năng ứng dụng
• 5.6.1. So sánh ảnh hưởng của các lớp phủ đến độ bền mỏi
• 5.6.2. Khả năng ứng dụng của lớp mạ crôm và lớp phủ carbide vonfram
• 6. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• Tài liệu tham khảo
• Danh mục các công trình đã công bố

I. Tổng quan

Nghiên cứu về lớp phủ bề mặt và ảnh hưởng của nó đến độ bền mỏi của chi tiết máy là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật cơ khí. Các lớp phủ như mạ crôm cứng và phủ carbide vonfram được sử dụng rộng rãi để cải thiện tính chất bề mặt của các chi tiết máy, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu độ bền cao. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các tính chất của lớp phủ và ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng trục. Việc hiểu rõ về tính chất cơ học của lớp phủ và cách chúng tương tác với vật liệu nền là rất cần thiết để tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất.

1.1. Khái quát về hiện tượng mỏi

Hiện tượng mỏi là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự hư hỏng của các chi tiết máy trong quá trình hoạt động. Độ bền mỏi của một chi tiết phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm ứng suất dư, mật độ vết nứt tế vi và chiều dày của lớp phủ. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố này để đưa ra những kết luận về ảnh hưởng của lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết máy.

1.2. Đặc điểm của bề mặt gãy mỏi

Bề mặt gãy mỏi thường xuất hiện các vết nứt tế vi, là dấu hiệu cho thấy chi tiết đã chịu đựng một lượng ứng suất lớn trong thời gian dài. Việc phân tích bề mặt gãy mỏi giúp xác định nguyên nhân gây ra sự hư hỏng và từ đó đưa ra các biện pháp cải thiện. Nghiên cứu này sẽ sử dụng các phương pháp như SEM để quan sát và phân tích bề mặt gãy mỏi của các mẫu thử nghiệm.

II. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu này bao gồm các khái niệm về mỏi, đường cong mỏi, và các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi. Các lớp phủ như mạ crôm và phủ carbide vonfram có những đặc tính riêng biệt, ảnh hưởng đến ứng suất dư và độ bền mỏi của chi tiết máy. Nghiên cứu sẽ trình bày các lý thuyết liên quan đến hiện tượng mỏi và cách thức mà lớp phủ có thể cải thiện hoặc làm giảm độ bền mỏi của chi tiết máy.

2.1. Lý thuyết mỏi và những khái niệm

Lý thuyết mỏi cung cấp nền tảng để hiểu rõ hơn về cách mà các chi tiết máy chịu đựng ứng suất trong quá trình hoạt động. Các khái niệm như giới hạn mỏi, đường cong mỏi và biên độ ứng suất sẽ được phân tích để làm rõ mối quan hệ giữa chúng và độ bền mỏi của chi tiết máy. Việc nắm vững lý thuyết này là cần thiết để áp dụng vào thực tiễn sản xuất và thiết kế.

2.2. Nguyên lý mạ và tính chất của lớp phủ crôm

Mạ crôm là một trong những phương pháp phổ biến để cải thiện tính chất bề mặt của chi tiết máy. Lớp mạ crôm không chỉ giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn mà còn ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết. Nghiên cứu sẽ phân tích các tính chất của lớp mạ crôm, bao gồm độ dày, ứng suất dư và cách chúng tương tác với vật liệu nền.

III. Vật liệu thiết bị và phương pháp thí nghiệm

Nghiên cứu sử dụng các vật liệu như thép C45, lớp mạ crôm cứng và lớp phủ carbide vonfram để thực hiện các thí nghiệm. Các thiết bị thí nghiệm bao gồm máy đo độ bền kéo, máy đo chiều dày lớp phủ và kính hiển vi điện tử quét (SEM) để phân tích bề mặt gãy mỏi. Phương pháp thí nghiệm sẽ được thiết kế để khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết máy.

3.1. Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu thí nghiệm bao gồm thép C45, một loại thép có tính chất cơ học tốt, được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí. Lớp mạ crôm cứng và lớp phủ carbide vonfram sẽ được áp dụng lên bề mặt thép C45 để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của kết quả thí nghiệm.

3.2. Thiết bị phục vụ thực nghiệm

Các thiết bị thí nghiệm được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm máy đo độ bền kéo, máy đo chiều dày lớp phủ và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Những thiết bị này sẽ giúp xác định các thông số cần thiết để đánh giá độ bền mỏi của chi tiết máy. Việc sử dụng thiết bị hiện đại sẽ đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

IV. Kết quả nghiên cứu lý thuyết

Kết quả nghiên cứu lý thuyết sẽ trình bày mô hình toán đường cong mỏi cho chi tiết dạng trục. Mô hình này sẽ giúp dự đoán độ bền mỏi của chi tiết máy dựa trên các thông số như ứng suất dư, chiều dày lớp phủ và mật độ vết nứt tế vi. Việc xây dựng mô hình toán học là cần thiết để có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất và thiết kế.

4.1. Mô hình toán đường cong mỏi cho chi tiết dạng trục

Mô hình toán đường cong mỏi sẽ được xây dựng dựa trên các dữ liệu thu thập được từ thí nghiệm. Mô hình này sẽ giúp xác định mối quan hệ giữa ứng suất và độ bền mỏi của chi tiết máy. Việc áp dụng mô hình toán học sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng của chi tiết máy.

4.2. Hàm hấp thu tia X trong quá trình đo ứng suất

Hàm hấp thu tia X sẽ được sử dụng để đo ứng suất dư trong lớp phủ. Phương pháp này cho phép xác định chính xác ứng suất dư trong các lớp phủ khác nhau, từ đó đánh giá ảnh hưởng của chúng đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Việc sử dụng công nghệ hiện đại trong đo lường sẽ đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

V. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và bàn luận

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm sẽ được trình bày và phân tích để đánh giá ảnh hưởng của lớp mạ crôm và lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Các thông số như ứng suất dư, mật độ vết nứt tế vi và chiều dày lớp phủ sẽ được xem xét để đưa ra những kết luận chính xác về hiệu quả của các lớp phủ này.

5.1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng chiều dày lớp mạ crôm có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Khi chiều dày lớp mạ tăng, độ bền mỏi có xu hướng giảm do sự gia tăng mật độ vết nứt tế vi. Nghiên cứu sẽ phân tích các số liệu thu thập được để đưa ra những kết luận cụ thể về ảnh hưởng của lớp mạ crôm đến độ bền mỏi.

5.2. Ảnh hưởng của lớp phủ carbide vonfram đến độ bền mỏi

Lớp phủ carbide vonfram cho thấy khả năng cải thiện độ bền mỏi của chi tiết máy. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ứng suất dư nén trong lớp phủ này giúp tăng cường độ bền mỏi so với lớp mạ crôm. Nghiên cứu sẽ so sánh và đánh giá hiệu quả của hai loại lớp phủ để đưa ra những khuyến nghị cho ứng dụng trong thực tiễn.