Mở đầu. - Chương 2: Tổng quan. - Chương 3: Lý thuyết mỏi - Chương 4: Đề xuất nguyên lý, thông số thiết kế và lựa chọn phương án thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén - Chương 5: Tính toán, thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén - Chương 6: Kết luận và đề nghị - Tài liệu tham khảo 2 do an CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN Trong chương này ta đi tìm hiểu, khảo sát và phân tích đánh giá các nguyên lý máy thí nghiệm mỏi trong và ngoài nước.1 Hiện tượng mỏi 2.1 Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi Một trong số những giải thiết của sức bền vật liệu là vật liệu phải liên tục, đồng nhất và đẳng hướng. Song , trên thực tế cấu trúc của các vật liệu kim loại (ví dụ thép cacbon hoặc thép hợp kim…) bao giờ cũng có những khuyết tật ban đầu.
Những khuyết tật ban đầu này có thể là do lệch mạng tinh thể; do liên kết biên giữa các hạt; do tập chất hoặc do lỗ hổng ban đầu của quá trình công nghệ luyện kim gây ra. Có nhiều thuyết giải thích cơ chế của hiện tượng mỏi. Một trong những thuyết đó là thuyết dịch chuyển mạng tinh thể. Ví dụ, việc nghiên cứu quá trình phá hủy mỏi của mẫu làm bằng đồng chịu uốn chu kỳ đối xứng cho thấy: - Giai đoạn I: khi ứng suất lớn, bắt đầu có sự chuyển vị biên của các hạt.
Số chu kỳ ứng suất trong giai đoạn này vào khoảng 1/200 tổng tuổi thọ N chu kỳ của mẫu. Bên trong tinh thể hình thành hướng trượt giữa các mạng tinh thể (a), sau đó xuất hiện các đường trượt (b) và các đường này nối lại với nhau liên kết với các biên giới hạt (c).1: Cơ chế phá hủy mỏi theo giai đoạn I và II của mẫu làm từ đồng, chịu uốn chu kỳ - Giai đoạn II: khi ứng suất nhỏ, số chu kỳ ứng suất tăng lên, bên trong mẫu và trên bề mặt mẫu tiếp tục diễn ra quá trình (a), (b) và (c) để hình thành vết nứt mỏi có chiều dài xác định. Giai đoạn này số chu kỳ ứng suất vào khoảng 1/100 tuổi thọ N của mẫu. Nếu tiếp tục giảm ứng suất, bên trong mẫu tiếp tục xảy ra quá trình (a), (b) và (c), còn trên bề mặt mẫu đã hình thành vết nứt là lan truyền vào trong thân mẫu.
Các 3 do an vết nứt này có chiều dài ban đầu là lo (bằng độ lớn của khuyết tật kỹ thuật) và phát triển lớn lên với chiều dài l. Đây là kết quả nghiên cứu của W. Wood và cộng sự. Những khuyết tật thẳng của mạng tinh thể phá vỡ trật tự đúng đắn của các bề mặt nguyên tử được gọi là sự lệch mạng (dislocation).
Sự lệch mạng gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ trong mạng tinh thể. Tính toán cho biết, ứng lực cần thiết để làm cho mặt phẳng nguyên tử này trượt tương đối so với mặt phẳng nguyên tử khác tại nơi có lệch mạng giảm đi nhiều lần so với trường hợp mạng tinh thể lý tưởng.2 Các pha trên đường cong mỏi W𝒐̈ hler - Pha I: ứng với việc chất tải lớn, 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: là pha quan trọng, ứng với sự phá hủy mỏi ở cấp độ cao.
Giai đoạn này, vết nứt tế vi phát triển từ bề mặt của hạt, từ sự sai lệch mạng tinh thể hoặc từ khuyết tật kỹ thuật ban đầu có trong vật liệu như tạp chất lẫn vào trong vật liệu trong quá trình luyện kim.2: Các pha trên đường cong mỏi W𝑜̈ hler - Pha III: pha phá hỏng ở cường độ ứng suất thấp, số chu kỳ ứng suất lớn. Giai đoạn này vết nứt có thể ngừng phát triển hoặc phát triển ổn định.2 Các dạng hỏng do mỏi thường gặp - Chi tiết thường xuyên làm việc quá tải: do khi thiết kế không tính toán, đánh giá đúng tải trọng tác dụng, dẫn đến tình trạng trong quá trình làm việc, trục luôn phải chịu quá tải , từ đó xuất hiện các vết nứt tế vi và làm giảm diện tích chịu lực. Sự phát triển dần dần của vết nứt tế vi sẽ làm gãy chi tiết như chi tiết trục ở hình 2. 4 do an Hình 2.3: Trục gãy do quá tải lâu dài [5] - Sự tập trung ứng suất do kết cấu gây nên như vai trục, rãnh then, lỗ.
Đối với trường hợp trục bậc thì tiết diện hay đường kính trục thay đổi đột ngột sẽ làm cho sự phân bố tải trọng không đều trên suốt chiều dài dọc trục. Bên cạnh đó, tại những chỗ như vai trục, rãnh then,… nếu không có góc lượn sẽ gây nên sự tập trung ứng suất và làm giảm khả năng chịu tải cũng như làm giảm thời gian làm việc của trục.4: Chân vịt bị nứt do mỏi [6] - Chất lượng chế tạo xấu: quá trình gia công để lại những khuyết tật trên bề mặt của trục như các vết xước, gỉ… Đây chính là nguồn gốc trực tiếp tạo nên các vết nứt tế vi và đồng thời làm giảm tuổi thọ làm việc của trục. Bên cạnh đó, kỹ thuật nhiệt luyện góp phần quan trọng trong việc quyết định khả năng và thời gian làm việc của trục. 5 do an 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,…).6: Thanh truyền sử dụng không đúng [8] 2.3 Các phương pháp kiểm tra mỏi 2.1 Xác định mỏi trên kính hiển vi Các mẫu cần xác định mỏi được chụp trên kính hiển vi điện tử (SEM).
Từ kết quả chụp cho phép khảo sát các sai hỏng ở cấu trúc tế vi, sự thay đổi cấu trúc bề mặt của mẫu.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. 6 do an Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử phản xạ (SEM) 2.2 Kiểm tra bằng phương pháp nhiễu xạ tia X Một hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro) có nguồn gốc từ Hà Lan được lắp đặt tại phòng Vật lý – Trung tâm hạt nhân sử dụng cho kiểm tra mỏi hoạt động theo nguyên được trình bày qua các hình 2.10: Ảnh nhiễu xạ gồm một loạt các vết đặc trưng cho tính đối xứng của tinh thể 7 do an Hình 2.11: Cấu tạo cơ bản của máy nhiễu xạ tia X Hình 2.12: Nguồn phát tia X - Tia X: ống phát PW3373/00 Ceramic Tube Cu LFF, bước sóng đặc trưng 𝜆𝐾𝛼 = 1,54187Å. - Ống đếm tỉ lệ (P3011/20 Proportional Detector) hiệu suất cao với bước sóng 𝑘𝛼−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 nhiễu xạ từ 30𝑜 đế𝑛 120𝑜.
Điện áp cao thế 45kV với dòng điện tương ứng 40mA, tốc độ quét được duy trì ở mức 0,033o/s nhằm 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. 8 do an Hình 2.13: Hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical Hà Lan) 2.3 Xác định mỏi trên máy thí nghiệm mỏi 2.1 Máy thí nghiệm mỏi uốn Máy thí nghiệm mỏi kiểu uốn quay 4 điểm của trường University Sint-Lieven Shent (Bỉ) được chế tạo dựa trên nguyên lý uốn quay 4 điểm nghĩa là tạo mỏi bằng cách tạo momen uốn (với giá trị không đổi) lên chi tiết mẫu kết hợp với chuyển động quay tạo ra chu kỳ ứng suất tác động lên chi tiết mẫu liên tục cho đến khi xuất hiện hiện tượng mỏi.14: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi của máy uốn 4 điểm 9 do an Hình 2.15: Hình ảnh tổng quan của máy Ưu điểm của máy: - Thí nghiệm cho các chi tiết mỏi dạng uốn. - Độ chính xác cao.
Nhược điểm: - Kết cấu phức tạp, chi phí cao 2.2 Máy thí nghiệm mỏi xoắn Máy thí nghiệm LiTeM torsion fatigue [19] có sơ đồ nguyên lý như ở hình 2. Khi hoạt động chi tiết cố định ở giữa 2 cụm chủ động và bị động, khi máy hoạt động cụm chủ động tạo 1 lực xoay lên chi tiết làm cho chi tiết bị xoắn theo một chu kỳ nhất định, máy sẽ ngừng khi chi tiết bị phá hủy do chu kỳ hoạt động vượt qua chu kỳ mỏi xoắn.16: Sơ đồ nguyên lý 10 do an Cụm Cụm chủ bị động động Chi tiết Hình 2.17: Máy thí nghiệm mỏi LiTeM torsion fatigue[19] Ưu điểm của máy: - Thí nghiệm cho các chi tiết lò xo, trục. - Độ chính xác cao. - Kết cấu đơn giản - Tần số cao: 30 Hz Nhược điểm: - Chi phí cao - Chỉ kiểm tra được các chi tiết nhỏ 2.4 Mỏi do kéo – nén 2.1 Hiện tượng mỏi kéo - nén Mỏi do kéo – nén là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian.
Ứng suất được sinh ra trong quá trình chi tiết bị kéo – nén theo chu kỳ. Trong thực tế các chi tiết máy làm việc trong môi trường có tải trọng thay đổi hoặc không thay đổi theo chu kỳ khác nhau, do đó ứng suất trong chi tiết cũng bị thay đổi theo chu kỳ. Một ví dụ đơn giản về hiện tượng chi tiết bị hư hỏng do mỏi kéo – nén gây ra như sợi kẽm khi bị gập mở nhiều lần tại một điểm sau khi vượt qua giới hạn bền mỏi của vật liệu thì bị gãy 11 do an Hình 2.18: Sợi kẽm gãy do mở - gập Hình 2.19: Lò xo bị gãy[15] nhiều lần[15] Lò xo thường được sử dụng trong các trường hợp giảm chấn cho kết cấu, do đó ứng suất bên trong lò xo sẽ thay đổi theo các chu kỳ khác nhau, gây ra hiện tượng mỏi do kéo - nén, hình 2.18 cho ta thấy hư hỏng được gây ra bởi mỏi do kéo – nén. Tay biên (thanh truyền) thường được sử dụng trong các cơ cấu chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, lực kéo – nén ở hai đầu lắp được sinh ra liên tục trong quá trình hoạt động, khi vượt quá giới hạn bền mỏi chi tiết sẽ bị gãy ngay tại điểm có tiết diện yếu nhất.20: Thanh truyền bị gãy [20] Hình 2.