Các vết nứt do mỏi nói chung là kết quả của biến dạng dẻo tuần hoàn tại các khu vực cục bộ. Mệt mỏi được định nghĩa là “hư hỏng dưới tải lặp lại hoặc các loại điều kiện tải khác, và mức tải này không đủ để gây ra hỏng hóc khi chỉ tác động một lần”. Biến dạng dẻo này xảy ra không phải do ứng suất lý thuyết trên cấu kiện lý tưởng, mà do bề mặt cấu kiện không thể được phát hiện trên thực tế.

August Wöhler là người tiên phong trong nghiên cứu về sự mệt mỏi và đưa ra một phương pháp thực nghiệm. Từ năm 1852 đến năm 1870, w ö hler đã nghiên cứu sự hư hỏng dần dần của các trục đường sắt. Ông đã chế tạo giường thử như trong Hình 1. Giường thử này cho phép quay và uốn hai trục đường sắt cùng một lúc. W ö hler vẽ biểu đồ mối quan hệ giữa ứng suất danh nghĩa và số chu kỳ dẫn đến hư hỏng, sau này được gọi là biểu đồ SN. Mỗi đường cong vẫn được gọi là đường aw ö hler. Phương pháp Sn vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Một ví dụ điển hình của đường cong này được thể hiện trong Hình 1.

Thử nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 2
Hình 1 thử nghiệm mỏi khi uốn khi quay của W ö hler

Một số hiệu ứng có thể được quan sát thông qua đường w ö hler. Đầu tiên, chúng tôi lưu ý rằng đường cong SN bên dưới điểm chuyển tiếp (khoảng 1000 chu kỳ) là không hợp lệ vì ứng suất danh nghĩa ở đây là đàn hồi. Sau đây chúng ta sẽ chỉ ra rằng sự mệt mỏi là do sự giải phóng năng lượng biến dạng cắt nhựa. Do đó, không có mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trước khi đứt gãy, và nó không thể được sử dụng. Giữa điểm chuyển tiếp và giới hạn mỏi (khoảng 107 chu kỳ), phân tích dựa trên Sn là hợp lệ. Trên giới hạn mỏi, độ dốc của đường cong giảm mạnh, vì vậy vùng này thường được gọi là vùng “tuổi thọ vô hạn”. Nhưng đây không phải là trường hợp. Ví dụ, hợp kim nhôm sẽ không có tuổi thọ vô hạn, và thậm chí thép sẽ không có tuổi thọ vô hạn dưới tải trọng biên độ thay đổi.

Với sự xuất hiện của công nghệ khuếch đại hiện đại, người ta có thể nghiên cứu các vết nứt mỏi một cách chi tiết hơn. Bây giờ chúng ta biết rằng sự xuất hiện và lan truyền của vết nứt mỏi có thể được chia thành hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, vết nứt truyền theo một góc khoảng 45 độ so với tải trọng tác dụng (dọc theo đường ứng suất cắt lớn nhất). Sau khi vượt qua hai hoặc ba ranh giới hạt, hướng của nó thay đổi và mở rộng dọc theo hướng khoảng 90 độ so với tải trọng tác dụng. Hai giai đoạn này được gọi là nứt giai đoạn I và nứt giai đoạn II, như trong Hình 2.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 3
Hình 2 Sơ đồ sự phát triển của vết nứt ở giai đoạn I và giai đoạn II

Nếu chúng ta quan sát vết nứt giai đoạn I ở độ phóng đại cao, chúng ta có thể thấy rằng ứng suất xen kẽ sẽ dẫn đến sự hình thành một dải trượt liên tục dọc theo mặt phẳng cắt cực đại. Các dải trượt này trượt qua lại, giống như một bộ bài, dẫn đến các bề mặt không bằng phẳng. Bề mặt lõm cuối cùng tạo thành một vết nứt “chớm nở”, như thể hiện trong Hình 3. Trong giai đoạn I, vết nứt sẽ mở rộng ở chế độ này cho đến khi nó gặp ranh giới hạt và tạm thời dừng lại. Khi đủ năng lượng được áp dụng cho các tinh thể liền kề, thì quá trình này sẽ tiếp tục.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 4
Hình 3 Sơ đồ của dải trượt liên tục

Sau khi vượt qua hai hoặc ba ranh giới hạt, hướng lan truyền vết nứt lúc này chuyển sang chế độ pha II. Ở giai đoạn này, các tính chất vật lý của sự lan truyền vết nứt đã thay đổi. Bản thân vết nứt tạo thành vật cản vĩ mô đối với dòng ứng suất, làm cho ứng suất dẻo tập trung cao ở đầu vết nứt. Như trong Hình 4. Cần lưu ý rằng không phải tất cả các vết nứt ở giai đoạn I sẽ phát triển sang giai đoạn II.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 5
Hình 4

Để hiểu được cơ chế lan truyền của giai đoạn II, chúng ta cần xem xét tình hình của mặt cắt đầu vết nứt trong chu kỳ ứng suất. Như thể hiện trong Hình 5. Chu kỳ mỏi bắt đầu khi ứng suất danh nghĩa ở điểm “a”. Khi cường độ ứng suất tăng và đi qua điểm “B”, chúng tôi nhận thấy rằng đầu vết nứt mở ra, dẫn đến biến dạng trượt dẻo cục bộ và vết nứt kéo dài đến điểm “C” trong kim loại ban đầu. Khi ứng suất kéo giảm qua điểm “d”, chúng ta quan sát thấy đầu vết nứt đóng lại, nhưng biến dạng dẻo vĩnh viễn để lại một răng cưa duy nhất, cái gọi là “đường cắt”. Khi toàn bộ chu kỳ kết thúc tại điểm “e”, chúng tôi quan sát thấy vết nứt đã tăng chiều dài “Da” và hình thành các đường tiết diện bổ sung. Bây giờ người ta hiểu rằng phạm vi phát triển của vết nứt tỷ lệ với phạm vi biến dạng đầu vết nứt nhựa đàn hồi được áp dụng. Một phạm vi chu kỳ lớn hơn có thể tạo thành một Da lớn hơn.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 6
Hình 5 Sơ đồ sự lan truyền vết nứt trong giai đoạn II

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vết nứt mỏi

Ảnh hưởng của các thông số sau đến tốc độ phát triển vết nứt mỏi được nghiên cứu và giải thích về mặt khái niệm:

1 Giảm căng thẳng

Từ biểu đồ, chúng ta có thể thấy rằng một “lượng” ứng suất cắt nhất định được giải phóng trong quá trình thay đổi tuần hoàn cường độ của ứng suất danh nghĩa. Và phạm vi thay đổi ứng suất càng lớn thì năng lượng giải phóng càng lớn. Qua đường cong SN thể hiện trong Hình 1, chúng ta có thể thấy rằng tuổi thọ mỏi giảm theo cấp số nhân với sự gia tăng của phạm vi chu kỳ ứng suất.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 7
Hình 6 ứng suất và biến dạng đàn hồi dọc theo bề mặt trượt và ở gốc của vết nứt

2 căng thẳng trung bình

Ứng suất trung bình (ứng suất dư) cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ hư hỏng do mỏi. Về mặt khái niệm, nếu ứng suất giãn nở được áp dụng cho vết nứt giai đoạn II, vết nứt sẽ bị ép mở ra, do đó, bất kỳ chu kỳ ứng suất nào sẽ có ảnh hưởng đáng kể hơn. Ngược lại, nếu áp dụng ứng suất nén trung bình, vết nứt sẽ buộc phải đóng lại, và bất kỳ chu trình ứng suất nào cũng cần phải vượt qua ứng suất nén trước thì vết nứt mới có thể tiếp tục mở rộng. Các khái niệm tương tự cũng áp dụng cho các vết nứt ở giai đoạn I.

3 bề mặt hoàn thiện

Bởi vì vết nứt mỏi thường xuất hiện đầu tiên trên bề mặt của các cấu kiện có khuyết tật, chất lượng của bề mặt sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến xác suất xuất hiện vết nứt. Mặc dù hầu hết các mẫu thử nghiệm vật liệu đều có lớp hoàn thiện bằng gương, vì vậy chúng cũng sẽ đạt được tuổi thọ mỏi tốt nhất. Trong thực tế, hầu hết các thành phần không thể được so sánh với các mẫu, vì vậy chúng ta cần phải sửa đổi các đặc tính mỏi. Lớp hoàn thiện bề mặt có ảnh hưởng lớn hơn đến sự mỏi của các thành phần chịu chu kỳ ứng suất biên độ thấp.

Thí nghiệm của August Wöhler cho bạn thấy cách 4 yếu tố tác động đến vết nứt mệt mỏi 8
Hình 7 Giản đồ về ảnh hưởng của trình tự chu kỳ ảnh hưởng của độ hoàn thiện bề mặt có thể được biểu thị bằng cách mô hình hóa, nghĩa là nhân đường cong SN với tham số hiệu chỉnh bề mặt ở giới hạn mỏi.

4 xử lý bề mặt

Xử lý bề mặt có thể được sử dụng để tăng cường khả năng chống mỏi của các bộ phận. Mục đích của xử lý bề mặt là hình thành ứng suất nén dư trên bề mặt. Theo chu kỳ biên độ thấp, ứng suất trên bề mặt rõ ràng là thấp, và thậm chí duy trì trạng thái nén. Do đó, cuộc sống mệt mỏi có thể được kéo dài đáng kể. Tuy nhiên, như chúng tôi đã chỉ ra, tình huống này chỉ đúng đối với các thành phần chịu chu kỳ ứng suất biên độ thấp. Nếu áp dụng chu kỳ biên độ cao, quá trình nén trước sẽ bị vượt qua bởi chu kỳ biên độ cao và các ưu điểm của nó sẽ bị mất đi. Cũng như chất lượng bề mặt, tác động của việc xử lý bề mặt có thể được thể hiện bằng cách mô hình hóa.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.