Sự Mỏi của kim loại là một dạng hư hỏng mà mọi nhà máy sản xuất sẽ phải trải qua vào một thời điểm nào đó và có thể xảy ra thường xuyên nếu không được giải quyết.
Trong khi sự hiểu biết về sự mỏi của kim loại đã được nâng cao kể từ khi ra đời vào đầu những năm 1800, vẫn còn một số hiểu lầm trong sản xuất, trong việc giải quyết những hư hỏng này.
Một đặc điểm của hư hỏng do mỏi là ứng suất, thường nằm dưới giới hạn chảy của vật liệu. Đây là nguyên nhân khiến sự mỏi trở thành sát thủ thầm lặng.
Hiện tượng mỏi xảy ra trên một chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi hoặc theo chu kỳ.
Ứng suất theo chu kỳ có thể gây ra hỏng hóc sau một số chu kỳ nhất định.
Sự mỏi trở thành một dạng hư hỏng khi các vết nứt bắt đầu tại nơi các ứng suất tập trung trên một chi tiết máy.
Khi giải quyết các hư hỏng do mỏi, có hai vấn đề chính cần tập trung phân tích:
Các lực bên ngoài gây ra ứng suất theo chu kỳ và thiết kế chi tiết máy làm giảm giới hạn bền của vật liệu.
Đó là ở một hoặc cả hai vấn đề này, nơi có thể tìm ra giải pháp cho các hư hỏng do mỏi.
Vì vậy, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn hai vấn đề chính này.
1: Xác định, sau đó, giảm hoặc loại bỏ ứng suất theo chu kỳ
Bước quan trọng đầu tiên là đọc/hiểu chính xác bề mặt đứt gãy để xác định dạng mỏi.
Các dạng mỏi khác nhau sẽ chỉ ra loại ứng suất gây ra sự mỏi.
Sự mỏi có thể là uốn một chiều, uốn ngược, uốn xoay, xoắn hoặc căng.
Uốn xoay là một trong những cơ chế hư hỏng phổ biến nhất đối với thiết bị quay, khi xảy ra hiện tượng gãy do mỏi.
Tải trọng xoắn thường không đổi trong các ứng dụng có ứng suất tổ hợp và, nếu thay đổi, thường là ứng suất xung dao động.
Các vật liệu có độ bền cao thường bị gãy giòn, trong khi các vật liệu có độ bền thấp thường bị gãy kiểu uốn.
Mặt phẳng gãy cũng có thể giúp xác định loại mỏi. Hầu hết các hư hỏng do xoắn xảy ra ở mặt phẳng đứt gãy 45 độ, trong khi uốn thường xảy ra ở mặt phẳng đứt gãy 90 độ.
Sự đứt gãy do mỏi có thể được mô tả thêm là chu kỳ cao hoặc chu kỳ thấp và ứng suất cao hoặc ứng suất thấp.
Kích thước của vùng đứt gãy nhanh hoặc cuối cùng, so với vùng mỏi sẽ tiết lộ nếu sự cố là ứng suất mỏi cao hay thấp.
Vùng đứt gãy nhanh là vùng đứt gãy do quá tải sau khi tác động lan truyền lên chi tiết đó một lượng mỏi.
Sự mỏi có thể là mỏi cơ học thuần túy hoặc mỏi do ăn mòn. Sự mỏi do ăn mòn làm giảm đáng kể độ bền mỏi của vật liệu.
Dấu vết bánh răng cóc (Ratchet marks) ở bên ngoài chỗ gãy cho thấy dấu hiệu bắt đầu gãy.
Dấu hiệu bãi biển, Beach marks (tức là dấu tiến triển) cho thấy lịch sử và đường đi của vết nứt.
Vị trí xuất phát của vết nứt có thể là góc rãnh then hoặc bán kính bước trục (hay bán kính góc lượn của trục).
Hình sau đây cho thấy một ví dụ về một số đặc điểm sự mỏi kim loại cơ bản. Có thể cần sự hỗ trợ từ phòng thí nghiệm phân tích kim loại để xác định cơ chế mỏi.
Khi đã biết dạng mỏi, có thể xác định được nguồn gốc của ứng suất chu kỳ phù hợp với vết gãy do mỏi.
Ứng suất uốn là một trong những loại ứng suất chủ yếu gây ra hỏng hóc do mỏi. Nó có thể bắt nguồn từ phản lực của bộ truyền động xích hoặc dây đai, tải trọng công xôn, trục bị lệch tâm hoặc tải trọng phản lực từ hoạt động của thiết bị.
Ví dụ, mỏi ở mắt xích (chain link) được xác định là mỏi do uốn ngược. Ban đầu, các bộ xích khác nhau được lắp đặt, nhưng đều có lỗi giống nhau.
Một cuộc điều tra kỹ hơn cho thấy sự hư hỏng lặp lại này chỉ xảy ra ở má xích trong của mắt xích. Khu vực duy nhất mà ứng suất uốn có thể xảy ra trên má xích trong này là xung quanh đĩa xích.
Mỗi vòng quay xung quanh răng đĩa xích tạo ra một ứng suất uốn theo chu kỳ lên mắt xích trong. Nguyên nhân của ứng suất theo chu kỳ được tìm thấy là do đĩa xích bị mòn (xem Hình 2 đến Hình 4).
Loại bỏ ứng suất uốn theo chu kỳ bằng cách thay thế các đĩa xích bị mòn đã loại bỏ lực gây mỏi.
Kết quả là ứng suất theo chu kỳ thấp hơn giới hạn chịu đựng hay giới hạn bền mỏi của vật liệu. Sự tập trung ứng suất tại đường rèn trên má xích trong là nơi bắt đầu xuất hiện vết nứt, nhưng việc loại bỏ ứng suất chu kỳ lớn là nguyên nhân gốc rễ.
Tuy nhiên, có những thời điểm khác, khi mà ứng suất chu kỳ có thể được giảm bớt bằng cách lắp ráp chính xác, chẳng hạn như độ căng dây đai hay độ căng xích thích hợp trên trục truyền động.
Hai: Phân tích thiết kế các chi tiết máy để cải thiện giới hạn bền mỏi và giảm nguy cơ mỏi
Trong hầu hết các trường hợp, ứng suất theo chu kỳ chỉ là một chức năng của hoạt động bình thường và không thể được giảm bớt hoặc loại bỏ.
Trong những trường hợp này, giải pháp phải xem xét hai vấn đề: thiết kế chi tiết máy và loại bỏ nứt.
Một phân tích tập trung về vị trí bắt đầu nứt mỏi trên chi tiết có thể mang lại các hành động bổ sung để chống lại các hư hỏng do mỏi trong tương lai.
Thiết kế chi tiết máy bắt đầu với vật liệu. Vật liệu rất quan trọng để hiểu được khả năng chống mỏi của chi tiết.
Giới hạn bền mỏi là mức ứng suất mà tại đó một chi tiết có thể chịu được ứng suất theo chu kỳ mà không bị hỏng do mỏi.
Thiết kế của một chi tiết máy, trong đó ứng suất theo chu kỳ thấp hơn giới hạn bền mỏi, sẽ loại bỏ hư hỏng do mỏi trong tuổi thọ của chi tiết.
Đường cong ét nờ trong Hình 5 cho thấy giới hạn bền mỏi trong thiết kế của một chi tiết có thể dẫn đến tuổi thọ vô hạn như thế nào và việc giảm giới hạn bền mỏi có thể dẫn đến tuổi thọ mỏi giới hạn của chi tiết máy móc như thế nào.
Các sai sót trong thiết kế làm giảm giới hạn bền mỏi mỏi đến một điểm mà một số chu kỳ giới hạn hay chu kỳ nhất định sẽ dẫn đến hỏng mỏi.
Khái niệm này là cơ bản, tuy nhiên, giới hạn bền mỏi có thể bị giảm bởi nhiều yếu tố thiết kế, chẳng hạn như bề mặt, kích thước, tải trọng và nhiệt độ, cũng như các yếu tố khác, như tập trung ứng suất rãnh then, bán kính góc lượn của trục và ăn mòn. Các điều chỉnh này có thể được áp dụng để tìm giới hạn bền mỏi như công thức sau:
Ứng suất cao nhất thường ở bề mặt của vật liệu, vì vậy đây là khu vực chính cần tập trung sự quan tâm.
Yếu tố bề mặt có thể làm giảm đáng kể giới hạn bền mỏi. Nhiều khi, lớp hoàn thiện bề mặt hoặc khuyết tật bề mặt sẽ là những gì cục bộ hóa ứng suất theo chu kỳ gây ra sự mỏi .
Nguyên tắc chung là phải có bề mặt độ nhám trung bình (Ra), không quá 32 micron, điều này sẽ giữ cho hệ số bề mặt, Ka, trong phạm vi 0,85 đến 0,9 đối với hầu hết các loại thép các bon thấp. Độ nhám trung bình tăng từ 32 đến 250 mi cờ rô mét có thể làm giảm 25% giới hạn bền mỏi.
Không chỉ độ bền mỏi của vật liệu là quan trọng hàng đầu mà vật liệu cũng sẽ có các đặc tính gia công rất khác nhau có thể dẫn đến các vết công cụ (Toolmarks) và sự tập trung ứng suất.
Vật liệu hạt mịn cũng thường mang lại khả năng chống mỏi cao hơn vật liệu hạt thô. Nhiều ranh giới hạt hơn có thể cản trở sự lan truyền vết nứt.
Độ dẻo dai của chất liệu cũng là một yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn vật liệu. Độ dẻo dai là diện tích nằm dưới đường cong ứng suất và được định nghĩa là năng lượng trên một đơn vị thể tích trước khi đứt gãy.
Độ dẻo dai của vật liệu cho phép vật liệu hấp thụ năng lượng ứng suất. Thép cacbon trung bình có độ dẻo dai cao nhất khi so sánh với thép cacbon cao và thép cacbon thấp.
Ví dụ về ảnh hưởng của các yếu tố bề mặt sẽ là mỏi do uốn quay điển hình trên một trục như trong Hình 6.
Các dấu cắt máy công cụ trên bán kính góc lượn trục vốn đã nhỏ đã làm tăng sự tập trung ứng suất của trục, dẫn đến hỏng mỏi do uốn quay.
Do yếu tố bề mặt là một trong những yếu tố thiết kế và chế tạo chống mỏi quan trọng nhất, nên có nhiều phương pháp xử lý bề mặt, có thể cách ly bề mặt khỏi ứng suất chu kỳ và điểm khởi nguồn của nứt do mỏi.
Nhiều trong số này, gây ra ứng suất bề mặt nén ở độ sâu nào đó. Ứng suất kéo bề mặt trên chi tiết phải thắng ứng suất nén bề mặt trước khi chi tiết xuất hiện ứng suất mỏi theo chu kỳ.
Một số trong số này bao gồm, thấm các bon, thấm ni tơ, hoặc rèn bằng búa. Đánh bóng điện hóa cung cấp một lớp hoàn thiện siêu mịn giúp cải thiện yếu tố bề mặt, nhưng nó sẽ loại bỏ một số vật liệu khỏi chi tiết. Mạ điện có thể làm giảm giới hạn bền mỏi vì hiện tượng giòn do hydro là một vấn đề đáng lo ngại.
Đối với nhiều hệ thống, có rất ít việc có thể được thực hiện để giảm ứng suất chu kỳ cho hoạt động bình thường. Tăng kích thước chi tiết cũng sẽ làm giảm ứng suất theo chu kỳ trên chi tiết mà không cần phải giảm lực hay tải trọng theo chu kỳ.
Đối với nhiệt độ, nhiều loại thép các bon thấp sẽ ít bị tác động ở nhiệt độ đến 204 độ C, nhưng có thể đáng kể với nhiệt độ gần 537 độ C.
Thay đổi sự tập trung ứng suất, chẳng hạn như tăng bán kính góc lượn của trục, sẽ làm giảm ứng suất mỏi gây ra trên chi tiết. Hầu hết các tiêu chuẩn không cung cấp chi tiết về bán kính góc lượn của trục hợp lý là gì.
Nếu không tính toán chi tiết, hãy sử dụng bán kính góc lượn của trục lớn như thiết kế cho phép. Một số hướng dẫn chung về bán kính góc lượn của trục tương tự như trong Hình 8.
Hư hỏng do mỏi không phải là một bí ẩn hoặc trở thành bệnh mãn tính trong nhà máy của bạn.
Bằng cách tập trung vào hai vấn đề chính là giảm ứng suất theo chu kỳ và cải thiện giới hạn bền mỏi, sự mỏi có thể được giải quyết.
Nhận xét
Đăng nhận xét
Các bạn có câu hỏi gì, cứ mạnh dạn trao đổi nhé, baoduongcokhi sẵn sàng giải đáp trong khả năng của mình.