Độ bền mỏi (2) Giới hạn mỏi với chu kỳ thay đổi không đối xứng và
các phương pháp nâng cao độ bền mỏi
Ở phần 1 chúng ta đã đề cập tới đường cong S-N và xác định được giới hạn bền mỏi đối với chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi đối xứng. Nhưng trong thực tế không phải tải trọng lúc nào cũng đều đặn theo thời gian, có lúc lớn lúc nhỏ, lúc tác dụng nhanh lúc chậm… khi đó áp dụng đường cong S-N lại không cho ra kết quả chính xác nữa.
Nắm rõ các loại chu kỳ tải trọng:
a) Chu kỳ đối xứng: Giá trị tải trọng thay đổi đối xứng qua giá trị 0
b) Chu kỳ không đối xứng khác dấu: Giá trị tải trọng thay đổi không đối xứng qua giá trị 0 nhưng vẫn có thời điểm dưới giá trị 0
c) Chu kỳ mạch động: Giá trị tải trọng nhỏ nhất bằng 0
d) Chu kỳ không đối xứng cùng dấu: Giá trị tải trọng thay đổi nhưng luôn cùng dấu nhau.
Khi chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi với chu kỳ đối xứng hoặc chu kỳ mạch động sẽ có giá trị bền mỏi như trong phần 1 (khoảng 0.5 lần giới hạn bền)
Còn khi chi tiết máy chịu tải trọng thay đổi với chu kỳ không đối xứng:
Trong đó:
σr là giới hạn mỏi đối với chu kỳ ứng xuất không đối xứng
σ-1 là giới hạn mỏi đối với chu kỳ ứng xuất thay đổi đối xứng
φσlà hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình, xác định theo biểu đồ sau
σm là giá trị ứng suất trung bình, xác định theo công thức
Các nhân tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi:
・ Hình dạng kết cấu chi tiết
・ Vật liệu và phương pháp nhiệt luyện
・ Đặc tính tải trọng và trạng thái ứng suất
Từ các nhân tố đó ta đưa ra các phương pháp nâng cao độ bền mỏi:
・ Phương pháp thiết kế: Chi tiết máy có hình dạng hợp lý tại những vị tri có sự tập trung ứng suất
・ Phương pháp công nghệ:
Tạo cho bề mặt một lớp ứng suất nén dư: bằng cách lăn ép1 , phun bi 2
Làm cứng bề mặt bằng phương pháp tôi cứng hoặc hóa nhiệt luyện.
1 Phương pháp lăn ép :Bề mặt chi tiết sau khi gia công sẽ có dạng lồi lõm như hình bên trái, sau khi được con lăn lăn qua và tạo một áp lực nén xuống gây ra biến dạng, sinh ra ứng suất theo phương nén xuống, nâng cao độ bền mỏi.
Kết quả thu được sau khi lăn ép:
・ Độ bền mỏi tăng thêm khoảng 57%
・ Tuổi thọ chi tiết máy tăng gấp 5-100 lần
2 Phương pháp phun bi: Hay còn gọi là “shot peening” là một phương pháp gia công nguội. Người ta cho vô số các hạt hình cầu va chạm với bề mặt chi tiết với tốc độ cao.
Nguyên lý của phương pháp này là khi các hạt liên tục va chạm với bề mặt kim loại ở tốc độ cao xảy ra quá trình gia nhiệt nhanh tới nhiệt độ tới hạn A3 sau đó lại được làm nguội cực nhanh, nhanh tới mức các nguyên tử cacbon không kịp khuếch tán ra khỏi cấu trúc tinh thể. Kết quả là Austenit () được giữ lại trong lớp bề mặt, biến đổi thành cấu trúc Martensite (cấu trúc tinh thể tứ giác tâm) rất cứng, ứng suất nén dư được tích tụ dẫn đến cấu trúc dày đặc có độ cứng và độ bền cao.
Ngoài ra, các vết nứt nhỏ xảy ra do vết gia công có khả năng là điểm bắt đầu hình thành các vết nứt, nhưng bề mặt sau khi bắn peening được cải thiện bằng cách nghiền nát các khuyết tật bề mặt gây ra vết nứt.
Nếu bạn vẫn chưa hiểu lắm về quá trình gia nhiệt tăng cứng nêu trên thì hãy xem tiếp phần sau đề cập tới quá trình nhiệt luyện cũng như giản đồ pha của thép nhé.
Tới đây xin được kết thúc phần cơ bản về độ bền mỏi, hi vọng dựa trên những thông tin mà Pinus chia sẻ có thể giúp các bạn dựa vào để nghiên cứu và hiểu sâu hơn về bền mỏi.
Tiếp tục chuỗi bài về vật liệu học cơ bản thì bài tiếp theo Pinus sẽ chia sẻ về “độ cứng và phương nhiệt luyện” rất mong các bạn đón đọc.
Tác giả
Trọng Hào
Tài liệu tham khảo:
Website: https://www.fujimfg.co.jp/application/shotpeening/
Website: http://www.finchbox.com/works/web/okanoblast_0426/wpc/content_02.html
Giáo trình: Vật liệu cơ khí – NXB Hà Nội
Giáo trình: Cơ sở thiết kế máy – Nguyễn Hữu Lộc