Cơ học vật liệu sức bền vật liệu tính chất cơ học trong cấu trúc vật liệu

Sức bền vật liệu Tính chất cơ học trong cấu trúc vật liệu1. Độ bền1.1: Điểm chảy dẻo, ứng suất phá hủy.1.2: Độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn, độ bền xoắn.1.3: Độ bền mỏi.1.4: Độ bền rão.2. Dạng thức phá hủy và đặc trưng của nó.2.1: Phân loại dạng thức phá hủy.2.2: Phá hủy mỏi.2.3: Phá hủy dẻo.2.4: Phá hủy giòn.2.5: Nứt ăn mòn ứng suất.2.6: Phá hủy chậm.2.7: Phá hủy rão.3. Thiết kế xem xét tới mỏi và độ bền mỏi của thép.3.1. Độ bền mỏi và thí nghiệm mỏi.3.2: Biểu đồ giới hạn mỏi.3.3: Các nhân tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi.3.4: ứng suất cho phép và hệ số an toàn.

10 CƠ HỌC VẬT LIỆU - SUC BEN VAT LIEU

Mục lục

10 SỨC BÈN VẬT LIỆU - TÍNH CHÁT CƠ HỌC TRONG CÁU TRÚC VẬT LIỆU

1 Độ bền

1 1 Điểm chảy dẻo, ứng suất phá hủy <<-<-+5 10-1

1 2 Độ bèn kéo, độ bền nén, độ bền uốn, độ bền xoắn 10-1

lụ 3Ì Đổ(ĐENHfÑN6lasagsstisssdeaGGSdwaseBsayussttfeodEDggwvifuffyøgghsam 10-2

1 4 Độ bền rão 2202112211 1211 111 2x1 10-2

2 Dạng thức phá hủy và đặc trưng của nó

2 1 Phân loại địng thúc phá hÙY:‹::::::‹::::2:¿:2222222002602222005665 10-3

2 2_ Phá hủy mỏi

3 Phá hủy dẻo

4_ Phá hủy giòn

Nứt ăn mòn ứng 6_ Phá hủy chậm 7L PBNHUYTRDksrcantvysvsavsydvet716006220901166V01338)622366549J966360

3 Thiết kế xem xét tới mỏi và độ bền mỏi của thép

NNN w

3 1 Độ bền mỏi và thí HñghiệH HO so s6ccce S50466664466066024108.6059 28 10-11

3 2 BiêuđồG1GÌ/BRHHH—DHisssuseeaeereatidaiiavvitdiviabiatirigdasgesoveoii 10-13

3 3 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi 10-13

3 4 Ứng suất cho phép và hệ số an toàn - ‹ -:-: 10-16

1 3 Độ bền mỏi

Moi (fatigue) là hiện tượng vật liệu bị phá hủy khi chịu tác dụng của tải trọng lặp lại 1 số lần, cho dù tải

trọng đó thấp hơn giới hạn đàn hồi Thí nghiệm mỏi (fatigue test) là thí ngiệm tìm ra độ bền mỏi hay nói cách khác giới hạn mỏi hoặc độ bền mỏi theo thời gian từ kết quả thu được bằng cách tác dụng ứng suất lặp S (ứng

suất uốn, nén, kéo, xoắn) lên mẫu thử, tìm ra số lần lap N cho đến khi mẫu thử bị phá hủy, sau đó thay đôi giá

trị ứng suất tác dụng và tiến hành ở nhiều mẫu thử khác nhau

Giới hạn bền mỏi (fatigue limit) 1a giá trị giới hạn trên của ứng suất khi chịu số lần lặp lại vô hạn, đối với sắt thép giới hạn bền mỏi tính bằng ứng suất lớn nhất lặp lại 1O” lần mà không đứt gãy Ngoài ra độ bền mỏi theo

thời gian là ứng suất mà vật có thể chịu được số lần lặp tương đương với thời gian tuổi thọ, và những giá trị này được xác định bằng đường cong S —N, trong đó ứng suất S được biểu diễn theo trục dọc số lần lặp lai gay

đứt gãy N được biều diễn theo trục ngang

1 4 Độ bền rão

Rão (creep) là hiện tượng vật liệu bị biến dạng ngày càng lớn theo thời gian khi chỉu sự tác dụng của ứng

suất không đổi, dưới nhiệt độ không đồi Khi sử dụng vật liệu kim loại ở nhiệt độ cao trong thời gian dài, dù ứng suất tác dụng lên vật nhỏ hơn nhiều so với độ bền khi chịu phụ tải trong thời gian ngắn, thì vật liêu cũng

bị biến dạng lớn và đứt gãy Trong độ bền rão (creep strength), có giới hạn rão và độ bền rão đứt gãy

Giới hạn rão (creep limiD là giá trị ứng suất lớn nhất trong số ứng suất làm cho biến dạng rão của vat bing

0 sau một thời gian dài chịu phụ tải dưới một nhiệt độ không đổi , được tính bởi đường cong rão (creep

độ bền rão đứt gãy được gọi là ứng suất làm phát sinh đứt gãy rão trong một thời gian quy định nào đó (tuổi thọ), và thông thường thí nghiệm đứt gãy rão được tiền hành đến mức 1000 giờ

10-2

2 Các dạng thức phá hủy và đặc trưng của chúng

2 1 Phân loại các dạng thức phá hủy

Bảng 2.1 dưới đây tổng hợp những đặc trưng của từng dạng thức phá hủy chủ yếu trở thành vấn đề tại Denso Hình 2.1 thể hiện tỷ lệ của các dạng thức phá hủy gây hư tồn hàng hóa tại Denso từ năm 82~84.Thông thường, phá hủy mỏi được cho là chiếm 60~70% trong toàn bộ các dạng thức đứt gãy, và tại Denso cũng vậy, phá hủy mỏi cũng chiếm tỷ lệ gần với con số đó Ngoài ra, xét về đặc trưng của từng năm, năm §3 phát sinh vấn đề đối

với vật liệu hàn (đặc biệt đối với các chỉ tiết liên quan đến 1C), còn năm 84 vấn đề phá hủy chậm phát sinh

một cách tập trung

Bảng 2.1 Các dạng thức phá hủy và đặc trưng của chúng

kim loại

Hạng mục â i

— Big Môi trường sử | Các loại thép | Mặtđứtgãyhoặc - |Quan hệ giữa vết

Dạng thức tiồ:đỤï dụng đôi tượng ngoại quan nứt và tô chức Phá hủy mỏi “Tải trọng Sinh ra dưới Tất cả vật liệu | Mặt đứt gãy tương đối Vết nứt phát

lặp bắt kỳ môi kim loại nhẫn, nhiều trường triển bên trong

trường sử dụng hợp có dạng vân như | các hạt kết tỉnh

Phá hủy dẻo | Tải trọng | Sinh ra dưới bất | Tất cả vật liệu | Thiết diện giảm Theo sự giãn

tĩnh kỳ môi trường kim loại sinh ra các chỗ thắt nở của hạt kết

Phá hủy giòn Tải trọng | Dé phat sinh khi Tat ca vat ligu | Mat dirt gãy có dạng Vết nứt phát

va đập nhiệt độ thấp kim loại xương cá triển bên trong

các hạt kết tỉnh Nứt ăn mòn ứng | Phần lớn Môi trường ăn Phần lớn là Mặt đứt gãy rất gồ Dạng chọn lựa

suất là tải mòn tương đối đồng thau, ghề, trong nhiều bên ngoài hạt

trong tinh | yéu thép không gi | trường hợp mặt đứt hoặc dạng bên

và hợp kim gãy đồi màu trong hạt và

giữa biên ngoài hạt và

bên trong hạt

Phá hủy chậm Phần lớn Hấp thu Hidro hợp kim thép Mặt đứt gãy rất giống Biên ngoài hạt

trọng tĩnh Rão Tải trọng | Nhiệt độ cao Vật liệu chịu Thiết diện giảm

tĩnh nhiệt, chất hàn,

10—=3

Số vụ

400

300

200

100

(%)

F100

248 Zz Ẩ

E50

Phá hủy Mài Pha hay Phá hủy Phá hủy Nứtănmòn Bong Rão

mỏi mòn déo giòn chậm ứng suất MIC

Hình 2.1 Số lượng các vấn đề phát sinh về độ bền của từng dạng thức phá hủy

2 2_ Phá hủy mỏi

Phá hủy mỏi là hiện tượn;

của bề mặt phá hủy mỏi

¡) _ Vết nứt có dấu vân dạng vỏ sò được hình thành do sự thay đổi của tải trọng trong quá trình vết nứt phát

triển, được gọi là beach mark như hình 2.2 Từ tính chất các vết nứt phát triển theo hướng vuông góc

Dưới đây là các đặc trưng mang tính vĩ mô

với hướng của ứng suất chính beach mark là dấu vân quan trọng để tìm ra điềm khởi đầu (gốc) vết nứt

và sự phát triển của vết nứt (Cũng có trường hợp beach mark không được hình thành một cách rõ ràng

ở những mặt gãy mỏi nhất định có tải trọng lặp không đồi, và ở mặt gãy mỏi của vật liệu có độ cứng

cao)

ii ) Sư lồi lõm hình thành do các vết nứt phát sinh từ nhiều gốc khác nhau hợp lại với nhau trong giai đoạn

vết nứt phát triển được gọi là ratchet mark (dấu vân nứt hình bánh cóc) (hình 2.3) Trường hợp ứng suất

tác dụng cao, ta thường thấy dạng vết nứt này trên mặt đứt gãy do uốn kèm quay hoặc kéo - nén Những

rachet mark này chỉ ra được vị trí nứt có ứng suất cao, hoặc có nguồn ứng suất tập trung phát sinh bởi

một vài khuyết điểm riêng biệt

iii) Đối với những vật liệu cứng, hoặc những vật liệu cứng hóa bề mặt, có trường hợp phát sinh phá hủy mà

điểm khởi nguồn là tạp chất chất phi kim loại bên trong Trong trường hợp này, tại bề mặt đứt gãy xuất

hiện các vân có dạng hình tròn xung quanh tạp chất Và các vân này được gọi là fish eye (còn gọi là vân

nứt lõm mắt cá) như hình 2.4 và 2.5

10—=4

Hình 2.3 Rachet mark

Vít cô định bánh răng hành tỉnh cửa tự động

Element holder dùng cho ống phun

nhiên liệu, vật liệu : S45C

(x2)

Hình 2.4 Ảnh lớn của Eish eye

Hình 3.5 Ảnh phóng đại của hình 2.4 (x 500)

Mẫu thử mỏi uốn quanh

Vat ligu : SWCH45K

2 3 Phá hủy dẻo

Phá hủy dẻo là phá hủy mà ở vùng lân cân mặt phá hủy có sự giãn nở hoặc sự co thắt lớn Trên bề mặt phá

hủy dẻo được tạo thành bởi cơ cầu hợp thành của các lỗ rỗng nhỏ, có mô hình dimple (mô hình lõm) được hình

thành bởi tập hợp các vết lõm hiển vi Trường hợp tác dụng lên mặt phá hủy một ứng suất kéo đồng nhất theo

10—5

phương thắng đứng thì hình thành nên dimple đẳng trục (vết lõm đăng trục) như hình 2.6 nhưng trường hợp tác dụng ứng suất cắt, hoặc ứng suất xé, thì dimple kéo dài (vết lõm kéo đài) được hình thành theo như hình 2.7 Hình 2.8 biểu thị sự biến đổi hình dạng dimple theo các trạng thái ứng suất bên ngoài đó

Hình 2.6 Lõm Dimple đẳng trục (hợp Hình 2.7 Lõm dimple kéo dai kim

A

(a) Dimple dang trục

A

“Thiết diện A-A

(b) Dimple kéo dài do

cat

(c)Dimple kéo dai do

xé

Hình 3.8 Sự biến đổi hình dang lõm dimple theo trạng thái ứng suất bên ngoài

10-6

2 4 Phá hủy giòn

Phá hủy giòn là phá hủy hầu hết không kèm theo biến dang dẻo ở vùng gần phần đứt gãy

Dưới đây là các đặc trưng chung của mặt đứt gãy giòn

¡ ) Dạng nứt hình chữ V (Chevron pattern)

Khi quan sát mặt đứt gãy giòn vĩ mô, có trường hợp ta có thể thấy được các dấu vân hình chữ V

(Chevron pattern) biểu thị như hình 2.9 xếp theo hướng phát triển của vết nứt

Từ việc quan sat dang nứt hình chữ V (chevron pattern), ta có thể biết được gốc (điểm khởi đầu) của các

vết nứt và đường phát triển của các vết nứt

Hình 2.9 Dạng nứt hình chữ V

(Chevron pattern)

(Mũi tên thể hiện hướng phát triển

của vết nứt)

Hình 2.10 thể hiện cơ cấu hình thành đạng nứt hình chữ V (chevron pattern) và được giải thích như dưới

đây

Khi vết nứt giòn phát triển, do hình dang của phần đầu vết nứt tại chỗ phát sinh ứng suất theo 3 trục có giá trị cao ở phía trước vết nứt, sẽ sinh ra nhiều vết nứt bên trong và mở rông Khi các vết nứt bên trong phát triên kết

hợp lại với nhau, sẽ phát sinh bậc dẻo Trong quá trình này, các vết nứt chính chỉ phát triển trong một cự ly

nào đó Và việc lặp lại này dẫn đến sự phá hủy giòn một cách nhanh chóng

Kết quả là dẫn đến vết nứt có hình chữ V khi phá hủy

ca)

Z

Đường phát triển trung bình của phá hủy —— Hướng phát triển phá hủy

x : Điểm phát sinh vết nứt bên trong

#“ ~ Hướng phát triền vêt nứt bên trong Hình 2.10 Dạng phát triển của đứt gãy

ii ) Tinh gidn Hidro

Hiện tượng Hidro thấm trong thép gây ra giòn hóa thép, làm giảm tính giãn, tính co của thép, làm suy giảm độ bền mỏi và phát sinh phá hủy châm thì được gọi là tính giòn hidro Về tính giòn hidro có các điểm cần lưu ý như sau:

Mục lưu ý

Vật liệu có nồng độ Cacbon càng cao độ cứng càng cao, độ cứng hóa gia công càng cao

1 thì tính giòn hidro càng thê hiện rõ rệt, vì vậy nêu có thê nên tránh rửa axit, mạ điện, hoặc

hidro một cách triệt đê

Đôi sách

2 Trong những trường hợp cần phải loại bỏ công đoạn phát sinh tính giòn hay cần phải tiến

hành rửa axit, mạ điện thì ta nhất định phải tiến hành việc loại bỏ hidro

10=8

“% “ 4A

2 5_ Nút ăn mòn ứng suât

Hiện tượng phát sinh vết nứt trong vật liệu kim loại do ứng suất kéo tồn tại và tác dụng tương tác của môi_

trường có đặc tính ăn mòn nhất định nào đó được gọi là nứt ăn mòn ứng suất Đặc trưng của hiện tượng nứt ăn mòn ứng suất như sau :

C¡ ) Thông thường các vết nứt vừa phân nhánh trong phạm vi rộng, về tổng thể vừa phát triển theo hướng

vuông góc đối với ứng suất làm phát sinh và lan truyền vết nứt

(ii ) Su lan truyén vết nứt tùy theo sự kết hợp giữa kim loại và môi trường được chia thành 3 loại : loại biên hạt, loại bên trong hạt và loại hỗn độn giữa biên hạt và bên trong hạt

(ii) Ngay cả những vật liệu có tính dẻo tốt, tại các mặt pha hủy do nứt ứng suất ăn mòn hầu như không có

biên dạng lớn

Hình 2.11 Nứt ăn mòn ứng suất của hợp kim Hình 2.12 Nứt ăn mòn ứng suất của hợp

(Phần bình chứa của heater core- lõi máy sưởi) (Haft Union K70A )

Bảng 2.2 Những kết hợp chú yếu làm phát sinh nứt ăn mòn ứng suất

` Môi trường làm phát sinh nứt Vật liệu rs >

ăn mòn ứng suất

Hợp kim đồng Ammoniac (DDS 1367) Thép không gi Nước biên (DDS 1366)

Nước biên

Hợp kim nhôm Dung dịch nước NaCl

(DDS 1369)

Thép có độ bên kéo | Nước mưa

Dung dịch nước HS

cao

10=9

2 6 Phá hủy chậm

Phá hủy châm là hiện tượng phá hủy cần phải được lưu ý đặc biệt khi sử dụng vật liệu thép có độ bền

ví dụ như đô bền kéo vượt quá 1000N/mmẺ (độ cứng khoảng HV300), và được định nghĩa một cách ngắn gọn như sau:

[Phá hủy châm là hiện tượng một sản phầm được sử dụng trong môi trường bình thường, chịu một tải trọng không đổi (tải trọng tĩnh), mặc dù nhìn bề ngoài không có bất kỳ một dấu h biến đồi nào, nhưng vào

một lúc nào đó sẽ đột nhiên đứt gãy do tính giòn,Ï

Hình 2.13 Mặt đứt gãy của tapping screw bị Hình 2.14 Rock candy

phá hủy chậm

Trong phá hủy chậm người ta thường không thấy rõ được biến dạng của phần phá hủy có thê nói nguyên

nhân chính dẫn đến phá hủy chậm phần lớn là do hidro có trong thép

Ngoài ra về tình trạng mặt đứt gãy, trái với mặt đứt gãy đo kéo thường là dạng sợi mờ, không có độ sáng, thì mặt đứt gãy do phá hủy chậm có độ sáng bóng, có dạng như tỉa xạ, và đây chính là đặc trưng khá khác biệt của phá hủy chậm

Đặc trưng trong quá trình đứt gãy chậm như sau:

@)Tác dụng của ứng suất : cân thiết phải có sự tôn tại ứng suất kéo Không phát sinh dưới ứng suất nén

Biến dạng : do nứt gãy phát sinh tại ứng suất dưới độ bền chảy dẻo, nên hầu như không thấy rõ các biến dang 6 phan đứt gãy

@ Phat sinh vết nứt : Phát sinh ở phần tập trung ứng suất ví dụ như chỗ cắt, lỗ Từ khi chịu tác dụng ứng

suất cho đến khi hình thành vết nứt mất một khoảng thời gian nào đó

( Sự phát triển của vết nứt : Phát triển liên tục

(® Đứt gãy cuối cùng: do diện tích mặt cắt giảm, nên không chịu được tải trọng ban đầu, dẫn đến đứt gãy

một cách nhanh chóng