Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và kích thước đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trụ tròn

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo NGUYỄN VĂN THẠNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT DẠNG TRỤ TRÒN Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Mã số ngành: 2.01.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2006 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HỮU LỘC ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng…… năm 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN THẠNH Phái: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 12 – 11 – 1978 Nơi sinh: ĐÀ LẠT Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV: 00403096 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT DẠNG TRỤ TRÒN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu  Cơ sở lý thuyết mỏi  Phân tích chế phá hủy mỏi mẫu  Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn  Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15 - - 2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : - - 2006 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN HỮU LỘC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS NGUYỄN HỮU LỘC PGS.TS TRẦN DOÃN SƠN TS PHẠM NGỌC TUẤN Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày …… tháng …… năm 2006 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi đến Tiến sĩ Nguyễn Hữu Lộc lòng tri ân sâu sắc Trong suốt trình thực luận văn, Tiến sĩ Nguyễn Hữu Lộc người tận tình hướng dẫn, định hướng cung cấp góp ý cần thiết để tơi hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến q thầy Bộ môn Thiết kế máy hỗ trợ cho nhiều vật chất tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, người thân, bạn bè đồng nghiệp, người động viên hỗ trợ suốt trình học tập nghiên cứu Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tháng – 2006 Nguyễn Văn Thạnh LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình thiết kế kỹ thuật, thiết kế máy đóng vai trị quan trọng, có ảnh hưởng sâu sắc mang tính định đến chất lượng sản phẩm trình Chính vậy, việc nâng cao độ tin cậy kết tính tốn, hợp lý hóa kết cấu công nghệ mục tiêu cần phải hồn thiện Tuy nhiên, kỹ thuật tính tốn thiết kế hầu hết dựa sở giả thuyết gần (có kiểm nghiệm tính đắn thực nghiệm giá trị tính tốn kiểm soát nằm phạm vi sai lệch cho phép vấn đề kỹ thuật) Mặc dầu vậy, giai đoạn phát triển sản xuất nay, chất lượng sản phẩm trình ngày phải nâng cao, mức độ cạnh tranh ngày lớn chu kỳ sống sản phẩm lại ngắn Ngoài ra, nhiều vấn đề khác cần phải quan tâm độ tin cậy, độ an tồn q trình sử dụng, tính thích nghi khả sử dụng linh hoạt sản phẩm… Tất vấn đề địi hỏi phải không ngừng nâng cao chất lượng kết tính tốn thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng người Một tiêu quan trọng tính tốn thiết kế máy tiêu bền; thực tế sử dụng, tiết máy ngồi trạng thái chịu tải tĩnh cịn chịu tải thay đổi theo chu kỳ Theo nhiều cơng trình nghiên cứu trước đây, giới hạn bền chi tiết trường hợp tải trọng thay đổi theo chu kỳ nhỏ đáng kể so với giới hạn bền chi tiết trường hợp tải trọng tĩnh Không vậy, mức độ suy giảm khơng tuyến tính theo số chu kỳ chịu tải mà biến thiên phức tạp, tốc độ biến thiên lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố tính vật liệu, hình dáng kích thước, chế độ chịu tải số chu kỳ chịu tải… Mức độ ảnh hưởng yếu tố lại không giống nhau, không tuân theo qui luật định chất chúng khơng đơn định Yếu tố gốc rễ định độ bền tiết máy mức độ tập trung ứng suất, tập trung ứng suất làm xuất vết nứt tế vi Và nguồn gốc dẫn đến phá hủy cấu trúc Do đó, việc nghiên cứu lý thuyết ảnh hưởng đến độ bền chi tiết máy số yếu tố cần thiết đáng quan tâm-để nâng cao chất lượng tính tốn thiết kế Điều phần giúp xây dựng kiến thức chế hình thành phát triển vết nứt tế vi, sở hình thành biện pháp kỹ thuật cần thiết dự đoán tuổi bền chi tiết máy q trình chịu tải TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn gồm năm chương: chương trình bày tổng quan vấn đề mỏi; chương hai trình bày sở lý thuyết mỏi; chương ba trình bày nguyên nhân chế phá hủy mỏi; chương bốn trình bày phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng kích thước đến độ bền mỏi; chương năm trình bày phương án nhằm nâng cao giới hạn mỏi mẫu Nội dung luận văn trình bày chế phá hủy mỏi vật liệu, từ xây dựng nội dung phương pháp thay đổi mặt hình học (hình dạng kích thước) nhằm nâng cao giới hạn mỏi số hình học mẫu có dạng trụ trịn Từ nhận định sở lý thuyết mỏi nguồn gốc trình phá hủy mỏi: thay đổi mặt hình học mẫu nguyên nhân làm thay đổi đồng trường ứng suất phân bố tiết máy chịu tải vị trí có gián đoạn hình học hay thay đổi đột ngột tiết diện (gây tập trung ứng suất) Ở vị trí này, dễ hình thành phát triển vết nứt tế vi, cuối gây phá hủy cấu trúc chịu tải vậy, luận án cố gắng vận dụng khảo sát phân bố ứng suất lượng bên mẫu, từ đề xuất qui luật thiết kế mặt hình học nhằm làm hạn chế tập trung ứng suất MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN… …… … …………………………………………………… I TÓM TẮT LUẬN VĂN … … ……………………………………………… II MỤC LỤC …….………… …………………………………… …… …….III Chương một: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ MỎI 1.1 Giới thiệu……………….………………… ……………………………… 1.2 Những vấn đề nghiên cứu tượng mỏi……………………… 1.3 Nội dung mục tiêu đề tài…………………………………………… 1.4 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………….….7 1.5 Phạm vi nghiên cứu….……………………………………………………….7 Chương hai: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MỎI 2.1 Đường cong mỏi……………………………………………………………… 2 Những đặc trưng chu kỳ ứng suất……………………………………… 2.3 Những tiêu phá hủy mỏi………………………………………………….11 2.4 Phương trình đồng dạng phá hủy mỏi ………………………………………14 2.5 Qui luật tuyến tính tích lũy tổn thất mỏi …………………………………… 15 2.6 Sự gián đoạn đường cong mỏi ………………………………………….16 2.7 Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ bền mỏi ………………………… 17 2.8 Cơ chế phá hủy mỏi ………………………………………………………….21 2.9 Kết luận …………………………………………………………………… 26 Chương ba: CƠ HỌC PHÁ HỦY MỎI 3.1 Các dạng phá hủy ……………………………………………………………28 3.2 Cơ học phá hủy ………………………………………………………………29 3.3 Sự tăng trưởng vết nứt mỏi ………………………………………………….32 3.4 Bài toán phẳng đàn hồi tuyến tính ………………………………………… 35 3.5 Kích thước miền dẻo ứng suất tĩnh …………………………………… 43 3.6 Kích thước miền dẻo ứng suất thay đổi ………………….……………46 3.7 Sự phân nhánh vết nứt dẻo ……………………………….……………48 3.8 Kết luận ………………………………………………………….………….51 Chương bốn: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG KÍCH THƯỚC VÀ HÌNH DẠNG ĐẾN SỰ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT 4.1 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………….… 54 4.2 Cơng cụ phân tích ……………………………………………………………54 4.3 Bài tốn kiểm tra tính tin cậy phương pháp nghiên cứu ……………… 57 4.4 Thí nghiệm ………………………………………………………………… 61 4.5 Kết luận …………………………………………………………………… 68 Chương năm: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Quan hệ hình dạng kích thước đến hệ số tập trung ứng suất ……… 70 5.2 Những kết cấu đề nghị ……………………………………………………….75 5.3 Tính toán tập trung ứng suất …………………………………………… 78 5.4 Tính hệ số tập trung ứng suất mẫu có yếu tố gây tập trung ứng suất có dạng hình học phức tạp ……………………………………………………….… 79 5.6 Một số nhận xét quan hệ hệ số tập trung ứng suất lý thuyết hệ số tập trung ứng suất mỏi ………………………………………………………………81 5.7 Kiểm nghiệm hệ số tập trung ứng suất mỏi ……………………………… 86 5.8 Kết luận …………………………………………………………………… 89 Kết luận phương hướng phát triển đề tài Kết luận luận án ………………………………………………………… 90 Phương hứớng phát triển đề tài ……………………………………………….92 Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ MỎI 1.1 Giới thiệu Hiện tượng mỏi tượng đặc trưng chi tiết bị phá hủy tác động ứng suất thay đổi theo thời gian-là ứng suất biến đổi theo thời gian có qui luật, lặp lại tuần hoàn nhiều lần, thường dẫn đến phá hủy ứng suất thấp giới hạn bền kéo tĩnh Ứng suất thay đổi theo thời gian kiểu hình sin dẫn đến hỏng hóc mỏi có dạng sau [1,2]: σ = σ a sin (ωt ) (1.1) đó: σ a biên độ ứng suất Theo kết thống kê hư hỏng chi tiết máy cho thấy có khoảng 80% tiết máy hỏng hóc mỏi [2,4,10] Do vậy, tượng mỏi với chất, qui luật chế nội dung nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Việt Nam Nhiều cơng trình nghiên cứu tỉ mỉ cơng bố có hiệu thiết thực q trình can thiệp vào kết cấu nhằm tăng bền Tuy nhiên nhiều vấn đề chưa giải việc xác định xác tuổi bền kết cấu, mơ tả dự báo xác mức độ ảnh hưởng liên hệ phức tạp yếu tố làm ảnh hưởng đến độ bền mỏi chi tiết máy… Chính vậy, lĩnh vực khoa học nghiên cứu tiếp tục phức tạp vốn có Hiện tượng mỏi q trình tích lũy phá hỏng thân vật liệu Ứng suất thay đổi làm xuất vết nứt mỏi, sau vết nứt mỏi phát triển dẫn đến phá hủy vật liệu[1] Sự phá hủy gọi phá hủy mỏi [1,2] Xem xét cấu trúc vùng gãy vỡ tiết máy bị phá hủy mỏi, người ta nhận thấy có ba vùng [1]: 10 vùng ảnh hưởng ứng suất vết nứt khác Trong tường hợp đó, q trình tính tốn ứng suất tiến hành cho yếu tố gây tập trung ứng suất, kết kết chồng chất ảnh hưởng hai (hay nhiều) yếu tố Hình 5.18, trình bày trường hợp đơn giản cấu trúc yếu tố gây tập trung ứng suất Trong đó, có vết nứt nằm đỉnh vết nứt khác Để tính tốn hệ số tập trung ứng suất trường hợp này, gọi Kt hệ số tập trung ứng suất ứng với vết nứt lớn, σ n ứng suất trung bình tác dụng lên vật thể Như vậy, ứng suất đỉnh vết nứt lớn σ ' n tỉ lệ với ứng suất trung bình hệ số tập trung ứng suất lý thuyết trường hợp này: σ n' = Kt1σ n (5.10) Nếu cho giá trị ứng suất σ ' n diện toàn khu vực đánh dấu đường nét đứt gần khu vực ảnh hưởng vết nứt lớn hình 5.18a σ ' n trở thành giá trị ứng suất trung bình vùng ảnh hưởng vết nứt nhỏ Điều hoàn tồn chấp nhận kích thước vết nứt nhỏ nằm vùng tác dụng ứng suất có giá trị σ ' n Bước xác định hệ số tập trung ứng suất Kt ứng với ảnh hưởng vết nứt nhỏ, nhân tiếp với giá trị ứng suất trung bình σ ' n , thu giá trị ứng suất thực đỉnh vết nứt Tức là: σ thực = Kt 2σ n' (5.11) Hình 5.18 Ảnh hưởng tập trung ứng suất mẫu có yếu tố gây tập trung ứng suất có dạng hình học phức tạp Từ phương trình 5.10 phương trình 5.11, suy ra: 89 σ thực = Kt 1Kt 2σ n (5.12) Như vậy, hệ số tập trung ứng suất lý thuyết tổng hợp trường hợp kể tới ứng xử hai vết nứt tích số hai hệ số tập trung ứng suất lý thuyết thànnh phần, tức là: Ktc = Kt1 Kt (5.13) Cuối tính toán trị số hệ số tập trung ứng suất mỏi theo phương trình 5.12 cách thay Ktc cho Kt Nếu vết nứt nhỏ tiếp tục mở rộng hướng đường nét đứt hình 5.18a, giá trị Ktc nhỏ giá trị tích số Kt Kt Kết tính kiểm tra lại cách phân tích ứng suất theo phương pháp phần tử hữu hạn Trong trường hợp này, để ước lượng chiều sâu tác dụng ứng suất trung bình σ ' n , sử dụng phương trình 5.10 Một phương pháp khác để đánh giá giá trị giới hạn hệ số tập trung ứng suất tổng hợp Ktc minh hoạ hình 5.18b đó, vết nứt hình 5.18a thay vùng gạch sọc hình 5.18b, vùng có vết nứt hẹp sâu hết chiều sâu vết nứt nhỏ Với cấu trúc vết nứt vậy, hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ứng với trường hợp ln ln có giá trị lớn giá trị ứng suất tổng hợp trường hợp tính vết nứt có dạng hình học phức tạp 5.6 Một số nhận xét quan hệ hệ số tập trung ứng suất lý thuyết hệ số tập trung ứng suất mỏi - Không giống hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Kt , hệ số tập trung ứng suất mỏi K f hàm số phụ thuộc vào vật liệu cấu trúc dạng hình học chế độ tải trọng tác dụng lên Nhằm xét đến ảnh hưởng vật liệu, người ta đưa số độ nhạy q định nghĩa sở lý thuyết đàn hồi sau: 90 q= Kf −1 Kt − (5.14) đó: + Kf - hệ số tập trung ứng suất mỏi; + Kt- hệ số tập trung ứng suất lý thuyết; + q- giá trị độ nhạy vết nứt mỏi chu kỳ mỏi dài hạn ( ) Trong phương trình xác định q (5.14), hai đại lượng K f − ; (K t − 1) tử số mẫu số phạm vi dãy giá trị q từ không (0) ứng với trường hợp khơng có yếu tố gây tập trung ứng suất đơn vị ứng với trường hợp kể tới tác động yếu tố tập trung ứng suất Nghĩa là: kể tới tác động yếu tố tập trung ứng suất K f tương đương với Kt Qua đó, cơng thức xác định trị số độ nhạy hàm hai yếu tố: vật liệu cấu tạo nên vật thể hình học mẫu-bán kính đỉnh vết nứt - Trong nhiều thập kỷ, người ta khẳng định giá trị hệ số tập trung ứng suất mỏi nhỏ giá trị hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Tuy nhiên, theo nhiều kết nghiên cứu thực nhiệm gần đây, đặc biệt với vật liệu cứng có tổ chức hạt nhỏ qua nhiệt luyện, tổ chức hợp kim nhơm tơi hay thường hố vật liệu này, giá trị độ nhạy vật liệu q đóng kín Do đó, xu hướng sử dụng quan hệ cân K f = Kt ngày nhiều lý an tồn Tuy nhiên, biểu thức trường hợp đơn giản bỏ qua yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến tác động vết nứt sau số nhận xét tầm quan trọng số độ nhạy q: a Trong số trường hợp, vật liệu hợp kim có đặc tính tốt, chịu ứng suất thay đổi khơng tìm khác biệt giá trị giới hạn mỏi so sánh với thép bon bình thường có khác trị số độ nhạy vết nứt mỏi 91 b Có xu hướng đánh giá không ảnh hưởng khuyết tật mạng tinh thể lỗ hổng hay tạp chất không thừa nhận có tồn khái niệm độ nhạy q c Với mơ hình mẫu lớn, liên kết học liên kết nguyên tử có vai trị đáng kể đến sức bền cấu trúc, kết tính tốn gặp phải sai số nghiêm trọng không sử dụng độ nhạy q tính tốn d Trong tốn thiết kế tối ưu, độ xác kết khơng đả m bảo khơng xem xét ảnh hưởng giá trị độ nhạy vết nứt mỏi Công thức xác định trị số độ nhạy vật liệu sau: q= 1 + ρ' / r (5.15) đó: + r - bán kính đỉnh vết nứt; + ρ ' - số vật liệu (liên quan đến kích thước hạt vật liệu) - Phương trình 5.15 mối quan hệ giá trị độ nhạy q hai thông số vật lý vật thể lại vật liệu hình học mẫu trạng thái phá hủy (bán kính đỉnh vết nứt) Trong phương trình này, rõ ràng độ nhạy q không phụ thuộc vào giá trị hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Kt Điều có nghiã ảnh hưởng q độc lập với sức bền mỏi vật thể Do đó, tính tốn khơng nên loại trừ ảnh hưởng tuổi thọ cấu trúc - q xem thơng số để độ dốc ứng suất vùng đỉnh vết nứt Độ xác phương trình 5.15 tốt hầu hết ứng dụng nên dùng thông dụng Từ phương trình 5.14 phương trình 5.15, ta có quan hệ: 92 Kf = 1+ Kt − 1 + ρ' / r (5.16) Toán đồ cho phép xác định giá trị số ρ ' Neuber xây dựng hình 5.19 Qui định trị số ρ ' tương ứng với tải trọng tác dụng lên mẫu có yếu tố gây tập trung ứng suất[8]: Cường độ ứng suất 1000Mpa Hình 5.19 Đồ thị quan hệ số vật liệu ρ ' cường độ ứng suất - Tóm lại, quan hệ hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Kt , hệ số tập trung ứng suất mỏi K f số độ nhạy vật liệu sau: K f = q(Kt − 1) + (5.17) - Các hệ tập trung ứng suất lý thuyết K t xác định sở số liệu thực nghiệm trình bày hình từ 5.1 đến hình 5.6 Giá trị độ nhạy cuả vật liệu tính ứng với vật liệu thích hợp theo phương trình 5.15 cách sử dụng tốn đồ mô tả giá trị cuả số vật liệu ρ' hình 5.19 - Khi trạng thái ứng suất vật liệu ứng suất đơn, nên sử dụng khái niệm hệ số tập trung ứng suất mỏi K f như ý nghĩa hệ số giảm cường độ ứng suất Do đó, thay tính tốn giá trị ứng suất trung bình phải nhân với K f người ta lại chia cho K f Sự ước lượng tương đương làm rõ ý nghĩa hệ số tập trung ứng 93 suất K f Tuy nhiên, trường hợp ứng suất phức tạp, K f phải hiểu hệ số tập trung ứng suất mỏi giá trị ước lượng tương đương hệ số giảm cường độ ứng suất khơng xác định - Hệ số tập trung ứng suất mỏi (hoặc hệ số giảm cường độ ứng suất) xác định từ phương trình 5.17 áp dụng để tính với chu kỳ mỏi dài hạn (ứng với số chu kỳ từ 105 đến 106) Nguyên nhân với vật liệu dẻo, dễ biến dạng, điều kiện tải trọng tĩnh ảnh hưởng tập trung ứng suất thường không đáng kể Như vậy, phạm vi từ giới hạn mỏi ngắn hạn (và miền tải tĩnh) đến số chu kỳ từ 105 đến 106 hệ số tập trung ứng suất mỏi thay đổi từ đến K f minh họa hình 5.21 Trong đó, đường cong mỏi ứng với trường hợp có tập trung ứng suất khơng có tập trung ứng suất gặp điểm A-nằm miền có số vịng quay thấp - Nhiều loại vật liệu có giá trị hệ số tập trung ứng suất mỏi gần từ chu kỳ 103 chu kỳ Việc xác định giá trị hệ số tập trung ứng suất mỏi tốt tiến hành cách dựng hai đường thẳng biểu đồ bán loga S-N qua điểm đầu chu kỳ (theo đường cong mỏi ứng với mẫu khơng có tập trung ứng suất) điểm cuối 106 chu kỳ giới hạn miền giá trị K f , đường thẳng hình 5.20 Hình 5.20 Đường cong S-N ứng với trường hợp có tập trung ứng suất khơng có tập trung ứng suất mẫu chịu tải mỏi dọc trục 94 Hình 5.21: Qui luật thay đổi giá trị hệ số tập trung ứng suất mỏi K f ứng với số chu kỳ mỏi - Trong thí nghiệm nhằm xác định thông số giới hạn mỏi: với vật liệu dẻo hệ số tập trung ứng suất mỏi áp dụng thành phần ứng suất thay đổi không ổn định mà không áp dụng với thành phần ứng suất thay đổi ổn định với chu kỳ có ứng suất trung bình khác khơng Ngược lại, vật liệu dòn, hệ số tập trung ứng suất mỏi áp dụng thành phần ứng suất ổn định 5.7 Kiểm nghiệm hệ số tập trung ứng suất mỏi Bài toán kiểm nghiệm hệ số tập trung ứng suất mỏi tiến hành ứng với hình học mẫu tóan kiểm định phương pháp chương bốn (R2) Kết tính giá trị hệ số tập trung ứng suất mỏi phần mềm (bao gồm giá trị độ nhạy q) so sánh với giá trị tính tóan lý thuyết theo phương trình 5.17 để xem xét mức độ phù hợp 95 96 97 Hình 5.22 Các bước thực tốn tính mỏi Giá trị ứng suất lớn ứng suất thay đổ i xác định là: σ max = 110 ,12 Mpa Do đó, hệ số tập trung ứng suất mỏi trường hợp có giá trị nhỏ giá trị hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Điều phù hợp với nhận xét 5.8 Kết luận Kết tính tốn khảo sát phản ánh phần mối quan hệ tương hổ yếu tố hình dạng kích thước với độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn (ở chủ yếu xem xét ảnh hưởng hình dạng kích thước đến mức độ tập trung ứng suất hình học mẫu chịu tải trọng) Từ đưa phương án làm giảm tập trung ứng sưất để nâng cao giới hạn mỏi 98 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận luận án - Kích thước hình dạng hình học có vai trị định lớn mức độ ảnh hưởng tập trung ứng suất - Dạng chất tải tập trung ứng suất có ảnh hưởng lớn đến phân bố diện tích vùng bề mặt phá hủy mỏi vật thể - Vết nứt phát triển giai đoạn đầu mặt trượt có ứng suất xê dịch lớn nhất, nghiêng góc 450 so với ngoại lực; giai đoạn sau vng góc với ứng suất pháp - Các vết nứt sở vật liệu dù dòn hay dẻo phát triển lệch hướng so với hướng có ứng suất tập trung lớn đỉnh vết nứt ảnh hưởng yếu tố ứng suất nhiều chiều vùng đỉnh vết nứt, cấu trúc tinh thể biên giới hạt Chế độ tải trọng, biên độ ứng suất tần số chu kỳ ứng suất gây ảnh hưởng đáng kể đến trình tăng trưởng vết nứt mỏi Cụ thể sau: đỉnh vết nứt nơi tập trung ứng suất mức cao, phân bố theo qui luật phi tuyến tuỳ thuộc vào trạng thái ứng suất phân tố vật liệu đỉnh vết nứt (chủ yếu biên độ thay đổi tải trọng max tải trọng min); trình tăng trưởng vết nứt, lượng đỉnh ln có xu hướng trở trạng thái cân Do đó, trường hợp này, phân tố vật liệu vùng chịu ứng suất yếu (liên kết học liên kết phân tử với phân tố lân cận nhất) bị trượt hay phá chẻ (theo trạng thái phá huỷ I hay II) tuỳ vào phương vùng đỉnh ứng suất đỉnh vết nứt - Trong phạm vi cục vùng ứng suất cao, hệ số cường độ ứng suất đỉnh vết nứt quan hệ mật thiết đến phát triển phân nhánh vết nứt vùng Tuỳ thuộc vào phương vết nứt, đường bao vùng ứng suất đỉnh vết nứt ứng với số chu kỳ sở khác có phương mặt phẳng phá hủy tạo điều kiện cho liên tục chịu tác động ứng suất 99 vùng đỉnh vết nứt phân tố vật liệu, từ làm giảm khả liên kết chúng dẫn đến phá hủy lệch mạng hay tượng dão-làm tăng tốc độ trình phá hủy hay làm chậm lại đường bao vùng ứng suất đỉnh vết nứt có phương khác mặt phẳng phá hủy Và đến gần đỉnh vết nứt, trình tiến triển nhanh hơn, khó kiểm sốt khó dự đốn tương đồng mặt lượng phân tố vật liệu - Trong trường hợp phân tố vật liệu chịu trạng thái ứng suất phức tạp, điểm bắt đầu vết nứt nằm vùng đỉnh vết nứt - Năng lượng phá hủy dẻo không bề mặt mặt nứt Do đó, vùng lân cận đỉnh vết nứt vừa tạo cịn lượng tích lũy đó, phần lượng có xu hướng chuyển dịch bề mặt nhằm trở trạng thái cân kéo theo biến đổi trạng thái ứng suất phân tố vật liệu Vì vậy, gây kích thích cho việc hình thành mầm phá hủy bề mặt mặt nứt - Các vết nứt phát triển theo hướng có lợi mặt lượng Có nghĩa là, phát triển tiếp vùng có ứng suất cao lân cận vị trí có ứng suất giới hạn - Bề mặt vết nứt khơng có ứng suất, phân bố ứng suất tập trung chủ yếu đầu nhọn vết nứt, biến dạng khác xa (kể từ vùng đó) ngoại lực ảnh hưởng đến cường độ ứng suất trường suất suất cục - Đối với vật thể chịu tải trọng thay đổi theo thời gian, bên vật thể tồn khuyết tật có kích thước tế vi (do công nghệ chế tạo gây hay khuyết tật mạng tinh thể) việc gia tăng kích thước bao vật thể khơng có tác dụng vấn đề tăng giới hạn bền mỏi Trong trường hợp này, vết nứt ban đầu xuất từ bên bề mặt vật thể phát triển dần đến phá hủy cấu trúc hoàn toàn - Đối với vật thể chịu tải trọng thay đổi theo thời gian, bên vật thể không tồn khuyết tật có kích thước tế vi việc ứng suất sinh vật thể chịu tải có phổ rộng, việc thay đổi kích thước hình dáng vị trí 100 gây tập trung ứng suất có ảnh hưởng quan trọng (làm tăng hay giảm rõ rệt) độ bền mỏi vật thể Trong trường hợp này, vết nứt ban đầu xuất từ bên bề mặt vật thể phát triển dần đến phá hủy cấu trúc hoàn toàn - Kết tính tốn khảo sát phản ánh phần mối quan hệ tương hổ yếu tố hình dạng kích thước với độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn (ở chủ yếu xem xét ảnh hưởng hình dạng kích thước đến mức độ tập trung ứng suất hình học mẫu chịu ứng suất) Phương hứớng phát triển đề tài - Nội dung đề tài khảo sát tính tốn sở ràng buộc nhiều thành phần Trong tương lai, có điều kiện nghiên cứu sâu hơn, luận án cố gắng lọai bỏ bớt ràng buộc để mối quan hệ chúng xem xét nhiều chiều làm cho kết tình tóan xác Ngòai ra, việc tiến hành thực nghiệm kiểm chứng cần thiết để kiểm nghiệm lại nhận định kluận án vấn đề mỏi - Việc nghiên cứu ảnh hưởng hai yếu tố hình dạng kích thước đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn chưa đủ, việc nghiên cứu mở rộng cho nhiều đối tượng có cấu trúc hình học khác cần thiết quan trọng khơng Cho nên, có điều kiện nghiên cứu thêm, vấn đề cần tiến hành sớm 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Văn Quyết, Cơ sở Lý Thuyết Mỏi, NXB Giáo Dục, 2000 [2] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ Sở Thiết Kế Máy, NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM 2004 [3] Lê Công Dưỡng, Vật Liệu Học, NXB KHKT 1998 [4] Nguyễn Trường Thanh, Lý Thuyết Biến Dạng Dẻo, NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM 2004 [5] Phan Tấn Tùng, Phương Pháp Thử Mỏi Nhanh, Luận Án Thạc Sỹ Chuyên Ngành Chế Tạo Máy, 1995 [6] S Suresh, Cambridge, Fatigue Of Materials, University Press, 2002 [7] Jack A Collins, Failure Of Materials In Machanical Design, The Ohio State University Columbus, OH, 2003 [8] Mark B.Moore, Principles Of Experimental Stress Analysis, Prentice-Hall, INC, 1954 [9] Phan Văn Khơi, Tuổi Thọ Mỏi Của Kết Cấu Thép Ngịai Biển, NXB KHKT H Nội, 1997 [10] www.Ansys.com [11] Mirko Klesnil Fetr Luka’s , Fatigue Of Metallic Materials, Prague, Academia, 1980 [12] Sines.G and Waisman J.L, Fatigue of Materials, McGraw-Hill, NewYork, 1959 102 [13] Peterson, R.E, , John Wiley & Sons , Coefficient of Concentrate Stress, New York, 1974 [14] A.F Madayag, John Wiley & Sons, Metal of Fatigue: Theory and Design, Inc., 1969 [15] William D Callister, Jr., John Wiley & Sons, Materials Science and Engineering, An Introduction 3rd Edition, Inc., 1994 [16] N.E Dowling and R.A Simonds, Mechanical Behavior of Materials Laboratory, University Printing Service, 1995 [17] United States Air Force, Navy, and Army, Aircraft Accident and Incident Synopses Related to Corrosion, Fretting, and Fatigue, obtained June-August 1994 [18] Hoeppner, D.W., and Chandrasekaran, V., Corrosion and Corrosion Fatigue Predictive Modeling, FASIDE report to NCI Information Systems, Fairborn, OH, 1998 [19] J.E Shgley, C.R.Mischke, Mechancal Enginneering Desgn, Mcgraw-Hill, 1989 [20] W.Weibull, Fatigue Testing and Analysys of Results, Pergamon Press, 1961 103 ... Phân tích chế phá hủy mỏi mẫu  Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn  Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ tròn III NGÀY GIAO NHIỆM... TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC ĐẾN ĐỘ BỀN MỎI CỦA CHI TIẾT DẠNG TRỤ TRÒN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu  Cơ sở lý thuyết mỏi  Phân tích... tục nghiên cứu vấn đề mỏi cần thiết đáng quan tâm Do vậy, nội dung luận án tập trung nghiên cứu phần nhỏ vấn đề mỏi -nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng kích thước đến độ bền mỏi chi tiết dạng trụ