Nghiên cứu sức bền mỏi của vật liệu thép C45 trước và sau khi tôi cứng

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu sức bền mỏi vật liệu thép C45 trước sau cứng Studying the fatigue strength of C45 steel material before and after quenching Trương Chí Cơng*, Nguyễn Văn Thắng, Trần Thị Thu Thủy, Khuất Đức Dương, Nyianou Blongher Khoa Cơ khí, Trường Đại học Cơng nghiệp Hà Nội * Email: truongchicong@haui.edu.vn Số điện thoại: 0868453639 Tóm tắt Từ khóa: Sức bền mỏi; Thép C45; Trục tâm; Tơi cứng; Uốn điểm; Nội dung báo trình bày kết nghiên cứu sức bền mỏi vật liệu thép C45 dạng trục tâm trước sau cứng, thực máy thí nghiệm dựa nguyên lý uốn điểm, kết thí nghiệm xác định đường cong mỏi vật liệu thép C45 trước sau cứng thảo luận Kết nghiên cứu giúp nhà thiết kế tham khảo để xác định xác độ bền mỏi thép C45 trước sau ứng dụng tính tồn thiết kế khí có sử dụng vật liệu Abstract Keywords: C45 steel; Fatigue strength; mandrel; Quenching; Two - points bending The article presents the results of the fatigue strength study of C45 steel material mandrel type before and after quenching, which was performed on the experimental machine based on the principle of two-points bending, experimental results determined the fatigue curve of C45 steel material before and after quenching will be discussed The research results help designers accurately refer the fatigue strength of C45 steel before and after quenching in applied mechanical design using this material Ngày nhận bài: 16/8/2018 Ngày nhận sửa: 10/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Nhiều chi tiết máy dạng trục chịu mô men uốn chịu mô men xoắn nhỏ Các chi tiết thường gặp cấu trục đỡ bánh trung gian truyền chuyển động Hoạt động sau thời gian định, chi tiết xuất hiện tượng mỏi chịu tác động mô men uốn đảo chiều liên tục Hiện tượng mỏi thực chất tượng mỏi vật liệu dùng làm chi tiết máy dạng trục tâm Do nghiên cứu tìm giới hạn mỏi chi tiết máy dạng cần thiết cho trình tu, bảo trì, bảo dưỡng Các nhà khoa học giới nói chung, nhà khoa học Việt Nam nói riêng tiếp tục nghiên cứu dạng mỏi Tuy nhiên, xem thành cơng bước đầu chế trình phát HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 sinh phát triển mỏi chưa hoàn toàn sáng tỏ mối quan tâm nhiều người Vấn đề nghiên cứu tượng mỏi chi tiết khí dạng trục tâm loại vật liệu cụ thể thật chưa đầy đủ Trong lĩnh vực học phá hủy, công việc nhà thiết kế cần tính tốn, đảm bảo tuổi thọ chi tiết làm việc tin cậy khoảng thời gian định Trong thực tế, chi tiết máy bị phá hủy mỏi ứng suất phát sinh nhỏ nhiều so với ứng suất giới hạn lý thuyết Vì thử nghiệm để kiểm tra độ bền mỏi uốn thực tế trục tâm để từ vẽ biểu đồ đường cong mỏi vật liệu có ý nghĩa quan trọng Các thí nghiệm độ bền mỏi dạng trục tâm thường tiến hành máy dựa nguyên lý uốn ba điểm dầm có mút thừa, dựa nguyên lý uốn bốn điểm dầm đơn giản , dựa nguyên lý uốn hai điểm dầm cơng - xơn Trong báo cáo trình bày tóm tắt nghiên cứu sức bền mỏi vật liệu thép C45 dạng trục tâm trước sau cứng thực mơ hình máy thí nghiệm dựa nguyên lý uốn điểm, kết thí nghiệm xác định đường cong mỏi vật liệu thép C45 trước sau cứng thảo luận HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 2.1 Nguyên lý máy thí nghiệm bền mỏi uốn dạng trục tâm C D E P3 B H AG O P2 P1 P 1: Động servo điều khiển; 2: Ổ đỡ chặn; 3: Kẹp mẫu trái phải; 4: Mẫu thí nghiệm; 5: Ổ tự lựa (không cản xoay phương); 6: Thanh liên kết ;7: Cánh tay đòn; 8: Con trượt; 9: Tải Hình Ngun lý máy thí nghiệm bền mỏi 2.2 Máy thí nghiệm Hình Máy thí nghiệm độ bền mỏi uốn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Máy thí nghiệm máy máy thí nghiệm kiểm tra độ bền mỏi uốn dựa nguyên lý uốn điểm, sử dụng động Servo điều chỉnh tốc độ quay trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (Hình 2) Độ tin cậy máy so sánh, chuẩn hóa nghiệm thu theo đề án cấp trường Đại học Công nghiệp Hà Nội năm 2015 2.3 Vật liệu thí nghiệm mẫu thí nghiệm + Vật liệu thí nghiệm thép c45 cacbon trung bình thuộc nhóm thép hóa tốt chế độ nhiệt luyện cao thường sử dụng phổ biến chế tạo loại trục, bánh răng… Thành phần hóa học mẫu thép thí nghiệm bảng Bảng Thành phần hóa học mẫu thép C45 theo TCVN 1766:1975 Thành phần hóa học Tỷ lệ nguyên tố Thành phần hóa học Tỷ lệ nguyên tố C 0,42-0,50 Mo max 0,10 Si max 0,40 Ni max 0,40 Mn 0,50-0,80 Cr+Mo+Ni max 0,63 P max 0,045 S max 0,045 Cr max 0,40 + Mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 1766:1975 làm thép C45 có thơng số kích thước bảng Bảng Bảng thơng số kích thước mẫu thí nghiệm d (mm) 7,5 R (mm) 50 D (mm) 16 Hình Mẫu thí nghiệm a) Chưa tơi cứng thể tích b) Đã tơi cứng thể tích Hình Mẫu thép C45 trước thí nghiệm l (mm) 150 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 a) Chưa tơi cứng thể tích b) Đã tơi cứng thể tích Hình Mẫu thép C45 sau thí nghiệm + Độ cứng mẫu thí nghiệm trước đạt độ cứng HRC = 23  25, sau tơi thể tích đạt độ cứng HRC = 40,8 55,3 kiểm tra máy đo độ cứng Galileo durometria Ergotest (Hình 6) Hình Máy kiểm tra độ cứng Galileo durometria Ergotest THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH SỐ CHU KỲ ỨNG VỚI ĐỘ BỀN MỎI CỦA MẪU CHI TIẾT Các chi tiết làm việc điều kiện ứng suất lặp lại theo chu kỳ Bên chi tiết, vị trí chịu lực xuất vết nứt tế vi, chúng phát triển đến mức phá hủy chi tiết máy Dựa sở đó, ta nghiên cứu mỏi chi tiết máy phương pháp uốn đảo chiều, chi tiết máy bị uốn phía liên tục khoảng thời gian kiểm tra độ bền mỏi Theo sơ đồ ngun lý máy thí nghiệm bền mỏi (hình 1) máy thực tế (hình 2) ta có độ dài đo máy thực tế: CD = 270 mm, CE = 100 mm, BD = 339 mm Trọng lượng chi tiết máy sau tính tốn, thu gọn P1, P2, P3 đặt G, H E với OG = 169 mm, P1 = 3,6297 N ; P2 = 17,56 N ; P3 = 21,095 N Từ thông số thực tế máy thí nghiệm, sau tính tốn ta xác định ứng suất mặt cắt nhỏ mẫu thí nghiệm theo cơng thức (1): HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 OA   27,19  (1,  mta ).9,81   270 M x Q.CD  399   σ=  0,1.7,53 Wx 0,1.d (1) Lực Q thay đổi thay đổi OA khoảng cách ta điều chỉnh mtạ (kg) khối lượng tạ ta đặt lên giá đỡ Sau mẫu phá hủy, số vịng quay N tính tích tốc độ quay động (vịng/phút) với thời gian thực nghiệm (từ lúc bắt đầu thí nghiệm đến mẫu bị phá hủy) 3.1 Điều kiện giả thiết thí nghiệm Thí nghiệm thiết kế với điều kiện sau: + Trục tâm chịu uốn đảo chiều tác dụng lực không đổi tốc độ quay trục tâm không đổi (Q, v khơng đổi) trường hợp thí nghiệm + Nhiệt độ mơi trường ổn định suốt q trình thí nghiệm +Dao động cộng hưởng khử qua kết cấu mang tải thí nghiệm cảnh báo khơng nằm vùng 3.2 Các bước thí nghiệm (1) Kiểm tra thiết bị; (2) Vệ sinh thiết bị; (3) Chạy thử thiết bị; (4) Đánh số mẫu thử; (5) Đo ghi lại kích thước mẫu thử; (6) Khởi động thiết bị có tải; (7) Kẹp mẫu thử vào ngàm kẹp; (8) Khi mẫu thử bị phá hủy, cho ngừng máy; (9) Thu thập xử lý số liệu Số liệu cần thu thập số chu kỳ N số vịng quay mẫu thử (số vịng/giây) tính đến thời điểm mẫu bị phá hủy, đo encoder, hiển thị phần mềm ứng suất σ tính theo cơng thức (1) 3.3 Số thí nghiệm Số thí nghiệm 18 Trong nghiên cứu xét thí nghiệm tương ứng cho mẫu thép C45 trước tơi cứng xét mẫu thí nghiệm tương ứng mẫu thép C45 sau cứng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết thí nghiệm trường hợp trình bày bảng 3, hình 5, Bảng Kết thí nghiệm mẫu từ đến trường hợp thép C45 trước tơi cứng Mẫu thí nghiệm mtạ (kg) OA(mm)  (N/mm2) N(vòng) 5 1 320 320 320 320 256 320 320 320 160 681.8492723 622.5841395 563.3190068 504.0538741 385.5236086 326.2584759 266.9933431 424.8400977 187.4891676 3700 1100 13500 20500 33000 130000 190000 54000 120000 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Kết thí nghiệm mẫu từ 10 đến 18 trường hợp thép C45 sau cứng Mẫu thí nghiệm mtạ (kg) OA(mm)  (N/mm2) N(vịng) 10 320 326.2584759 2100000 11 320 385.5236086 910000 12 3,5 320 415.156175 490000 13 320 444.7887413 99000 14 256 424.8400977 97500 15 320 504.0538741 86600 16 320 563.3190068 32600 17 320 622.5841395 18000 18 320 681.8492723 9300 Hình Đồ thị đường cong mỏi (-N) thép C45 trước tơi Hình Đồ thị đường cong mỏi (-N) thép C45 sau HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong báo ta nghiên cứu mỏi vật liệu phương pháp uốn đảo chiều, mẫu thí nghiệm dạng trục tâm bị uốn phía liên tục khoảng thời gian kiểm tra độ bền mỏi Q trình thí nghiệm ta thay đổi tải cách thay đổi thông số khối lượng cân nặng khoảng cách cánh tay đòn OA Kết thực nghiệm cho thấy đường cong mỏi thép C45 trước tơi hồn tồn phù hợp với nghiên cứu [5] Mẫu 2, 11 12 không tuân theo quy luật (Hiện tượng nhiễu thực nghiệm) Điều lý giải vật liệu làm mẫu không đồng tồn khuyết tật Kết thí nghiệm với thép C45 sau tơi ngồi độ cứng tăng lên độ bền mỏi tăng lên rõ rệt Điều cho thấy khả chịu mỏi thép C45 sau tốt thép C45 trước tôi, điều phù hợp với thực tế làm tài liệu tham khảo để xác định xác độ bền mỏi thép C45 trước sau tơi ứng dụng tính tồn thiết kế khí có sử dụng vật liệu Hướng phát triển nghiên cứu xét cho nhiều loại vật liệu đặc biệt khác làm việc điều kiện nhiệt độ khác nghiên cứu độ bền mỏi thep bon với điều kiện khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Văn Quyết, 2000 Cơ sở lý thuyết mỏi NXB Giáo dục, Hà Nội [2] Phạm Lê Tiến, 2011 Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi tuổi thọ mỏi khung giá chuyển hướng trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng đường sắt Việt Nam 2011, Luận án tiến sĩ, Đại học Giao thông vận tải [3] Ngô Văn Quyết, Trần Xuân Khái, 2002 Phương pháp tính độ bền mỏi bán trục cầu sau tơ, Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VII, 1820/12/2002, Tập III, Cơ học vật rắn biết dạng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội , Hà Nội, 488 [4] Elements of Metallurgy and Engineering Alloys, 2008 ASM International, Materials Park, Ohio, USA [5] Przemysław Strzelecki PhD, Janusz Sempruch, Prof., 2016 Experimental method for plotting S-N curve with a small number of, Polish maritime research (92),Vol 23, 129-137  ... tắt nghiên cứu sức bền mỏi vật liệu thép C45 dạng trục tâm trước sau cứng thực mơ hình máy thí nghiệm dựa nguyên lý uốn điểm, kết thí nghiệm xác định đường cong mỏi vật liệu thép C45 trước sau cứng. .. lên độ bền mỏi tăng lên rõ rệt Điều cho thấy khả chịu mỏi thép C45 sau tốt thép C45 trước tôi, điều phù hợp với thực tế làm tài liệu tham khảo để xác định xác độ bền mỏi thép C45 trước sau tơi... đường cong mỏi (-N) thép C45 trước tơi Hình Đồ thị đường cong mỏi (-N) thép C45 sau HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong báo ta nghiên cứu mỏi vật liệu phương