2.3.3.1. Phân loại nứt gãy
Trong quá trình làm việc, các chi tiết của toa xe có thể có các dạng nứt gãy nh sau :
1. Nứt gãy khi chịu tải trọng một lần :
Trờng hợp này là do quá tải, xung kích lớn, chi tiết đợc thiết kế không hợp lý làm cho ứng suất phát sinh vợt quá giới hạn bền hoặc do đã có khuyết tật bên trong mà không kiểm tra phát hiện đợc.
2. Nứt gãy khi chịu tải trọng tĩnh lâu dài :
Mặc dù ứng suất phát sinh trong chi tiết nhỏ hơn giới hạn bền nhng chi tiết vẫn bị nứt gãy sau một thời gian dài làm việc. Có nhiều nguyên nhân nh: có tập trung ứng suất, có tác động làm xây sát mặt ngoài chi tiết, do khuyết tật bên trong kim loại hoặc trong quá trình làm việc ở những điều kiện khác nhau, cơ tính của vật liệu bị thay đổi, tiêu chuẩn chịu lực bị giảm đi hoặc có thể do ăn mòn kim loại của chi tiết dới tác dụng của các điều kiện khí quyển.
3. Nứt gãy mỏi :
Sau một thời gian làm việc, dới tác dụng của ứng suất thay đổi trong chi tiết xuất hiện các vết nứt nẻ mỏi.
Về mặt bản chất vật lý, sự phá huỷ của kim loại thể hiện bằng sự nứt gãy. Đó là quá trình phá huỷ mối liên kết trong mạng tinh thể làm cho các phần kim loại bị đứt rời ra. Khi chi tiết chịu ứng suất kéo lớn làm cho khoảng cách các nguyên tử v- ợt quá giới hạn cho phép làm mạng tinh thể bị phá huỷ: đứt.
Qua thực nghiệm ngời ta thấy rằng các vật liệu bị phá huỷ gắn liền với quá trình biến dạng dẻo. Bản thân trong vật liệu hình thành và kèm theo nó là sự phát triển các vết nứt tế vi.
Giải thích quá trình phá huỷ kim loại ngời ta hay dùng lý thuyết Drifith: Trong kim loại nếu ứng suất phát sinh vợt quá ứng suất tới hạn Driftith thì kim loại sẽ bị phá huỷ.
Giả sử trong kim loại phát sinh vết nứt elip có chiều dài 2c thì năng lợng phát sinh biến dạng đàn hồi. Khi vết nứt phát triển thì năng lợng đàn hồi xung quanh vết nứt giảm đi vì có một phần biến thành công để phá huỷ kim loại và làm tăng kích thớc của vết nứt. Đồng thời với quá trình đó thì năng lợng bề mặt vết nứt cũng tăng. Năng lợng đó bằng:
γs . S Trong đó:
γs - sức căng mặt ngoài của vết nứt. S - Diện tích xung quanh của vết nứt. Nếu coi S ≅4C thì γs.S = 4 γs.C.
Năng lợng đàn hồi tại vết nứt đợc tính: Udh = .C2. 2
Eπ σ
Với E – mô đuyn đàn hồi của vật liệu.
σ - ứng suất tác dụng vào vật liệu. Vết nứt chỉ có thể phát sinh khi : 4γ.C - Udh≠0
hay F (C) = 4 γ.C - .C2. 2 Eπ σ ≠ 0 Tức là: 0 dC df ≤ Hay 4 γ - .C2. 2 E 2π σ ≤ 0 Từ đây rút ra: σ≥ 2E.C. s π γ = σth ,
σth gọi là ứng suất tới hạn của vật liệu.
Sự tạo thành các vết nứt mỏi: Để giải thích điều này, lúc đầu ngời ta cho rằng sở dĩ có vết nứt là do vật liệu bị mỏi mệt. Nhng sau khi phân tích, đợc giải thích nh sau: khi chế tạo chi tiết máy, trong bản thân vật liệu do cấu tạo, do gia công cơ khí đã có những khuyết tật vi mô. Khi chịu lực thì tại đó phát sinh sự tập trung ứng suất và xuất hiện vùng biến dạng dẻo. Do ứng suất thay đổi tuần hoàn xuất hiện các vết nứt li ti ở trong vật thể và dần dần, do ứng suất thay đổi mà vết nứt phát triển ngày càng lớn lên. Hai mép của vết nứt va đập vào nhau, mài nhãn vết nứt cho đến khi mặt cắt ngang của chi tiết thu hẹp lại và không chịu mỗi tải trọng tác dụng làm cho chi tiết bị nữt gãy.
Bởi vậy, khi nhìn vào bề mặt nứt gãy sẽ thấy chia làm hai khu vực: Khu vực nứt mỏi chiếm diện tích chủ yếu trên mặt cắt, bề mặt nhẵn bóng, khu vực gãy còn lại thờng mặt kim loại thô to và có vết tích của biến dạng dẻo do gãy đột biến tạo nên.
2.3.3.3. Nguyên nhân nứt gãy các chi tiết toa xe
1. Do khuyết tật nội bộ trong chi tiết :
vừa đúng trong phạn vi mặt cắt nguy hiểm thì rất dễ làm cho ứng suất ở trong đó tăng lên vợt quá giới hạn mỏi , vì vậy rất dễ sinh ra nứt nẻ và lại những khuyết tật này nằm sâu trong kim loại rất khó phát hiện nên nó là loại khuyết tật nguy hiểm . có thể phân ra mấy trờng hợp sau :
+Trong chi tiết có vết tích của dạng rỗ, khí của các quá trình đúc, rèn gây ra. + Có vết nứt nội bộ trong chi tiết do quá trình cán, dập, rèn gây ra (do gia công áp lực). Nó xảy ra là do trong quá trình đốt nóng những nguyên tử hiđrô hoà tan trong vật liệu sẽ tách ra . ở lớp mặt ngoài cách mặt ngoài từ 8-11 mm vì hiđrô có thể khếch tán ra ngoài nên không gây ra nứt nẻ , nhng trong sâu nội bộ thì hiđrô từ dạng nguyên tử biến thành dạng phân tử nên gây ra áp lực lớn làm cho kim loại nứt ra .
+ Kẹp xỉ : trong quá trình luyện kim chất lợng nớc gang ra lò không tốt gây ra hiện tợng kẹp tro xỉ trong phôi hoặc trong chi tiết . Bởi vì tro xỉ là ngững vật sản dòn , cứng không có tính dẻo chịu tác dụng của ứng suất bên ngoài dễ sinh ra nứt nẻ và cũng trở thành những điểm khởi đầu cho ngững vết nứt mỏi phát triển sau này.
+ Bị mất than mặt ngoài : chủ yếu do quá trình đốt nóng chi tiết nhiều lần làm cho hàm lợng cacbon mặt ngoài giảm xuống làm cho giới hạn bền của kim loại giảm xuống đồng thời cũng làm cho giới hạn mỏi giảm , vì vậy khi chịu tải trọng dễ sinh ra nứt nẻ mỏi . Đặc biệt đối với lo xo , ứng suất mặt ngoài của nó rất lớn nên ảnh hởng do mất than mặt ngoài gây ra rất lớn
2. Do hình dạng và kích thớc không hợp lý
Chi tiết có nhiều bậc, nhiều rãnh lõm, chênh lệch đờng kính không hợp lý, … gây tập trung ứng suất. Thể hiện bằng hệ số tập trung ứng suất ασ:
ασ = 1 t σ σ Trong đó:
σt - ứng suất phát sinh thực tế đợc xác định bằng thí nghiệm.
σ1 - ứng suất do tính toán thiết kế.
Qua thí nghiệm đối với trục xe ngời ta thấy rằng đờng kính trục xe càng lớn thì giới hạn mỏi càng giảm.
d = 75 mm σ-1 = 23 KG/m2
d = 175 mm σ-1 = 12 KG/m2
3. Chất lợng bề mặt ngoài của chi tiết
Chất lợng gia công cơ giới mặt ngoài ảnh hởng trực tiếp đến sức bền mỏi của chi tiết . Chi tiết có độ bóng càng cao, giới hạn mỏi càng lớn. Ngoài ra phơng pháp gia công gây ra một lớp ứng suất nén trên bề mặt kim loại tức tạo ra một lớp cứng có tác dụng nâng cao giới hạn mỏi của chi tiết vì nó có khả năng làm cho vết nứt khó xuất hiện .
4. Do quá trình kim loại của chi tiết bị ăn mòn hoặc do bề mặt bị thơng tật. 5. Chất lợng của các mối hàn không tốt. Trong mối hàn xuất hiện các vết nứt hoặc kẹp xỉ.
6. Do quá trình vận dụng không bình thờng nh va đập, không đúng tính chất, bốc dỡ hàng hóa không đúng theo quy định.