Phần lớn các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong thực tế chịu ứng suất thay đổi theo thời gian. Thực tế chứng tỏ rằng các chi tiết máy này có thể bị phá hỏng khi chịu ứng suất có giá trị nhỏhơn nhiều so với ứng suất bền. Quan sát sự phá hủy của chi tiết khi chịu ứng suất thay đổi, người ta thấy quá trình phá hủy bắt đầu từ những vết nứt tế vi sinh ra từ vùng kết cấu chịu ứng suất tương đối lớn, khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần và chi tiết ngày càng bị yếu đi và cuối cùng xảy ra gãy hỏng chi tiết.
.
Hình 2.1. Một số hình ảnh về sự phá hủy mỏi
Chi tiết bị phá hủy do mỏi khi quan sát bề mặt vết gãy thấy rõ hai vùng: Vùng thứ nhất tương đối mịn, hạt nhỏ là vùng phát triển vết nứt mỏi. Vùng thứ hai ghồ ghề có hạt to hoặc có các thớ là vùng phá hủy do vế nứt vĩ mô.
Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện từ giữa thế kỷ19 và đã từ lâu giới hạn bền mỏi được coi là một trong các đặc trưng tính tốn chủ yếu đểxác định các kích thước chi tiết máy và bộ phận các cơng trình.
Qua các nghiên cứu về sự phá hủy mỏi của vật liệu có thể rút ra những kết luận sau:
Vật liệu có thể bị phá hủy khi trị số ứng suất lớn nhất σmax không những nhỏ hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí cịn có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu, nếu như sốchu trình áp đặt tải trọng lớn.
Đối với một số vật liệu, có tồn tại một trị sốứng suất giới hạn tác dụng vào vật liệu với số chu kỳ rất lớn mà không phá hỏng vật liệu.
Sự phá hủy mỏi bao giờ cũng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi). Các vết nứt này phát triển dần cùng với sự gia tăng số chu trình ứng suất, đến một lúc nào đó chi tiết máy bị gãy hỏng hoàn toàn.
Sự phá hủy mỏi khác với phá hủy tĩnh về bản chất cũng như hiện tượng bên ngoài. Phá hủy tĩnh là do tác dụng của ứng suất có trị số khá cao, đối với vật liệu dẻo ứng suất này lớn hơn giới hạn chảy còn đối với vật liệu dịn thì giá trị này lớn hơn giới hạn bền. Sự phá hủy tĩnh bao giờ cũng đi kèm với biến dạng rõ rệt, choán cả một vùng chi tiết máy. Trái với phá hủy tĩnh, phá hủy mỏi xảy ra khi trị số ứng suất tác động lên chi tiết máy không lớn lắm. Chi tiết máy bị hỏng có thểdưới dạng gãy đứt hồn tồn hoặc có những vết nứt lớn khiến cho chi tiết không thể làm việc được nữa. Sự phá hủy mỏi có tính chất cục bộ, chỉ xảy ra trong một vùng nhỏ của chi tiết, vết nứt mỏi thường phát triển ngầm và khó có thể phát hiện bằng mắt thường. Trước khi chi tiết bị phá hủy hoàn toàn thường khơng có dấu hiệu báo trước nào. Theo thống kế, 80% các hư hỏng của kết cấu, chi tiết máy có nguyên nhân từ hiện tượng phá hủy mỏi..
2.2. Chu trình ứng suất và các đặc trưng của chu trình ứng suất
2.2.1. Định nghĩa
Nếu ta định nghĩa ứng suất chung là S (khi nói đến ứng suất pháp thì S là σ cịn khi nói đến ứng suất tiếp thì S là τ), mỗi lần S thay đổi từ Smax đến Smin rồi từ Smin đến Smax chúng ta gọi đó là một chu trình ứng suất.
Thời gian thực hiện một chu trình ứng suất là một chu kỳ ứng suất và được ký hiệu là T.
2.2.2. Các thơng số đặc trưng của chu trình ứng suất
Qua thực tế và qua thí nghiệm, người ta thấy các yếu tố quyết định đến độ bền của chi tiết khi chịu ứng suất thay đổi là các đặc trưng sau đây của một chu trình ứng suất:
Giá trị cực đại và cực tiểu của ứng suất: Smax, Smin.
Giá trị trung bình của ứng suất (ứng suất trung bình) :
ax min (2.1) 2 m m S S S = +
Giá trị biên độ của ứng suất (biên độứng suất) :
ax min (2.2) 2 m a S S S = −
Hệ sốkhông đối xứng của chu trình r (đặc tính của chu trình): min max (2.3) S r S =
Sau đây là một số chu trình ứng suất và các đặc trưng của nó:
Khi r = -1 tức là Smax = -Smin. Ta có chu trình đối xứng (hình 2.2a).
Khi r = 1 tức là Smax = Smin ứng với tải trọng tĩnh (hình 2.2b).
Khi r = 0 hoặc r = ∞ ta có chu trình ứng suất mạch động (hình 2.2c).
Khi r ≠ 0 ta có chu trình bất đối xứng (hình 2.2d). Ta có thể coi chu trình ứng suất này là sự kết hợp của chu trình ứng suất đối xứng và ứng suất tĩnh.
Các ứng suất sinh ra trong thực tếthường có dạng rất phức tạp nhưng yếu tố quyết định đến độ bền mỏi của vật liệu là ứng suất cực đại và cực tiểu của chu trình. Do đó có thể coi một chu trình ứng suất phức tạp như một chu trình ứng suất hình sin có giá trị ứng suất cực đại và cực tiểu tương ứng.
Hình 2.2. Đặc trưng của ứng suất thay đổi