LI CAM ĐOAN
3.3.6. Oxi hóa và thoát cacbon
Oxi hóa vƠ thoát cacbon th ng x y ra đ ng th i do nung nóng thép nhi t đ cao, cacbon k t h p v i nh ng thành phần môi tr ng nung nh O2, CO2, và h i n c vƠ đi vƠo khí quyển lò nung. Vì v y oxi hóa chính là hi n t ng t o nên
63
các v y oxit trên b mặt thép, l p oxit s t không b n, d b bong ra, làm sai kích th c và x u b mặt s n ph m. Còn thoát cacbon là hi n t ng hƠm l ng cacbon b mặt thép b gi m đi do b cháy, vì v y lƠm c tính b mặt (phần quan tr ng nh t c a chi ti t) b gi m th p do cacbon là thành phần mang y u t quy t đ nh đ n t ch c vƠ c tính c a thép hay nói cách khác đ b n, đ c ng th p khi hƠm l ng cacbon trong thép th p. Khi chi ti t b thoát cacbon, trên b mặt c a nó s t o ng su t kéo vì hƠm l ng cacbon gi m, các nguyên tử có xu h ng xa nhau h n nên hình thành l p ngoài v i ng su t có tr s th p h n ng su t bên trong, còn l p lõi t o ng su t nén, n u làm vi c trong th i gian dài, ng su t kéo l p b mặt l n h n ng su t m i gi i h n thì d n đ n chi ti t d b n t gây nên phá h y m i.
Khi c tính b mặt gi m th p (đ b n, đ c ng gi m) n u ti n hành cho chi ti t làm vi c d i t i tr ng thay đ i thì kh năng chu t i s gi m và th i gian làm vi c c a chi ti t s ít h n th i gian tính toán vì sai kích th c do oxi hóa hoặc hƠm l ng cacbon th p do thoát cacbon. Vì v y s nhanh chóng xu t hi n các v t n t t vi t i vùng chi ti t ch u ng su t t ng đ i l n khi chi ti t làm vi c. Sau m t s chu kỳ nh t đnh các v t n t này s phát triển l n h n hay m r ng dần lên đ ng th i gi m dần ti t di n ch u t i c a chi ti t máy vƠ lƠm tăng giá tr ng su t cho đ n khi chi ti t máy không còn kh năng lƠm vi c thì nó s b phá h ng. S phá h ng này còn g i là s phá h ng do m i.
Tóm l i, khi khi chi ti t b oxi hóa, thoát cacbon thì d xu t hi n các v t n t, d n đ n t p trung ng su t, chi ti t nhanh chóng b phá h y vƠ đ b n m i c a chi ti t gi m.
3.3.7. nh h ng c a hi n t ng Fretting (hi n t ng m i ậ mòn ậ r )
Hi n t ng Fretting lƠ hi n t ng phá h y m i d i tác đ ng tr c ti p c a môi tr ng ăn mòn vƠ s bƠo mòn c h c. Hi n t ng phá h y nƠy cùng lúc x y ra hai quá trình: quá trình c h c vƠ quá trình lỦ ậhóa. Quá trình phá h y nƠy r t ph bi n trong nhi u chi ti t máy vƠ thi t b , nó xu t hi n nh ng ti t máy ti p xúc v i các chi ti t máy khác nh ng vừa ch u nh h ng c a ng su t thay đ i vừa rung đ ng, đ ng th i vừa b xơm th c c a môi tr ng. Nhi u thí nhi m ch ra rằng, s suy thoái kh năng lƠm vi c c a v t li u d i tác đ ng c a m i ậ mòn ậ r lƠ r t
64 l n, đặc bi t lƠ nhi t đ cao.
3.4. C ch lan truy n v t n t
3.4.1. Các pha trên đ ng cong m i Wöhler
Pha I: ng v i vi c ch tt i l n, s chu kỳ ng su t th p. S ng xử c a v t li u trong pha nƠy gần t ng t nh khi v t li u chu ng su t tĩnh.
Pha II: là pha quan tr ng, ng v i s phá h y m i c pđ cao. Giai đo n này, v t n t t vi phát triển từ b mặt các h t, từ s l ch m ng tinh thể hoặc từ các khuy t t t kỹ thu t ban đầu có trong v tli u.
Pha III: pha phá h ng m i c ng đ ng su t th p, s chu kỳ ng su t l n. Giai đo n nƠy v t n t có thể ngừng phát triển hoặc phát triển n đ nh.
Hình 3.9. Các pha trên đ ng cong m i Wöhler [23] 3.4.2. Nghiên c u b mặt phá h y m i c a các ti t máy th c t
Nghiên c u b mặt phá h y m i c a v t li u ta th y rằng, trên b mặt phá h y m i có thểđ c chia ra thành 3 vùng:
- Vùng kh i mầm v t n t: vùng này bao g m nh ng điểm xung y u nh t c a b mặt phá h y.
- Vùng v tn t m i lan truy n: b mặt m n, bóng h n các vùng khác. - Vùng g yvỡ: v t n t m i ch a lan phát t i, vùng này th ng g gh .
65
3.4.3. Gi i thích c ch c a s phá h y m i
Có nhi u thuy t gi i thích c ch c a quá trình phá h y m i. M t trong s nh ng lý thuy t đó là lý thuy t d ch chuyển m ng tinh thể. Ví d , vi c nghiên c u quá trình phá h y m i c a m u làm bằng đ ng ch u u n chu kỳ đ i x ng cho bi t:
- giai đo n I, khi ng su t S l n, b t đầu có s chuyển v biên c a các h t. S chu kỳ ng su t trong giai đo n này vào kho ng 1/200 t ng s tu i th N c a m u. Bên trong tinh thể hình thành h ng tr t gi a các m ng tinh thể (a); sau đó xu t hi n các đ ng tr t (b) và các đ ng này n i l i v i nhau liên k t v i các biên gi a các h t (c).
- Giai đo n II, khi ng su t S nh , s chu kỳ ng su t tăng lên; bên trong m u và trên b mặt m u ti p t c di n ra quá trình (a), (b) và (c) để hình thành v t n t m i có chi u dài xác đ nh. Giai đo n này s chu kỳ ng su t vào kho ng 1/100 t ng s tu i th N c a m u.
Hình 3.10. Nh ng giai đo n lan truy nv tn t m i [1]
N u ti p t c gi m ng su t S, bên trong m u ti p t c x y ra các quá trình (a), (b) vƠ (c), còn trên b mặt m u đƣ hình thƠnh v t n t vƠ lan truy n vƠo trong thơn m u. Các v t n t nƠy có chi u dƠi ban đầu lƠ l0 (bằng đ l n c a khuy t t t kỹ thu t) vƠ phát triển l n lên v i chi u dƠi l. Đơy lƠ k t qu nghiên c u c a W.A. Wood vƠ c ng
66 s .
Nh ng khuy t t t thẳng c a m ng tinh thể phá vỡ tr t t đúng đ n c a các b mặt nguyên tử đ c g i lƠ s l ch m ng (dislocation). S l ch m ng gơy ra s t p trung ng su t c c b trong m ng tinh thể. Tính toán cho bi t, ng l c cần thi t để lƠm cho mặt phẳng nguyên tử nƠy tr t t ng đ i so v i mặt phẳng nguyên tử khác t i n i có l ch m ng gi m đi nhi u lần so v i tr ng h p m ng tinh thể lỦ t ng.
3.4.5. Các d ng ph ng trình lan truy n v t n t m i
Để mô t quá trình lan truy n v t n t trong v t li u, nhi u nhƠ nghiên c u đã xây d ng các biểu th c toán h c ph n ánh m i quan h gi a chi u dài v t n t v i các đặc tr ng c a ch đ t i tr ng gây ra ng su t và thông s kích th c c a k t c u v t li u,đ c g i là ph ng trình lan truy n v t n t.
Nghiên c u th c nghi m nh n th y rằng, s gia tăng c a chi u dƠi v t n t ph thu c vƠo ng su t c a ph t i tr ng tác đ ng. Để thu n ti n cho vi c tính toán, ph ng trình lan truy n v t n t đ c xơy d ng trong h t a đ lg(dl/dN) ậ lgKa. Trong đó, v = dl/dN g i lƠ t c đ lan truy n v t n t trong m t chu kỳ ng su t, đ n v lƠ mm/vòng; Ka lƠ biên đ h s c ng đ ng su t.
67
3.4.6. Đi u ki n ngừng lan truy n v t n t m i
Qua nghiên c u bằng th c nghi m, các nhƠ khoa h c th y rằng, m i m t lo i v t li u đ u có m t tr s c ng đ ng su t Katb t i h n, n u ph t i tr ng gơy ra ng su t có c ng đ ng su t t ng ng nh h n giá tr nƠy thì v t n t ngừng phát triển.
B ng 3.6.Giá tr t i h n Katb c a m t s lo i v t li u [1] STT V t li u Giá tr t i h n Katb (Mpa) 1 Thép cacbon 12013, 12010 và 12060 4 2 Thép rèn đ b n trung bình 13% Cr, 1% Ni 3 3 Thép rèn đ b n trung bình 13% Cr, 4% Ni 6 . 4 Thép Ostenit 17455 7 . 5 Thép đ b n cao 12% Cr T60/1776 3 . 6 Thép đ b n cao 12% Cr KZ 1 2 7 Thép Ostenit 18/8 2 8 Nhôm 0 . 9 Đ ng 1 . 10 Brass 60/40 1 . 11 Titan 1 12 Niken 2 .
Nh ng nghiên c u v m i c a v t li u vƠ kim lo i thép cacbon nói riêng đ c th c hi n trên các ph ng pháp khác nhau. Ph ng pháp sử d ng tia X để kh o sát m i c a kim lo i bằng cách chi u b c x tia X lên m u kim lo i, ta ghi nh n ph nhi u x . Từ đó, ta phơn tích đ ng ph nhi u x vƠ đánh giá s phá h y m i c a thép ray.
3.2. Ti p xúc Hertz:
3.2.1.Gi i thi u v Hertz [29]
Khi hai v t r n có tính đƠn h i ti p xúc v i nhau d i tác d ng c a l c s gơy ra ng su t r t cao. Đi u nƠy gơy ra v n đ nghiêm tr ng trong thi t k c khí n u
68
không đ c xem xét và gi i quy t đúng. Vì th Hertz đƣ phát triển m t lỦ thuy tđể tính toán di n tích ti p xúc khi có áp l cgi a hai b mặtvƠ d đoán ng su t gây ra trên các v t thể. Đi u nƠy gi i quy t các v n đ c b n c a lỦ thuy t ng su t ti p xúc Hertz và nh h ng đ n các thi t k , ch t o trong c khí. Ti p xúc gi a hai v t thể r n ban đầu trên m t điểm hoặc m t đ ng d i t i tr ng c a m t v t thể b bi n d ng vƠ di n tích ti p xúc thể hi n trong hình 1. ng su t ti p xúc Hertz cho phép d đoán di n tíchc a vùng ti p xúc, ng su t nén ti p xúc c a hai v t thể.
Năm 1880 Heinrich Hertz phát triển lỦ thuy t ng su t ti p xúc sau khi ti p xúc nghiên c u vòng Newton v i hai ng kính th y tinh. LỦ thuy t nƠy quan tâm đ n nh h ng c a áp l c ti p xúc gi a hai ng kính. K t qu c alỦ thuy t lần đầu tiên gi i quy t đ c s ti p xúc c h cvƠ v n đ c sử d ng đ n ngày hôm nay.
Hình 3.12. Di n tích ti p xúc Hertz sau khi tác d ng l c lên v t thể 3.2.2.Đ nh lu t Hertz [29]
Hertz cho th y rằng khi hai v t đƠn h i ti p xúc v i nhau trong các đi u ki n: + Kh năng đƠn h i c a v t r n khi chúng ti p xúc v i nhau.
+ Không gian bán gi i h n.
+ Đ cong bán kính l n so v i kích cỡ ti p xúc. + Đ cong liên t c trong các ch ti p xúc.
Lúc đó b mặt ti p xúc c a hai v t r n là hình elip: + Các b mặt ti p xúc là m t hình elip.
+ Các b mặt ti p xúc đ c coi là phẳng. + Áp l c ti p xúc là nửa hình elip.
69
Hình 3.13.Đ nh lu t Hertz cho v t tròn[29]
Xét hai v t thể đƠn h i ti p xúc v i nhau hình 3.12, chúng s gặp nhau t i m t điểm duy nh t mà kho ng cách bình th ng gi a chúng là t i thiểu. Gần ti p xúc nƠy lƠ điểm O hình d ng b mặt v t thểđ c thể hi n bằng hai đa th c b c hai:
1 = 1 2 + 1 2 (3.27)
2 = 2 2 + 2 2 (3.28)
Hình 3.13 thể hi n bánh xe lửa ti p xúc v i đ ng ray. Đ ng cong A1, A2, B1, B2 đ c gi đnh gần điểm ti p xúc O ti p xúc v i nhau theo hai ph ng x vƠ y d a trên đnh lu t Hertz cho v t tròn. Ta có các biểu th c vi phân b c hai theo hai bi n x và y công th c (3.27) và (3.28).
70 Từ công th c (γ.β7), ta có ph ng trình: 2 1 2 = 2 1 ≈ �1 1 (3.29) 2 1 2 = 2 2 ≈�1 2 (3.30) Từ công th c (γ.β8), ta có ph ng trình: 2 1 2 = 2 1 ≈ �1 1 (3.31) 2 2 2 = 2 2 ≈�1 2 (3.32) Trong đó:
rx1: bán kính lăn c a bánh xe lửa theo ph ng x (m).
rx2: bán kính cong đ ng s t theo ph ng x t i ch ti p xúc(m).
ry1:biên d ng bán kính cong bánh xe lửa theo ph ng y t i ch ti p xúc (m). ry2: biên d ng bán kính cong đ ng ray theo ph ng y t i ch ti p xúc (m). Theo hình 3.15 thể hi n mặt c t d c s ti p xúc c a bánh xe lửa tác d ng lên đ ng ray theo ph ng x. Trong đó, đ ng cong A1 là rx1 bán kính c a bánh xe lửa (bán kính lăn c a bánh xe), đ ng cong A2 là rx2 b qua coi nh lƠ đ ng s t thẳng: bán kính là vô h n nên rx2 = ̀.
Hình 3.15. Mặt c t hình dáng c a bánh xe vƠ đ ng ray ti p xúc v i nhau theo ph ng x [29]
71
Theo hình 3.16 thể hi n mặt c t ngang s ti p xúc c a bánh xe lửa tác d ng lên đ ng ray theo ph ng y. Trong đó, đ ng cong B1 là ry1 bán kính cong có hình d ng lõm c a bánh xe lửa t i điểm ti p xúc nên ry1 < 0 , đ ng cong B2 là ry2 bán cong c a đ ng ray tai điểm ti p xúc.
Hình 3.16. Mặt c t hình dáng c a bánh xe vƠ đ ng ray ti p xúc v i nhau theo ph ng y [29] C ng (3.29) v i (γ.γ0) ta đ c h s A: = 1 + 2 = 1 2 1 � 1 + 1 � 2 = 1 2� 1 (3.33) C ng (3.31) v i (γ.γβ) ta đ c h s B: = 1 + 2 =1 2 1 � 1 + 1 � 2 (3.34) cos � = B−A B+A (3.35) H s m vƠ n đ c tìm th y thông qua góc �.
B ng 3.7. Tra h s m vƠ n[29] � 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 g = 1 0.791 0.662 0.482 0.365 0.265 0.180 0.108 0.047 0 m 1 1.128 1.285 1.486 1.754 2.316 2.731 3.816 6.612 ̀ n 1 0.892 0.800 0.717 0.640 0.567 0.493 0.412 0.311 0 r 1 0.993 0.972 0.937 0.886 0.817 0.726 0.603 0.428 0 ry1 < 0 , ry2 > 0
72
Khi bánh xe lửa tác d ng l c lên đ ng ray s sinh ra ng su t ti p xúc r t l n và di n tích ti p xúc có hình d ng elip r t nh so v i kích th c c a v t thể và bán kính cong c a v t thể.
Hình 3.17.Di n tích ti p xúc có hình d ng elip khi bánh xe lửa tác d ng l c lên đ ng ray[29]
Ph ng trình hình elip : 22 +
2
2 = 1 (3.37)
Để tính đ c bán kính hình elip a vƠ b ta xác đ nh đ c h s m và n thông qua b ng 3.7. = m 3 2 Q 1−v12 2E1 + 1−v22 2E2 1 A + B 1 3 (3.38) = n 3 2 Q 1−v12 2E1 + 1−v22 2E2 1 A + B 1 3 (3.39) Trong đó:
Q : L c tác d ng vuông góc c a bánh xe lửa lên đ ng ray (N). E : Modun đƠn h i c a v t li u (Pa)
v : H s Poisson. a, b: Bán kính elip (m) m, n : h s
73
ng su t ti p xúc l n nh t c a bánh xe tác d ng l c lên đ ng ray: