Hiểu đúng về phá hủy mỏi – P1

21-05-2012

Không nghi ngờ gì nữa, dạng phá hủy thường gặp nhất chính là phá hủy mỏi. Không giống như các dạng phá hủy do quá tải cho phép thường xảy ra gần như tức thời khi đặt tải, phá hủy mỏi ở dạng tích lũy. Nói cách khác, chúng phát triển theo thời gian, dưới tác động chu kỳ của tải. Nếu bạn đã từng bẻ qua bẻ lại 1 cái kẹp giấy cho đến khi nó gãy, thì đó chính là phá hủy mỏi.

 Không nghi ngờ gì nữa, dạng phá hủy thường gặp nhất chính là phá hủy mỏi. Không giống như các dạng phá hủy do quá tải cho phép thường xảy ra gần như tức thời khi đặt tải, phá hủy mỏi ở dạng tích lũy. Nói cách khác, chúng phát triển theo thời gian, dưới tác động chu kỳ của tải. Nếu bạn đã từng bẻ qua bẻ lại 1 cái kẹp giấy cho đến khi nó gãy, thì đó chính là phá hủy mỏi.

Từ “mỏi” cho thấy rằng vật liệu đó đã trở nên “mệt mỏi”, hoặc là các tính chất của nó đã trở nên “kiệt quệ” sau khi chịu đựng tải lặp đi lặp lại. Tất nhiên đây không phải là sự thật. Nếu bạn muốn tự kiểm chứng, hãy cắt mẫu từ 1 chi tiết đã bị phá hủy mỏi và tiến hành kiểm tra cơ tính. Trong hầu hết các trường hợp, độ bền của vật liệu vẫn nguyên như trước khi đưa chi tiết vào sử dụng. Điều này chứng minh rằng “mỏi” không có nghĩa là vật liệu mất dần độ bền hoặc bị “xuống cấp” theo thời gian hoạt động của chi tiết. Vậy thì sao lại xảy ra phá hủy mỏi?

Phá hủy mỏi bắt đầu bằng sự hình thành của các vết nứt nhỏ, những vết nứt này lớn lên dần khi chịu tải lặp lại liên tục. Khi vết nứt đủ lớn, chi tiết phá hủy.

 

Hình 1 – Mặt cắt phá hủy mỏi

Có thể hiểu sự lớn lên của các vết nứt là một cân bằng năng lượng. Khi bạn đặt tải vào 1 chi tiết nghĩa là bạn đã tăng năng lượng ứng suất của chi tiết đó. Bạn có thể hình dung điều này giống như năng lượng được tích trữ trong chiếc lò xo bị kéo giãn. Bây giờ thì hãy tưởng tượng ra một chi tiết có sẵn vết nứt. Bề mặt của vết nứt này có năng lượng bề mặt tương ứng. Việc làm cho vết nứt lớn lên cùng nghĩa với việc tăng năng lượng bề mặt của nó. Do đó, một chi tiết có vết nứt sẽ có thể tự làm giảm năng lượng ứng suất của nó bằng cách làm vết nứt lớn lên; khi đó, năng lượng ứng suất của chi tiết đã chuyển thành năng lượng bề mặt của vết nứt. Đó là lý do mà vết nứt lớn lên khi chịu tải lặp lại.

 

Hình 2 – hình chụp kính hiển vi điện tử (SEM), độ phóng đại 180 lần cho thấy vùng hình thành vết nứt (chỗ chó mũi tên chỉ)

 

Nhưng điều gì đã hình thành những vết nứt đầu tiên, đặc biệt trong những trường hợp mà ứng suất chung rất nhỏ? Hầu hết các chi tiết đều chứa những nguồn ứng suất mà ứng suất cục bộ có thể cao hơn rất nhiều so với ứng suất chung. Các vết nứt hình thành tại những điểm tập trung ứng suất này.

Một số nguồn ứng suất là do kết cấu của chi tiết, điều này có thể được giảm thiểu bằng khâu thiết kế phù hợp. Những vị trí chứa nguồn ứng suất có thể kể đến: những góc nhọn, rãnh chữ V, các lỗ. Nguồn ứng suất cũng có thể do quá trình gia công, điều này có thể được giảm thiểu nhờ cải tiến các bước gia công. Những nguồn ứng suất dạng này như: rỗ xốp vật đúc, và các loại khuyết tật khác. Nguồn ứng suất cũng có thể là do bản thân vật liệu. Ví dụ, hầu hết các loại thép đều có những vật lẫn phi kim mà chính là những nguồn ứng suất. Những loại thép làm vòng bi hoặc máy bay đều được chế tạo đặc biệt để giảm thiểu những vật lẫn này.

 

Hình 3 – những vị trí tập trung ứng suất

 

(dịch từ designnews.com)

(còn tiếp)

Theo Meslab.org