I
Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i
----------------
Ph¹m Lª TiÕn
Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái vµ tuæi
thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng vµ
trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn
®−êng s¾t ViÖt Nam
Chuyªn ngµnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe
M· sè: 62.52.44.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hµ Néi - 2011
I
- II Bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
Tr−êng ®¹i häc giao th«ng vËn t¶i
----------------
Ph¹m Lª TiÕn
Nghiªn cøu ®¸nh gi¸ ®é bÒn mái vµ tuæi
thä mái cña khung gi¸ chuyÓn h−íng vµ
trôc b¸nh xe ®Çu m¸y D19E vËn dông trªn
®−êng s¾t ViÖt Nam
Chuyªn ngµnh: Khai th¸c b¶o tr× ®Çu m¸y xe löa, toa xe
M· sè: 62.52.44.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. §ç §øc TuÊn
2. PGS. TS. Ng« V¨n QuyÕt
Hµ Néi - 2010
- III -
Lêi cam ®oan
T«I xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i.
C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nghiªn cøu nªu trong luËn ¸n lµ trung
thùc vµ ch−a tõng ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c.
T¸c gi¶ luËn ¸n
Ph¹m Lª TiÕn
- IV -
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận án, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan đã tạo mọi
điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí; phòng Đào tạo Sau đại học; phòng Khoa học; Bộ
môn Đầu máy toa xe; phòng thí nghiệm VILAS 047-Trung tâm Khoa học công
nghệ Trường Đại học Giao thông vận tải; Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệuTrường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFAViện Khoa học vật liệu; Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao-Viện Cơ
khí năng lượng và mỏ; Ban khoa học công nghệ, Ban đầu máy toa xe, Xí nghiệp
đầu máy Hà Nội-Tổng công ty đường sắt Việt Nam; Viện Cơ học Việt Nam; Học
Viện Kỹ thuật Quân sự.
Tác giả vô cùng cảm ơn GS.TS Đỗ Đức Tuấn, PGS.TS Ngô Văn Quyết,
những người Thầy đã định hướng, và gửi lời cảm ơn đến GS.TSKT Phạm Văn
Lang, ThS. Nguyễn Ngọc Viên, TS. Lương Xuân Bính, đã cung cấp các tài liệu
quý báu trong quá trình thực hiện Luận án. Cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Đầu
máy toa xe, Khoa cơ khí, Trường đại học giao thông vận tải.
Trong quá trình làm tác giả đã có trao đổi và gửi cảm ơn tới NCS. Trần Viết
Bản, ThS. Trần Văn Khanh, ThS. Nguyễn Trung Kiên và nhiều người bạn nữa đã
nhiệt tình cung cấp các tài liệu quý báu.
Hà nội, tháng 7 năm 2011
Phạm Lê Tiến
-VMỤC LỤC
Lời nói đầu...................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................... 3
1.1. Khái niệm về cơ học phá huỷ ..................................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ ..................................................................................... 3
1.1.2. Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật..................................................................... 4
1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi
........................................................................ 5
1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi ...................................................................................................... 6
1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi
.............................................................................................................. 7
1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá ...................................................... 11
1.4. Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên
đường sắt Việt nam
....................................................................................................................... 15
1.4.1. Khái niệm về đầu máy D19E .................................................................................................... 15
1.4.2. Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sử dụng trên ĐSVN
1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước
.......................................... 16
............................................. 18
1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước
......................................................................... 18
1.5.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước
........................................................................ 21
1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài ..................... 26
1.7 Kết luận chương 1
............................................................................................................................ 28
Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi
khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy..................30
2.1. Sự lan truyền vết nứt mỏi
........................................................................................................... 30
2.1.1 Cơ học phá huỷ đối với vết nứt mỏi......................................................................................... 30
2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt
........................................................................ 32
2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi ...................................................................................................... 33
2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi .................................................................................. 36
2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối .................................................... 36
2.2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .....................................38
2.3. Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số
tải trọng đối với KGCH đầu máy D19E
............................................................................. 39
2.3.1 Những nhận xét ................................................................................................................................ 40
2.3.2. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................................................... 41
2.3.3. Những giả thiết
............................................................................................................................... 42
2.3.4. Phương pháp xây dựng
.............................................................................................................. 42
2.4. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn
................................................................... 44
- VI 2.4.1. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định .............................. 44
2.4.2. Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định .......................... 46
2.5. Dự báo tuổi thọ mỏi
....................................................................................................................... 46
2.5.1. Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi
.......................................................................................... 46
2.5.2. Các phương pháp ước lượng sức sống các bộ phận khi đặt tải không ổn định.. 47
2.6. Kết luận chương 2 ........................................................................................................................... 48
Chương 3: Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học,
đặc trưng mỏi mẫu vật liệu khung giá chuyển hướng và
trục bánh xe đầu máy D19E ..................................................... 49
3.1. Phân tích thành phần kim loại, xác định mác ................................................................. 49
3.1.1. Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E .................................................................. 49
3.1.2. Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E
....................................... 50
3.2. Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm ............................................................................................. 51
3.2.1. Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi
................................................................. 51
3.2.2. Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ
3.3. Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm
...................... 51
................................................................................... 54
3.3.1. Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm
..................................................................... 54
3.3.2. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học .............................................. 55
3.3.3. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi
.............................................................. 55
3.3.4. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai
phá huỷ
............................................................................................................................................... 56
3.4 Thiết bị thử nghiệm……………………………………………….......…………....................……57
3.4.1. Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu
3.4.2. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi
............................................. 57
........................................................................ 58
3.4.3. Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ .............. 59
3.5. Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm:
giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng ........................... 61
3.6. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi ........................................................................................ 63
3.6.1. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH
3.6.2. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX
............................................... 63
................................................... 66
3.7. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ
................... 69
3.7.1. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của
mẫu vật liệu KGCH ......................................................................................................................69
3.7.2. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của
mẫu vật liệu TBX ............................................................................................................................74
3.8. Kết luận chương 3 ............................................................................................................................77
- VII Chương 4: Tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ mỏi khung giá
chuyển hướng và trục bánh xe của đầu máy D19E....................78
4.1. Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E
4.1.1. Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F
................................ 78
.............................................................. 78
4.1.2. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E ..................................................................................... 80
4.1.3. Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E
........................................................... 81
4.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng
và trục bánh xe đầu máy D19E
.............................................................................................. 82
4.2.1. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E
4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E
4.3. Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ
............................ 82
................................. 87
................................................ .92
4.3.1. Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi
.................................. .92
4.3.2. Tính toán độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi ....................................... 125
4.4. Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E
.................................................................. 133
4.5. Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH ................................................... 136
4.5.1. Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH
................................... 137
4.5.2. Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi
.................................... 139
4.6. Kết luận chương 4 ......................................................................................................................... 139
Kết luận chung ............................................................................................. 143
- VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
a0
- chiều dài vết nứt ban đầu.
a
- chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N.
ath
- giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt.
aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.
att
- chiều dài vết nứt thực tế.
a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết.
A và B - các hằng số của vật liệu làm khung giá chuyển hướng, trong phương trình lan
truyền vết nứt mỏi được đề xuất có xét tới tần số tải trọng.
C, n
- các hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo chi tiết trong phương trình của Paris.
da/dN - tốc độ lan truyền vết nứt trong một chu trình ứng suất.
E
- môđun đàn hồi.
g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng tải sinh ra biến dạng .
G
- građien tuyệt đối của ứng suất lớn nhất.
G
- građien tương đối của ứng suất lớn nhất.
G mu , G mx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn.
G ctu , G ctx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn.
KI
- hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I.
KIi
- hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i.
Kth
- giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất.
KIC
- độ dai phá hủy của vật liệu.
KIC KGCH , KIC TBX - độ dai phá hủy của vật liệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E.
KImax - giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.
KImin - giá trị nhỏ nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.
∆K
- số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt.
∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7 .
(∆K)th* - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8
Kđ
- hệ số tải trọng động.
Kr
- hệ số cường độ các ứng suất dư.
Km
- hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt.
k1
- hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu.
k2
- hệ số tính tới nội ứng suất.
kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế.
L
- tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy.
ni
- tổng số chu ký ứng suất của σi (hoặc τi).
Ni
- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σ i
- IX No
- số chu trình ứng suất cơ sở.
mσ, mτ - số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.
MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm.
Pđm
- tổng trọng lượng đầu máy.
p, q
- các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu trong phương trình đường cong mỏi
R
- hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất.
Smax
- ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%
Sgh
- giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0.
tb
- khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc
trưng cho các trạng thái vận hành đầu máy.
up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%.
u, σ0 , m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi
Wm
- chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và KIC .
Wmu, Wctu - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.
Wmx, Wctx - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.
w
- Kích thước vùng biến dạng dẻo.
V
- vận tốc của đầu máy.
fi
- tần số tải trọng thứ i.
f0
- tần số tải trọng nhỏ nhất.
ft
- độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển.
f(g)
- tham số không thứ nguyên, hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt.
FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy.
FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH
FK.TBX, FH.TBX - Lực kéo, hãm tác dụng lên một trục bánh xe.
YP
- áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong.
ss
- độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u).
sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp.
s
- hệ số an toàn mỏi toàn phần.
ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết.
β
- hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công.
εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết.
ε∞
- hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết.
ϕK
- hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe.
φσ
- hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng.
µ
- hệ số Poisson.
Π
- được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.
-XΠu, Πx - chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn.
λ
- số blốc (khối) tải trọng tác động trong phổ tải.
vσ
- hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ.
σmax
- ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của chi tiết.
σc
- giới hạn chảy.
σb
- giới hạn bền.
σt
- ứng suất tĩnh.
σR
- giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R.
σN
- ứng suất ứng với số chu trình N.
σ-1ct
- giới hạn mỏi của chi tiết.
σ0
- giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động.
σ −1k
- giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất.
σ-1KGCH, τ-1KGCH - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của KGCH đầu máy D19E.
σ-1TBX, τ-1TBX - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của trục bánh xe đầu máy D19E.
σ −1 và τ −1 - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn.
σ −1 ;τ −1 - giới hạn mỏi trung bình của mẫu vật liệu khi chịu uốn và xoắn.
σ m và τ m - ứng suất pháp và ứng suất tiếp trung bình.
-
σ a và τ a - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ.
σe, τe - ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương.
ξ
- thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối.
ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ - hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu.
ψb
- hệ số bám giữa mặt lăn bánh xe và ray.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
KGCH: Khung giá chuyển hướng.
TBX: Trục bánh xe.
TĐĐ: Truyền động điện.
ĐCĐK: Động cơ điện kéo.
ĐSVN: Đường sắt Việt Nam.
HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất.
HSATM: Hệ số an toàn mỏi.
GHBM: Giới hạn bền mỏi.
- XI DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ:
Trang
Hình 1.1. Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động
8
Hình 1.2. Sự xuất hiện các vết nứt mỏi
8
Hình 1.3. Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902
17
Hình 1.4. Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907
18
Hình 1.5. Giản đồ Haigh
19
Hình 1.6. Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903
23
Hình 1.7. Biểu đồ Goodman - Gerber
24
Hình 1.8. Biểu đồ Kuay
24
Hình 2.1. Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt
30
Hình 2.2. Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi
32
Hình 2.3. Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ
33
Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số
35
Hình 2.5. Tuổi thọ mỏi của kết cấu
47
Hình 3.1. Các vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu máy D19E 49
Hình 3.2. Vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu máy D19E
50
Hình 3.3. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học.
55
Hình 3.4. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi
55
Hình 3.5. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH
56
Hình 3.6. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX
56
Hình 3.7. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt
Hình 3.8.
và độ dai phá huỷ
57
Hình dạng mẫu thử đặc trưng mỏi vật liệu
57
Hình 3.9. Thiết bị thử cơ tính vật liệu thử nghiệm
58
Hình 3.10. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi
58
Hình 3.11. Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801
60
Hình 3.12. Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu
61
Hình 3.13. Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn
62
Hình 3.14. Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các
mẫu vật liệu KGCH ở mức ứng suất 1
65
Hình 3.15. Đồ thị hàm mật độ bố xác suất chu trình ứng suất thử nghiệm mỏi các
mẫu vật liệu TBX ở mức ứng suất 1
68
Hình 3.16. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu KGCH
70
Hình 3.17. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu KGCH
70
Hình 3.18. Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH
71
- XII Hình 3.19. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu KGCH
71
Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH
72
Hình 3.21. Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH
72
Hình 3.22. Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH
72
Hình 3.23. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH
73
Hình 3.24. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm
73
Hình 3.25. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu KGCH 73
Hình 3.26. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu TBX
74
Hình 3.27. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu TBX
75
Hình 3.28 Các thông số điều chỉnh việc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu TBX 75
Hình 3.29. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX
75
Hình 3.30. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX
76
Hình 3.31. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm
76
Hình 3.32. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX
76
Hình 4.1. Hình tổng thể đầu máy D19E
79
Hình 4.2. Hình tổng thể giá chuyển hướng đầu máy D19E
80
Hình 4.3. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E
81
Hình 4.4. Kết cấu khung giá đầu máy D19E
82
Hình 4.5. Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy
84
Hình 4.6. Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1
85
Hình 4.7. Kết quả tính toán lý thuyết KGCH với tổ hợp 1
86
Hình 4.8. Các lực tác dụng trên TBX
90
Hình 4.9. Các lực tác dụng lên TBX với tổ hợp 1
91
Hình 4.10. Kết quả tính toán lý thuyết TBX với tổ hợp 1
92
Hình 4.11. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện tròn
94
Hình 4.12. Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
96
Hình 4.13. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng
97
Hình 4.14. Mặt cắt D – D trên xà dọc của KGCH
98
Hình 4.15. Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
99
Hình 4.16. Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) , sTBX = f(P)
107
Hình 4.17. Kết quả tính ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của mặt
cắt I của TBX đầu máy D19E
108
Hình 4.18. Sơ đồ khối tính toán ξKGCH = f(P) và σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P )
110
Hình 4.19. Sơ đồ khối tính toán sKGCH = f(P)
111
Hình 4.20. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P)
của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét
113
- XIII Hình 4.21. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc
115
Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết
Hình 4.23. Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) và sTBX = f(P)
115
117
Hình 4.24. Kết quả tính toán Πu; Πx; σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của mặt cắt I
của TBX đầu máy D19E
Hình 4.25. Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) và sKGCH = f(P)
119
120
Hình 4.26. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét.
122
Hình 4.27. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc
123
Hình 4.28. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm P9 trên KGCH theo lý thuyết
124
Hình 4.29. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm A9 KGCH đầu máy D19E đợt nhập thứ 3 vượt đèo Khe Nét
124
Hình 4.30. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu KGCH
126
Hình 4.31. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu TBX
132
Hình 4.32. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K), xác định các hệ số của
vật liệu làm KGCH trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi
134
BẢNG BIỂU:
Bảng 1.1. Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc
21
Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy
D19E 903 vượt đèo Khe Nét.
23
Bảng 3.1. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu TBX đầu máy D19E
49
Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu KGCH đầu máy D19E
50
Bảng 3.3. Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm
chấn trên KGCH đầu máy D19E
54
Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn
61
Bảng 3.5. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 55
62
Bảng 3.6. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu KGCH
64
Bảng 3.7. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy
D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi
Bảng 3.8. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu TBX
65
67
Bảng 3.9. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy
D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi
68
- XIV Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của vật liệu làm KGCH
74
Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC vật liệu làm TBX
77
Bảng 4.1. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 1
84
Bảng 4.2. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 2
85
Bảng 4.3. Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 903
86
Bảng 4.4. Giá trị ứng suất tại các điểm trên KGCH đầu máy 907
86
Bảng 4.5. Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 1
90
Bảng 4.6. Các lực tác dụng trên TBX với tổ hợp 2
91
Bảng 4.7. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt của TBX
92
Bảng 4.8. Phân vị ứng với xác suất phá huỷ
103
Bảng 4.9. Kết quả tính toán ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của
các mặt cắt của TBX đầu máy D19E
109
Bảng 4.10. Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét
112
Bảng 4.11. Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH
113
Bảng 4.12. Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt
đèo Khe Nét
113
Bảng 4.13. Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn
GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét
114
Bảng 4.14. Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH
114
Bảng 4.15. Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E
119
Bảng 4.16. Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt
đèo Khe Nét
122
Bảng 4.17. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu KGCH
125
Bảng 4.18. Chiều dài vết nứt trên KGCH khi tàu chạy vượt đèo Khe Nét
128
*
Bảng 4.19. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th tại các điểm trên KGCH
khi tàu chạy từ ga Kim Liên lên Trạm Đỉnh Đèo
129
*
Bảng 4.20. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th tại điểm 34 trên KGCH
tính theo kết quả đo được của Trung Quốc
130
Bảng 4.21. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH
theo kết quả tính toán lý thuyết
130
Bảng 4.22. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX
131
*
Bảng 4.23. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th tại các mặt cắt của TBX
theo kết quả tính toán lý thuyết
133
Bảng 4.24. Số chu trình ứng suất N tại điểm P4 KGCH bắt đầu phá huỷ
135
Bảng 4.25. Số chu trình ứng suất N tại điểm A2 KGCH bắt đầu phá huỷ
135
Bảng 4.26. Số chu trình ứng suất N tại điểm A9 KGCH bắt đầu phá huỷ.
136
-1Lêi nãi ®Çu
Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải
quan trọng của một xã hội phát triển. Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt
Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường
sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường
sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao
thông vận tải quốc gia.
Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt
Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát
triển của ngành và của xã hội. Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để
thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ,
công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường
sắt. Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo
ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm. Vừa qua
ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu
máy D19E.... Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu
máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao.
Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện
có là chủ trương lớn đang được thực hiện.
Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công
nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp
phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt. Tuy nhiên
trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các
bộ phận, thiết bị. Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động
điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ
thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về
cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt
Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo
dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu. Trong bộ phận
chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn
trọng. Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng
cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong
quá trình vận dụng. Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độ bền, độ
cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các
hư hỏng có thể xảy ra hoặc có thể gây ra các sự cố, các trở ngại chạy tàu, các hư
hỏng cơ khí gây thiệt hại khó lường về vật chất cũng như tính mạng con người.
-2Đối với ngành Đường sắt Việt Nam, đầu máy diesel truyền động điện đóng
vai trò là sức kéo chủ yếu trong hiện tại và những năm tiếp theo. Chính vì vậy mà
việc đánh giá chất lượng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trên đầu
máy diesel truyền động điện có ý nghĩa lớn trong công tác lựa chọn, thiết kế, kiểm
tra, bảo dưỡng sửa chữa bộ phận chạy, cũng như phương pháp vận dụng đầu máy.
Hiện nay, phương pháp tính toán của cơ học phá hủy đàn hồi và các tiêu
chuẩn thử nghiệm tính năng phá hủy đối với các loại vật liệu đều đã được hoàn
thiện. Phương pháp cơ học phá hủy đàn hồi được ứng dụng vào việc phân tích kết
cấu phá hủy giòn và vấn đề phát triển vết nứt mỏi trong kết cấu... đều có thể nhận
được kết quả có ý nghĩa quan trọng và cần thiết.
Bởi vậy, việc nghiên cứu xác định đặc trưng mỏi của mẫu vật liệu cũng như
phương pháp xác định độ an toàn mỏi của kết cấu, chi tiết cho phép đánh giá một
cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển
hướng và trục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình vận dụng hiện nay. Từ đó
đưa ra các giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độ bền mỏi, đảm bảo độ tin
cậy, độ bền của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trong quá trình vận dụng,
khai thác ở đường sắt nước ta là một vấn đề quan trọng, cấp thiết đang được đặt ra.
-3ch−¬ng 1
tæng quan vÒ vÊn ®Ò nghiªn cøu
1.1. Khái niệm về cơ học phá huỷ
Cơ học phá huỷ là một môn khoa học được hình thành và phát triển trong
những năm gần đây, cơ học phá huỷ đã có những kết quả nghiên cứu đáng kể. Hệ
thống lý luận và phương pháp đo của cơ học phá huỷ sau vài chục năm phát triển
và hoàn thiện ngày càng chính xác hơn. Cơ học phá huỷ có tác dụng ngày càng
quan trọng trong việc thiết kế chống phá huỷ, khống chế phá huỷ và phân tích sự
cố phá huỷ kết cấu.
1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ
Từ các công trình nghiên cứu về cơ học phá hủy của các nhà khoa học ta có
thể nhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơ học phá huỷ là: Vật liệu và kết cấu
đều không thể tránh khỏi các khuyết tật và vết nứt trong luyện kim và gia công; Do
đó, giả định cơ bản của cơ học phá huỷ là: trong kết cấu luôn tồn tại vết nứt hoặc
những khuyết tật khác; Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của nó cũng chính là kết cấu
mang vết nứt. Theo quan điểm của cơ học phá huỷ, trong các chi tiết hoặc kết cấu
có vết nứt, chỉ khi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kích thước nứt đạt tới một
mức độ nào đó thì mới bị phá huỷ. Trên cơ sở này, lý thuyết cơ học phá huỷ đưa ra
một số quan điểm cơ bản và yêu cầu đối với thiết kế chi tiết và kết cấu như sau:
* Đối với kết cấu công tác có vết nứt, mức độ mạnh, yếu của trường ứng suất tại
đầu vết nứt, có thể dùng một tham số cơ học phá huỷ gọi là hệ số cường độ ứng
suất K, để tính toán: Bất luận hình thức kết cấu và loại hình vết nứt nào thì
HSCĐUS K đều phải thoả mãn yêu cầu K ≤ KC / n thì mới bảo đảm không bị phá
huỷ, KC là độ dai phá huỷ, trị số của nó có thể dùng thử nghiệm cơ học phá huỷ
tiêu chuẩn đo được, n là hệ số an toàn.
* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơ học phá huỷ có thể chia ra
hai loại sau để xử lý [10]:
1. Nếu số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K<∆Kth thì vết nứt sẽ không tiếp tục
phát triển; ∆Kth là trị số tới hạn của vết nứt phát triển thêm, có thể dùng thử
nghiệm tiêu chuẩn để xác định.
2. Nếu số gia HSCĐUS ∆K>∆Kth thì vết nứt sẽ tiếp tục phát triển từ từ theo
một quy luật nào đó; Nhưng trước khi kích thước a của vết nứt phát triển tới kích
thước tới hạn ath, thì kết cấu sẽ không phát sinh mất ổn định hoặc bị phá huỷ. Bởi
vậy, tốc độ phát triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khả năng chống
phát triển vết nứt của vật liệu. Trên cơ sở này,với kết cấu có vết nứt ban đầu là a0
và kích thước tới hạn là ath, thì tuổi thọ phát triển vết nứt Np của nó có thể tính
-4toán như sau:
a th
Np =
da
∫ da
a0
dN
(l.1)
Bởi vậy, kết cấu có vết nứt kích thước ban đầu a0 dưới tác dụng của tải trọng
biến đổi, vết nứt phát triển theo một quy luật nào đó, thì tuổi thọ sử dụng của nó
phải hạn chế trong thời hạn N < Np
Theo lý thuyết cơ học phá huỷ, nếu kết cấu thực tế có thể thoả mãn các yêu
cầu nêu trên thì kết cấu đó thoả mãn được yêu cầu sử dụng an toàn: Do vậy, đối
với thiết kế chống phá huỷ kết cấu thì các tham số cơ bản như: Hệ số cường độ
trường ứng suất K, độ dai phá huỷ Kc, số gia HSCĐUS phát triển vết nứt tới hạn
∆Kth và tốc độ phát triển vết nứt da/dN là các chỉ tiêu quan trọng của thiết kế.
1.1.2. Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật
Hiện nay, rất nhiều hãng chế tạo trên thế giới như: máy bay, tàu thuyền, đầu
máy - toa xe, cầu cống, cơ khí…, đều dùng lý thuyết cơ học phá huỷ để chế định
tiêu chuẩn thiết kế kết cấu an toàn và phương pháp đánh giá. Ứng dụng của cơ học
phá huỷ trong kỹ thuật ta thấy có thể chia ra một số mặt sau:
1. Dùng quan điểm cơ bản và chuẩn tắc độ bền phá huỷ để bổ sung cho lý
thuyết độ bền truyền thống, chỉ đạo việc thiết kế kết cấu, tức là kết cấu thiết kế
chẳng những phải thoả mãn các yêu cầu của độ bền truyền thống, mà còn đồng thời
thoả mãn yêu cầu của cơ học phá huỷ, đặc biệt là tính năng chống phá huỷ mỏi.
2. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ làm căn cứ, đưa ra yêu cầu, đặc biệt là đối
với phương pháp và quá trình công nghệ chế tạo và kiểm tu kết cấu, đưa ra các
quy trình tương ứng để vừa thoả mãn yêu cầu ứng dụng vừa đạt hiểu quả kinh tế
tương đối cao.
3. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ tiến hành phân tích sự cố phá huỷ kết cấu,
đưa ra giải pháp đề phòng và biện pháp giải quyết.
4. Lấy việc nâng cao tính chống phá huỷ của kết cấu làm mục đích, nghiên cứu
tạo ra vật liệu mới có tính năng chống phá huỷ tốt.
5. Xuất phát từ nghiên lý cơ bản của cơ học phá huỷ, đề xuất phương pháp mới
để ngăn nứt trong thiết kế và kiểm tu kết cấu.
Cơ học phá huỷ đàn hồi chẳng những là cơ sở của toàn bộ hệ thống lý luận
cơ học phá huỷ, mà còn là nội dung phát triển thành thục nhất, hoàn thiện nhất
trong hệ thống cơ học phá huỷ. Cơ học phá huỷ đàn hồi là nền tảng của toàn bộ lý
thuyết cơ học phá huỷ. Phương pháp phân tích chủ yếu của nó là dùng phương
pháp cơ đàn hồi để tiến hành phân tích trường ứng suất tại đầu vết nứt và khu vực
-5phụ cận. Nội dung phân tích bao gồm: Hình dạng, độ lớn, phương vị của vết nứt
(hoặc khuyết tật giống vết nứt) và phân tích tính năng vật liệu có vết nứt.
1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi
Theo lý thuyết cơ học phá huỷ ta nhận thấy lý thuyết mỏi là một nhánh của
cơ học phá huỷ chuyên nghiên cứu về ứng xử của vật liệu và chi tiết dưới tác động
của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố,
đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng
cao độ bền mỏi.
Các nhà nghiên cứu đã chia lý thuyết mỏi thành hai nhánh nhỏ: mỏi ngắn
hạn và mỏi dài hạn.
Mỏi ngắn hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng suất nhỏ hơn
hoặc bằng l05. Ngược lại mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng
suất lớn hơn l05
a. Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong
bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay
đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn
tới sự phá hủy vật liệu. Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi.
b. Độ bền mỏi: Đó là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hỏng vì mỏi.
c. Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu chi tiết là khoảng thời gian làm
việc của chúng dưới tác động với một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng
khác mà không bị phá hủy. Độ bền lâu thường được tính bằng giờ hoặc bằng số
chu trình ứng suất. Trong một số lĩnh vực chuyên ngành (ví dụ lĩnh vực đầu máy,
toa xe, ôtô, máy kéo), độ bền lâu được tính bằng số kilômét làm việc.
d. Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu là một trong số những đặc trưng cơ học.
Cũng như những đặc trưng cơ học khác, muốn xác định giới hạn mỏi của một loại
vật liệu nào đấy, ở một điều kiện nào đấy, phải tiến hành thí nghiệm theo một quy
chuẩn nhất định.
Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng
suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn
không bị phá hủy.
Mỗi một loại vật liệu quy định số chu trình ứng suất cơ sở riêng. Gọi No là
số chu trình ứng suất cơ sở. Trong những trường hợp đặc biệt, người ta lấy N0 = l07
đối với vật liệu kim loại nói chung và N0 = l08 đối với các hợp kim nhẹ có độ bền cao.
Tùy theo đặc trưng của chu trình ứng suất, giới hạn mỏi có thể được xác
định ở chu trình ứng suất đối xứng, chu trình ứng suất mạch động hoặc ở chu trình
ứng suất phi đối xứng
-6e. Đường cong mỏi: Đường cong mỏi là đường cong biểu diễn mối liên hệ giữa các
ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất tương ứng.
Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất.
Đường cong mỏi cổ điển S = f(N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve).
1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi
Để đánh giá quá trình phá hủy mỏi, các nhà nghiên cứu về phá hủy mỏi đưa
ra những chỉ tiêu sau đây:
a. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [17]
Nếu gọi S là ứng suất, N số chu trình ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng
suất và biến dạng lần lượt là:
(l.2)
Sim. Ni = const
K
hay Fn = S(N /n) n (dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh),
(l.3)
trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với n chu trình;
S - ứng suất ứng với N chu trình;
Kn - số mũ đường cong mỏi Wohler.
k
và chỉ tiêu biến dạng: ep .Np bd = Ce
(l.4)
trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;
Np - số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;
Kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);
Ce - hằng số.
b. Chỉ tiêu về năng lượng
CE. Feltner và J.D. Marlow đưa ra chỉ tiêu này với nội dung sau: sự phá hủy
mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này
chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh.
Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật
liệu sau N chu trình ứng suất là:
∆ε
Dsum = 2 N ∫ σ .d εpl
(1.5)
0
Số chu trình ứng suất (hay tuổi thọ) khi phá hủy Np được xác định từ phương
lg σ a = K 0 − (
trình:
n
) lg N P
1+ n
(1.6)
n
trong đó :
D (1 + n ) n +1
K O = lg sum
2K
n - hằng số tăng bền do biến dạng chu trình;
K - hằng số của vật liệu.
Phát triển thuyết cân bằng năng lượng khi phá hủy, nhà nghiên cứu I .Ivanova đã
- Xem thêm -
.PDF 
165 
605 
99 
