Nghiên cứu độ bền mỏi của đường hàn trên sản phẩm nhựa bằng phương pháp chuyển vị

Tổng quan về hướng nghiên cứu Đối với các thiết bị trong công nghiệp vận tải hoặc sản phẩm công nghiệp, vật liệu phải có độ bền cao, chịu nhiệt, hệ số ma sát thấp, có khả năng chống mài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN MỎI CỦA ĐƯỜNG HÀN TRÊN SẢN PHẨM NHỰA BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN VỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI TÁ QUANG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

(Theo góp ý của Hội đồng Bảo vệ LVThS ngày 24/4/2022)

Tên đề tài: Nghiên cứu độ bền mỏi do chuyển vị của đường hàn trên sản phẩm nhựa

Học viên: Bùi Tá Quang

Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Phạm Sơn Minh

TT Góp ý chỉnh sửa của Phản biện và

Hội đồng

Nội dung đã chỉnh sửa của học viên Trang

1

Kiểm tra sự đồng nhất giữa số tài liệu

trích dẫn ghi trong luận văn và trong

danh mục tài liệu tham khảm

Đã kiểm tra và chỉnh sửa

2 Rà soát lại bảng ký hiệu trong luận

văn cùng các đơn vị thứ nguyên

Đã rà soát và chỉnh lại bảng ký hiệu trong luận văn cùng các đơn vị thứ nguyên

3

Rà soát và đưa đầy đủ tài liệu tham

khảo theo qui định tại các chương 2,

chương 3, chương 4

Đã rà soát và đưa đầy đủ tài liệu tham khảo theo qui định

4 Chỉnh sửa lại cách trình bày luận văn Đã đánh lại số trang, trình

bày lại chương 4

5 Chỉnh sửa bảng biểu

Đã sửa lại tên bảng, thêm giải thích cho bảng, thêm đơn vị và kí hiệu ở các trục

8 Nên có phần trình bày mục tiêu của thí

nghiệm là để làm gì

Đã bổ sung phần tình bay mục tiêu khảo nghiệm 5

9 Bổ sung phần giải thích tổng quan

Thêm các nghiên cứu liên quan ở trong và ngoài

10 Bổ sung cơ sở lí thuyết và cập nhật tài

liệu tham khảo

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký tên)

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 07/03/1996 Nơi sinh: Khánh Hòa

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 181 Nguyễn Tất Thành, Nha Trang, Khánh Hòa

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 06/2010 đến 06/2014

Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Lí Tự Trọng, Nha Trang, Khánh Hòa

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 08/2014 đến 08/2018

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Ngành học: Cơ khí chế tạo máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy thử độ bền mỏi tay thắng

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 8/2018, Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Sơn Minh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Bùi Tá Quang

Học viên: Lớp Cao học K19

Đơn vị công tác: Công ty TNHH Xi Măng Nghi Sơn

Tên đề tài: “Nghiên cứu độ bền mỏi của đường hàn trên sản phẩm nhựa

bằng phương pháp chuyển vị”

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ khí

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành biết ơn sâu sắc tới giảng viên, thầy giáo - PGS.TS Phạm

Sơn Minh đã hướng dẫn một cách tận tình, chu đáo và tạo cơ hội và điều kiện để giúp

đỡ tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths.Lê Văn Uyên - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã giúp đỡ trong việc nghiên cứu thí nghiệm và lắp đặt thiết

TÓM TẮT

Nhựa PA gia cố sợi thủy tỉnh (PA6-30% GF) đã được tìm hiểu và có nhiều nghiên cứu vì nhiều đặc điểm cơ học phù hợp trong việc sử dụng trong các sản phẩm thực tế trong công nghiệp Việc khảo sát cơ tính của nhựa PA6-30% GF cả về độ bền tĩnh và độ bền mỏi là một điều cực kì cần thiết, giúp cho việc hiểu biết về cơ tính của vật liệu sâu sắc hơn, cho ra nhiều thông số hơn để có thể sử dụng trong thực tế

Với hướng nghiên cứu này, chúng tôi thử độ bền mỏi của vật mẫu bằng phượng pháp chuyển vị Với phương pháp này, thay vì thử độ bền mỏi tới khi vật bị phá hủy, chúng tôi sẽ thử mỏi bằng cách kiểm soát độ chuyển vị Khi mà tín hiệu thiết lập đã

bị giảm xuống, đồng nghĩa với sự giảm độ cứng của vật mẫu, thí nghiệm sẽ kết thúc

Sự thay đổi tín hiệu này cung cấp góc nhìn ước lượng về sự bắt đầu giai đoạn phát triển các hư hỏng lan truyền trong vật mẫu

Trong thí nghiệm này, một lực thay đổi tuần hoàn sẽ được áp dụng để kiểm tra

độ bền mỏi của chi tiết Mẫu thử được gia công từ máy phun ép nhựa, sử dụng vật liệu nhựa PA6-0% GF và PA6-30% GF Mẫu thử được kiểm tra độ bền trên máy thử

độ bền mỏi Mọi thí nghiệm đều được thực hiện ở nhiệt độ phòng

MỤC LỤC

Trang tựa

Quyết định giao đề tài

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 1

DANH SÁCH CÁC BẢNG 2

DANH SÁCH CÁC HÌNH 4

Chương 1: Tổng quan 6

Chương 2: Cơ sở lí thuyết 13

Chương 3: Thiết kế thí nghiệm 19

Chương 4: Phân tích thí nghiệm 33

Chương 5: So sánh kết quả thí nghiệm 46

Chương 6: Kết luận và kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHỤ LỤC 55

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ

VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Thông số máy ép nhựa SW-120B 22

Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật máy thử độ bền mỏi 22

Bảng 3.3 Đặc tính nhựa PA6-0% GF 24

Bảng 3.4 Đặc tính nhựa PA6-30% GF 24

Bảng 3.5 Thông số ép nhựa PA6-0% GF 26

Bảng 3.6 Thông số ép nhựa PA6-30% 27

Bảng 4.1 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 33

Bảng 4.2 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-0% ở tần số 3Hz 36

Bảng 4.3 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 37

Bảng 4.4 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-0% ở tần số 4Hz 38

Bảng 4.5 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 5Hz 39

Bảng 4.6 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-0% ở tần số 5Hz 39

Bảng 4.7 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 40

Bảng 4.8 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-30% ở tần số 3Hz 41

Bảng 4.9 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 42

Bảng 4.10 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-30% ở tần số 4Hz 43

Bảng 4.11 Kết quả tỉ lệ giá trị S/N theo từng mức độ sản phẩm kéo vật liêu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 5Hz 44

Bảng 4.12 So sánh kết quả thử nghiệm của mẫu PA6-30% ở tần số 5Hz 45

Bảng 5.1 So sánh độ bền mỏi của nhựa PA6-0% và PA6-30% 51

Bảng 6.1 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 56

Bảng 6.2 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 58 Bảng 6.3 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 59 Bảng 6.4 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 60 Bảng 6.5 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 61 Bảng 6.6 Trung bình giá trị chu kỳ và tỉ lệ S/N của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 5Hz 62

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Kết quả thử nghiệm theo phương dọc mẫu 7

Hình 1.2 Hướng phun nhựa của thí nghiệm 8

Hình 1.3 Thử nghiệm độ bền mỏi của mẫu được phun ép từ các hướng khác nhau 8

Hình 1.4 Độ bền mỏi của vật mẫu với độ dày và hướng sợi khác nhau 9

Hình 1.5 Khảo sát vật mẫu với 3 mức độ ẩm (RH0, RH50 và RH100) với 2 hướng sợi khác nhau 10

Hình 2.1 Đồ thị tải trọng tuần hoàn 14

Hình 2.2 Vết nứt, gãy do không đủ sức bền mỏi 15

Hình 2.3 Đường cong mỏi 16

Hình 2.4 Vòng lặp trễ của vật liệu polymer dưới tác động của lực tuần hoàn 17

Hình 2.5 Các trạng thái tải trọng tuần hoàn cho thí nghiệm mỏi 18

Hình 3.1 Đồ thị biến dạng của chi tiết thử nghiệm 21

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm 23

Hình 3.3 Hình ảnh thực tế của máy Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Hình dáng và kích thước mẫu thí nghiệm theo ISO 527-2:1993 24

Hình 3.5 Gá mẫu 29

Hình 3.6 Kẹp chặt mẫu 30

Hình 3.7 Kéo căng mẫu 30

Hình 3.8 Kết quả được lọc 31

Hình 4.1 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 33

Hình 4.2 Kiểm tra phân phối chuẩn của dữ liệu thí nghiệm nhựa PA6-0% 3Hz 34

Hình 4.3 Kiểm tra phân tán của dữ liệu thí nghiệm nhựa PA6-0% 3Hz 34

Hình 4.4 Giá trị dự đoán ở điều kiện tối ưu trên phần mềm Minitab 35

Hình 4.5 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 36

Hình 4.6 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-0% khi thử nghiệm ở tần số 5Hz 38

Hình 4.7 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 3Hz 40 Hình 4.8 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 4Hz 42 Hình 4.9 Ảnh hưởng của các tham số đến giá trị chu kỳ chịu tải của vật liệu PA6-30% khi thử nghiệm ở tần số 5Hz 44 Hình 5.1 Mức độ ảnh hưởng của thông số ép nhựa PA6-0% GF 46 Hình 5.2 Tỉ lệ ảnh hưởng của thông số ép nhựa PA6-0% GF tới độ bền mỏi 47 Hình 5.3 Mức độ ảnh hưởng của thông số ép nhựa PA6-30% GF 48 Hình 5.4 Tỉ lệ ảnh hưởng của thông số ép nhựa PA6-30% GF tới độ bền mỏi 48 Hình 5.5 Biểu đồ so sánh tần số và số chu kỳ mỏi của nhựa PA6-0% GF 49 Hình 5.6 Biểu đồ so sánh tần số và số chu kỳ mỏi của nhựa PA6-30% GF 50 Hình 5.7 Biểu đồ so sánh độ bền mỏi của nhựa PA6-0% và PA6-30% 50

Chương 1: Tổng quan

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Đối với các thiết bị trong công nghiệp vận tải hoặc sản phẩm công nghiệp, vật liệu phải có độ bền cao, chịu nhiệt, hệ số ma sát thấp, có khả năng chống mài mòn, tự bôi trơn, hấp thụ sốc và làm ồn, chống dầu, và quan trọng nhất là nhẹ Chính vì lí do đó, nhựa PA gia cố sợi thủy tỉnh đã được nghiên cứu trong các năm qua và đưa vào sử dụng trong thực

tế PA6 – 30% GF hiện nay được sử dụng trong các ứng dụng kĩ thuật, có yêu cầu cao trong

kĩ thuật Nhiều doanh nghiệp đã lựa chọn PA6-30% để làm các sản phẩm như tay thắng xe đạp, tay nắm cửa ô tô, bánh răng, ống cuộn sợi, khung motor,…

Trong thời gian sử dụng, ở những nơi chịu lực của sản phẩm sẽ bị phá hủy Việc khảo sát cơ tính của nhựa PA6-30% GF cả về độ bền tĩnh và độ bền mỏi là một điều cần thiết, giúp cho việc thiết kế sản phẩm tốt hơn để sử dụng trong đời sống, đồng thời có độ

an toàn cao, bảo vệ người sử dụng

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Có rất nhiều bài viết nghiên cứu về độ bền mỏi của nhựa PA6-30% GF, có thể được tóm tắt lại như sau:

- “Cơ chế phá hủy do mỏi của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh

(PA6-30%)” của tác giả Hedi Nouri, C.Czamota và F.Meraghni [14] Nhóm nghiên cứu

cho thử nghiệm kéo mẫu ở các mức biến dạng khác nhau để thử nghiệm độ bền mỏi kéo của vật thể thử nghiệm làm từ vật liệu PA6-30% GF Kết luận của bài nghiên cứu cho thấy khi mức biến dạng càng cao thì độ bền mỏi của vật thử càng thấp Ngoài ra xác định được

3 giai đoạn phá hủy của độ bền mỏi đối với vật liệu này, gồm 3 giai đoạn là: 1) Giảm độ cứng của vật liệu và xuất hiện vết nứt tế vi, 2) Các vết nứt tế vi lan rộng, 3) Sự phá hủy khi các vết nứt phát triển đủ lớn

Hình 1.1 Kết quả thử nghiệm theo phương dọc mẫu [14]

Từ Hình 1.1, ta thấy rằng khi mẫu thử bị biến dạng ở mức 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 20% −

40% 𝜀𝑟𝑢𝑝 thì độ bền mỏi của vật mẫu không thay đổi quá nhiều, tuy nhiên độ bền mỏi sẽ giảm mạnh, chỉ còn 1/2 khi mức chuyển vị đạt cao tới 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 45% 𝜀𝑟𝑢𝑝

- “Tính chất độ bền mỏi của vật liệu nhựa polyamide có gia cường sợi thủy tinh ngắn: phân tích hình thái và hiệu ứng định hướng sợi” của tác giả F.Cosmi

và A.Bernasconi [15] Tác giả chỉ ra độ bền mỏi của vật liệu nhựa gia cường sợi thủy tinh sẽ phụ thuộc vào hướng của sợi Tuy nhiên, hướng của sợi thủy tinh sẽ phụ thuộc vào quy trình sản xuất, đặc biệt là dựa vào quy trình ép nhựa Trong suốt quá trình ép, sợi thủy tinh sẽ được phân tán vào hỗn hợp nhựa, và hướng của sợi trong sản phẩm sau khi được ép ra là kết quả của các hiện tượng phức tạp liên quan đến cơ học chất lỏng, độ nhớt, vận tốc, hình dáng sản phẩm, chế độ ép, dòng chảy tương tác với thành khuôn…

Hình 1.2 Hướng phun nhựa của thí nghiệm [15]

Tác giả đã cho thực nghiệm tạo mẫu thử bằng cách phun nhựa từ hai hướng như Hình 1.2 Sau khi tạo mẫu, tác giả đã tiến hành thử nghiệm độ bền mỏi, và thấy rằng mẫu được phun ép từ hướng dọc sẽ có cơ tính tốt hơn được phun từ hướng ngang

Hình 1.3 Thử nghiệm độ bền mỏi của mẫu được phun ép từ các hướng khác nhau [15]

- “Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ dày đối với vật liệu polyamide gia cố

sợi thủy tinh 6.6 khi chịu tải tuần hoàn” của tác giả M De Monte, E Moosbrugger, M

Quaresimin [16] Tác giả khảo sát đặc điểm dị hướng của vật liệu nhựa PA66-GF35 dưới tác dụng tải trọng kéo tuần hoàn, thực hiện trên mẫu được chế tạo từ khuôn ép nhựa 80 x

80mm, với 3 độ dày khác nhau t (từ 1 – 3 mm) và với 3 hướng sợi khác nhau 𝜃 (00,

300, 900) Kết luận là độ bền của vật mẫu sẽ bị tác động bởi độ dày của vật liệu, vật mẫu càng mỏng thì càng nâng cao độ dị tính trong vật liệu, qua đó độ bền mỏi sẽ giảm mạnh như Hình 1.4 Ngoài ra nhiệt độ tăng cao sẽ làm độ bền mỏi giảm nghiêm trọng

Hình 1.4 Độ bền mỏi của vật mẫu với độ dày và hướng sợi khác nhau [16]

- “Đặc điểm của nhựa polyamide gia cường sợi thủy tinh khi chịu tải tuần hoàn” của tác giả Launay [17] Trong bài nghiên cứu, tác giả cố gắng thể hiện hành

vi cấu thành của vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh polyamide ngắn và sử dụng năng lượng tiêu tán để ước tính độ bền mỏi

- “Nghiên cứu về ảnh hưởng của độ ẩm đối với cơ chế phá hủy do mỏi

trong vật liệu nhựa polyamide gia cố bằng sợi thủy tinh PA66-35% GF bằng cách sử dụng phát xạ âm và quang nhiệt hồng ngoại” của tác giả Malpot [18] Với nghiên cứu

này, tác giả đã đưa ra các kết luận về việc độ ẩm sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết khi vật thể có mức ứng suất cao, tuy nhiên khi ở mức ứng suất thấp thì độ ẩm không có ảnh hưởng nhiều Các kết quả thử nghiệm được khảo sát như trên Hình 1.5

Hình 1.5 Khảo sát vật mẫu với 3 mức độ ẩm (RH0, RH50 và RH100) với 2 hướng sợi

khác nhau

Các nghiên cứu trong nước hiện nay ít đề cập đến độ bền mỏi của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh mà chủ yếu các thông tin đều đến từ nghiên cứu ở ngoài nước Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm độ bền mỏi đối với loại vật liệu này ở nhiều chế độ, nhiều các tỷ lệ biến dạng hoặc ở các mức ứng suất khác nhau, thử nghiệm để xác định nhiều đặc điểm cơ học phức tạp, cũng như mối quan hệ giữa chúng (ví dụ độ ẩm và nhiệt đối với cơ tính) Các nghiên cứu đã làm nổi vật một số hiện tượng phức tạp đối với loại vật liệu này như: hiệu ứng tiêu tán năng lượng ở các thang thời gian khác nhau, cơ chế không thể phục hồi, sự mất độ cứng theo chu kỳ,…

Một trong những đặc điểm của vật liệu nhựa có gia cường sợi thủy tinh là chúng được chế tạo từ khuôn ép nhựa, và do đó thông số ép nhựa và quy trình ép sẽ ảnh hưởng đến độ bền của chi tiết được ép ra Sợi thủy tinh có thể không phân bố đồng nhất trong hỗn hợp nhựa, hướng của sợi phụ thuộc vào dòng chảy trong khuôn, vị trí bơm nhựa,… Bản thân hỗn hợp cũng cực kì nhạy cảm đối với các thông số như nhiệt độ khuôn, nhiệt

độ nhiệt, áp suất phun, … và kết quả là có thể tạo ra mạng lưới tinh thể không đồng nhất Ngoài ra, khi sản phẩm đã thành hình, độ bền mỏi cũng có thể thay đổi tùy theo vị trí tiết diện cắt ngang, tại các nơi tập trung ứng suất,…Các vấn đề khảo sát về thông số ép nhựa tới độ bền mỏi của sản phẩm nhựa PA6-GF30 hiện nay chưa có.Vì vậy, tác giả đã chọn

đề tài: “ Nghiên cứu độ bền mỏi do chuyển vị của đường hàn trên sản phẩm nhựa

PA6-30%”

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Hiện nay, các đề tài nghiên cứu có liên quan đến ảnh hưởng của các thông số ép khi

ép nhựa tới độ bền mỏi của sản phẩm nhựa PA6-30GF chưa nhiều Hầu hết chỉ khảo sát về

cơ tính và các đường cong mỏi của sản phẩm sau khi ép Cần phải thực hiện nghiên cứu và thí nghiệm để khảo sát về các thông số ép nhựa đến đặc tính độ bền mỏi của sản phẩm

Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng để tạo ra các sản phẩm được làm từ vật liệu nhựa PA6-30GF có độ bền mỏi cao, có độ bền bỉ hơn trong sử dụng

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số ép tới độ bền mỏi của vật liệu nhựa 30% GF Qua đó lựa chọn được thông số ép tối ưu để tăng cường độ bền mỏi của chi tiết

PA6-1.5 Đối tượng nghiên cứu

Do chỉ giới hạn nghiên cứu về lí thuyết nên sẽ tiến hành thí nghiệm trên các máy móc và điều kiện đang có:

- Máy phun ép nhựa

- Máy thử độ bền mỏi

- Phần mềm phân tích Minitab

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lí luận:

- Thí nghiệm và phân tích thí nghiệm

- Quan sát khoa học

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

1.7 Kế hoạch thực hiện

- Nghiên cứu tổng quan

- Tìm hiểu lí thuyết và xây dựng bài toán thí nghiệm

- Phân tích kết quả thí nghiệm

- Kết luận

1.8 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia thành các chương với nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Cơ sở lí thuyết độ bền mỏi

Chương 3: Thiết kế thí nghiệm

Chương 4: Phân tích thí nghiệm

Chương 5: So sánh kết quả

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo sẽ được trình bày trong các chương cuối cùng của luận văn

Chương 2: Cơ sở lí thuyết

2.1 Độ bền mỏi

2.1.1 Giới thiệu

Phần lớn hư hỏng trong máy móc, các chi tiết máy là do các lực tuần hoàn theo thời gian gây ra Những hư hỏng này xảy ra ở ứng suất thấp hơn nhiều so với độ bền chảy của vật liệu Vì lí do đó, chỉ sử dụng lí thuyết phá hủy tĩnh là không đủ an toàn để thiết kế các chi tiết trong thực tế

Phá hủy do mỏi ảnh hưởng lớn tới nền kinh tế Theo các báo cáo của chính phủ Hoa Kỳ, thiệt hại hàng năm do phá hủy mỏi của vật liệu gây ra đối với nền kinh tế vào những năm 1982 vào khoảng 100 tỉ USD, khoảng 3% tổng sản phẩm quốc nội hàng năm (GNP) [1] Chi phí này gia tăng do việc ngăn ngửa hư hỏng do độ bền mỏi gây ra đối với các phương tiện mặt đất, phương tiện đường sắt, hàng không, cầu, cẩu, thiết bị nhà máy điện,

… và nhiều loại máy móc và thiết bị khác

2.1.2 Ứng suất thay đổi

Các tải trọng có biên độ thay đổi tuần hoàn theo thời gian có khả năng gây ra sự phá hủy mỏi Biểu đồ ứng suất – chu kỳ hoặc biến dạng – chu kỳ sẽ có dạng chung với biểu đồ tải trọng – thời gian Các yếu tố quan trọng nhất chính là biên độ và giá trị trung bình của biểu ứng suất – chu kỳ, số chu kỳ mà vật liệu chịu được trước khi bị phá hủy [3]

Ứng suất thay đổi có thể bất kì, hoặc thay đổi theo chu kỳ Trong thiết kế, chúng ta thường gặp loại ứng suất thay đổi có chu kỳ tuần hoàn, hoặc gần như là tuần hoàn Sơ đồ của ứng suất thay đổi được biểu diễn trên Hình 2.1

Các hàm ứng suất – chu kỳ điển hình được mô tả như các trường hợp dưới đây:

Hình 2.1 Đồ thị tải trọng tuần hoàn [3]

Hình Hình 2.1a mô tả về tải tuần hoàn, giá trịnh ứng suất trung bình bằng 0

Hình Hình 2.1b mô tả về các tải trọng lặp lại, ứng suất thay đổi từ giá trị 0 tới một giá trị lớn nhất, giá trị trung bình bằng với các giá trị luân phiên

Hình Hình 2.1c mô tả về trường hợp tổng quát hơn, gọi là tải trọng thay đổi theo thời gian, với mọi thành phần đều khác 0

Các thông số ứng suất trong một chu kỳ là:

- Giá trị ứng suất lớn nhất 𝜎𝑚𝑎𝑥 và giá trị ứng suất nhỏ nhất 𝜎𝑚𝑖𝑛

- Giá trị ứng suất trung bình 𝜎𝑚

Chúng ta có các dạng ứng suất như sau:

- 𝑅 ≥ 0: ứng suất thay đổi mạch động

- 𝑅 ≤ 0: ứng suất thay đổi đối xứng

- R = 1: ứng suất tĩnh

2.1.3 Cơ chế phá hủy do mỏi

Phá hủy do mỏi luôn bắt đầu bằng những vết nứt tế vi Các vết nứt tế vi này hiện hữu trong quá trình sản xuất vật liệu hoặc gia công chi tiết máy, hoặc nó xuất hiện trong quá trình hoạt động do sự tập trung ứng suất [2]

Có ba giai đoạn của sự phá hủy do mỏi:

- Bắt đầu xuất hiện vết nứt tế vi

- Phát triển vết nứt

- Gãy đột ngột do sự phát triển vết nứt không ổn định

Quá trình hỏng do mỏi theo các nghiên cứu về thí nghiệm độ bền mỏi của các loại vật liệu đều cho thấy sẽ xảy ra như sau:

- Sau một thời gian chịu tác dụng lực tuần hoàn, tại những chỗ có tập trung ứng suất trên chi tiết máy sẽ xuất hiện các vết nứt nhỏ

- Vết nứt này sẽ dần dần phát triển lớn lên, giảm dần diện tích tiết diện chịu tải của chi tiết, qua đó làm tăng giá trị ứng suất cục bộ tại vị trí tập trung ứng suất

- Chi tiết bị phá hủy khi đạt tới trạng thái giới hạn về độ bền tĩnh

Vết nứt, gãy của chi tiết bị phá hủy do mỏi như Hình 2.2:

Hình 2.2 Vết nứt, gãy do không đủ sức bền mỏi [3]

Hiện nay, đã có rất nhiều thí nghiệm để xác định mối quan hệ giữa giá trị ứng suất

và số chu kỳ làm việc cho đến khi hỏng của chi tiết máy như trên Hình 2.3 Đây được gọi

là “đường cong mỏi”

Hình 2.3 Đường cong mỏi [3]

𝑁0: chu kỳ cơ sở

𝜎𝑟: giới hạn mỏi của vật liệu

𝜎𝑁: giới hạn mỏi ngắn hạn

2.2 Một số yếu tố ảnh hưởng độ bền mỏi của vật liệu nhựa

Các chi tiết bằng nhựa hoặc cấu kiện bằng nhựa thường phải chịu các điều kiện tải phức tạp, bao gồm tải trọng tĩnh, tải trọng động, các lực ngẫu nhiên va chạm… Các tải lặp

đi lặp lại sẽ dẫn đến sự hỏng hóc của chi tiết ở mức ứng suất hoặc biến dạng thấp hơn nhiều

so với điều kiện tải trọng tĩnh [5] Đặc biệt là khi có các vị trí tập trung ứng suất như lỗ cắt ngang chi tiết, các bề mặt không liên tục, hoặc do đường hàn trên sản phẩm nhựa, hay là

sự không đồng nhất về cấu trúc trong khi ngưng kết hoặc định hướng sợi đối với vật liệu nhựa có pha sợi thủy tinh, cũng như tương tác đồng thời với môi trường ăn mòn hóa học

Do những tác động này, các thông số về giá trị cường độ hoặc biến dạng được xác định bằng các thử nghiệm phá hủy ngắn hoặc dài hạn đều không thể sử dụng để xác định kích thước của chi tiết trong điều kiện tải động hoặc tải theo chu kỳ đối với vật liệu nhựa [7]

Đối với vật liệu nhựa polyme, khi bắt đầu một chuỗi tải trọng tuần hoàn theo thời gian, có một độ lệch nhất định trong hành vi đàn hồi tuyến tính Ở đây, một vòng lặp trễ sẽ xảy ra do sự lệch pha giữa rung động cưỡng bức và biến dạng Ta có thể quan sát thấy hiện tượng này như trên Hình 2.4 Nếu là biến dạng đàn hồi tuyến tính thuần thúy thì mối quan

hệ giữa chúng sẽ không có xảy ra vòng lặp trễ (đường chấm trong hình)

Hình 2.4 Vòng lặp trễ của vật liệu polymer dưới tác động của lực tuần hoàn [7]

Sự phát triển của vùng trễ phụ thuộc cơ bản vào biên độ dao động, mức tải trọng, loại tải tuần hoàn (hình sin, tam giác, hoặc hình vuông), nhiệt độ thử nghiệm, tần số được chọn cho các thí nghiệm Khi tải tăng lên, năng lượng biến dạng được vật liệu hấp thụ bởi các nơi bị hư hỏng, vùng trễ (mất mát hoặc tiêu hao năng lượng) sẽ phát triển, và sự gia tăng nhiệt độ diễn ra trong vật liệu Sự gia tăng nhiệt độ này đặc biệt là do cấu trúc xác định độ dẫn nhiệt thấp của chất dẻo, thấp hơn từ hai đến ba lũy thừa thập phân so với của vật liệu kim loại Do sự hấp thụ năng lượng cao và hệ số truyền nhiệt thấp, nhiệt độ trên mẫu thí nghiệm nhựa sẽ ngày càng tăng cao, cuối cùng là dẫn tới sự hỏng do nhiệt độ, đặc biệt là khi thử nghiệm ở tần số cao Vì vậy khi nghiên cứu về độ bền mỏi của polymer thì các yếu tố ảnh hưởng này phải được kiểm soát hoặc hạn chế, ví dụ như tần số của lực cưỡng bức phải thấp vì nhiệt độ tạo ra sẽ ảnh hưởng tới cơ tính mà ta đang khảo sát [5]

Các thử nghiệm dao động liên tục sẽ cung cấp cơ sở để khảo sát và xác định các ứng

xử mỏi của chất dẻo polymer [8] Hiện nay có rất nhiều tiêu chuẩn hợp lể để áp dụng cho thử nghiệm độ bền mỏi của nhựa, ví dụ như DIN 50100 hoặc ASTM D3032 Các tiêu chuẩn này mô tả phương pháp thử nghiệm thường được sử dụng cho xác định tính chất mỏi của vật liệu kim loại, cũng như các thông số, thuật ngữ và sơ đồ được sử dụng cho đánh giá dữ liệu Trong thử nghiệm tuần hoàn liên tục, có được sự phân biệt giữa tải có kiểm soát ứng suất, trong đó có biên độ luân phiên không đổi và thành phần ứng suất trung bình không đổi (hình dưới), và kiểm soát sự biến dạng, trong đó biến dạng luân phiên và một biến dạng trung bình không đổi

Tùy thuộc vào tải trọng trên vật liệu cần thử nghiệm, các thí nghiệm đơn trục này

có thể thực hiện trong ba phạm vi tải trong tổng số bảy trường hợp tải như Hình 2.5 Các giá trị ứng suất trung bình 𝜎𝑚, ứng suất luân phiên 𝜎𝑎, hoặc ứng suất tối đa 𝜎𝑜 và ứng suất thấp nhất 𝜎𝑢 sẽ được xác định trước, phụ thuộc vào quy trình thử nghiệm

Hình 2.5 Các trạng thái tải trọng tuần hoàn cho thí nghiệm mỏi

Thông số thiết lập trong thí nghiệm kiểm soát ứng suất là:

và tỉ số 𝑅 = 𝜎𝑚/𝜎𝑜 (2.5)

Đối với thí nghiệm kiểm soát biến dạng, tương tự có 2 thông số thiết lập sau:

𝑆 = 𝜖𝑢/𝜀𝑜 (2.6)

và tỉ số R = 𝜀𝑚/𝜀𝑜 (2.7)

Nếu ứng suất trung bình không đổi, đối tượng của thí nghiệm là xác định độ bền mỏi hoặc giới hạn độ bền mỏi 𝜎𝐷 Giới hạn này chính là ứng suất lớn nhất mà chi tiết làm

từ vật liệu nhựa có thể hoạt động vĩnh viễn mà không bị chuyển vị vượt mức cho phép hoặc

bị phá hủy Chi tiết sẽ bị phá hủy ở các mức ứng suất vượt quá giá trị 𝜎𝐷 này Để xác định giá trị độ bền mỏi, có thể thực hiện thí nghiệm Wohler Đối với vật liệu nhựa, thí nghiệm Wohler có thể xác định biểu đồ ứng suất – chu kỳ đối với chu kỳ tối đa đạt khoảng 𝑁 ≥

- Đề xuất được bộ thông số ép nhựa tối ưu để đạt được độ bền mỏi cao nhất

3.2 Thiết lập nhiệm vụ

- Xác định thông số cần thiết

- Xác định giá trị của mỗi thông số

- Lựa chọn bảng ma trận trực giao Taguchi phù hợp

- Lựa chọn phương thức thí nghiệm độ bền mỏi phù hợp

chuẩn này dùng để xác định đặc tính mỏi của vật liệu polymer pha sợi thủy tinh dưới tác dụng của lực kéo tuần hoàn

Tiêu chuẩn D3479 có hai phương pháp thí nghiệm:

- Phương pháp A: sử dụng hệ thống kiểm soát lực (ứng suất) Máy thử tạo

ra một lực tuần hoàn không đổi theo chu kỳ

- Phương pháp B: sử dụng hệ thống kiểm soát chuyển vị theo hướng tác dụng tải Máy thử sẽ được điều khiển để tạo ra biến dạng tuần hoàn không đổi theo chu kỳ

Trong bài nghiên cứu này lựa chọn phương pháp B, tức là kiểm soát độ bền mỏi bằng phương pháp kiểm soát độ chuyển vị Trong thí nghiệm này, một lực thay đổi tuần hoàn sẽ được áp dụng để kiểm tra độ bền mỏi của chi tiết Mẫu thử được chế tạo từ máy phun ép nhựa, sử dụng vật liệu nhựa PA6-0% GF và PA6-30% GF Mẫu thử được đặt vào máy thử độ bền mỏi, kẹp chặt, và sau đó tiến hành kéo dãn và nén liên tục bằng bộ tạo xung cộng hưởng Chuyển vị của chi tiết sẽ theo dạng hình sin và không thay đổi về biên độ Mọi thí nghiệm đều được thực hiện ở nhiệt độ phòng Cơ tính của vật liệu được xác định từ thử nghiệm kéo tĩnh

Thí nghiệm sẽ được tiến hành bằng cách kéo dãn vật thử để làm biến dạng một khoảng giữa biến dạng tối đa 𝜀𝑚𝑎𝑥 và biến dạng tối thiểu 𝜀𝑚𝑖𝑛 Tỉ lệ R = 𝜀𝑚𝑖𝑛/𝜀𝑚𝑎𝑥 Thông thường, ta sẽ lấy mức biến dạng 𝜀𝑚𝑎𝑥 = 20% 𝜀𝑟𝑢𝑝, với 𝜀𝑟𝑢𝑝 là độ biến dạng tối đa khi vật liệu bị phá hủy Đồ thị biến dạng như hình Hình 3.1:

Hình 3.1 Đồ thị biến dạng của chi tiết

Thực hiện thí nghiệm cho tới khi nào thu nhận được sự sụt giảm của bộ phận thu nhập tín hiệu Điều này cũng là minh chứng của sự giảm độ cứng của vật thử nghiệm Tần số thử nghiệm không đổi, và nên lựa chọn ở tần số thấp Nếu tần số thử nghiệm quá cao thì sẽ tạo ra nhiệt độ lớn trên mẫu thử nghiệm, qua đó làm sụt giảm độ bền mỏi của vật mẫu một cách nghiêm trọng Bộ kiểm soát tín hiệu phải được hiệu chỉnh sau mỗi thử nghiệm để đảm bảo không bị trượt, trôi tín hiệu, …

3.4 Hệ thống thí nghiệm

3.4.1 Máy ép nhựa

Mẫu được ép từ máy ép nhựa SW-120B tại xưởng khuôn ép nhựa trường Đại học

Sư phạm Kỹ Thuật TpHCM

Thông số của máy ép nhựa trong bảng Bảng 3.1 sau:

Thông số kĩ thuật chung

Thể tích nhựa 1 lần phun lớn nhất theo lý thuyết

6 Plasticizing Capacity (PS)

Khả năng làm dẻo nhựa

74 (kg/hour)

Tốc độ quay trục vít theo lý thuyết

Máy thử độ bền mỏi sử dụng từ đồ án “Thiết kế, chế tạo máy thử độ bền mỏi”

[19] Máy sử dụng động cơ servo trục chính (mã động cơ 04AAA41) có công suất 400W, tốc độ tối thiểu 3000 vòng/phút, tốc độ tối đa 5000 vòng/phút

Máy có hệ thống kiểm soát tín hiệu độ cứng bằng loadcell PST Keli Một vài thông

số chính của loadcell được sử dụng trên máy thử độ bền mỏi như sau:

- Tải trọng: 10 Kg

- Độ phân giải 2.0+-0.002mV/VD

Thông số của máy trong bảng Bảng 3.2 như sau:

01 Chiều dài (mm) 1283

02 Chiều rộng (mm) 530

04 Tần số test mẫu (Hz) 1 - 5

05 Vật liệu mẫu Nhựa PA6 – 30% GF

Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật máy thử độ bền mỏi

Nguyên lí hoạt động của máy: mô men xoắn từ trục động cơ qua hộp số 1/10 truyền tới trục khuỷu và làm tay biên quay Khi tay biên quay thì ngàm kẹp mẫu bên phải sẽ được kép về phía bên phải và tịnh tiến qua lại theo phương ngang, làm mẫu thử bị dãn ra Cảm biến đo lực được gắn vào giá đỡ phía bên ngàm kẹp bên trái , do đó khi máy làm việc, lực ghi nhận sẽ được hiển thị tại đồng hồ đo lực kéo số Khi lực giảm 10% so với ban đầu thì máy sẽ dừng lại