đánh giá sự thay đổi cấu trúc kim loại (thép c45) khi mỏi bằng phân tích đỉnh nhiễu xạ tia x trên máy xpert pro

Một nhánh của khoa học này là nghiên cứu về quan hệ cấu trúc bên trong cách sắp xếp các nguyên tử trong vật chất và các tính chất của vật liệu, sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào c

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN HOÀNG SƠN

ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC KIM LOẠI (THÉP C45) KHI MỎI BẰNG PHÂN TÍCH ĐỈNH NHIỄU XẠ TIA X TRÊN MÁY X'PERT PRO

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 0 5 5

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN HOÀNG SƠN

ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC KIM LOẠI ( THÉP C45) KHI MỎI BẰNG PHÂN TÍCH ĐỈNH NHIỄU XẠ TIA X TRÊN MÁY X’PERT PRO

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾT TẠO MÁY – 605204

Tp Hồ Chí Minh, năm 2013

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN HOÀNG SƠN

ĐÁNH GIÁ SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC KIM LOẠI ( THÉP C45) KHI MỎI BẰNG PHÂN TÍCH ĐỈNH NHIỄU XẠ TIA X TRÊN MÁY X’PERT PRO

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾT TẠO MÁY – 605204

Hướng dẫn khoa học:

TS VĂN HỮU THỊNH

Tp Hồ Chí Minh, năm 2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

E_mail: sonmdc@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Thiết Kế Hệ Thống Đo Lường Không Tiếp Xúc ( khí nén)

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 9/1983

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

nhiệm

10/1983

đến nay

Trường Cao Đẳng Nghề Nguyễn Trường Tộ ( tên cũ là Trường Trung Học Công Nghiệp

Giáo viên khoa

Cơ khí

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chƣa hềđƣợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho vi ệc thực hiện luận văn này đãđƣợc cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong luận văn đãđƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Tp Hồ chí minh, ngày 20tháng 9năm 2013

Học viên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trước hết cho phép tác giả được bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc đến TS Văn Hữu Thịnh - thầy giáo hướng dẫn chính luận văn đã chỉ bảo tận tình, luôn thôi thúc, động viên và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài này

Xin cảm ơn Thầy Nguyễn Đức Thành Giám đốc Trung tâm Hạt Nhân T/P Hồ Chí Minh và các thành viên trung tâm đã giúp đỡ tôi trong việc sử dụng các thiết bị chuyên dùng để đo đạc các mẫu thực nghiệm

Xin được bày tỏ lòng cảm ơn tới tất cả các thầy, cô giáo đã giảng dạy và hướng dẫn tác giả trong toàn bộ khoá học Trân trọng cảm ơn toàn thể cán bộ khoa

Cơ khí Chế tạo máy, Phòng Quản lý cao học , Phòng Đào tạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Lòng biết ơn của tác giả muốn được gửi tới Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, đã tạo điều kiện cho tác giả được học tập và nghiên cứu

Cuối cùng tác giả muốn cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tác giả trong thời gian qua

Một lần nữa xin cảm ơn tất cả!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Học viên

Trần Hoàng Sơn

TÓM TẮT

Vật liệu học nói chung, kim loại học nói riêng là ngành khoa học về vật liệu khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng Một nhánh của khoa học này là nghiên cứu về quan hệ cấu trúc bên trong ( cách sắp xếp các nguyên tử trong vật chất) và các tính chất của vật liệu, sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào cấu trúc bên trong của chúng

Trong đó phương pháp nhiễu xạ tia X là phương pháp phân tích cấu trúc kim loại bằng cách dựa vào các thông tin nhận được trên các giản đồ XRD

Đề tài “ Đánh giá sự thay đổi cấu trúc của kim loại (thép C45) khi mỏi bằng phân tích đỉnh nhiễu xạ tia X trên máy X’Pert Pro.” được thực hiện trong thời gian khoảng 6 tháng Đề tài thực nghiệm chủ yếu trên mẫu kim loại thép C45 Phạm vi là đánh giá sự thay đổi về mặt cấu trúc nếu có của mẫu kim loại thép C45, sau khi thử mỏi bằng cách phân tích phổ nhận được khi đo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên hệ máy X’Pert Pro tại phòng thí nghiệm của Trung Tâm Hạt Nhân TP.HCM

Để thực hiện đạt mục đích của đề tài, người thực hiện đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

 Tổng quan tài liệu có liên quan đến đề tài

 Chế tạo mẫu thực nghiệm, tạo mỏi cho chi tiết mẫu tiến hành đo nhiễu xạ trên các mẫu đã chế tạo

 Phân tích các dữ liệu đo đạc được và xử lý dữ liệu bằng các phần mềm chuyên dùng được phát triển trên lý thuyết, mô hình tính toán học của nhiễu xạ tia X trên vật liệu

đa tinh thể

Khi mẫu bị sai hỏng mỏi, cấu trúc mạng tinh thể bị thay đổi và làm cho phổ nhiễu xạ tia X của mẫu không như phổ nhiễu xạ của tinh thể hoàn hảo Khảo sát mẫu mỏi, ta thấy có các yếu tố khoa học quan trọng

 Sự dịch chuyển đỉnh phổ của phổ nhiễu xạ

 Độ mở rộng đỉnh phổ của phổ nhiễu xạ

Kết quả thực nghiệm cho thấy đã có sự thay đổi trong cấu trúc kim loại biểu thị qua khoảng cách dhkl của các bề mặt mạng tinh thể của các mẫu thực nghiệm Sự thay đổinày được xác định thông qua các giá trị đo được và tính toán theo định luật Bragg so với mẫu chuẩn

ABSTRACT

Materials in general , in particular metals learning is the science of survey material nature of the material , the relationship between the structure and their properties One branch of this science is the study of relationships within the structure ( the arrangement of atoms in the material ) and the nature of the material , the dependence of material properties on their internal structure

In the X -ray diffraction method is a method of analyzing metal structures by relying

on the information received on the XRD diagram

Entitled " Assessing the structural change of metal ( steel C45 ) when fatigue analysis by X-ray diffraction peaks on X'Pert Pro " Be done in about 6 months time Thread primarily on empirical model C45 steel The scope is to assess the structural changes if the metal sample C45 steel after fatigue test by analyzing the received spectrum

as measured by X-ray diffraction method on a computer system at room X'Pert Pro laboratory of Nuclear Center Ho chi Minh City

To achieve the purpose of the study , who had made use of some of the following research methods :

 Overview documents related topics

 Production of experimental samples , create more fatigue diffraction pattern measured on the fabricated sample

 Analyze measured data and data processing by specialized software was developed in theory , the mathematical model of the X -ray diffraction on polycrystalline materials

When fatigue pattern defects , lattice structure is changed and made popular by X ray diffraction pattern of diffraction is not as perfect crystal Sample survey fatigue , we see there are important elements of science

- The shift of the diffraction peak spectrum

 The expanded spectrum of diffraction peaks

The experimental results show there has been a change in the metal structure dhkl

represented by the distance of the surface lattice of the experimental samples This change

is determined by the values measured and calculated according to Bragg 's law than the standard model

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU xii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: 1

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu: 1

1.1.2 Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: 2

1.2 Mục đích của đề tài: 4

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 5

1.1.3 Nhiệm vụ của đề tài: 5

1.1.4 Giới hạn của đề tài: 6

1.4 Phương pháp nghiên cứu: 6

1.4.1 Cấu trúc tinh thể của vật rắn 6

1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể 7

1.4.3 Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X 7

Chương 2 CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU 10

2.1 Vật liệu [1,2] 10

2.1.1 Mở đầu 10

2.1.2 Định nghĩa 10

2.1.3 Phân loại 10

2.1.4 Các đặc điểm của vật liệu 11

2.2.1 Định nghĩa 12

2.2.2 Ô cơ sở, chỉ số phương, chỉ số Miller của mặt tinh thể 13

2.2.3 Hệ tinh thể 15

2.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của kim loại 16

2.3.1 Mạng lập phương tâm khối 16

2.3.2 Mạng lập phương tâm mặt 17

2.3.3 Mạng lục giác xếp chặt 17

2.4 Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim 18

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng tia X hay tia Rơngen 18

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu tổ chức kim loại và hợp kim 19

Chương 3 LÝ THUYẾT MỎI 20

3.1 Hiện tượng phá hủy mỏi của kim loại.[3] 20

3.1.1 Hiện tượng mỏi 20

3.1.2 Đường cong mỏi 22

3.1.3 Giới hạn mỏi 23

3.2 Nhữngyếutốảnhhưởngtớiđộbềnmỏi 24

3.2.1 Ảnh hưởng của bản chất vật liệu và xử lý nhiệt 24

3.2.2 Ảnh hưởng của chế độ tải trọng 27

3.3 Cơ chế lan truyền vết nứt mỏi 30

3.3.1 Các pha trên đường cong mỏi 30

3.3.2 Nghiên cứu bề mặt phá hủy mỏi các chi tiết máy thực tế 30

3.3.3 Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi 31

3.3.4 Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi 32

3.4 Thí nghiệm mỏi 33

3.4.1 Sơ đồ chất tải 33

3.4.2 Mẫu và Máy thí nghiệm 33

Chương 4 NHIỄU XẠ TIA X 35

4.1 Khái niệm nhiễu xạ tia X.[9] 35

4.2 Tia X và sự phát sinh tia X 35

4.3 Nhiễu xạ tia X trên tinh thể 36

4.3.1 Hiện tượng nhiễu xạ tia X trên tinh thể 36

4.3.2 Phương trình Bragg 37

4.4 Các phương pháp ghi phổ nhiễu xạ tia X 39

4.4.1 Ghi phổ nhiễu xạ bằng phim ảnh 39

4.4.2 Ghi phổ nhiễu xạ bằng ống đếm (detector) nhấp nháy 39

4.5 Phương pháp nhiễu xạ bột 40

4.5.1 Đặc điểm của phương pháp bột 40

4.5.2 Phương pháp nhiễu xạ kế 41

4.5.3 Những ứng dụng phân tích của phương pháp bột 43

4.6 Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X 43

4.6.1 Xác định cấu trúc mạng tinh thể 43

4.6.2 Những thông tin từ phổ nhiễu xạ XRD 44

4.6.3 Đánh giá sự thay đổi cấu trúc của mẫu 48

4.7 Các phương pháp xác định độ rộng một nửađỉnh phổ (FWHM) 49

4.7.1 Các phương pháp làm khớp phổ nhiễu xạ 49

4.7.2 Lý thuyết hàm Gaussian và FWHM 51

4.7.3 Làm khớp phổ nhiễu xạ dùng phần mềm 52

Chương 5 THIẾT BỊ NHIỄU XẠ &PHÂN TÍCH PHỔ NHIỄU XẠ 53

5.1 Thiết bị nhiễu xạ X’Pert Pro 53

5.2 Máy tạo mỏi 55

5.2.1 Cấu tạo chính 55

5.2.2 Nguyên lý hoạt động: 55

5.3 Chuẩn bị mẫu, đo đạc mẫu 56

5.3.1 Chuẩn bị mẫu 56

5.3.2 Xử lý mẫu 58

5.3.3 Đo mẫu trên máy nhiễu xạ X’Pert Pro 59

5.4 Xử lý phổ nhiễu xạ đo được của các mẫu thực nghiệm 60

5.4.1 Dữ liệu thu nhận được sau khi đo 61

5.4.2 Bảng kết quả thực nghiệm 64

5.5 Kết quả thực nghiệm 65

5.5.1 Độ rộng một nửa đỉnh phổ (FWHM) 65

5.5.2 Tùy chọn Scherrer Calculator 67

Chương 6 KẾT LUẬN 69

6.1 Kết luận 69

6.2 Giới hạn và hướng phát triển của đề tài 70

6.2.1 Giới hạn 70

6.2.2 Hướng phát triển đề tài 70

TÀI LIỆUTHAMKHẢO 72

PHỤ LỤC 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Nguyên lý nhiễu xạ bột 8

Hình 1 2: Quan hệ d0 và đỉnh phổ nhiễu xạ 9

Hình 2 1: Mạng tinh thể lập phương tâm mặt 12

Hình 2 2: Ô cơ sở , chỉ số phương của ô cơ cở [11] 13

Hình 2 3: Chỉ số Miller của các mặt (100),(010),(001),(110),(111) 14

Hình 2 4: Ô cơ sở của 7 dạng hệ tinh thể 16

Hình 2 5: Ô cơ sở , mạng lập phương tâm khối [11] 16

Hình 2 6: Ô cơ sở , mạng lập phương tâm mặt 17

Hình 2 7: Ô cơ sở , chỉ số phương của ô cơ cở 18

Hình 3.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại 20

Hình 3 2: Đường cong mỏi Veller 22

Hình 3 3: Chu kỳ ứng suất 28

Hình 3 4: Các pha trên đường cong mỏi 30

Hình 3 5: Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi 31

Hình 3 6: Sơ đồ chất tải lên mẫu đường kính d0 33

Hình 3 7: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn quay tròn 33

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý máy tạo mỏi quay tròn 34

Hình 3 9: Sơ đồ máy tạo mỏi RB 34

Hình 4 1: Sơ đồ ống phát tia X 35

Hình 4 2: Sơ đồ trước và sau khi lọc Kβ 36

Hình 4 3: Đường đi của tia X trong tinh thể 37

Hình 4 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của ống đếm nhấp nháy 40

Hình 4 5: Sự nhiễu xạ trên vật liệu đa tinh thể 41

Hình 4 6: Nguyên lý phương pháp nhiễu xạ kế 41

Hình 4 7: Phổ nhiễu xạ của nhôm(Al) 42

Hình 4 8: Phổ nhiễu xạ đặc trưng 45

Hình 4 9: Độ rộng của một nữa đỉnh phổ nhiễu xạ 46

Hình 4 11: Phổ nhiễu xạ thực nghiệm là điểm rời rạc 49

Hình 4 12 Đồ thị hàm dạng Gaussian 50

Hình 4 13: Đồ thị hàm dạng Lorentzian 50

Hình 4 14: Phổ nhiễu xạ đã được làm khớp bằng phần mềm 52

Hình 5 1: Ống phát tia X 53

Hình 5 2: Hệ giác kế của máy X’Pert Pro 54

Hình 5 3: Cảm biến đo lực và đếm số vòng 55

Hình 5 4: Sơ đồ nguyên lý và máy tạo mỏi 56

Hình 5 5: Hình dạng và kích thước của mẫu thử 56

Hình 5 6: Bộ chi tiết mẫu thép C45 57

Hình 5 7: Mẫu được gá trên máy X’Pert Pro 59

Hình 5 8: Quá trình đo mẫu X-5 trên máy X’Pert Pro 60

Hình 5 9: Phổ nhiễu xạ nhận được sau khi đo 61

Hình 5 10: Phổ trước và sau khi làm trơn 62

Hình 5 11: Phổ trước và sau khi xác đỉnh đỉnh phổ 62

Hình 5 12: Trừ nhiễu Kα2 63

Hình 5 13: Phổ trước và sau khi làm trơn 63

Hình 5 14: Phổ sau khi xử lý 64

Hình 5 15: Đồ thị quan hệ mẫu thử và FWHM 66

Hình 5 16: Sự thay đổi của đỉnh phổ nhiễu xạ 66

Hình 5 17: Tùy chọn Scherrer Calculator 67

Hình 5 18: Biến dạng trung bình mạng tinh thể (mean lattice distortion) 67

Hình 5 19: Phổ của 7 mẫu thực nghiệm 68

Hình 6.1: Sơ đồ đo mẫu xoay 2 trục 71

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Từ viếttắt Nghĩacủatừ

Pearson VII Hàmphân bốPearson7

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu:

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu:

Vật liệu học nói chung, kim loại học nói riêng là ngành khoa họcvề vật liệu khảo sát bản chất của vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng Một nhánh của khoa học này là nghiên cứu về quan hệ cấu trúc bên trong (cách sắp xếp các nguyên tử trong vật chất) và các tính chất của vật liệu, sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào cấu trúc bên trong của chúng Tính chất của vật liệu (kim loại) phụ thuộc lực liên kết và cách sắp xếp của các phần tử cấu tạo nên chúng

Để phân tích cấu trúc bên trong và bề mặt vật rắn nói chung và kim loại nói riêng hiện nay có 4 nhóm phương pháp dùng trong khoa học vật liệu

 Các phương pháp dựa trên cơ sở nhiễu xạ: như nhiễu xạ tia X (XRD), nhiễu xạ điện tử (ED) và nhiễu xạ nơtron(ND)

Trong đó phương pháp nhiễu xạ tia X đóng vai trò quan trọng Phương pháp phân tích cấu trúc kim loại bằng cách phân tích các phổ nhiễu xạ tia X có thể nói tóm tắt như sau, người ta dựa vào các thông tin nhận được trên các giản đồ XRD như:

- Khảo sát sự sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể, nghiên cứu giản đồ trạng thái của các hợp kim

- Xác định các pha tinh thể, tìm các giới hạn dung dịch rắn hay hợp kim

Việc ứng dụng nhiễu xạ tia X vào nghiên cứu các vật liệu mới cũng như lý giải các hiện tượng vật lý hóa học của vật liệu là các đề tài được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm Nhiều công trình, tài liệu… về vấn đề này đã được công bố trong suốt thời gian qua và vẫn còn tiếp tục

Là một học viên cao học của ngành kỹ thuật cơ khí, trong quá trình làm việc

và học tập nhận thấy để có thể nghiên cứu về nhiễu xạ tia X trên vật liệu kim loại ngoài việc trang bị về lý thuyết cần phải được trang bị các thiết bị thực nghiệm cần thiết để tiến hành các thí nghiệm cần thiết Các thiết bị thí nghiệm vể tia X rất đắt tiền và nguy hiểm do đó cần phải được trang bị tại các phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn về an toàn cũng như có khả năng sử dụng hiệu quả chúng

Được sự trợ giúp của Trung tâm hạt nhân T/p Hồ Chí Minh nơi có lắp đặt các thiết bị nhiễu xạ tia X thực hiện các thực nghiệm, tác giả đã chọn cho mình một hiện tượng thường gặp trong các chi tiết máy để thực hiện luận văn này đó là mỏi Trong khoa học vật liệu, mỏi là một khuyết tật trong cấu trúc vật liệu do quá trình chuyển động chu kỳ hoặc kéo giãn Người ta gọi hiện tượng mỏi trong vật liệu

là sự tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân vật liệu do ứng suất thay đổi theo thời gian Việc kiểm tra mỏi cho phép dự đoán tuổi thọ, sức bền và an toàn của vật liệu trong quá trình sử dụng Trong công nghiệp và trong các kết cấu công trình yêu cầu kiểm tra mỏi của vật liệu là một nhu cầu thực tế

1.1.2 Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố:

1.1.2.1 Ngoài nước:

Hiện tượng mỏi kim loại đã được nghiên cứu rộng rãi, nhất là từ những năm

20 của thế kỷ này Các nhà khoa học nhiều nước đã tiến hành nghiên cứu cơ sở khoa học và vật lý của độ bền vật liệu kim loại dưới tác dụng của tải trọng thay đổi

độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và tiến hành các thực nghiệm để kiểm chứng Các

kết quả có ý nghĩa rất lớn đối với kỹ thuật hiện đại, cho phép xác định hợp lý kết cấu, hình dáng và tối ưu thiết kế các cụm chi tiết và thiết bị

Các lý thuyết lý giải quá trình hình thành mỏi có nhiều quan điểm khác nhau, theo sự phát triển của các ngành khoa học như các phương tiện kính hiển vi điện tử, máy phân tích tia Rơnghen, sự phát triển của máy tính (computer) và nhất là sau khi hình thành và phát triển lý thuyết sai lệch mạng (Dislocation), đã đưa ra các kết luận

có cơ sở khoa học vững chắc

- Mỏi vật lý: là lý thuyết lâu đời nhất chỉ rõ phá hủy mỏi xảy ra trong vật liệu kim loại chịu tải trọng lặp lại và có dấu hiệu biến dạng dẻo bằng phương pháp kim tương phát hiện dấu hiệu các đường trượt trong tinh thể Tiếp theo kết quả phân tích bằng tia Rơnghen đã chỉ rõ : dấu hiệu biến dạng dẻo không phải là chỉ tiêu đánh giá phá hủy mỏi Vết nứt mỏi xuất hiện trong kim loại khi có biến dạng dẻo, vết nứt phát triển bên trong hạt chứ không phát triển tại phân giới hạt Sau này người ta đã tiếp tục phát triển lý thuyết biến dạng cục bộ và đưa ra lý thuyết phát triển vết nứt

do ứng suất dư trong kim loại

- Mỏi do khuếch tán: cùng với sự xuất hiện và phát triển của lý thuyết biến dạng dẻo mới và lý thuyết lỗ trống trong mạng tinh thể đã chỉ ra rằng, do dịch chuyển của các lệch mạng đã hình thành vết nứt mỏi Khi các lệch mạng di chuyển, chúng gặp nhau tại các chướng ngại như biên giới hạt, tạp chất, mặt pha… hoặc bản thân chúng tạo thành các ngưỡng lệch, từ đó tạo thành các vi vết nứt

- Mỏi do trường năng lượng lệch: các nhà khoa học đã nghiên cứu tương tác trong trường năng lượng đàn hồi của lệch biên Dưới tác dụng của ứng suất thay đổi, các lệch chuyển động và tương tác hút đẩy hình thành các vùng tập trung với năng lượng đàn hồi lớn, đó chính là mầm của vết nứt

1.1.2.2 Trong nước:

Các công trình nghiên cứu về lĩnh vực mỏi tại Việt Nam thường được triển khai tại các Viện nghiên cứu, các Trường Đại Học lớn

Phía Bắc ngoài các Trường Đại học lớn thì Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về mỏi đã được công bố

Phía Nam ngoài các Trường Đại Học lớn như : Bách Khoa, Sư Phạm Kỹ Thuật, Khoa Học Tự Nhiên … còn có Trung tâm Hạt Nhân TP.HCM cũng có những công trình nghiên cứu về mỏi đã và đang thực hiện

Các đề tài trong nước đã thực hiện có liên quan đến chuyên đề này

• Nghiên cứu nứt mỏi trên các chi tiết cơ khí dạng lò xo xoắn và dạng trụ Luận văn Thạc sĩ, Đại học SPKT TPHCM năm 2008 Trần Hoài Bảo

• Phương pháp nhiễu xạ tia X đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của kim loại, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Cần Thơ năm 2009 Phạm Văn Chương

• Đánh giá ứng suất tồn dư trong kim loại bằng nhiễu xạ tia X Luận văn Thạc sĩ Đại học Khoa học Tự Nhiên TP.HCM năm 2010 Phan Trọng Phúc

1.2 Mục đích của đề tài:

Như đã nêu ở mục 1, Các vấn đề về mỏi đã được nghiên cứu rất nhiều và sâu trên thế giới trong nhiều năm qua Thực trạng tại Việt Nam hiện nay nghiên cứu về mỏi vẩn chưa được các cơ sở có trách nhiệm ( Viện nghiên cứu, Trường đại học) nghiên cứu xem trọng Một trong những lý do đó là thiếu các trang bị kỹ thuật để thực nghiệm các lý thuyết về mỏi

Được sự hướng dẫn của quý thầy tại Trường Đại Học SPKT và sự nhiệt tình của Phòng thí nghiệm hạt nhân của Trung Tâm Hạt Nhân TP.HCM Đề Tài “Đánh giá sự thay đổi về cấu trúc của kim loại ( thép C45) khi mỏi bằng phân tích đỉnh nhiễu xạ trên hệ máy X’Pert Pro.”

Khảo sát hiện tượng mỏi của kim loại nói chung và thép C45 nói riêng có ý nghĩa to lớn trong công nghệ chế tạo máy, giúp chúng ta hiểu biết về ứng xử của vật liệu dưới tác động của ứng suất Từ đó, có cái nhìn đầy đủ và chính xác về độ bền

cơ học của vật liệu, góp phần dự đoán tuổi thọ chi tiết máy và các công trình, tránh được các tai nạn các sự cố đáng tiếc

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.1.3 Nhiệm vụ của đề tài:

 Lý thuyết

 Tìm hiểu về lý thuyết vật lý chất rắn (kim loại)

 Cấu trúc mạng tinh thể của vật rắn

 Cấu trúc mạng tinh thể của kim loại

 Ý nghĩa của mạng đảo trong phương pháp đo nhiễu xạ

 Tìm hiểu về lý thuyết mỏi

 Hiện tượng mỏi kim loại

 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi

 Cơ chế lan truyền của vết nứt do mỏi

 Mẫu và máy tạo mỏi

 Tìm hiểu về phương pháp nhiễu xạ tia X

 Nhiễu xạ tia X trên tinh thể

 Các phương pháp ghi phổ nhiễu xạ

 Phép phân tích phổ nhiễu xạ

 Tìm hiểu và làm quen các thiết bị nhiễu xạ tia X của máy XP’Pert Pro

 Thiết bị nhiễu xạ

 Thao tác chuẩn bị máy, chuẩn bị gá chi tiết

 Chế tạo mẫu thực nghiệm bằng thép C45

 Gia công các mẫu trên máy CNC

 Xử lý bề mặt trước khi đo

 Tiến hành tạo mỏi cho các mẫu theo các chu kỳ

 Đo mẫu trên hệ máy nhiễu xạ X’Pert Pro

 Đo mẫu trên máy nhiễu xạ theo đúng qui trình đo

 Phân tích phổ nhiểu xạ bằng phần mềm theo máy HighScore-2007

 Đánh giá sự thay đổi về mặt cấu trúc của kim loại

1.1.4 Giới hạn của đề tài:

Do đề tài thiên về mặt cấu trúc kim loại(vật lý chất rắn), các thiết bị đo nhiễu

xạ là chuyên dùng tương đối mắc tiền, việc xử lý các số liệu đo đạc cần phần mềm chuyên biệt Việc lý giải các kết quả đạt được cần dựa trên cơ sở lý thuyết toán học vững chắc…

Qua việc chọn đề tài này bản thân mong muốn được tìm hiểu sâu hơn về bản chất của hiện tượng mỏi trong kim loại, mà môn học Sức bền vật liệu chưa thể đáp ứng

Đề tài thực nghiệm chủ yếu trên mẫu kim loại thép C45 Phạm vi là đánh giá

sự thay đổi về mặt cấu trúc nếu có của mẫu kim loại thép C45, sau khi thử mỏi bằng cách phân tích phổ nhận được khi đo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X trên hệ máy X’Pert Pro tại phòng thí nghiệm của Trung Tâm Hạt Nhân TP.HCM

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Để thực hiện đạt mục đích của đề tài, người thực hiện đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

 Tổng quan tài liệu có liên quan đến đề tài

 Chế tạo mẫu thực nghiệm, tạo mỏi cho chi tiết mẫu tiến hành đo nhiễu

xạ trên các mẫu đã chế tạo

 Phân tích các dữ liệu đo đạc được và xử lý dữ liệu bằng các phần mềm chuyên dùng được phát triển trên lý thuyết, mô hình tính toán học của nhiễu xạ tia X trên vật liệu đa tinh thể

1.4.1 Cấu trúc tinh thể của vật rắn

Khi nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng nhiễu xạ tia X thì phổ thu được chỉ là ảnh của chùm tia X bị tinh thể nhiễu xạ chứ không phải là ảnh chụp cách thức phân

bố sắp xếp của các nguyên tử trong tinh thể Hình ảnh này là hình ảnh của các nút trong mạng đảo của tinh thể từ đó, ta có thể dùng các phương pháp tính toán để cho

ra mạng tinh thể thực của mẫu.Đặc điểm cấu trúc kim loại là nguyên tử luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản như lập phương tâm khối, lập phương

tâm mặt và lục giác xếp chặt.Trong thực tế, các nguyên tử không hoàn toàn nằm đúng ở các vị trí gây nên sự sai lệch mạng trong tinh thể làm ảnh hưởng lớn đến cơ tính của kim loại

Từ cấu trúc tinh thể của kim loại, ta có thể sử dụng các tia bức xạ xuyên vào bên trong kim loại Dựa trên hình ảnh nhiễu xạ thu nhận được, ta có thể khảo sát những thuộc tính của kim loại đó, đánh giá những khuyết tật trong kim loại, những ứng suất tồn dư và nhất là sự sai hỏng mỏi của kim loại khi nó chịu tác động của ứng suất tuần hoàn theo thời gian

1.4.2 Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể

Để nghiên cứu về đề tài này có thể dùng các phương pháp khác nhau như

• Dùng kính hiển vi điện tử để chụp các mẫu theo phương pháp phản xạ, mục đích khảo sát các sai hỏng ở cấu trúc tế vi

• Dùng máy phân tích Rơnghen dựa trên sự phát triển lý thuyết lệch mạng để đưa ra các kết quả khoa học

• Dùng phương pháp siêu âm (EMAT) nghiên cứu sự thay đổi về cường độ và bước sóng siêu âm khi đi vào các cấu trúc kim loại, nhờ một bộ cảm biến để ghi nhận sự thay đổi từ đó đánh giá cấu trúc kim loại

• Dùng nhiễu xạ tia X để khảo sát mỏi kim loại bằng cách chiếu bức xạ tia X lên mẫu kim loại, ta ghi nhận phổ nhiễu xạ Từ đó, phân tích đường phổ nhiễu xạ và đánh giá sự phá hủy mỏi của kim loại

1.4.3 Phép phân tích phổ nhiễu xạ tia X

1.4.3.1 Xác định cấu trúc mạng tinh thể

Kỹ thuật nhiễu xạ tia X được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp bột hay phương pháp Debye Trong kỹ thuật này, mẫu được tạo thành bột với mục đích có nhiều tinh thể có tính định hướng ngẫu nhiên để chắc chắn rằng có một số lớn hạt

có định hướng thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg

Bộ phận chính của nhiễu xạ kế tia X là: Nguồn tia X, mẫu, detector tia X Chúng được đặt nằm trên chu vi của vòng tròn (gọi là vòng tròn tiêu tụ) Góc giữa

mặt phẳng mẫu và tia X tới là θ – góc Bragg Góc giữa phương chiếu tia X và tia nhiễu xạ là 2θ Nguồn tia X được giữ cố định còn detector chuyển động suốt thang

đo góc Bán kính của vòng tiêu tụ không phải là một hằng số mà tăng khi góc 2θ giảm Thangquét 2θ thường quay trong khoảng từ 300 đến 1400, việc lựa chọn thang quét phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể của vật liệu

Hình 1 1: Nguyên lý nhiễu xạ bột

Tia X đơn sắc được chiếu tới mẫu và cường độ tia nhiễu xạ được thu bằng detector Mẫu được quay với tốc độ θ còn detector quay với tốc độ 2θ, cường độ tia nhiễu xạ được ghi tự động trên giấy, và từ đó vẽ được giản đồ nhiễu xạ của mẫu Kết hợp với định luật Bragg, ta suy ra được cấu trúc và thông số mạng cho từng pha chứa trong mẫu bột và cường độ của tia nhiễu xạ cho phép xác định sự phân bố và

vị trí nguyên tử trong tinh thể

Phương pháp phân tích pha định lượng bằng tia X dựa trên cơ sở của sự phụ thuộc cường độ tia nhiễu xạ vào nồng độ Nếu biết mỗi quan hệ đó và đo được cường độ thì có thể xác định được nồng độ pha Các pha chưa biết trong vật liệu có thể xác định được bằng cách so sánh số liệu nhận được từ giản đồ nhiễu xạ tia X từ thực nghiệm với số liệu chuẩn trong sách tra cứu, từ đó ta tính đựơc tỷ lệ nồng độ các chất trong hỗn hợp Đây là một trong những ứng dụng tiêu biểu của phương pháp bột để phân tích pha định lượng

1.4.3.2 Đánh giá sự thay đổi cấu trúc kim loại

Khi mẫu bị sai hỏng mỏi, cấu trúc mạng tinh thể bị thay đổi và làm cho phổ

nhiễu xạ tia X của mẫu không như phổ nhiễu xạ của tinh thể hoàn hảo Khảo sát

mẫu mỏi, ta thấy có các yếu tố khoa học quan trọng

- Sự dịch chuyển đỉnh phổ của phổ nhiễu xạ

B trong trương hợp này tính bằng : Bobs – Bstd

Bstd : Độ rộng một nửa đỉnh phổ (FWHM) của mẫu chuẩn

L: Kích thước trung bình của tinh thể (crystallite size)

2.1.2 Định nghĩa

Trong khoa học vật liệu, người ta định nghĩa vật liệu là các chất rắn được sửdụng để chế tạo các đồ vật phục vụ cho đời sống con người Khi nói đến vật liệu ngườita thường nói đến chất liệu và hình dạng của nó

2.1.3 Phân loại

Có nhiều căn cứ để phân loại vật liệu, trong luận văn chỉ chú trọng hai dạng phân loại sau:

2.1.3.1 Phân loại theo cấu trúc

 Vật liệu có cấu trúc tinh thể, bao gồm vật liệu đơn tinh thể và đa tinh thể: các nguyên tử được lặp lại có chu kỳ trên một khoảng cách xa, thường gặp trong kim loại và vài loại polyme

 Vật liệu có cấu trúc vô định hình: ít trật tự hơn, giống như trong chất lỏng

Ở khoảng cách gần (vài đường kính nguyên tử) thì có sự lặp lại nào đó trong sự phân bố nguyên tử Thường gặp cấu trúc này trong thủy tinh, cao su

2.1.3.2 Phân loại theo quá trình công nghệ

 Vật liệu kim loại và hợp kim

 Vật liệu polyme hữu cơ

 Vật liệu gốm sứ

 Vật liệu composit

2.1.4 Các đặc điểm của vật liệu

2.1.4.1 Tínhchấtcơbản củavật liệu

Tính chất củavậtliệuđược đặctrưngbởiphản ứng củavậtliệuđốivới tácđộng củamôitrườngbênngoài

Cóbaloạitính chấtphụthuộcvàokiểutácđộng bên ngoài:

Tính chất cơ:phản ánhtính chấtbiếndạng củavậtliệukhi cóhệlựcbênngoài tácdụngnhưđộbền cơ,độdai,độ cứng…

Để hiểu tính chất của vật liệu, cần phải thiết lập mối quan hệ giữa các hiện tượng xảy ra ở cấp độ cấu trúc vi mô, cấu trúc dưới vi mô (sự sắp xếp các nguyên

tử, phân tử) và các tính chất của vật liệu

Cấu trúc vi mô thường được xác định bởi các thông số:

 Thành phần, sự sắp xếp nguyên tử, phân tử

 Tỉ lệ tương đối các thành phần

 Hình dáng, kích thước, quá trình gia công, chế tạo

Cấu trúc vi mô xác định tính chất của một số lớn vật liệu Nếu cải thiện cấu trúc

vi mô một cách có kiểm soát thì có thể nhận được nhiều tính chất mới của vật liệu

2.1.4.3 Quan hệ giữa thành phần, cấu trúc và tính chất

Nói chung khi thành phần, cấu trúc của vật liệu thay đổi thì tính chất của vật liệu sẽ thay đổi theo

Thành phần: thép cacbon sẽ thay đổi tính chất khi thành phần cacbon trong thép thay đổi

Cấu trúc: graphit và kim cương đều cấu tạo từ nguyên tử cacbon, nhưng graphit mềm, dễ tách lớp còn kim cương thì rất cứng Cấu trúc graphit là dạng sáu phương,

có cấu trúc lớp, lực liên kết giữa các lớp yếu Cấu trúc kim cương có dạng lập phương diện tâm, mỗi nguyên tử cacbon là tâm của một tứ diện đều nên bền vững hơn

2.2 Mạng tinh thể

2.2.1 Định nghĩa

Mạng tinh thể là một tập hợp vô hạn các nút (nguyên tử, phân tử hoặc ion) sắp xếp theo một trật tự nhất định Mạng nhận được bằng cách tịnh tiến trong không gian ba vectơ không đồng phẳnga , b ,c Các vecto này dùng xác định phương và khoảng cách giữa các nút mạng

Hình 2 1: Mạng tinh thể lập phương tâm mặt[13]

2.2.2 Ô cơ sở, chỉ số phương, chỉ số Miller của mặt tinh thể

 Ô cơ sở là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp nguyên tử đại diện cho toàn bộmạng tinh thể Thông số mạng là kích thước ô cơ sở, là kích thước các cạnh của ô cơ sở

Một ô cơ sở hoàn toàn xác định kích thước khi ta biết các yếu tố

- 3 cạnh a,b,c

- 3 góc α,β,γ

số phương kí hiệu là [u v w] Đây là 3 số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm trên phương đó, ở gần gốc tọa độ nhất

Hình 2 2: Ô cơ sở , chỉ số phương của ô cơ cở [11]

hệtnhau,songsongvàcáchđềunhau.Ngườitakíhiệumặttinhthểbằngchỉsố Miller (h k l) và đượcxác địnhnhưsau:

 Tìmgiao điểmcủa mặtphẳngtrên 3 trục theo thứtựOx,Oy,Oz

 Xác định tọa độ các giao điểmrồi sau đó lấygiátrịnghịchđảo

 Quy đồng mẫu số, lấycác giá trị của tửsố, đó chính là chỉsố h,k,l

Các mặtcócácchỉ số giátrị tuyệt đốih,k,lgiốngnhau tạo nên họ mặtMiller

tiaXtrêntinhthể.ChùmtiaXphản xạ trêncác mặtnguyên tử củatinhthể,giao thoa tăngcường vớinhau và cho ta hình ảnh nhiễu xạ của tinh thể

Hình 2 3: Chỉ số Miller của các mặt (100),(010),(001),(110),(111)[13]

Nếu mặt phẳng song song với trục tọa độ nào thì xem như mặt phẳng cắt trục

đó tại ∞, chỉ số Miller ứng với trục đó bằng 0 Nếu mặt phẳng cắt trục ở tọa độ âm

thì dấu “ - ” được đặt phía trên đầu chỉ số đó.Nếu biết được chỉ số Miller (h k l) của các mặt mạng, người ta có thể tính được khoảng cách dhkl giữa hai mặt mạng song song kế tiếp nhau

Thông tin quan trọng nhất khi khảo sát mạng lưới không gian là giá trị khoảng cách giữa các mặt mạng dhkl Từ các kết quả ghi phổ nhiễu xạ tia X cho ta biết các giá trị đó của mẫu nghiên cứu, do đó ta biết được sự có mặt của các pha rắn ở trong mẫu Mỗi hệ tinh thể có mối quan hệ giữa giá trị dhkl vav các thông số của ổ cơ sở

Bảng 2.1: Quan hệ trị số d hkl trong các hệ tinh thể

là hệ lập phương, các hệ tinhthể khác có tính đối xứngthấp hơnlà: hệ sáu phương,

hệbốn phương, hệ ba phương(còn gọi là hình mặtthoi), hệ thoi, hệ một nghiêng, hệ

ba nghiêng Mộtsố nhà tinh thể học coi hệ tinhthể ba phươnglà một phần của hệ tinh thể sáu phương

Hình 2 4: Ô cơ sở của 7 dạng hệ tinh thể[13]

2.3 Cấu trúc tinh thể điển hình của kim loại

Đặc điểm cấu trúc kim loại là nguyên tử luôn có xu hướng xếp xít chặt với kiểu mạng đơn giản như lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác xếp chặt

2.3.1 Mạng lập phương tâm khối

Ô cơ sở là hình lập phương cạnh bằng a, các nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm khối Nguyên tử nằm xít nhau theo phương <1 1 1>, do đó đường kính nguyên tử là

dngt== 𝑎 3

2 Các mặt tinh thể xếp dày đặc nhất là họ {1 1 0}

Hình 2 5: Ô cơ sở , mạng lập phương tâm khối [11]

Mật độ xếp thể tích Mv = 68% Như vậy, trong mạng lập phương tâm khối có nhiều lỗ trống nhưng kích thước đều nhỏ, lớn nhất không vượt quá 30% kích thước đường kính nguyên tử Các kim loại có cấu trúc này là Sắt (Feα: sắt có mạng lập phương tâm khối), Crôm (Cr), Molybden (Mo), Wolfram (W),…

2.3.2 Mạng lập phương tâm mặt

Ô cơ sở là hình lập phương cạnh bằng a, các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên như hình vẽ

Hình 2 6: Ô cơ sở , mạng lập phương tâm mặt[13]

Trong mạng lập phương tâm mặt, các nguyên tử xếp xít nhau theo phương đường chéo < 1 1 0 > nên đường kính nguyên tử dng.t = a 2

2 Các mặt tinh thể dày đặc xếp theo mặt họ {1 1 1} Mật độ xếp thể tích Mv=74% Đây là loại mạng xếp dầy đặc nhất Các kim loại có cấu trúc này là Sắt (Feγ: sắt có mạng lập phương tâm mặt), Niken (Ni), Đồng (Cu), Nhôm (Al),…

Hình 2 7: Ô cơ sở , chỉ số phương của ô cơ cở[13]

Trong thực tế, các nguyên tử không hoàn toàn nằm đúng ở các vị trí gây nên

sự sai lệch mạng trong tinh thể làm ảnh hưởng lớn đến cơ tính của kim loại Từ cấu trúc tinh thể của kim loại, ta có thể sử dụng các tia bức xạ xuyên vào bên trong kim loại Dựa trên hình ảnh nhiễu xạ thu nhận được, ta có thể khảo sát những thuộc tính của kim loại đó, đánh giá những khuyết tật trong kim loại, những ứng suất dư và nhất là sự sai hỏng mỏi của kim loại khi nó chịu tác động của ứng suất tuần hoàn theo thời gian

2.4 Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim

Tùy theo mục đích, các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim bao gồm các loại sau:

2.4.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc bằng tia X hay tia Rơngen

Đó là phương pháp nghiên cứu sự sắp xếp các nguyên tử trong kim loại và hợp kim bằng tia Rơngen Tia Rơngen có bước sóng rất ngắn do vậy chúng mang năng lượng lớn, có thể xuyên qua vật thể Căn cứ vào hình ảnh nhiễu xạ của tia X

bị phản chiếu từ các mặt tinh thể mà người ta có thể xác định được kích thước của

nó, nhờ kỹ thuật này hiện nay người ta đã biết được cấu trúc mạng tinh thể của hầu hết các nguyên tố hóa học, phần lớn các pha thường gặp trong vật liệu kim loại đang sử dụng hiện nay và phần lớn các khoán vật

2.4.2 Phương pháp nghiên cứu tổ chức kim loại và hợp kim

Người ta nhận thấy không những cấu trúc (sự sắp xếp các nguyên tử trong mạng tinh thể, mà tổ chức kim loại và hợp kim cũng ảnh hưởng rất nhiều đến tính chất của chúng Tổ chức kim loại và hợp kim là tập hợp của các thành phần cấu tạo khác nhau (kích thước hạt, cấu tạo pha sự phân bố của hạt của pha kim loại và hợp kim ) mà ta có thể quan sát được bằng các phương pháp khác nhau

 Mặt gẫy

Quan sát kim loại ở chỗ gẫy vỡ bằng mắt thường có thể phát hiện được các vết nứt lớn, xác định sơ bộ về độ hạt nhờ đó ta có thể kết luận sơ bộ về chất lượng của kim loại và hợp kim

 Tổ chức thô đại

Tương tự phương pháp trên là dùng kim loại ở chổ gẫy vỡ mài phẳng bề mặt quan sát kết hợp với một số hóa chất ăn mòn nhẹ và quan sát dưới kính lúp để quan sát bề mặt mẫu Có thể quan sát phát hiện đước sự không đồng nhất của tổ chức kim loại như sự phân bố của thớ, chênh lệch của phốt pho và cac bon trong thép v.v…

 Tổ chức tế vi

Phương pháp tổ chức tế vi là phương pháp nghiên cứu các thành phần cấu tạo của kim loại và hợp kim dưới kính hiển vi Có thể dùng kính hiển vi quang học hoặc kính hiển vi điện tử

Chương 3

LÝ THUYẾT MỎI

3.1 Hiện tượng phá hủy mỏicủa kim loại.[3]

Phần lớn các chi tiết máy làm việc với ứng suất thay đổi theo thời gian Thực

tế chứng tỏ rằng các chi tiết máy này có thể bị hỏng khi chịu ứng suất có trị số thấp hơn nhiều so với trường hợp ứng suất không thay đổi quan sát sự phá hủy khi chịu ứng suất thay đổi, người ta thấy quá trình hỏng vì mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra tại vùng chi tiết máy 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, chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xẩy ra gẫy hỏng chi tiết máy Đó chính là sự phá hủy mỏi Khả năng của kim loại cản lại sự phá hủy mỏi được gọi là độ bền mỏi, hoặc còn gọi

là sức bền mỏi

3.1.1 Hiện tượng mỏi

Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện từ giữa thế kỷ 19 và đã từ lâu giới hạn bền mỏi được coi là một trong các đặc trưng tính toán chủ yếu để xác định kích thước chi tiết máy Thực tiển chứng minh cho thấy 90% các tổn thất của chi tiết máy có liên quan đến sự phát sinh và phát triển các vết nứt mỏi

Hình 3.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại.[3]

Qua các nghiên cứu về sự phá hủy của vật liệu có thể rút ra những kết luận sau đây:

- Vật liệu có thể bị phá hủy khi trị số ứng suất lớn nhất σmax không những thấp hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí có thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu, nếu như số lần thay đổi ứng suất (số chu kỳ ứng suất ) khá lớn

- Sự phá hủy mỏi bao giờ cũng bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ(còn gọi là vết nứt tế vi), không nhìn thấy được bằng mắt thường 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

- Đối với một số vật liệu có tồn tại một trị số ứng suất giới hạn tác dụng vào vật liệu với số chu kỳ rất lớn mà không phá hỏng vật liệu

Sự phá hủy mỏi khác với phá hủy do chịu ứng suất tĩnh về bản chất cũng như

về hiện tượng bên ngoài Phá hủy vì ứng suất 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 vớivật liệu giòn thì trị số ứng suất cao hơn giới hạn bền Sự phá hủy tĩnh bao giờ cũng kèm theo sự xuất hiện biến dạng dẻo rõ rệt, choán cả một vùng chi tiết máy Trái lại phá hủy mỏi xẩy ra khi trị số ứng suất không lớn lắm Chi tiết máy bị hỏng có thể dưới dạng gãy đứt hoàn toàn hoặc có những vết nứt lớn, khiến chi tiết máy không thể tiếp tục làm việc được nữa Sự phá hủy mỏi có tính chất cục bộ, chỉ xẩy ra trong một vùng nhỏ của chi tiết, vết nứt mỏi phát triển ngấm ngầm rất khó phát hiện bằng mắt thường Trước khi chi tiết máy bị hỏng hoàn toàn thường không thấy một dấu hiệu báo trước nào, thí dụ như biến dạng dẻo (kể cả đối với vật liệu dẻo) nhưng sau đó đột nhiên xẩy ra sự phá hủy tại một hoặc vài tiết diện nào đó của chi tiết tại tiết diện này vết nứt đã phát triển khá sâu, làm giảm diện tích phần làm việc đến mức chi tiết không còn đủ khả năng chịu tải nữa

Hình dạng chỗ hỏng vì mỏi khác hẳn chổ hỏng do tác dụng của ứng suất tĩnh, đối với vật liệu dẻo xẩy ra co thắt tiết diện tại vùng bị hỏng, còn đối với vật liệu giòn chỗ đứt có dấu hiệu bị đứt ra Trường hợp chi tiết máy bị hỏng do mỏi, quan

sát bề mặt vết gãy có thể thấy rõ hai vùng: vùng thứ nhất tương đối mịn, hạt nhỏ, (giống như chỗ vỡ của mãnh sứ), đó là vùng các vết nứt mỏi đang phát triển Vùng thứ hai gồ ghề, có hạt to hoặc có các thớ Vùng này được gọi là vùng hỏng tĩnh, còn vùng thứ nhất gọi là vùng hỏng vì mỏi Cũng có trường hợp quan sát trên tiết diện hỏng ta thấy có ba vùng: vùng thứ nhất khá mịn, là vùng phát sinh và phát triển vết nứt tốc độ chậm, vùng thứ hai thô hơn, tốc độ phát triển vết nứt trong vùng này nhanh hơn và vùng thứ ba gồ ghề là vùng hỏng tĩnh

Xem xét hình dạng bên ngoài của vết gẫy ta có thể biết được chi tiết máy đã làm việc quá tải nhiều hay ít Nếu diện tích không hỏng vì mỏi chiếm tỉ lệ khá lớn

so với vùng hỏng tĩnh, ta biết là chi tiết máy đã làm việc lâu với ứng suất lớn hơn giới hạn mỏi Nếu diện tích vùng hỏng tĩnh khá lớn, chi tiết máy rõ ràng đã chịu quá tải lớn trong thời gian ngắn với số chu kỳ ứng suất tương đối ít đã phá hỏng

3.1.2 Đường cong mỏi

Trên cơ sở kết quả các thí nghiệm mỏi, người ta lập được đổ thị có dạng đường cong biểu diễn quan hệ giữa ứng suất σmax (ứng suất biên độ hoặc ứng suất lớn nhất) với số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết máy (hoặc mẫu thí nghiệm) chịu được cho đến khi hỏng Đường cong này được gọi là đường congVeller (Wohler’s curve), mang tên nhà khoa học đầu tiên làm các thử nghiệm xác lập đường cong này

Hình 3 2: Đường cong mỏi Veller

Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất

(σmax, σa)

Trường hợp ứng suất pháp , nếu ký hiệu : σmax–là ứng suất thay đổi có trị số lớn nhất, σa – là biên độ ứng suất

Số chu kỳ N được gọi là được gọi là tuổi thọ ứng với mức ứng suất σ Qua đồ thị đường cong mỏi ta thấy:

- Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm

- Nếu giảm ứng suất đến một giới hạn nào đó đối với một số vật liệu, tuổi thọ

N có thể tăng lên khá lớn mà mẫu thử không bị gẩy hỏng Trị số σr được gọi là giới

hạn bền mỏi của vật liệu

Để xây dựng đường cong mỏi ở một dạng chu kỳ ứng suất nào đó trong một điều kiện nào đó, người ta phải tiến hành từ 25 đến 100 thí nghiệm cho một loại mẫu được quy chuẩn

Tùy theo phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm, ngày nay người ta đã có hơn

10 biểu thức toán học biểu diễn đường cong mỏi

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 kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu không

bị phá hỏng Mỗi vật liệu có chu kỳ ứng suất cơ sở riêng Gọi No là số chu kỳ ứng suất cơ sở

Bảng 3 1: No là số chu kỳ ứng suất cơ sở của một số vật liệu

3.2.1 Ảnh hưởng của bản chất vật liệu và xử lý nhiệt

Bản chất vật liệu được quyết định bởi tổ chức cấu trúc tế vi ở một điều kiện nào đó của vật liệu, được thể hiện bằng hàng loạt các đặc trưng cơ học và hóa học Cấu trúc tế vi do quá trình công nghệ luyện kim hay quá trình xử lý nhiệt quyết định Những quá trình này tạo ra những cấu trúc hạt khác nhau làm ảnh hưởng lớn đến sức chống mỏi của vật liệu

 Bản chất vật liệu:

Vật liệu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết máy Chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu có cơ tính cao, độ bền mỏi của chi tiết sẽ cao vì khi vật liệu có

cơ tính cao thì khả năng xuất hiện các vết nứt sẽ khó khăn hơn

Nhìn chung, chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu kim loại có độ bền mỏi cao hơn chi tiết máy được chế tạo bằng vật liệu phi kim loại

Vật liệu thép có độ bền mỏi cao hơn các vật liệu khác Nếu thép có hàm lượng cacbon tương đối cao thì giới hạn bền mỏi sẽ cao hơn thép có hàm lượng cacbon thấp hơn Thép hợp kim có độ bền mỏi cao hơn thép cacbon thông thường