Giới Hạn Mỏi Của Vật Liệu

Giới Hạn Mỏi Của Vật Liệu Là Gì?

Giới Hạn Mỏi Là Gì?

Giới hạn mỏi hoặc giới hạn bền là mức ứng suất mà dưới đó có thể tác dụng vô số chu kỳ gia tải lên vật liệu mà không gây ra hỏng hóc do mỏi.

Một số kim loại như hợp kim đen và hợp kim titan có một giới hạn riêng, trong khi những kim loại khác như nhôm và đồng thì không và cuối cùng sẽ hỏng ngay cả khi có biên độ ứng suất nhỏ.

Trong trường hợp vật liệu không có giới hạn riêng, thuật ngữ độ bền mỏi hoặc độ bền chịu đựng được sử dụng và được định nghĩa là giá trị lớn nhất của ứng suất uốn ngược hoàn toàn mà vật liệu có thể chịu được trong một số chu kỳ xác định mà không bị hỏng do mỏi.

Tuổi thọ mỏi bị ảnh hưởng bởi ứng suất chu kỳ, ứng suất dư, tính chất vật liệu , khuyết tật bên trong, kích thước hạt, nhiệt độ, hình học thiết kế, chất lượng bề mặt, quá trình oxy hóa, ăn mòn , v.v. Đối với một số vật liệu, đặc biệt là thép và titan , có một giá trị lý thuyết cho ứng suất biên độ dưới mức mà vật liệu sẽ không bị hỏng trong bất kỳ số chu kỳ nào, được gọi là giới hạn mỏi, giới hạn độ bền hoặc độ bền mỏi.

Các kỹ sư sử dụng một số phương pháp để xác định tuổi thọ mỏi của vật liệu. Một trong những phương pháp hữu ích nhất là phương pháp ứng suất-tuổi thọ thường được đặc trưng bởi đường cong SN, còn được gọi là đường cong Wöhler. Phương pháp này được minh họa trong hình. Nó vẽ biểu đồ ứng suất áp dụng (S) chống lại tuổi thọ của bộ phận hoặc số chu kỳ dẫn đến hỏng hóc (N).

Khi ứng suất giảm từ một số giá trị cao, tuổi thọ của thành phần tăng chậm lúc đầu và sau đó khá nhanh. Bởi vì mỏi như đứt gãy giòn có bản chất thay đổi như vậy, dữ liệu được sử dụng để vẽ đường cong sẽ được xử lý thống kê. Kết quả phân tán là kết quả của độ nhạy mỏi đối với một số thông số thử nghiệm và vật liệu không thể kiểm soát chính xác.

Ai Là Người Khám Phá Ra Giới Hạn Mệt Mỏi?

Khái niệm giới hạn độ bền được đưa ra vào năm 1870 bởi August Wöhler. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây cho thấy rằng giới hạn độ bền không tồn tại đối với vật liệu kim loại và nếu thực hiện đủ chu kỳ ứng suất thì ứng suất dù nhỏ nhất cuối cùng cũng sẽ tạo ra hỏng hóc do mỏi.

Định Nghĩa

Các thuật ngữ sau được định nghĩa cho đường cong SN:

  • Giới hạn mệt mỏi. Giới hạn mệt mỏi (đôi khi còn được gọi là giới hạn sức chịu đựng) là mức độ căng thẳng mà dưới mức đó không xảy ra sự cố mệt mỏi. Giới hạn này chỉ tồn tại đối với một số hợp kim đen (dựa trên sắt) và titan, mà đường cong S – N trở nên nằm ngang ở các giá trị N cao hơn. Các kim loại cấu trúc khác, chẳng hạn như nhôm và đồng , không có giới hạn riêng biệt và cuối cùng sẽ bị hỏng ngay cả khi có biên độ ứng suất nhỏ. Các giá trị điển hình của giới hạn đối với thép là 1/2 độ bền kéo cuối cùng, tối đa là 290 MPa (42 ksi).
  • Sức mạnh Mệt mỏi. ASTM định nghĩa độ bền mỏi, SNf, là giá trị của ứng suất tại đó xảy ra hỏng hóc sau một số chu kỳ cụ thể (ví dụ: 107 chu kỳ) Ví dụ, độ bền mỏi đối với hợp kim titan Ti-6Al-4V được ủ là khoảng 240 MPa ở 107 chu kỳ và hệ số tập trung ứng suất = 3.3.
  • Cuộc sống mệt mỏi. Tuổi thọ mệt mỏi đặc trưng cho hành vi mệt mỏi của vật liệu. Đó là số chu kỳ gây ra hỏng hóc ở một mức ứng suất xác định, được lấy từ biểu đồ S – N

Quá trình hư hỏng do mỏi được đặc trưng bởi ba bước riêng biệt:

  • Bắt đầu vết nứt, trong đó một vết nứt nhỏ hình thành tại một số điểm tập trung ứng suất cao.
  • Sự lan truyền vết nứt, trong đó vết nứt này tăng dần theo từng chu kỳ ứng suất. Hầu hết tuổi thọ mỏi thường được tiêu thụ trong giai đoạn phát triển vết nứt.
  • Sự thất bại cuối cùng xảy ra rất nhanh khi vết nứt tiến triển đạt đến kích thước quan trọng.

Các vết nứt liên quan đến hư hỏng do mỏi hầu như luôn luôn bắt đầu (hoặc tạo mầm) trên bề mặt của một bộ phận tại một số điểm tập trung ứng suất. Bất cứ điều gì dẫn đến sự tập trung căng thẳng và sự phát triển của các vết nứt, sẽ làm giảm cuộc sống mệt mỏi.

Do đó, tăng mức độ hoàn thiện bề mặt, đánh bóng so với mài, cải thiện tuổi thọ mỏi. Tăng cường độ bền và độ cứng của các lớp bề mặt của các thành phần kim loại cũng sẽ cải thiện tuổi thọ mỏi.

Giá Trị Điển Hình

Các giá trị điển hình của giới hạn (S e ) đối với thép là một nửa độ bền kéo cuối cùng, tối đa là 290 MPa (42 ksi). Đối với hợp kim sắt, nhôm và đồng, (S e ) thường gấp 0,4 lần độ bền kéo cuối cùng.

Giá trị tiêu biểu tối đa cho bàn là là 170 MPa (24 ksi), nhôm 130 MPa (19 ksi) và coppers 97 MPa (14 ksi). Lưu ý rằng các giá trị này dành cho các mẫu thử “không có khía” mịn. Giới hạn độ bền đối với các mẫu có khía thấp hơn đáng kể.

Đối với vật liệu polyme, giới hạn mỏi đã được chứng minh là phản ánh độ bền nội tại của các liên kết cộng hóa trị trong chuỗi polyme phải bị đứt để kéo dài vết nứt. Miễn là các quá trình nhiệt hóa học khác không phá vỡ chuỗi polyme, polyme có thể hoạt động vô thời hạn mà không phát triển vết nứt khi tải trọng được giữ dưới cường độ nội tại.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Gọi ngay!