nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy d19e vận dụng trên đường sắt việt nam

I

I


Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học giao thông vận tải



Phạm Lê Tiến



Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi
thọ mỏi của khung giá chuyển hớng và
trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên
đờng sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe
Mã số: 62.52.44.01

LUN N TIN S K THUT

Hà Nội - 2011

- II -





Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học giao thông vận tải



Phạm Lê Tiến


Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi và tuổi
thọ mỏi của khung giá chuyển hớng và
trục bánh xe đầu máy D19E vận dụng trên
đờng sắt Việt Nam

Chuyên ngành: Khai thác bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe
Mã số: 62.52.44.01

LUN N TIN S K THUT

NGI HNG DN KHOA HC:
1. GS. TS. Đỗ Đức Tuấn
2. PGS. TS. Ngô Văn Quyết







Hà Nội
-
2010

- III -






Lời cam đoan


TôI xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung
thực và cha từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án






Phạm Lê Tiến











- 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 liệu-
Trường Đại học giao thông vận tải; Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA-

Viện 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







- V -



MỤC 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

16
1.5 Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước

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

51
3.3. Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm

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

57

3.4.2. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

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

63
3.6.2. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu TBX

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

78
4.1.1. Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD
7F


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

82

4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E

87
4.3. Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ

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
a
0
- chiều dài vết nứt ban đầu.
a - chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N.
a
th
- giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt.
a
σ
, a
τ
- tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.
a
tt
- 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.
mu
G
,
mx
G
- građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn.
ctu
G
,
ctx
G
- građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn.

K
I
-

hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I.
K
Ii
-

hệ số cường độ ứng suất đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I thứ i.
K
th
- giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất.
K
IC
- độ dai phá hủy của vật liệu.

K
IC KGCH
, K
IC TBX
- độ dai phá hủy của vật liệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E.

K
Imax
- giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.
K
Imin
- 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.
∆K
th
- 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

K
đ
- hệ số tải trọng động.
K
r
- hệ số cường độ các ứng suất dư.

K
m
- hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt.
k
1
- hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu.
k
2
- hệ số tính tới nội ứng suất.
k
σ
và k
τ
- 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.
n
i
- tổng số chu ký ứng suất của σ
i
(hoặc τ
i
).
N
i
- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế
i
σ

- IX -

N
o
- số chu trình ứng suất cơ sở.
m
σ
, m
τ
- số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.
M
X.K
, M
X.H
- Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm.
P
đm
- 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.
S
max
- ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%
S
gh
- giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N
0
.
t
b
- 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.
u
p
(z
p
) - phân vị với xác suất phá huỷ P%.
u, σ
0
, m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi
W
m
- chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và K
IC
.
W
mu
, W
ctu
- mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.
W
mx
, W
ctx
- mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.
w - Kích thước vùng biến dạng dẻo.
V - vận tốc của đầu máy.
f
i
- tần số tải trọng thứ i.
f

0
- tần số tải trọng nhỏ nhất.
f
t
- 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.
F
K.đm
,

F
H.đm
- Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy.
F
K.tk
, F
H.tk
- lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH

F
K.TBX
, F
H.TBX
- Lực kéo, hãm tác dụng lên một trục bánh xe.
Y
P
- áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong.
s
s
- độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σ

max
- u).
s
σ,
s
τ
- hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp.
s - hệ số an toàn mỏi toàn phần.
α
σ
; α
τ
- hệ số tập trung ứng suất lý thuyết.
β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công.
ε
σ
và ε
τ
- 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.
ϕ
K
- hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe.
φ
σ
- 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.

- X -


Π
u
, Π
x
-

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.
v
σ
- hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ.
σ
max
- ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của chi tiết.
σ
c
- giới hạn chảy.
σ
b
- giới hạn bền.
σ
t
- ứng suất tĩnh.
σ
R

-

giới hạn mỏi của vật liệu với hệ số chu trình ứng xuất R.
σ
N
-

ứng suất ứng với số chu trình N.
σ
-1ct
- giới hạn mỏi của chi tiết.
σ
0
- giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động.
k1−
σ
- 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.
1−
σ
và

1−
τ
- giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn.
11
;
−−
τσ
- giới hạn mỏi trung bình của mẫu vật liệu khi chịu uốn và xoắn.
m
σ
và
m
τ
-
- ứng suất pháp và ứng suất tiếp trung bình.
a
σ
và
a
τ
- ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ.
σ
e
, τ
e
- ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương.
ξ - thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối.
ψ
σ
, ψ

τ
, ψ
τ σ
và ψ
στ
- hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu.
b
ψ
- hệ số bám giữa mặt lăn bánh xe và ray.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. KGCH: Khung giá chuyển hướng.
2. TBX: Trục bánh xe.
3. TĐĐ: Truyền động điện.
4. ĐCĐK: Động cơ điện kéo.
5. ĐSVN: Đường sắt Việt Nam.
6. HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất.
7. HSATM: Hệ số an toàn mỏi.
8. 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 d
ọc 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
và độ dai phá huỷ 57
Hình 3.8. 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 K
IC

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 K
IC
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 K
IC
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 K
IC
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 K
IC
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 ξ
TBX
= f(P),
(
)
Pf
TBXTBX
=
−− 11
;
τ
σ
, s
TBX
= f(P) 107
Hình 4.17. Kết quả tính ξ
TBX
= f(P);
(

)
Pf
TBXTBX
=
−− 11
;
τ
σ
; s
TBX
= f(P) của mặt
cắt I của TBX đầu máy D19E 108
Hình 4.18. Sơ đồ khối tính toán ξ
KGCH
= f(P) và
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
110
Hình 4.19. Sơ đồ khối tính toán s
KGCH
= f(P) 111
Hình 4.20. Kết quả tính toán ξ
KGCH

= f(P);
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s
KGCH
= f(P)
của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét 113
- XIII -


Hình 4.21. Kết quả tính toán ξ
KGCH
= f(P);
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s

KGCH
= 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 ξ
KGCH
= f(P);
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s
KGCH
= f(P) của
điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết 115
Hình 4.23. Sơ đồ khối tính toán Π
u
, Π
x
,
(
)
Pf
TBXTBX
=
−− 11

;
τ
σ
và s
TBX
= f(P) 117
Hình 4.24. Kết quả tính toán Π
u
;

Π
x
;
(
)
Pf
TBXTBX
=
−− 11
;
τ
σ
; s
TBX
= f(P) của mặt cắt I
của TBX đầu máy D19E 119
Hình 4.25. Sơ đồ khối Tính Π
u
, Π
x

,
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
và s
KGCH
= f(P) 120
Hình 4.26. Kết quả tính toán Π
u
;

Π
x
;
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s

KGCH
= f(P) của
điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét. 122
Hình 4.27. Kết quả tính toán Π
u
;

Π
x
;
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s
KGCH
= 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 Π
u
;

Π
x
;

(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s
KGCH
= f(P) của
điểm P9 trên KGCH theo lý thuyết 124
Hình 4.29. Kết quả tính toán ξ
KGCH
= f(P);
(
)
Pf
KGCHKGCH
=
−− 11
;
τ
σ
; s
KGCH
= 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 65
Bảng 3.8. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu TBX 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 K
IC
của vật liệu làm KGCH 74

Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ K
IC
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 ξ
TBX
= f(P);
(
)
Pf
TBXTBX
=
−− 11
;
τ
σ
; s
TBX
= 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 s
KGCH
= 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 s
TBX
= f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E 119
Bảng 4.16. Kết quả tính toán s
KGCH
= 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

- 1 -


Lêi 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.
- 2 -


Đối 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.


- 3 -


ch−¬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 ≤ K
C
/ n thì mới bảo đảm không bị phá
huỷ, K
C
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<∆K
th
thì vết nứt sẽ không tiếp tục
phát triển; ∆K
th
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>∆K

th
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 a
th
, 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 a
0

và kích thước tới hạn là a
th
, thì tuổi thọ phát triển vết nứt N
p
của nó có thể tính
- 4 -


toán như sau:

∫






=
th
a

a
p
dN
da
da
N
0

(l.1)

Bởi vậy, kết cấu có vết nứt kích thước ban đầu a
0
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 < N
p
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 K
c
, số gia HSCĐUS phát triển vết nứt tới hạn
∆K
th
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
- 5 -


phụ 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 l0
5
. Ngược lại mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng
suất lớn hơn l0
5

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 N
o
là
số chu trình ứng suất cơ sở. Trong những trường hợp đặc biệt, người ta lấy N

0
= l0
7

đối với vật liệu kim loại nói chung và N
0
= l0
8
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
- 6 -


e. 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:
S
i
m
. N
i

= const
(l.2)

hay F
n
= S(N /n)
K
n
(dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh),
(l.3)

trong đó: F
n
- độ bền mỏi ứng với n chu trình;
S - ứng suất ứng với N chu trình;
K
n
- số mũ đường cong mỏi Wohler.
và chỉ tiêu biến dạng: e
p
.N
p
k
bd
= C
e

(l.4)
trong đó: e
p

- độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;
N
p
- số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;
K
bd
- số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);
C
e
- 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
ε
σ
0
.2
plsum
dND

(1.5)

Số chu trình ứng suất (hay tuổi thọ) khi phá hủy N

p
được xác định từ phương
trình:
Pa
N
n
n
K lg)
1
(lg
0
+
−=
σ

(1.6)

trong đó :
( )
1
2
1
lg
+







+
=
n
n
sum
O
K
nD
K

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
- 7 -


khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [18]:
2
1

m
ppc
AETcN
β
γ
=

(l.7)

Và

ETc
GL
bp
T
mt

.
.
βα
=

(l.8)

trong đó: N
c
- tuổi thọ ứng với ứng suất S
c
;
c
p
- nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 20
o
C.
T
b
- nhiệt độ sôi tuyệt đối; E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus); G – Mô đun
trượt (Shear Modulus); L
T
= ẩm nhiệt sôi; γ - trọng lượng riêng; A - đương lượng
cơ của nhiệt; β

m
hằng số, giá trị trung bình: β
m
= 8,5 kG/ mm
2
.
c. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi
Động học của quá trình phá hủy mỏi bao giờ cũng gồm có các giai đoạn xuất
hiện, hình thành, phát sinh và phát triển vết nứt. Vết nứt mỏi lan truyền với tốc độ
nhất định và khi đạt được tốc độ truyền âm trong vật liệu thì sự phá hủy hoàn toàn
xảy ra. Sự tích lũy phá hỏng mỏi thì diễn tiến cả quá trình, còn sự phá hủy hoàn
toàn thì xảy ra tức thời. Gọi v là tốc độ lan truyền vết nứt, người ta đã xây dựng
được quan hệ:

( )
CFSf
dN
da
v ,,==
(l.9)

trong đó: S - trạng thái ứng suất ;
F - đặc trưng hình học của chi tiết ;
C - điều kiện vật liệu và điều kiện làm việc của chi tiết.
1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi
Các công trình nghiên cứu về phá hủy mỏi đã cho thấy sự phá huỷ mỏi là kết
quả của các biến dạng dẻo và đàn hồi luân phiên nhau, lặp lại nhiều lần, phân bố
không đều trên toàn bộ thể tích chi tiết do tính không đồng nhất vật liệu, những hư
hỏng đầu tiên xuất hiện trong các vi khối định hướng không thuận lợi so với tác
động của tải trọng, chịu trước các ứng suất dư và bị yếu bởi các khuyết tật cục bộ.

Tích tụ dần dần tổng cộng lần lượt, những hư hỏng cục bộ bắt đầu sự phá huỷ tổng
quát đối với chi tiết [14].
Sự toả nhiệt phát sinh trong các vi khối bị biến dạng đóng vai trò to lớn
trong các quá trình hư hỏng mỏi. Do nhiệt độ tăng nên độ bền mỏi vật liệu trong
các vi khối giảm xuống, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành những
sự trượt dẻo mới, mà đến lượt mình, lại tạo khả năng nâng cao nhiệt độ.
Quá trình xuất hiện vết nứt mỏi gồm vài giai đoạn (hình 1.1). Các vết nứt
phát sinh ở những giai đoạn đặt tải đầu tiên tại các gianh giới các khối tinh thể như
- 8 -


là kết quả sự trượt dẻo của vài mặt phẳng tinh thể, song song với các tác động các
ứng suất tiếp tuyến cực đại, nghĩa là hướng nghiêng một góc 45
0
với các ứng suất
kéo (các ứng suất tám mặt). Tuỳ theo định hướng các mầm tinh thể, những sự trượt
có thể diễn ra trong một mặt phẳng, đồng thời ở hai mặt phẳng (hình 1.1 III a, b)
hoặc ở ba mặt phẳng (hình 1.1 III c) [14].







Hình 1.1. Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động
I, II - thuận lợi; III - không thuận lợi

Hình 1.2 Sự xuất hiện các vết nứt mỏi
Ở một giai đoạn đặt tải nhất định, các tầng kim loại giống như là một bức
tranh khảm hạt bị biến dạng dẻo (hình 1.2a) và các hạt chịu ứng suất ít hơn do sự
định hướng thuận hơn các mặt phẳng tinh thể so với các ứng suất tiếp tuyến. Sự
biến dạng dẻo - đàn hồi tổng quát của kim loại là do sự giãn của các hạt bị quá ứng
suất, do sự trượt giữa các hạt và do sự xoay các hạt với nhau.
Sự hình thành các vết nứt mầm kết tinh trong phạm vi hạt là kết quả của sự
tăng số lượng có định hướng và sự dịch chuyển (khuếch tán) các biến dạng lỗ trống
tới các ranh giới hạt. Tốc độ khuếch tán tỷ lệ với ứng suất và nhiệt độ và tất nhiên
là được sự gia tốc nhờ sự nung nóng tế vi vật liệu.
Sự tích tụ lỗ trống gây ra sự phân tán cấu trúc, làm xuất hiện các lỗ rỗ á tế vi
và hình thành các vết nứt đầu tiên.
Ở những giai đoạn đầu, quá trình có tính chất thuận nghịch. Khi ứng suất
ngừng tác động (thời kỳ nghỉ), các lỗ trống dịch chuyển theo hướng dịch lại; những
lỗ trống tích tụ dần dần tan đi, phân bố đều trong các vi khối của hạt; vật liệu trở
lại trạng thái ban đầu. Có thể đẩy nhanh quá trình này bằng cách tăng nhiệt độ. Các
a

b

c

d

I

II

a
)

b)

c)

I
II

- 9 -


thí nghiệm đã chứng minh, có thể chữa các hư hỏng đầu tiên bằng cách ủ khuếch
tán (ram) ở 500- 600
0
C.
Nếu ứng suất tiếp tục tác động thì quá trình hư hỏng sẽ phát triển. Các biến
vị dần dần lan toả bề mặt hạt (hình 1.2b). Tại đây, chuyển động của chúng bị
ngừng lại chủ yếu do sự ngăn chặn được tạo bởi sự định hướng tinh thể khác của
các hạt kề cận; tính tái định hướng các mặt phẳng kết tinh dẫn đến sự làm nghẽn
trượt dẻo.
Một chướng ngại khác là các lớp xen giữa các hạt (tính dễ chẻ của bề mặt)
có được do sự xuất hiện các tạp chất bởi mạng tinh thể - nguyên tử biến dạng
mạnh, đôi khi khác hẳn mẫu dạng mạng tinh thể hạt. Hình thành các rào cản giữa
các mặt, kìm hãm có hiệu quả sự lan toả các hư hỏng. Để vượt qua rào cản này cần
phải có một ứng suất rất lớn gây ra sự trượt bên trong tinh thể.
Ở một giai đoạn nhất định sẽ diễn ra sự phá vỡ hàng loạt các biến vị qua các
lớp xen giữa các hạt và sự chuyển vết nứt tới hạt kề cận. Ứng suất đánh thủng phụ

thuộc vào độ bền lớp xen giữa các hạt và mức tái định hướng các mặt phẳng kết
tinh các hạt kề cận. Dễ vượt qua hơn cả là các lớp xen giữa các hạt có các mặt
phẳng kết tinh định hướng như nhau. Nhưng hiếm có các trường hợp phân bố kề
cận các tinh thể định hướng như nhau.
Trị số trung bình của ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt
quyết định sức bền mỏi của vật liệu. Giới hạn mỏi có thể được xem xét như là mức
trung bình ứng suất mà trong đó các vết nứt vẫn còn trong phạm vi các hạt và được
chữa một phần hoặc chữa hoàn toàn trong các giai đoạn nghỉ.
Sức cản của vật liệu đối với sự trượt bên trong hạt phụ thuộc vào các tính
chất cơ lý của vật liệu và vào cấu trúc tinh thể mịn của hạt.
Chuyển động của các lỗ trống bị kìm hãm bởi sự tích tụ các nguyên tử tạp,
bởi các gianh giới pha và gianh giới các thành phần cấu trúc, bởi các bề mặt của
các khối tinh thể (sự hình thành tinh thể bên trong hạt với kích thước vài trăm
micrômet).
Ra khỏi phạm vi các hạt, vết nứt phát triển tăng vọt biến thành vết nứt nhìn
thấy được và đổi hướng, chạy theo các đoạn vật liệu yếu nhất gần như vuông góc
với hướng tác động của các ứng suất cực đại (hình 1.2c). Sự phát triển vết nứt tăng
nhanh là do sự tập trung ứng suất đột ngột xuất hiện ở nền vết nứt. Sự nóng lên
diễn ra khi phá huỷ cục bộ đã làm mềm kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự lan
toả vết nứt. Vết nứt nhìn thấy được có thể phát triển dưới tác động của ứng suất
thấp hơn nhiều so với các ứng suất cần thiết để vượt qua rào cản giữa các hạt, trong
- 10 -


khi đó các ứng suất cần thiết để làm lan toả vết nứt sẽ giảm bớt theo mức phát triển
của vết nứt [14].
Một số lượng lớn các vết nứt phát triển đồng thời (hình 1.2d). Vài vết nứt
chạm phải chướng ngại, dừng lại; Những vết nứt khác tiếp tục phát triển. Ở một
giai đoạn nhất định, quá trình bị hạn chế trong một phạm vi nhất định; chủ yếu lan
rộng một vết nứt hoặc một nhóm vết nứt gần nhau trội hơn các vết nứt khác do trên

đoạn đã cho tập trung nhiều khuyết tật vật liệu, do sự quá ứng suất cục bộ, hoặc do
sự định hướng không thuận lợi của các tinh thể so với các ứng suất tác động. Các
vết nứt gần nhau liên kết lại tạo ra hệ phân nhánh sâu. Những sự trượt dẻo mới và
các vết nứt không xuất hiện nữa, còn những gì đã kịp hình thành thì ngưng lại hoặc
phát triển chậm do tất cả các biến dạng đã chấp nhận vết nứt chính. Sự lan toả vết
nứt chính cuối cùng dẫn đến sự phá huỷ chi tiết do giảm tiết diện thực của chi tiết.
Trái ngược với giai đoạn đầu, sự xuất hiện các vết nứt bên trong hạt và giữa
các hạt, phát triển trong một thời gian dài, sự phá huỷ kết thúc diễn ra một cách đột
ngột và mang đặc tính của sự gãy giòn.
Trên những chỗ gãy mỏi thường phát hiện được hai vùng. Vùng phát triển
mỏi có bề mặt mờ dạng đồ sứ, là đặc tính của những chỗ gãy có sự phá huỷ kết
tinh trực giao trội hơn. Ở các mép vết nứt thường thấy rõ những đoạn biến cứng
được miết phẳng đến mức có độ ánh - đó là kết quả của sự va đập, ép nén và mài
mòn các thành vết nứt khi vật liệu biến dạng tuần hoàn. Vùng phá huỷ kết thúc có
bề mặt tinh thể mang đặc tính gãy giòn có sự phá huỷ giữa các tinh thể trội hơn (ví
dụ gãy va đập, gãy vật liệu giòn).
Trong vùng phá huỷ thường thấy hoa văn dải hình thành từ một loại các
đường song song – các vết chuyển động nhảy vọt của vết nứt tuỳ theo mức tích tụ
hư hỏng.
Các vết nứt đầu tiên hầu như luôn xuất hiện (ngoại trừ các chi tiết có khuyết
tật lớn bên trong) ở lớp bề mặt dày gần bằng ba tiết diện ngang của hạt (đối với thép,
trung bình 0,05 – 0,20mm). Thường xuyên hơn cả, các vết nứt được hình thành
trong các hạt bề mặt bị hư hỏng do tác động của việc gia công cơ khí trước đó.
Như vậy, lớp bề mặt có ý nghĩa quyết định đối với sức bền mỏi. Thứ nhất,
trong phần lớn các dạng đặt tải, lớp bề mặt phải chịu ứng suất cực đại. Sự sắp xếp
các nguyên tử ở lớp bề mặt dày đặc hơn các lớp nằm dưới. Do tác động tương hỗ
với các lớp nằm dưới ít dày đặc hơn nên trong lớp bề mặt xuất hiện các ứng suất
kéo và hình thành sự phân tán là các nguồn thế năng tạo ra vết nứt.
Thứ hai, các hạt kim loại đi tới bề mặt, vốn có các liên kết kim loại chỉ một
chiều với kim loại nằm bên dưới, lại có hoạt tính cao, dễ liên kết với các hạt của môi

- 11 -


trường xung quanh. Trên bề mặt hình thành các màng hút bám hơi, khí ẩm, dầu
v.v…chắc chắn mà không thể loại trừ được bằng các phương pháp cơ khí và hoá học
thông thường. Các màng hút thu thấm qua các vết nứt tế vi vào sâu trong kim loại và
phá vỡ liên tục của kim loại và gây ra sự yếu lớp sát bề mặt.
Thứ ba, cần chú ý tới các yếu tố công nghệ. Lớp bề mặt luôn bị hư hỏng
nhiều hoặc ít bởi việc gia công trước đó. Việc gia công cơ khí, về bản chất, là quá
trình biến dạng dẻo và phá huỷ kim loại, nó xẩy ra cùng với sự cắt hạt, làm tróc và
bứt hạt, cùng với sự xuất hiện các vết nứt tế vi và cùng với sự xuất hiện ở các lớp
bề mặt và sát bề mặt các ứng suất kéo tổng cộng gần tới giới hạn chảy của vật liệu.
Sự toả nhiệt khi gia công cơ khí gây ra sự tái kết tinh một phần lớp bề mặt, đôi khi
còn đi với sự biến đổi pha và biến đổi cấu trúc.
Khi nung nóng trong quá trình xử lý nhiệt, ở lớp bề mặt thường diễn ra sự
thay đổi pha và thay đổi hoá học ví dụ trong các loại thép - sự khử cacbon (phân
huỷ xenmentit cùng với sự hình thành lớp vỏ pherit không bền).
Thứ tư, bề mặt kim loại bị tấn công của tất cả các dạng ăn mòn gặp trong
khai thác gây ra những hư hỏng ăn sâu lớp bề mặt. Sự ăn mòn thường lan toả theo
các lớp xen giữa các hạt và theo các vết nứt tế vi.
Như vậy, ở lớp bề mặt tập trung nhiều loại khuyết tật khác nhau như khuyết
tật trông thấy, khuyết tật tế vi, khuyết tật á tế vi do các yếu tố vật lý, hoá học, cơ khí
gây ra và những khuyết tật không thể tránh khỏi theo các điều kiện công nghệ hình
thành lớp bề mặt, cũng như do vai trò đặc biệt của lớp bên ngoài như là một bề mặt
phân chia giữa kim loại và môi trường xung quanh. Lớp bề mặt là nơi tập trung ứng
suất vốn có của từng chi tiết. Có thể làm giảm bớt ảnh hưởng của nó bằng một tập
hợp các biện pháp nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn.
Tất cả các yếu tố phá vỡ tính liên tục tính đồng nhất của lớp bề mặt và tạo ra
các nguồn ứng suất đứt gãy cao đều tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển các
vết nứt đầu tiên và làm giảm rõ rệt độ bền tuần hoàn của vật liệu. Ngược lại, sự nén

chặt (làm khít) cấu trúc bản chất phân tán của lớp bề mặt, tạo các ứng suất nén sơ
bộ trong lớp bề mặt dù không sâu lắm (biến cứng, cán lăn) cũng nâng cao đáng kể
sức kháng tải trọng tuần hoàn của vật liệu.
1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá
Từ các công trình nghiên cứu về độ bền kết cấu ta nhận thấy độ bền kết cấu
là một đặc trưng tổng hợp bao gồm các chỉ tiêu độ bền, độ tin cậy và độ bền lâu.
Các chỉ tiêu độ bền của vật liệu được chọn theo điều kiện làm việc của nó.
Các chỉ tiêu độ bền khi chịu tải tĩnh là giới hạn bền hay giới hạn chảy, chúng đặc
trưng cho sự chống lại biến dạng dẻo của vật liệu.