Luận văn Tiến sĩ Kỹ thuật 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 Phạm Lê Tiến

I
Bộ giáo dục và đào tạo

- II Bộ giáo dục và đào tạo

Trờng đại học giao thông vận tải

Trờng đại học giao thông vận tải

----------------

----------------

Phạm Lê Tiến

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

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

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

Mã số: 62.52.44.01

Mã số: 62.52.44.01

LUN N TIN S K THUT

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 - 2011
I

Hà Nội - 2010


- III -

- IV -

LI CM N
hon thnh Lun ỏn, tỏc gi trõn trng cm n cỏc c quan ó to mi
iu kin giỳp : Khoa C khớ; phũng o to Sau i hc; phũng Khoa hc; B

Lời cam đoan

mụn u mỏy toa xe; phũng thớ nghim VILAS 047-Trung tõm Khoa hc cụng
ngh Trng i hc Giao thụng vn ti; Phũng thớ nghim Sc bn vt liu-

TôI xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Trng i hc giao thụng vn ti; Trung tõm ỏnh giỏ h hng vt liu COMFA-

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung

Vin Khoa hc vt liu; Phũng thớ nghim vt liu tớnh nng k thut cao-Vin C

thực và cha từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

khớ nng lng v m; Ban khoa hc cụng ngh, Ban u mỏy toa xe, Xớ nghip
u mỏy H Ni-Tng cụng ty ng st Vit Nam; Vin C hc Vit Nam; Hc
Vin K thut Quõn s.

Tác giả luận án

Tỏc gi vụ cựng cm n GS.TS c Tun, PGS.TS Ngụ Vn Quyt,
nhng ngi Thy ó nh hng, v gi li cm n n GS.TSKT Phm Vn
Lang, ThS. Nguyn Ngc Viờn, TS. Lng Xuõn Bớnh, ó cung cp cỏc ti liu
quý bỏu trong quỏ trỡnh thc hin Lun ỏn. Cm n cỏc thy, cụ giỏo B mụn u

Phạm Lê Tiến

mỏy toa xe, Khoa c khớ, Trng i hc giao thụng vn ti.
Trong quỏ trỡnh lm tỏc gi ó cú trao i v gi cm n ti NCS. Trn Vit
Bn, ThS. Trn Vn Khanh, ThS. Nguyn Trung Kiờn v nhiu ngi bn na ó
nhit tỡnh cung cp cỏc ti liu quý bỏu.

H ni, thỏng 7 nm 2011

Phm Lờ Tin


-V-

- VI 2.4.1. Tính toán độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải ổn định .............................. 44

MỤC LỤC
Lời nói đầu...................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................... 3

2.4.2. Tính độ bền mỏi theo các hệ số an toàn khi đặt tải không ổn định .......................... 46

1.1. Khái niệm về cơ học phá huỷ ..................................................................................................... 3

2.5.2. Các phương pháp ước lượng sức sống các bộ phận khi đặt tải không ổn định.. 47

1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ ..................................................................................... 3

2.6. Kết luận chương 2 ........................................................................................................................... 48

1.1.2. Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật..................................................................... 4
1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi ...................................................................................................... 6

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

1.2 Bản chất sự phá huỷ mỏi

3.1. Phân tích thành phần kim loại, xác định mác ................................................................. 49

1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi

........................................................................ 5

.............................................................................................................. 7

2.5. Dự báo tuổi thọ mỏi

....................................................................................................................... 46

2.5.1. Khái niệm cơ bản về tuổi thọ mỏi

.......................................................................................... 46

1.3 Độ bền vật liệu của kết cấu và các chỉ tiêu đánh giá ...................................................... 11

3.1.1. Phân tích vật liệu trục bánh xe đầu máy D19E .................................................................. 49

1.4. Tổng quan về đầu máy diezel truyền động điện D19E vận dụng trên

3.1.2. Phân tích vật liệu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

đường sắt Việt nam

....................................................................................................................... 15

....................................... 50

3.2. Xác định tiêu chuẩn thử nghiệm ............................................................................................. 51

1.4.1. Khái niệm về đầu máy D19E .................................................................................................... 15

3.2.1. Tiêu chuẩn thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

1.4.2. Tình hình vận dụng ĐM D19E đang sử dụng trên ĐSVN

3.2.2. Tiêu chuẩn thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ

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

.......................................... 16

............................................. 18

3.3. Chế tạo các mẫu vật liệu thử nghiệm

................................................................. 51
...................... 51

................................................................................... 54

1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước

......................................................................... 18

3.3.1. Chuẩn bị phôi của mẫu vật liệu thử nghiệm

1.5.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước

........................................................................ 21

3.3.2. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học .............................................. 55

..................................................................... 54

1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài ..................... 26

3.3.3. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

1.7 Kết luận chương 1

3.3.4. Mẫu vật liệu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai

............................................................................................................................ 28

.............................................................. 55

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

3.4 Thiết bị thử nghiệm……………………………………………….......…………....................……57

2.1. Sự lan truyền vết nứt mỏi

3.4.1. Thiết bị thử nghiệm xác định đặc trưng cơ học của mẫu

........................................................................................................... 30

phá huỷ

............................................................................................................................................... 56

............................................. 57

2.1.1 Cơ học phá huỷ đối với vết nứt mỏi......................................................................................... 30

3.4.2. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt

3.4.3. Thiết bị thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ .............. 59

........................................................................ 32

2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi ...................................................................................................... 33

........................................................................ 58

3.5. Thử nghiệm xác định các đặc trưng cơ học của mẫu thử nghiệm:

2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi .................................................................................. 36

giới hạn chảy, giới hạn bền, môđun đàn hồi và hệ số biến dạng ........................... 61

2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối .................................................... 36

3.6. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi ........................................................................................ 63

2.2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tương đối .....................................38

3.6.1. Thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật liệu KGCH

2.3. Đề xuất một dạng phương trình lan truyền vết nứt có kể tới tần số

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

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

............................................... 63

................................................... 66

3.7. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ

................... 69

3.7.1. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của
mẫu vật liệu KGCH ......................................................................................................................69
3.7.2. Thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá huỷ của
mẫu vật liệu TBX ............................................................................................................................74
3.8. Kết luận chương 3 ............................................................................................................................77


- VII -

- VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

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

a0
a

- chiều dài vết nứt ứng với số chu trình ứng suất N.

4.1. Đặc điểm kết cấu của KGCH và TBX đầu máy diezel D19E

ath

- giá trị tới hạn của chiều dài vết nứt.

4.1.1. Giới thiệu tổng thể đầu máy D19E kiểu CKD7F

................................ 78

.............................................................. 78

- chiều dài vết nứt ban đầu.

aσ, aτ - tuổi thọ tương đối cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.

4.1.2. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E ..................................................................................... 80

att

4.1.3. Kết cấu khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

a’,b’ - những hằng số mới của vật liệu làm chi tiết.

........................................................... 81

4.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền khung giá chuyển hướng
và trục bánh xe đầu máy D19E

.............................................................................................. 82

4.2.1. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền KGCH đầu máy D19E
4.2.2. Tính toán lý thuyết kiểm nghiệm độ bền TBX đầu máy D19E
4.3. Tính toán độ bền mỏi theo lý thuyết cơ học phá huỷ

............................ 82

................................. 87

................................................ .92

4.3.1. Tính độ bền mỏi mỏi theo lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi

.................................. .92

- chiều dài vết nứt thực tế.

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 .

4.3.2. Tính toán độ bền mỏi theo ngưỡng phát triển vết nứt mỏi ....................................... 125

G

- građien tuyệt đối của ứng suất lớn nhất.

4.4. Dự báo tuổi thọ mỏi KGCH đầu máy D19E

G

- građien tương đối của ứng suất lớn nhất.

.................................................................. 133

4.5. Một số biện pháp nâng cao độ bền mỏi cho KGCH ................................................... 136

G mu , G mx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của mẫu khi uốn và xoắn.

4.5.1. Giảm mức độ ứng suất tập trung cục bộ của kết cấu KGCH

................................... 137

G ctu , G ctx - građien tương đối ứng suất lớn nhất của chi tiết khi uốn và xoắn.

4.5.2. Tránh vận dụng đầu máy khi chịu tải với tần số nhỏ bất lợi

.................................... 139

KI

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

4.6. Kết luận chương 4 ......................................................................................................................... 139

KIi

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

Kết luận chung ............................................................................................. 143

Kth

- giá trị tới hạn của hệ số cường độ ứng suất.

KIC

- độ dai phá hủy của vật liệu.

KIC KGCH , KIC TBX - độ dai phá hủy của vật liệu làm KGCH và TBX đầu máy D19E.
KImax - giá trị lớn nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.
KImin - giá trị nhỏ nhất của hệ số cường độ ứng suất dạng I.
∆K

- số gia hệ số cường độ ứng suất ở đầu vết nứt.

∆Kth - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-7 .
(∆K)th* - ngưỡng phát triển vết nứt của vật liệu với hệ số R = 0,1 ứng với da/dN = 10-8
Kđ

- hệ số tải trọng động.

Kr

- hệ số cường độ các ứng suất dư.

Km

- hệ số cường độ các ứng suất tại thời điểm mở vết nứt.

k1

- hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu.

k2

- hệ số tính tới nội ứng suất.

kσ và kτ - hệ số tập trung ứng suất pháp và ứng suất tiếp thực tế.
L

- tuổi thọ (số giờ, km) của chi tiết thuộc bộ phận chạy của đầu máy.

ni

- tổng số chu ký ứng suất của σi (hoặc τi).

Ni

- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn chế σ i


- IX No

- số chu trình ứng suất cơ sở.

-XΠu, Πx - chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi khi chi tiết bị uốn, bị xoắn.

mσ, mτ - số mũ của đường cong mỏi Wohler cho trường hợp ứng suất pháp và ứng suất tiếp.

λ

- số blốc (khối) tải trọng tác động trong phổ tải.

MX.K, MX.H - Mô men xoắn tác dụng lên trục bánh xe khi đầu máy làm việc ở chế độ kéo và hãm.

vσ

- hệ số đặc trưng mới các cơ tính vật liệu, đối với sự tập trung ứng suất cả yếu tố tỷ lệ.

Pđm

- tổng trọng lượng đầu máy.

σmax

- ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của chi tiết.

p, q

- các hằng số đặc trưng cho sự chống mỏi của vật liệu trong phương trình đường cong mỏi

σc

- giới hạn chảy.

R

- hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất.

σb

- giới hạn bền.

Smax

- ứng suất lớn nhất tại “ khâu yếu nhất “ trong chi tiết sẽ gây ra sự phá huỷ ở xác suất P%

σt

- ứng suất tĩnh.

Sgh

- giới hạn mỏi của mẫu chuẩn ở chu trình ứng suất N0.

σR

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

tb

- khoảng thời gian, km tác động của một blốc ứng suất, tính theo các khu gian đặc

σN

- ứng suất ứng với số chu trình N.

trưng cho các trạng thái vận hành đầu máy.

σ-1ct

- giới hạn mỏi của chi tiết.

up (zp) - phân vị với xác suất phá huỷ P%.

σ0

- giới hạn bền mỏi các mẫu thí nghiệm với chu trình mạch động.

σ −1k

- giới hạn mỏi uốn thuần tuý, chu trình đối xứng, có xét tới hệ số tập trung ứng suất.

u, σ0 , m - các thông số phân bố khởi thuỷ của Veibull trong phương trình đồng dạng phá hủy mỏi
Wm

- chiều rộng mẫu thử nghiệm xác định da/dN và KIC .

σ-1KGCH, τ-1KGCH - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của KGCH đầu máy D19E.

Wmu, Wctu - mômen chống uốn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.

σ-1TBX, τ-1TBX - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của trục bánh xe đầu máy D19E.

Wmx, Wctx - mômen chống xoắn của mẫu chuẩn trơn, của chi tiết.
w

- Kích thước vùng biến dạng dẻo.

σ −1 và τ −1 - giới hạn mỏi của vật liệu khi chịu uốn và xoắn của mẫu chuẩn.
σ −1 ;τ −1 - giới hạn mỏi trung bình của mẫu vật liệu khi chịu uốn và xoắn.

V

- vận tốc của đầu máy.

σ m và τ m - ứng suất pháp và ứng suất tiếp trung bình.

fi

- tần số tải trọng thứ i.

σ a và τ a - ứng suất pháp và ứng suất tiếp biên độ.

f0

- tần số tải trọng nhỏ nhất.

σe, τe - ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương đương.

ft

- độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển.

ξ

f(g)

- tham số không thứ nguyên, hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt.

ψσ , ψτ , ψτ σ và ψστ - hệ số ảnh hưởng sự bất cân đối đến biên độ giới hạn của vật liệu.

FK.đm, FH.đm - Lực kéo khởi động lớn nhất, lực hãm lớn nhất của đầu máy.

-

ψb

- thông số của phương trình đồng dạng phá hủy mỏi tuyệt đối.
- hệ số bám giữa mặt lăn bánh xe và ray.

FK.tk, FH.tk - lực kéo, hãm tác dụng lên một vị trí thanh kéo bầu dầu trên KGCH
FK.TBX, FH.TBX - Lực kéo, hãm tác dụng lên một trục bánh xe.
YP

- áp lực ngang của KGCH lên một TBX khi đầu máy đi vào đường cong.

ss

- độ lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên lg(σmax - u).

sσ, sτ - hệ số an toàn mỏi ứng suất phápvà ứng suất tiếp.
s

- hệ số an toàn mỏi toàn phần.

ασ ; ατ - hệ số tập trung ứng suất lý thuyết.

β

- hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công.

εσ và ετ- hệ số ảnh hưởng kích thước của chi tiết.
ε∞

- hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối tới sức chống phá huỷ mỏi của chi tiết.

ϕK

- hệ số ma sát giữa quốc hãm bánh xe.

φσ

- hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng.

µ

- hệ số Poisson.

Π

- được gọi là chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi không thứ nguyên.

1.
2.
3.
4.
5.

6.
7.
8.

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
KGCH: Khung giá chuyển hướng.
TBX: Trục bánh xe.
TĐĐ: Truyền động điện.
ĐCĐK: Động cơ điện kéo.
ĐSVN: Đường sắt Việt Nam.
HSCĐUS: Hệ số cường độ ứng suất.
HSATM: Hệ số an toàn mỏi.
GHBM: Giới hạn bền mỏi.


- XI -

- XII -

DANH MỤC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ VÀ BẢNG BIỂU
HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ:

Hình 3.19. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu KGCH
Trang

Hình 1.1. Sự định hướng các mầm tinh thể so với các lực tác động

8

71

Hình 3.20. Kết quả thí nghiệm da/dN của mẫu vật liệu KGCH

72

Hình 3.21. Thí nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH

72

Hình 1.2. Sự xuất hiện các vết nứt mỏi

8

Hình 3.22. Mẫu sau khi thử đặc trưng mỏi vật liệu KGCH

72

Hình 1.3. Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

17

Hình 3.23. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu KGCH

73

Hình 1.4. Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907

18

Hình 3.24. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu KGCH sau khi thử nghiệm

73

Hình 1.5. Giản đồ Haigh

19

Hình 3.25. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu KGCH 73

Hình 1.6. Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E – 903

23

Hình 3.26. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu TBX

74

Hình 1.7. Biểu đồ Goodman - Gerber

24

Hình 3.27. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu TBX

75

Hình 1.8. Biểu đồ Kuay

24

Hình 3.28 Các thông số điều chỉnh việc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu TBX 75

Hình 2.1. Hệ toạ độ và các thành phần ứng suất của trường ứng suất ở đầu vết nứt

30

Hình 3.29. Kiến tạo vết nứt ban đầu của mẫu vật liệu TBX

75

Hình 2.2. Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi

32

Hình 3.30. Tải trọng theo vị trí vết nứt của mẫu vật liệu TBX

76

Hình 2.3. Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ

33

Hình 3.31. Kích thước vết nứt của mẫu vật liệu TBX sau khi thử nghiệm

76

Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số

35

Hình 3.32. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của mẫu vật liệu TBX

76

Hình 2.5. Tuổi thọ mỏi của kết cấu

47

Hình 4.1. Hình tổng thể đầu máy D19E

79

Hình 3.1. Các vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu TBX đầu máy D19E 49

Hình 4.2. Hình tổng thể giá chuyển hướng đầu máy D19E

80

Hình 3.2. Vị trí phân tích thành phần kim loại của vật liệu KGCH Đầu máy D19E

50

Hình 4.3. Kết cấu trục bánh xe đầu máy D19E

81

Hình 3.3. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm đặc trưng cơ học.

55

Hình 4.4. Kết cấu khung giá đầu máy D19E

82

Hình 3.4. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm mỏi

55

Hình 4.5. Các lực tác dụng lên khung giá chuyển hướng đầu máy

84

Hình 3.5. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu KGCH

56

Hình 4.6. Các lực tác dụng lên KGCH với tổ hợp 1

85

Hình 3.6. Mẫu thử nghiệm đặc trưng mỏi vật liệu TBX

56

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

91

Hình 3.7. Kết cấu và kích thước mẫu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt
Hình 3.8.

và độ dai phá huỷ

57

Hình 4.9. Các lực tác dụng lên TBX với tổ hợp 1

Hình dạng mẫu thử đặc trưng mỏi vật liệu

57

Hình 4.10. Kết quả tính toán lý thuyết TBX với tổ hợp 1

92

58

Hình 4.11. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện tròn

94

Hình 3.9. Thiết bị thử cơ tính vật liệu thử nghiệm
Hình 3.10. Thiết bị thử nghiệm xác định giới hạn mỏi

58

Hình 4.12. Sơ đồ trục bậc đặc tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết

96

Hình 3.11. Thiết bị thử mỏi, độ dai phá huỷ INTON 8801

60

Hình 4.13. Sơ đồ để tính hàm phân bố ξ cho tiết diện hình hộp rỗng

97

Hình 3.12. Hình dạng mẫu thử cơ tính vật liệu

61

Hình 4.14. Mặt cắt D – D trên xà dọc của KGCH

98

Hình 3.13. Kết quả thử nghiệm cơ tính vật liệu thép 12Mn

62

Hình 4.15. Sơ đồ trục bậc rỗng tính hệ số tập trung ứng suất lý thuyết
Hình 4.16. Sơ đồ khối tính toán ξTBX = f(P), σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) , sTBX = f(P)

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

99
107

Hình 4.17. Kết quả tính ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của mặt
cắt I của TBX đầu máy D19E

108

68

Hình 4.18. Sơ đồ khối tính toán ξKGCH = f(P) và σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P )

110

Hình 3.16. Các thông tin và thông số chung việc thử nghiệm vật liệu KGCH

70

Hình 4.19. Sơ đồ khối tính toán sKGCH = f(P)

111

Hình 3.17. Các thông số của mẫu thử nghiệm vật liệu KGCH

70

Hình 4.20. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P)

Hình 3.18. Các thông số điều chỉnh viêc thử nghiệm xác định KIC của mẫu vật liệu KGCH

71

của điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét

mẫu vật liệu TBX ở mức ứng suất 1

113


- XIII -

- XIV -

Hình 4.21. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của

Bảng 3.10. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC của vật liệu làm KGCH

điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc

115

Hình 4.22.Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm P9, KGCH đầu máy D19E theo kết quả tính toán lý thuyết
Hình 4.23. Sơ đồ khối tính toán Πu , Πx , σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) và sTBX = f(P)

Hình 4.25. Sơ đồ khối Tính Πu , Πx , σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) và sKGCH = f(P)

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

119

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

120
122
123
124

Hình 4.29. Kết quả tính toán ξKGCH = f(P); σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm A9 KGCH đầu máy D19E đợt nhập thứ 3 vượt đèo Khe Nét

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
134

BẢNG BIỂU:
Bảng 1.1. Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc

92

Bảng 4.8. Phân vị ứng với xác suất phá huỷ

103

các mặt cắt của TBX đầu máy D19E

109

Bảng 4.10. Các giá trị ứng suất ở các điểm trên KGCH khi vượt đèo Khe Nét

112

Bảng 4.11. Thống kê các mức đỉnh biến dạng động của các điểm trên KGCH

113

Bảng 4.12. Kết quả tính sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt

124

Hình 4.30. Đồ thị quan hệ giữa log(da/dN) và log(∆K) của vật liệu KGCH

vật liệu làm KGCH trong phương trình lan truyền vết nứt mỏi

Bảng 4.7. Kết quả ứng suất tại các mặt cắt của TBX
Bảng 4.9. Kết quả tính toán ξTBX = f(P); σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của

Hình 4.28. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm P9 trên KGCH theo lý thuyết

84

Bảng 4.2. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 2

Hình 4.27. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm 34, KGCH đầu máy D19E theo kết quả đo được của Trung Quốc

77

Bảng 4.1. Các lực tác dụng trên KGCH với tổ hợp 1
117

Hình 4.26. Kết quả tính toán Πu ; Πx; σ −1KGCH ;τ −1KGCH = f (P ) ; sKGCH = f(P) của
điểm A9 KGCH đầu máy D19E vượt đèo Khe Nét.

Bảng 3.11. Kết quả thí nghiệm xác định độ dai phá huỷ KIC vật liệu làm TBX

115

Hình 4.24. Kết quả tính toán Πu; Πx; σ −1TBX ;τ −1TBX = f (P ) ; sTBX = f(P) của mặt cắt I
của TBX đầu máy D19E

74

đèo Khe Nét

113

Bảng 4.13. Xác suất phá hủy tại các điểm trên KGCH có giá trị ứng suất lớn hơn
GHBM và HSATM nhỏ hơn giá trị cho phép khi vượt đèo Khe Nét

114

Bảng 4.14. Các mức giá trị ứng suất của điểm 34 trên KGCH

114

Bảng 4.15. Kết quả tính toán sTBX = f(P) của các mặt cắt TBX đầu máy D19E

119

Bảng 4.16. Kết quả tính toán sKGCH = f(P) của các điểm KGCH đầu máy D19E vượt
21

Bảng 1.2 Các số liệu thống kê ứng suất đo được của Viện Cơ học khi đầu máy

đèo Khe Nét

122

Bảng 4.17. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu KGCH

125

23

Bảng 4.18. Chiều dài vết nứt trên KGCH khi tàu chạy vượt đèo Khe Nét

128

Bảng 3.1. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu TBX đầu máy D19E

49

Bảng 4.19. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các điểm trên KGCH

Bảng 3.2. Kết quả phân tích thành phần kim loại vật liệu KGCH đầu máy D19E

50

D19E 903 vượt đèo Khe Nét.

chấn trên KGCH đầu máy D19E
Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu thép 12Mn

54
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

D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi

65
67

Bảng 3.9. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu TBX đầu máy
D19E sử dụng để xây dựng đường cong mỏi

129

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
Bảng 4.22. Kết quả thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt vật liệu TBX

130
131

Bảng 4.23. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại các mặt cắt của TBX

Bảng 3.7. Kết quả xử lý số liệu thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu KGCH đầu máy
Bảng 3.8. Kết quả thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu TBX

khi tàu chạy từ ga Kim Liên lên Trạm Đỉnh Đèo
Bảng 4.20. Kết quả tính toán (∆K)Ii và ngưỡng (∆K)th* tại điểm 34 trên KGCH

Bảng 3.3. Thầnh phần các nguyên tố hoá học cơ bản của vật liệu đế đỡ giảm

68

theo kết quả tính toán lý thuyết

133

Bảng 4.24. Số chu trình ứng suất N tại điểm P4 KGCH bắt đầu phá huỷ

135

Bảng 4.25. Số chu trình ứng suất N tại điểm A2 KGCH bắt đầu phá huỷ

135

Bảng 4.26. Số chu trình ứng suất N tại điểm A9 KGCH bắt đầu phá huỷ.

136


-1Lêi nãi ®Çu
Giao thông Vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải

quan trọng của một xã hội phát triển. Công cuộc đổi mới của ngành Đường sắt Việt
Nam trong những năm qua đã thu được nhiều thắng lợi: Chất lượng vận tải đường
sắt đã không ngừng được nâng cao, góp phần thu hút khách hàng đến với đường
sắt nhiều hơn, từng bước nâng cao thị phần vận tải đường sắt trong hệ thống giao
thông vận tải quốc gia.
Để đạt được mục tiêu đó, chất lượng đầu máy toa xe của ngành Đường sắt
Việt Nam đã có nhiều thay đổi lớn để đảm bảo đủ sức kéo đáp ứng yêu cầu phát
triển của ngành và của xã hội. Những đầu máy có công suất lớn, độ bền cao để
thực hiện kéo khoẻ, chạy nhanh được thay thế dần những đầu máy công suất nhỏ,
công nghệ lạc hậu đã không còn phù hợp với yêu cầu về sức kéo của ngành đường
sắt. Đổi mới khoa học- công nghệ, đặc biệt là sức kéo, sức chở đang được lãnh đạo
ngành đường sắt quan tâm theo hướng An toàn - Chất lượng - Tiết kiệm. Vừa qua
ngành đường sắt nước ta đã chế tạo và lắp ráp thành công đầu máy kéo đẩy, đầu
máy D19E.... Chủ trương của ngành là tiếp tục nhập, chế tạo, lắp ráp ra những đầu
máy theo yêu cầu của ngành giao thông vận tải sắt ngày càng có chất lượng cao.
Mặt khác, việc nâng cao an toàn và tốc độ chạy tàu đối với các trang thiết bị hiện
có là chủ trương lớn đang được thực hiện.
Để đáp ứng các yêu cầu đặt ra, đã xuất hiện những yếu tố kỹ thuật công
nghệ, kết cấu và vật liệu nhằm nâng cao độ bền kết cấu, tăng tốc độ chạy tàu, góp
phần thúc đẩy sản xuất và sự phát triển đi lên của ngành đường sắt. Tuy nhiên
trong quá trình thực hiện đã nảy sinh những vấn đề về an toàn và độ tin cậy của các
bộ phận, thiết bị. Một trong những vấn đề đó là: Hầu hết các đầu máy truyền động
điện được nhập về Việt Nam chỉ được nhà cung cấp giao kèm theo các thông số kỹ
thuật cơ bản của đầu máy mà không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về
cách sử dụng phù hợp với đặc thù tuyến đường, điều kiện môi trường đường sắt
Việt Nam, không có các khuyến cáo hoặc các hướng dẫn về qui trình kiểm tra, bảo
dưỡng sửa chữa cũng như các đặc tính vật liệu của các kết cấu. Trong bộ phận
chạy của đầu máy thì khung giá chuyển hướng và trục bánh xe là hai kết cấu quạn
trọng. Do ảnh hưởng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đến việc nâng
cao an toàn và tốc độ chạy tàu, chúng ta phải kiểm tra định kỳ theo qui định trong

quá trình vận dụng. Đồng thời chúng ta phải tính toán kiểm nghiệm về độ bền, độ
cứng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe đầu máy nhằm ngăn ngừa các
hư hỏng có thể xảy ra hoặc có thể gây ra các sự cố, các trở ngại chạy tàu, các hư
hỏng cơ khí gây thiệt hại khó lường về vật chất cũng như tính mạng con người.

-2Đối với ngành Đường sắt Việt Nam, đầu máy diesel truyền động điện đóng
vai trò là sức kéo chủ yếu trong hiện tại và những năm tiếp theo. Chính vì vậy mà
việc đánh giá chất lượng của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trên đầu
máy diesel truyền động điện có ý nghĩa lớn trong công tác lựa chọn, thiết kế, kiểm
tra, bảo dưỡng sửa chữa bộ phận chạy, cũng như phương pháp vận dụng đầu máy.
Hiện nay, phương pháp tính toán của cơ học phá hủy đàn hồi và các tiêu
chuẩn thử nghiệm tính năng phá hủy đối với các loại vật liệu đều đã được hoàn
thiện. Phương pháp cơ học phá hủy đàn hồi được ứng dụng vào việc phân tích kết
cấu phá hủy giòn và vấn đề phát triển vết nứt mỏi trong kết cấu... đều có thể nhận
được kết quả có ý nghĩa quan trọng và cần thiết.
Bởi vậy, việc nghiên cứu xác định đặc trưng mỏi của mẫu vật liệu cũng như
phương pháp xác định độ an toàn mỏi của kết cấu, chi tiết cho phép đánh giá một
cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển
hướng và trục bánh xe đầu máy diesel trong quá trình vận dụng hiện nay. Từ đó
đưa ra các giải pháp ngăn chặn vết nứt mỏi, nâng cao độ bền mỏi, đảm bảo độ tin
cậy, độ bền của khung giá chuyển hướng và trục bánh xe trong quá trình vận dụng,
khai thác ở đường sắt nước ta là một vấn đề quan trọng, cấp thiết đang được đặt ra.


-3ch−¬ng 1
tæng quan vÒ vÊn ®Ò nghiªn cøu
1.1. Khái niệm về cơ học phá huỷ
Cơ học phá huỷ là một môn khoa học được hình thành và phát triển trong
những năm gần đây, cơ học phá huỷ đã có những kết quả nghiên cứu đáng kể. Hệ
thống lý luận và phương pháp đo của cơ học phá huỷ sau vài chục năm phát triển

và hoàn thiện ngày càng chính xác hơn. Cơ học phá huỷ có tác dụng ngày càng
quan trọng trong việc thiết kế chống phá huỷ, khống chế phá huỷ và phân tích sự
cố phá huỷ kết cấu.
1.1.1. Khái niệm về độ bền cơ học phá huỷ
Từ các công trình nghiên cứu về cơ học phá hủy của các nhà khoa học ta có
thể nhận thấy quan điểm quan trọng nhất của cơ học phá huỷ là: Vật liệu và kết cấu
đều không thể tránh khỏi các khuyết tật và vết nứt trong luyện kim và gia công; Do
đó, giả định cơ bản của cơ học phá huỷ là: trong kết cấu luôn tồn tại vết nứt hoặc
những khuyết tật khác; Vì vậy, đối tượng nghiên cứu của nó cũng chính là kết cấu
mang vết nứt. Theo quan điểm của cơ học phá huỷ, trong các chi tiết hoặc kết cấu
có vết nứt, chỉ khi trường ứng suất tại đầu vết nứt và kích thước nứt đạt tới một
mức độ nào đó thì mới bị phá huỷ. Trên cơ sở này, lý thuyết cơ học phá huỷ đưa ra
một số quan điểm cơ bản và yêu cầu đối với thiết kế chi tiết và kết cấu như sau:
* Đối với kết cấu công tác có vết nứt, mức độ mạnh, yếu của trường ứng suất tại
đầu vết nứt, có thể dùng một tham số cơ học phá huỷ gọi là hệ số cường độ ứng
suất K, để tính toán: Bất luận hình thức kết cấu và loại hình vết nứt nào thì
HSCĐUS K đều phải thoả mãn yêu cầu K ≤ KC / n thì mới bảo đảm không bị phá
huỷ, KC là độ dai phá huỷ, trị số của nó có thể dùng thử nghiệm cơ học phá huỷ
tiêu chuẩn đo được, n là hệ số an toàn.
* Đối với kết cấu chịu tải biến động, theo lý thuyết cơ học phá huỷ có thể chia ra
hai loại sau để xử lý [10]:
1. Nếu số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K<∆Kth thì vết nứt sẽ không tiếp tục
phát triển; ∆Kth là trị số tới hạn của vết nứt phát triển thêm, có thể dùng thử
nghiệm tiêu chuẩn để xác định.
2. Nếu số gia HSCĐUS ∆K>∆Kth thì vết nứt sẽ tiếp tục phát triển từ từ theo
một quy luật nào đó; Nhưng trước khi kích thước a của vết nứt phát triển tới kích
thước tới hạn ath, thì kết cấu sẽ không phát sinh mất ổn định hoặc bị phá huỷ. Bởi
vậy, tốc độ phát triển vết nứt của vật liệu da/dN là một lượng đo khả năng chống
phát triển vết nứt của vật liệu. Trên cơ sở này,với kết cấu có vết nứt ban đầu là a0
và kích thước tới hạn là ath, thì tuổi thọ phát triển vết nứt Np của nó có thể tính

-4toán như sau:
a th

Np =

da

∫  da

a0




 dN 

(l.1)

Bởi vậy, kết cấu có vết nứt kích thước ban đầu a0 dưới tác dụng của tải trọng
biến đổi, vết nứt phát triển theo một quy luật nào đó, thì tuổi thọ sử dụng của nó
phải hạn chế trong thời hạn N < Np
Theo lý thuyết cơ học phá huỷ, nếu kết cấu thực tế có thể thoả mãn các yêu
cầu nêu trên thì kết cấu đó thoả mãn được yêu cầu sử dụng an toàn: Do vậy, đối
với thiết kế chống phá huỷ kết cấu thì các tham số cơ bản như: Hệ số cường độ
trường ứng suất K, độ dai phá huỷ Kc, số gia HSCĐUS phát triển vết nứt tới hạn
∆Kth và tốc độ phát triển vết nứt da/dN là các chỉ tiêu quan trọng của thiết kế.
1.1.2. Ứng dụng của cơ học phá huỷ trong kỹ thuật
Hiện nay, rất nhiều hãng chế tạo trên thế giới như: máy bay, tàu thuyền, đầu
máy - toa xe, cầu cống, cơ khí…, đều dùng lý thuyết cơ học phá huỷ để chế định

tiêu chuẩn thiết kế kết cấu an toàn và phương pháp đánh giá. Ứng dụng của cơ học
phá huỷ trong kỹ thuật ta thấy có thể chia ra một số mặt sau:
1. Dùng quan điểm cơ bản và chuẩn tắc độ bền phá huỷ để bổ sung cho lý
thuyết độ bền truyền thống, chỉ đạo việc thiết kế kết cấu, tức là kết cấu thiết kế
chẳng những phải thoả mãn các yêu cầu của độ bền truyền thống, mà còn đồng thời
thoả mãn yêu cầu của cơ học phá huỷ, đặc biệt là tính năng chống phá huỷ mỏi.
2. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ làm căn cứ, đưa ra yêu cầu, đặc biệt là đối
với phương pháp và quá trình công nghệ chế tạo và kiểm tu kết cấu, đưa ra các
quy trình tương ứng để vừa thoả mãn yêu cầu ứng dụng vừa đạt hiểu quả kinh tế
tương đối cao.
3. Dùng lý thuyết cơ học phá huỷ tiến hành phân tích sự cố phá huỷ kết cấu,
đưa ra giải pháp đề phòng và biện pháp giải quyết.
4. Lấy việc nâng cao tính chống phá huỷ của kết cấu làm mục đích, nghiên cứu
tạo ra vật liệu mới có tính năng chống phá huỷ tốt.
5. Xuất phát từ nghiên lý cơ bản của cơ học phá huỷ, đề xuất phương pháp mới
để ngăn nứt trong thiết kế và kiểm tu kết cấu.
Cơ học phá huỷ đàn hồi chẳng những là cơ sở của toàn bộ hệ thống lý luận
cơ học phá huỷ, mà còn là nội dung phát triển thành thục nhất, hoàn thiện nhất
trong hệ thống cơ học phá huỷ. Cơ học phá huỷ đàn hồi là nền tảng của toàn bộ lý
thuyết cơ học phá huỷ. Phương pháp phân tích chủ yếu của nó là dùng phương
pháp cơ đàn hồi để tiến hành phân tích trường ứng suất tại đầu vết nứt và khu vực


-5phụ cận. Nội dung phân tích bao gồm: Hình dạng, độ lớn, phương vị của vết nứt
(hoặc khuyết tật giống vết nứt) và phân tích tính năng vật liệu có vết nứt.
1.1.3. Những khái niệm cơ bản về Lý thuyết mỏi
Theo lý thuyết cơ học phá huỷ ta nhận thấy lý thuyết mỏi là một nhánh của
cơ học phá huỷ chuyên nghiên cứu về ứng xử của vật liệu và chi tiết dưới tác động
của ứng suất thay đổi theo thời gian có kể tới ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố,
đồng thời nêu ra phương pháp tính toán và những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng

cao độ bền mỏi.
Các nhà nghiên cứu đã chia lý thuyết mỏi thành hai nhánh nhỏ: mỏi ngắn
hạn và mỏi dài hạn.
Mỏi ngắn hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng suất nhỏ hơn
hoặc bằng l05. Ngược lại mỏi dài hạn là hiện tượng mỏi xảy ra khi số chu trình ứng
suất lớn hơn l05
a. Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): Đó là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong
bản thân vật liệu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay
đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đó các vết nứt mỏi ấy phát triển và dẫn
tới sự phá hủy vật liệu. Sự phá hủy như vậy được gọi là sự phá hủy vì mỏi.
b. Độ bền mỏi: Đó là tính chất của vật liệu chống lại quá trình phá hỏng vì mỏi.
c. Độ bền lâu: Độ bền lâu (tuổi thọ) của vật liệu chi tiết là khoảng thời gian làm
việc của chúng dưới tác động với một chế độ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng
khác mà không bị phá hủy. Độ bền lâu thường được tính bằng giờ hoặc bằng số
chu trình ứng suất. Trong một số lĩnh vực chuyên ngành (ví dụ lĩnh vực đầu máy,
toa xe, ôtô, máy kéo), độ bền lâu được tính bằng số kilômét làm việc.
d. Giới hạn mỏi: Giới hạn mỏi của vật liệu là một trong số những đặc trưng cơ học.
Cũng như những đặc trưng cơ học khác, muốn xác định giới hạn mỏi của một loại
vật liệu nào đấy, ở một điều kiện nào đấy, phải tiến hành thí nghiệm theo một quy
chuẩn nhất định.
Giới hạn mỏi của vật liệu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng
suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu trình ứng suất cơ sở mà mẫu chuẩn
không bị phá hủy.
Mỗi một loại vật liệu quy định số chu trình ứng suất cơ sở riêng. Gọi No là
số chu trình ứng suất cơ sở. Trong những trường hợp đặc biệt, người ta lấy N0 = l07
đối với vật liệu kim loại nói chung và N0 = l08 đối với các hợp kim nhẹ có độ bền cao.
Tùy theo đặc trưng của chu trình ứng suất, giới hạn mỏi có thể được xác
định ở chu trình ứng suất đối xứng, chu trình ứng suất mạch động hoặc ở chu trình
ứng suất phi đối xứng

-6e. Đường cong mỏi: Đường cong mỏi là đường cong biểu diễn mối liên hệ giữa các
ứng suất thay đổi với các số chu trình ứng suất tương ứng.
Ứng suất thay đổi có thể là ứng suất lớn nhất hoặc là biên độ ứng suất.
Đường cong mỏi cổ điển S = f(N) còn gọi là đường cong Veller (Wohler's Curve).
1.1.4. Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi
Để đánh giá quá trình phá hủy mỏi, các nhà nghiên cứu về phá hủy mỏi đưa
ra những chỉ tiêu sau đây:
a. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng [17]
Nếu gọi S là ứng suất, N số chu trình ứng suất tương ứng thì chỉ tiêu về ứng
suất và biến dạng lần lượt là:
(l.2)
Sim. Ni = const
K
hay Fn = S(N /n) n (dạng thức đựơc sử dụng tại Mỹ và Anh),
(l.3)
trong đó: Fn - độ bền mỏi ứng với n chu trình;
S - ứng suất ứng với N chu trình;
Kn - số mũ đường cong mỏi Wohler.
k
và chỉ tiêu biến dạng: ep .Np bd = Ce
(l.4)
trong đó: ep - độ dãn dài tới hạn tại lúc phá hủy;
Np - số chu trình ứng suất tại lúc phá hủy;
Kbd - số mũ (≈ 0,01 ÷ l,0);
Ce - hằng số.
b. Chỉ tiêu về năng lượng
CE. Feltner và J.D. Marlow đưa ra chỉ tiêu này với nội dung sau: sự phá hủy
mỏi bắt đầu xảy ra tại thời điểm khi mà tổng số năng lượng tản mác (quá trình này
chỉ xảy ra một chiều) đạt tới giá trị đúng bằng công biến dạng riêng khi chất tải tĩnh.
Các tác giả trên đã tính được trị số tới hạn của năng lượng tản mác trong vật

liệu sau N chu trình ứng suất là:
∆ε

Dsum = 2 N ∫ σ .d εpl

(1.5)

0

Số chu trình ứng suất (hay tuổi thọ) khi phá hủy Np được xác định từ phương
lg σ a = K 0 − (

trình:
trong đó :

n
) lg N P
1+ n

 D (1 + n ) 
K O = lg  sum

2K



(1.6)

n
n +1

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


-7khởi xướng thuyết cấu trúc - năng lượng và đưa ra chỉ tiêu phá hủy [18]:
1
N c = c p .T p .E.γ . A. 2
βm
Và

αt = βm.

LT .G
c p .Tb .E

-8-

(l.7)
(l.8)

Nc - tuổi thọ ứng với ứng suất Sc;
cp - nhiệt dung riêng của kim loại ở nhiệt độ 20oC.
Tb - nhiệt độ sôi tuyệt đối; E - mô đun đàn hồi (Young's Modulus); G – Mô đun
trượt (Shear Modulus); LT = ẩm nhiệt sôi; γ - trọng lượng riêng; A - đương lượng
cơ của nhiệt; βm hằng số, giá trị trung bình: βm = 8,5 kG/ mm2 .
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:
trong đó:

v=

da
= f (S , F , C )
dN

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 450 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].
a)
b)
c)
I

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

a

b

c

d

(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

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


-9thí nghiệm đã chứng minh, có thể chữa các hư hỏng đầu tiên bằng cách ủ khuếch
tán (ram) ở 500- 600 0C.
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.

- 12 Đa số các chi tiết chịu tải tuần hoàn lâu dài. Chỉ tiêu độ bền của chúng là
giới hạn mỏi σR (khi uốn đối xứng σ- 1). Theo các chỉ tiêu đã chọn sẽ tính ứng suất
làm việc cho phép. Khi đó, độ bền vật liệu càng cao thì ứng suất làm việc cho phép
càng lớn và do đó kích thước và khối lượng của chi tiết càng nhỏ.
Tuy nhiên, độ bền vật liệu và cũng là ứng suất làm việc cao, kéo theo việc
tăng biến dạng đàn hồi: εđh = σb/E, trong đó E là môđun đàn hồi pháp. Để hạn chế
biến dạng đàn hồi vật liệu cần có môđun đàn hồi cao, đó là chỉ tiêu về tính bền vững
của nó. Chính chỉ tiêu này, chứ không phải độ bền, sẽ đảm bảo cho kích thước của
các chi tiết, các kết cấu…và hình dáng của chúng giữ được chính xác.
Độ tin cậy là tính chất của vật liệu chống lại phá huỷ giòn. Phá huỷ giòn gây
ra sự hỏng bất ngờ chi tiết khi đang làm việc. Nó được xem là nguy hiểm nhất bởi
xảy ra với tốc độ lớn ở ứng suất thấp hơn giá trị thiết kế, cũng như bởi các hậu quả
những tai hại có thể xảy ra [2].
Để phòng ngừa phá huỷ giòn, các vật liệu kết cấu cần có đủ độ dẻo (δ, Ψ) và
độ dai va đập. Tuy nhiên, các thông số của độ tin cậy, được xác định trên các mẫu
thí nghiệm không lớn và không tính đến các điều kiện làm việc của một chi tiết cụ
thể, chỉ nên dùng cho các vật liệu mềm kém bền. Đồng thời, tham vọng giảm lượng
kim loại của kết cấu dẫn đến việc sử dụng rộng rãi hơn các vật liệu bền cao, và tất
nhiên, kém dẻo hơn với xu hướng phá huỷ giòn cao hơn. Cũng cần tính đến là trong
điều kiện làm việc sẽ có tác động của các yếu tố làm giảm thêm độ dẻo và độ dai của
chi tiết và tăng thêm nguy cơ phá huỷ giòn. Các yếu tố đó có thể là nơi tập trung ứng
suất, nhiệt độ thấp, tải động, tăng kích thước chi tiết (yếu tố kích thước).
Để tránh các sự cố đột ngột trong điều kiện làm việc, cần tính cả độ bền nứt
của vật liệu. Đó là một nhóm các thông số về độ tin cậy, đặc trưng cho khả năng
vật liệu hãm lại sự phát triển của vết nứt.

Qua các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy, các vật liệu
bền cao có một độ dẻo xác định, nên đối với chúng, nguy hiểm thực sự không phải
là các vết nứt kích thước bất kỳ, mà chỉ khi vết nứt có chiều dài tới hạn a. Sự phát
triển vết nứt kích thước trước tới hạn sẽ bị biến dạng trong nó kìm hãm. Nhưng khi
có sự phối hợp xác định giữa ứng suất làm việc và chiều dài khuyết tật thì trạng
thái cân bằng của vết nứt bị phá vỡ và phá huỷ tự phát sẽ xảy ra.
Đánh giá độ tin cậy của các vật liệu bền cao theo kích thước khuyết tật cho
phép (nhỏ hơn tới hạn), các nhà nghiên cứu đã đưa ra chỉ tiêu K và được dùng
nhiều nhất. Chỉ tiêu K gọi là HSCĐUS tại đỉnh vết nứt.
Chỉ tiêu K đối với dạng tải sinh ra biến dạng dạng I (biến dạng phẳng do
kéo, tại đó bề mặt của vết nứt tách xa nhau ra theo phương vuông góc với phương


- 13 dịch chuyển của vết nứt) được kí hiệu là KI, còn khi đạt trị số tới hạn, lúc vết nứt
ổn định chuyển sang không ổn định, ký hiệu là KIC. Tiêu chuẩn KIC cho biết ứng
suất gần đỉnh vết nứt đạt tới giá trị (cường độ) nào tại thời điểm phá huỷ. Nó liên hệ
ứng suất trung bình σtb đặt vào với chiều dài tới hạn a của vết nứt [2]:
K IC = σ tb α .π .a
(1.10)
Trong đó: α - hệ số không thứ nguyên, đặc trưng cho hình học của vết nứt.
Từ biểu thức (1.10) suy ra KIC có thứ nguyên là MPa.mm1/2.
Trị số KIC được xác định bằng thực nghiệm theo tiêu chuẩn nhất định.
Đại lượng KIC phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo tại đỉnh vết nứt và đặc
trưng khả năng chống lại sự phát triển của vết nứt dẻo/dai. Vì lẽ đó chỉ tiêu KIC
được gọi là độ dai phá huỷ. Nó càng lớn khi khả năng chống phá huỷ dẻo và độ tin
cậy của vật liệu càng cao. Ngoài đặc trưng định tính cho độ tin cậy, KIC còn bổ
sung cho các thông số σc và E khi tính độ bền các chi tiết làm từ vật liệu bền cao .
Nó cho phép xác định kích thước an toàn của vết nứt tại một ứng suất làm việc
nhất định, hay ngược lại, ứng suất an toàn khi khuyết tật có kích thước đã biết.
Độ bền lâu là tính chất vật liệu chống lại sự phát triển của phá huỷ từ từ (từ

chối dần dần), tạo cho chi tiết có khả năng làm việc trong một thời gian định trước (dự
trữ). Nguyên nhân mất khả năng làm việc (từ chối dần dần) rất đa dạng: quá trình mỏi
phát triển, bị mài mòn, rão, ăn mòn, rộp do bức xạ….Các quá trình này sẽ tích tụ dần
các chỗ hư hỏng không hồi phục được trong vật liệu và dẫn tới phá huỷ. Tạo độ bền
lâu cho vật liệu có nghĩa là làm giảm tốc độ phá huỷ tới các trị số cần thiết.
Độ bền mỏi đặc trưng cho khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện chu
trình ứng suất được lặp lại nhiều lần. Chu trình ứng suất là tập hợp những biến đổi
ứng suất giữa hai giá trị giới hạn σmax và σmin của nó trong một chy kỳ T.
Thường phân biệt các chu trình đối xứng (r = -1) và không đối xứng (r thay
đổi trong khoảng rộng). Các dạng chu trình khác nhau đặc trưng cho các chế độ
làm việc khác nhau của chi tiết.
Quá trình tích tụ dần dần hư hỏng trong vật liệu dưới tác động của các tải
tuần hoàn, dẫn tới sự thay đổi tính chất của nó, tới sự hình thành và phát triển các
vết nứt, tới sự phá huỷ, được gọi là mỏi; còn tính chống lại phá huỷ do mỏi gọi là
độ bền mỏi.
Có thể tóm tắt phá huỷ mỏi so sánh với phá huỷ tĩnh có một loạt các đặc
điểm sau đây [2]:
1 - Nó xảy ra ở ứng suất khi tải tĩnh, nhỏ hơn giới hạn chảy hay giới hạn bền tĩnh.
2 - Phá huỷ bắt đầu trên bề mặt (hoặc gần đó), tại các nơi có tập trung ứng suất
(biến dạng) cục bộ. Tập trung ứng suất cục bộ tạo ra bởi các hư hỏng bề mặt do tải

- 14 tuần hoàn hoặc do các rãnh khía dạng vết gia công, do tác động của môi trường.
3 - Phá huỷ xảy ra theo một vài giai đoạn, đặc trưng cho các quá trình tích tụ hư
hỏng trong vật liệu, sự hình thành vết nứt mỏi, sự phát triển dần dần và hợp nhất
của một vài vết thành một vết nứt rộng và sự phá huỷ nhanh.
4 - Phá huỷ có một tổ chức gẫy đặc trưng, phản ảnh lần lượt các quá trình của
mỏi. Mặt gẫy bao gồm ổ phá huỷ (nơi sinh vết nứt tế vi) và hai vùng-mỏi và gẫy. Ổ
phá huỷ tiếp giáp ngay bề mặt, có kích thước không lớn và bề mặt nhẵn. Vùng mỏi
do các nấc phát triển vết nứt mỏi tạo ra. Trong vùng này thấy rõ các nếp nhỏ có
dạng các đường tròn, chứng tỏ vết nứt mỏi dịch chuyển theo từng bước. Vùng mỏi

sẽ phát triển cho đến khi trong miền tiết diện làm việc đang nhỏ dần, ứng suất tăng
đến mức gây ra phá huỷ tức thời. Vùng gẫy đặc trưng cho giai đoạn phá huỷ cuối
cùng này.
Dựa vào các kết quả thử mỏi các mẫu (theo các tiêu chuẩn thử nghiệm) sẽ
đánh giá khả năng làm việc của vật liệu trong điều kiện tải tuần hoàn. Thử được
tiến hành trên các thiết bị đặc biệt, tạo ra tải tuần hoàn trong vật liệu (kéo - nén,
uốn, xoắn). Mẫu được thử lần lượt ở các mức ứng suất khác nhau, đồng thời xác
định số lượng chu trình cho đến khi phá huỷ. Kết quả thử được biễu diễn ở dạng
đường cong mỏi, trong toạ độ loga: ứng suất cực đại của chu trình σmax (hoặc σa)số chu trình tải N.
Qua nghiên cứu ta nhận thấy đường cong mỏi cho phép xác định các chỉ tiêu
mỏi sau đây:
1. Độ bền tuần hoàn – giới hạn mỏi vật lý hay là giới hạn mỏi hạn chế. Nó đặc
trưng cho khả năng có sẵn trong vật liệu, tức là ứng suất tối đa mà vật liệu có thể
chịu đựng được trong một khoảng thời gian làm việc xác định.
2. Độ bền tuần hoàn lâu - số lượng chu trình (hay là số giờ làm việc) mà vật liệu
có thể chịu được cho đến khi tạo ra vết nứt mỏi có độ lớn xác định hoặc cho đến
khi xảy ra phá huỷ mỏi ở ứng suất đã cho. Độ bền lâu cũng có thể là không giới
hạn (khi σmax < σ-1) và giới hạn (khi σmax > σ-1).
Đường cong mỏi trong vùng độ bền lâu hạn chế được xác định trên cơ sở gia
công thống kê các kết quả thử nghiệm. Phải làm như vậy vì độ bền lâu khá phân
tán do nó rất nhạy với trạng thái bề mặt mẫu.
Độ bền lâu và bền mỏi tuần hoàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó tổ
chức, trạng thái ứng suất lớp bề mặt, chất lượng bề mặt và tác động của môi trường
ăn mòn, có ý nghĩa quyết định. Sự có mặt ứng suất dư nén trên bề mặt sẽ làm cho
vết nứt mỏi khó hình thành và phát triển, và tất nhiên là tăng giới hạn mỏi. Ảnh
hưởng rất xấu là ứng suất dư kéo và các kiểu tập trung ứng suất:


- 15 - Do kt cu - s thay i hỡnh dỏng tit din chi tit: dng qu t hai u, l,
kờnh, trm tr.v.v..

- Do cụng ngh - gh gh t vi b mt, vt xc, v cỏc vt gia cụng c khỏc;
- Do luyn kim - cỏc khuyt tt bờn trong dng l trng, x, tp phi kim (ụxit,
sunfua. Silicat.v.v..).
nh hng ca tp trung ng sut c ỏnh giỏ bng h s tp trung ng
sut hiu dng K = 1 / 1k . ú l t s gii hn mi ca mt mu nhn 1 v
gii hn mi ca chớnh mu ú cú tp trung ng sut 1k .
Gii hn mi cng s gim khi tng kớch thc chi tit (yu t kớch thc) v
gim mnh hn khi cú nh hng ca mụi trng n mũn, gõy ra h hi b mt di
dng cỏc ch lừm sõu, cỏc li vt nt v cỏc kiu tp trung ng sut khỏc.
nh hng phi hp ca cỏc yu t khỏc nhau n gii hn mi khi thit k
c ỏnh giỏ bng h s (K )D = 1 / ( 1k )D , nú cho bit s ln m gii hn
mi ca mu nhn ng kớnh 10 mm ln hn gii hn mi ca chi tit:
(K )D = ( K / + 1/ - 1 ) (1/ hb)
(1.11)
trong ú: - yu t kớch thc, c trng s gim kh nng ó cú ca chi
tit khi tng kớch thc ngang; - h s tớnh n nh hng ca nhỏm b mt
(trong mụi trng n mũn c thay bng awm); hb - h s c trng hiu qu hoỏ
bn b mt.
T biu thc (1.11) suy ra rng, nh hng ca cỏc yu t n kh nng sn
cú ca chi tit cng yu nu tr s ca cỏc h s K , v cng gn bng 1 v h
s hoỏ bn b mt hb cng ln.
Nh vy kh nng lm vic ca vt liu chi tit trong cỏc iu kin s dng
c c trng bi cỏc ch tiờu bn sau õy: [2]
1. Cỏc ch tiờu bn b, c, -1 quy nh ng sut lm vic cho phộp, khi
lng v kớch thc ca chi tit khi bit bn;
2. Mụun n hi E, quy nh tr s bin dng n hi, tc cng vng ca
chi tit, khi bit hỡnh hc ca chi tit;
3. do , , dai va p, dai phỏ hu K IC , ngng nhit giũn lnh
T50 ; chỳng ỏnh giỏ tin cy ca vt liu khi lm vic;
4. bn lõu tun hon, tc mi mũn, róo, n mũn; chỳng s xỏc nh bn

lõu ca vt liu.
1.4. Tổng quan về đầu máy diesel truyền động điện D19E vận dụng trên
SVN
1.4.1. Khỏi quỏt v u mỏy D19E

- 16 Theo yờu cu phỏt trin ca ngnh SVN vi mc tiờu phn u kộo kho,
chy nhanh, rỳt ngn gi chy tu, khụng ngng nõng cao cht lng vn ti, m
trng im l tuyn ng st Thng nht. Ngnh SVN ó hp ng vi ng
st Trung Quc ch to 40 u mỏy diesel T loi CKD7F cú ký hiu D19E.
c a vo Vit Nam s dng t nm 2002. B phn chy l giỏ chuyn hng
loi 3 trc vi 13 tn / trc. u mỏy cú thit k cỏc h thng iu khin bng vi
x lý, h thng ún nhn tớn hiu t ng, h thng cp giú 2 ng v b phn
hóm in tr... u mỏy cú kt cu ca giỏ chuyn hng hin i, nhng cht
lng ca KGCH u mỏy t u ang vn dng ti Xớ nghip u mỏy H Ni
cha t yờu cu
Nm 2006 2007, Nh mỏy xe la Gia Lõm ng st Vit Nam, ó tin
hnh lp rỏp 20 u mỏy D19E trờn c s nhp cỏc tng thnh t Trung Quc, giao
cho Xớ nghip u mỏy H Ni v Xớ nghip u mỏy Si Gũn, nõng tng s u
mỏy D19E ca mi xớ nghip lờn 30 mỏy
u mỏy D19E ang l sc kộo ch cụng trờn tuyn ng st thng nht
kộo cỏc tu khỏch . Quỏ trỡnh khai thỏc vn dng ó phỏt huy c nhiu u
im ca nú v ang c ỏnh giỏ cao. Mt vi nhc im ca u mỏy ny
cng ó v ang c khc phc trit . Song vn cú th khng nh c rng
u mỏy D19E l loi u mỏy cú cht lng cao, cụng ngh tiờn tin, phự hp vi
kh nng, iu kin hin cú v yờu cu, c im vn dng trờn cỏc tuyn ng
ca SVN.
Qua vic phõn tớch cỏc c im c bn nht ca b phn chy ca u mỏy
D19E l mi u mỏy cú 2 giỏ chuyn hng, mi giỏ chuyn hng cú 3 b TBX.
Giỏ chuyn hng ca u mỏy cú nhim v ton b phn trng lng ca u
mỏy t giỏ xe truyn xung, ng thi truyn cỏc lc kộo v lc hóm t bỏnh xe

lờn giỏ xe u mỏy. Mt khỏc giỏ chuyn hng cũn tip nhn ton b cỏc lc tỏc
dng theo c hai phng thng ng v nm ngang xut hin trong quỏ trỡnh u
mỏy chuyn ng truyn cỏc lc ú t u mỏy xung ng v ngc li. Cỏc
b phn ca giỏ chuyn hng lm vic trong iu kin rt nng nhc v phi thc
hin nhng nhim v ht sc phc tp. Do ú nhng giỏ chuyn hng ca u
mỏy hin i, cú cụng sut ln v tc cao phi tho món nhng yờu cu v
bn, tin cy, ng lc hc, bo dng sa cha
1.4.2. Tỡnh hỡnh vn dng u mỏy D19E ang s dng trờn SVN
Ngnh SVN ang khai thỏc 60 u mỏy D19E, sau thi gian khai thỏc
u mỏy D19E ó phỏt huy c hiu qu trong iu kin h tng ca SVN cũn


- 17 thấp kém. Đây là loại đầu máy có công suất phù hợp với hướng phát triển của toàn
ngành Đường sắt về sức kéo.
Qua thống kê ta thấy đầu máy D19E có số km chạy bình quân trong một
ngày là lớn nhất nhưng trở ngại chậm giờ tàu do nó gây ra lại là nhỏ nhất.
* Tình hình khai thác đầu máy D19E
Hiện nay có 40 đầu máy đổi mớí D19E đang khai thác trên ĐSVN do nhà
máy Tư Dương Trung Quốc chế tạo, ngành đường sắt nhập về theo 3 đợt:
- Đợt 1: Gồm 10 đầu máy số hiệu D19E 901-910, tiếp nhận và đưa vào
quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội từ tháng 1/2002.
- Đợt 2: Gồm 10 đầu máy mang số hiệu D19E 911-920, tiếp nhận và đưa
vảo quản lý, khai thác ở Xí nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 12/2002.
- Đợt 3: Gồm 20 đầu máy mang số hiệu D19E 921-940, tiếp nhận tháng
8/2004, đưa 10 Đầu máy từ 921-930 vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy
Hà Nội từ tháng 8/2004; đưa 10 đầu máy từ 931-940 vào quản lý, khai thác tại Xí
nghiệp đầu máy Sài Gòn từ tháng 9/2004.
* Sự cố hư hỏng giá chuyển hướng đầu máy D19E:
Lô đầu tiên, sau khi khai thác được một năm, sử dụng được khoảng hơn
100 000 km thì phát hiện nứt xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ cấu truyền lực kéo,

vết nứt phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc KGCH.
- Đầu máy D19E – 902 ngày 28 / 01 / 2003. km chạy: 113 091 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 907 ngày 10 / 02 / 2003. km chạy: 118 693 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 904 ngày 11 / 03 / 2003. km chạy: 135 874 km
Phát hiện KGCH có vết nứt ở tấm đáy xà dọc KGCH 1
- Đầu máy D19E – 904 ngày 10 / 8 / 2004. km chạy: 219 223 km

Hình 1.3 Vết nứt trên xà dọc KGCH đầu máy D19E số 902

- 18 Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH 2
- Đầu máy D19E – 902 ngày 07 / 04 / 2005. Sau khi gia cường.
Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH
- Đầu máy D19E – 905 ngày 06 / 04 / 2005. km chạy: 230 786 km
Phát hiện KGCH có vết nứt tại vị trí chân đế lắp giảm chấn rắn bò trên tấm
đứng xà dọc KGCH
Nhà máy Tư Dương - Trung Quốc đã khắc phục bảo hành bằng cách mang
một số tấm tôn thép và que hàn từ Trung Quốc sang để hàn táp vào các vị trí nứt và
các vị trí khác nghi là sung yếu. Đồng thời phía Trung Quốc tổ chức một đoàn
khảo sát gồm các nhà khoa học của Bộ Đường sắt Trung Quốc và Trường Đại học
Giao thông Tây Nam Thành Đô, mang theo thiết bị đo đạc, khảo sát độ biến dạng
đàn hồi tại các vị trí xung yếu trên KGCH và bánh xe.
Ngành ĐSVN đã tạo điều kiện, lập các đoàn tàu theo yêu cầu của phía
Trung Quốc, để tiến hành khảo sát. Đồng thời ngành ĐSVN cũng tổ chức mời
Viện Cơ học Việt Nam cùng tiến hành đo đạc khảo sát độc lập, để có số liệu đôi
chứng với phía Trung Quốc.
Ngày 06 / 4 / 2010 một trong 2 KGCH của đầu máy 907 của đợt đầu tiên đã

được phía Trung Quốc khắc phục các vị trí xung yếu lại xuất hiện các vết nứt dài
qua tấm cạnh và tấm dấy dưới của xà dọc KGCH
Vì vậy luận án chỉ tập trung nghiên cứu chủ yếu cho đối tượng là loại đầu
máy D19E đại diện cho các đầu máy diesel TĐĐ đang khai thác trên ĐSVN.

Hình 1.4 Vết nứt trên tấm cạnh ngoài và tấm đáy của xà dọc KGCH số 907
1.5. Tình hình về vấn đề nghiên cứu ở trong và ngoài nước
1.5.1 Tình hình nghiên cứu vấn đề ở ngoài nước


- 19 -

- 20 -

Hiện nay các nghiên cứu về mỏi trên thế giới khá đa dạng và phong phú với các
trường phái khác nhau các phương pháp khác nhau. Mỗi trường phái, mỗi phương
pháp nghiên cứu đều cần đến nhiều loại thiết bị và thí nghiệm khác nhau, dẫn đến
việc nghiên cứu ngày càng phức tạp và tốn kém. Mặc dù vậy kết quả nghiên cứu
theo các phương pháp khác nhau nhiều khi không mang lại các kết quả như nhau.
Liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu về mỏi của kết cấu trên đầu máy, toa xe nói
chung và trên đầu máy nói riêng, có thể điểm qua một số công trình sau đây:
a. Một số nước như Australia, Mỹ, Nhật… đã dùng giản đồ Haigh để tính độ
bền mỏi và tính toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy.
Đường thẳng Goodman trên giản đồ Haigh hình 1.5 có thể được coi là
đường xấp xỉ của các số gia ứng suất mà vật liệu có thể chịu đựng được trong thời
gian vô tận.
Biên độ ứng suất σa
Re

σa=Re-σm

R=-1

+σmax

-σmin
N=10

ứng suất lớn nhất σmax

0

4

0

R=-∞

N=105

-σmax

R=0

σmin ứng suất nhỏ nhất
+σmin

R=+∞

σW

Goodman

R=1

Re

0

-Re (σdF)

Như đã biết

R=1
Rm

ứng suất trung bình σm

Hình 1.5 Giản đồ Haigh
σ max − σ min

σa =

;

2

Và cùng với tỷ lệ ứng suất , ta có thể tính được :

σm =

σa =

σ max + σ min
2
1− R
.σ m
1+ R

Cách diễn tả theo Haigh có ưu điểm là các số gia ứng suất có thể nhận ra
được cho nhiều hệ số phi đối xứng của chu trình ứng suất R khác nhau. Các đường
với các giá trị tải trọng lớn nhất bằng nhau σmax và các giá trị tải trọng nhỏ nhất
bằng nhau σmin lập ra những đường thẳng nghiêng với góc 450 nằm trên hai trục
ứng suất σa và σm.
Muốn tìm được những giá trị bền mỏi cho những tỷ lệ ứng suất nào đó, trong
trường hợp chỉ biết được giá trị độ bền mỏi σW với tải trọng đối xứng (R = -1),
người ta có thể dựa vào đường thẳng Goodman và tính xấp xỉ như sau:


σ D = σ ¦W 1 −


σm 

Rm 

(1.12)

Trong đó: σm là ứng suất trung bình
Rm là giới hạn bền kéo
b. Một số nước như Australia, Trung Quốc, Nhật… đã tính độ bền mỏi và tính

toán phá huỷ mỏi của TBX đầu máy, căn cứ theo tốc độ phát triển của vết nứt xác
định bằng thực nghiệm, xây dựng đường cong biểu thị quan hệ giữa tốc độ vết nứt
mỏi phát triển và số gia hệ số cường độ ứng suất da/dN - ∆K của vật liệu kim loại
trong hệ toạ độ đối số. Đường cong da/dN - ∆K chia thành 3 vùng: Vùng 1, ∆K <
∆Kth vết nứt không phát triển (∆Kth- ngưỡng vết nứt bắt đầu phát triển). Vùng 2,
∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n. Vùng 3 vết nứt mỏi
phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu [29].
c. Trong quy phạm FKM của Cộng Hoà Liên Bang Đức, độ bền mỏi của vật
liệu được tính toán qua biên độ của độ bền vô tận của cấu trúc và hệ số độ bền làm
việc [11]. Quy phạm FKM chia cấu trúc ra ba loại hình dạng khác nhau: Cấu trúc
dạng thanh; Cấu trúc dạng tấm; Cấu trúc dạng khối. Cụ thể như với cấu trúc dạng
thanh, độ bền làm việc của cấu trúc σBK, τBK được phân biệt và tính như sau:
σBK = KBK.σAK
(1.13)
τBK = KBK.τAK
Trong đó: KBK - hệ số độ bền làm việc
σBK, τBK – biên độ của giới hạn mỏi của cấu trúc
Hệ số bền làm việc được xác định cho hai trường hợp tải trọng:
- Đối với tải trọng dao động với một biên độ: Xác định theo đường cong tuổi
thọ S – N của cấu trúc
- Đối với tải trọng dao động thay đổi bất kỳ: Xác định theo luật tính Miner cơ bản.
d. Viện khoa học đường sắt Trung Quốc đã tiến hành kiểm tra động lực học và
ứng suất động lực khung giá chuyển hướng đối với đầu máy D19E 903 trên tuyến
Hà Nội - Đà Nẵng. Việc đánh giá độ bền mỏi và đánh giá tuổi thọ được thực hiện
theo sơ đồ mỏi cơ bản Goodman, sau đây là thông số kiểm tra và kết luận tại điểm
34 trên tấm đứng của xà bên bề mặt giảm chấn cho trong bảng 1.1[15]:
- Đánh giá ứng suất động lực: Việc kiểm tra này sử dụng lí thuyết hư hỏng
tuyến tính mỏi để tính dải ứng suất tương đương với hư hỏng phổ ứng suất trong
đo đạc thực tế với đường cong S - N.
- Đối với kết quả thực hiện: Từ thông số của điểm kiểm tra 34 trên tấm đứng

và kết luận kiểm tra, tuổi thọ của tấm này sẽ vượt quá 3 000 000 km.
- Phân tích vết nứt: Góc bù giữa bề mặt đường hàn và bề mặt tấm nối là quá
nhỏ tạo ra ứng suất tập trung, vì vậy trong quá trình vận hành đầu máy, nguồn tạo
ra vết nứt là có từ trước và đựơc mở rộng ra.


- 21 -

- 22 -

Bảng 1.1: Các số liệu ứng suất đo được trên KGCH của Trung Quốc
Số điểm
kiểm tra
Cấp ứng
suất
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15

16
17
18
19

Tuổi thọ
ước tính

Ứng suất động lực 34
(kéo hành khách )
Phạm vi
Ứng suất
ứng suất danh định Tần số
(MPa)
(MPa)
0-5
5~10
10~15
15~20
20~25
25~30
30~35
30~35
35~40
40~45
45~50
50~55
55~60
60~65
65~70

70~75
75~80

2,5
7,5
12,5
17,5
22,5
27,5
32,5
32,5
37,5
42,5
47,5
52,5
57,5
62,5
67,5
72,5
77,5

Trên 3 000 000 km

555380
432136
141285
27292
7418
1280
237

80
32
19
4
6
4
1
2
0
1

Ứng suất động lực 34
(kéo hàng hoá )
Phạm vi
Ứng suất
ứng suất danh định Tần số
(MPa)
(MPa)
0-5
5~10
10~15
15~20
20~25
25~30
30~35
35~40
40~45
45~50
50~55
55~60

60~65
65~70
70~75
75~80
80~85
85~90
95~100

2,5
7,5
12,5
17,5
22,5
27,5
32,5
37,5
42,5
47,5
52,5
57,5
62,5
67,5
72,5
77,5
82,5
87,5
97,5

370749
313946

80928
19696
3138
216
77
56
27
22
17
10
4
3
1
1
2
0
1

Trên 3 000 000 km

e. Một số nước đã thí nghiệm để xác định giới hạn mỏi, tốc độ lan truyền vết nứt
mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu theo các tiêu chuẩn khác nhau. Nhưng khi xác
định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi và độ dai phá hủy của vật liệu thường thử nghiệm
trên các mẫu có rãnh khía với một vết nứt mỏi được tạo ra ở đáy của rãnh đó. Một số
nước đã thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM E 399 – 90 và ASTM E 467 [32].
f. Việc tính toán độ bền mỏi của vật liệu ở Liên Xô trước đây và Cộng hoà Liên
bang Nga ngày nay đã được qui định trong tiêu chuẩn 25.504-82 của Nga và dựa
trên lý thuyết đồng dạng thống kê phá hủy mỏi để tính cho các chi tiết thực có kích
thước tương đối lớn, có kể tới nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau.[14].
1.5.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề ở trong nước

Các công trình nghiên cứu về mỏi ở trong nước nói chung và trong lĩnh vực cơ khí
nói riêng còn rất khiêm tốn. Tuy nhiên vẫn có thể kể ra những tác giả nghiên cứu về
mỏi ở trong nước: GS.TS Nguyễn Trọng Hiệp; PGS,TS Phan Văn Khôi; PGS.TS Ngô
Văn Quyết và các cộng sự…Trong một số lĩnh vực đã có một số công trình nghiên
cứu về mỏi đối với kết cấu khung giá và kết cấu lò xo trên ôtô, trong máy xây dựng,
dầu khí... Trong lĩnh vực cơ khí đường sắt, các nghiên cứu về mỏi càng ít ỏi.

a. Đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu KGCH Đầu máy D9E vận dụng trên ĐSVN
theo giả thuyết tích luỹ tuyến tính các tổn thương mỏi
Công trình đáng lưu ý nhất đó là đề tài Nghiên cứu khoa học cấp Bộ B2000-35106TĐ “Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá độ bền giá chuyển hướng đầu máy
D9E vận dụng trên đường sắt Việt Nam” do GS.TS. Đỗ Đức Tuấn chủ trì.
Đề tài đã tính mỗi bậc ứng suất cao hơn giới hạn mỏi đều gây ra một phần
tổn thương cho vật liệu. Số đo tổn thương do bậc ứng suất thứ i gây ra, (i = 1,2,
...,m) có quan hệ tới số chu trình ứng suất, và được xác định bằng tỷ số:
ni
,
Ni

Di =

(1.14)

trong đó:
ni- số lượng chu trình ứng suất mà phần tử phải chịu tương ứng với số gia
hay với mức ứng suất σ i không đổi;
Ni- số lượng chu trình dẫn tới phá huỷ mỏi tương ứng với giới hạn mỏi hạn
chế σ i , được xác định theo đường cong mỏi.
Theo tài liệu [24] thì quan hệ biểu thị sự tích luỹ tổn thương mỏi cho đến khi
m

phá hỏng kết cấu như sau: Nếu

 ni 

 i

∑  N

D=

i =1

là tỷ số các chu trình quá khứ, thì hệ số

biểu thị tuổi thọ còn lại của chi tiết hoặc bộ phận kết cấu là
DCL = 1 −

 n 
∑  N  ,
m

i =1

i



i



(1.15)

Trong thực tế, thường sử dụng nhiều tiêu chuẩn đánh giá mức độ tích luỹ tổn
thương mỏi khác nhau, tuỳ theo môi trường và điều kiện làm việc của kết cấu. Tiêu
chuẩn đó còn được gọi là tổn thương mỏi cho phép [D]. Trong trường hợp này,
điều kiện không phá huỷ mỏi của phần tử kết cấu có dạng:
n

D =

 ni 
 ≤ [D],
 i

∑  N
i =1

(1.16)

Nếu ký hiệu tổng số chu trình ứng suất động đã tích luỹ là ntl, còn mức độ
tổn thương đã tích luỹ là Dtl thì tuổi thọ mỏi của kết cấu (hay nói khác, số chu trình
làm việc đến phá huỷ mỏi) là:
N cl =

ntl .Dcl ntl .{[D ] − Dtl }
=
,
Dtl
Dtl

(1.17)

Thông thường, các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường tự nhiên
(tiếp xúc với không khí) và dễ tiếp cận cho việc bảo dưỡng, sửa chữa thì [D] =1,0.
Các chi tiết và kết cấu quan trọng làm việc trong vùng ngập nước và không thể tiếp
cận để sửa chữa thì [D] = 0,3 ÷ 0,6.


- 23 -

- 24 -

Để đảm bảo tính khách quan và bao quát được nhiều yếu tố ảnh hưởng,
trong trường hợp này đề xuất sử dụng đồng thời cả hai tiêu chuẩn kiểm nghiệm,
tức là 0,85 ≤ [D] ≤ 1,0 nhằm tạo ra giới hạn trên và giới hạn dưới về tuổi thọ mỏi
còn lại của kết cấu. Cần lưu ý rằng chỉ tiêu [D] = 0,85 trong một chừng mực nào
đó có thể chỉ mang tính chất tham khảo.
b. Đánh giá độ bền mỏi KGCH đầu máy D19E - Viện Cơ học Việt Nam
Năm 2003, Viện Cơ học Việt Nam đã thực hiện các công việc khảo sát, tiến
hành đo đạc kiểm tra trạng thái ứng suất – biến dạng động trên KGCH đầu máy
D19E – 903 và D19E – 907 kéo tàu hàng và tàu khách trên tuyến Hà Nội - Đà
Nẵng - Hà Nội. Kết quả đo kiểm tra tại các điểm nhạy cảm với trạng thái tập trung
ứng suất đã được thống kê ở những tình huống vận hành điển hình của đầu máy,
trong bảng 1.2 và ở một số khu gian đặc trưng cho các tình huống vận hành điển
hình của đầu máy cho trong phụ lục 1[1].
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.
Điểm đo ε max
m (µm/m)

A10
P2
A11
P4
A1
A2
P7
A9

92
57
20
80
26
87
140
160

δε m (µm/m)
120
155
36
135
135
102
133
206

2
2ε a (µm/m) σmax

m (kgf/cm )

106
119
50
164
108
81
151
187

193,2
119,7
42,0
168,0
54,6
182,7
294,0
336,0

Hình 1.6 Sơ đồ vị trí các điểm đo kiểm tra trên KGCH đầu máy D19E - 903

Từ các kết quả đo kiểm tra trạng thái ứng suất - biến dạng động tại các điểm đo
trên KGCH đầu máy D19E - 903 và D19E - 907 cho thấy chúng đều mang đặc tính
của các chu trình không đối xứng. Theo đặc tính cụ thể của kết cấu và trong những
điều kiện đặc thù trạng thái ứng suất cục bộ tại điểm nào đó của vật liệu có thể trở
thành dạng bị kéo theo cả 3 chiều đến mức làm cho biến dạng dẻo bị ức chế và vết nứt
xuất hiện ngay cả khi vật liệu vẫn hoàn toàn nằm trong giới hạn đàn hồi.
Như vậy, với sự suy giảm đáng kể các giá trị mốc σ-1 → σR ; σb → Rσ ; Khi đó,
vùng nằm trong giới hạn mỏi cho phép (không bị phá huỷ mỏi trong thời gian được

định lượng theo thiết kế) sẽ bị thu hẹp lại đáng kể.
Giả sử, σ-1 bị suy giảm từ 50 ÷ 70 %. Khi đó trên biểu đồ hình 1.9 và hình 1.10,
vùng phân bố các điểm trạng thái ứng suất tại các điểm đo có sự giao cắt với đường
cong giới hạn phía trong. Điều đó đồng nghĩa với việc có khả năng xuất hiện vết nứt
mỏi tại một vùng nào đó vào thời gian rất ngắn so với tuổi thọ thiết kế.
σmax/min
5000

σa

4000

4000

3000

3000
2000
2000
1000

1000

Σσ
0

1000 2000 3000 4000 5000

Hình 1.7. Biểu đồ Goodman - Gerber

Σσ
0

1000

2000

3000 4000 5000

Hình 1.8. Biểu đồ Kuay

c. Tính toán độ bền mỏi KGCH của các tài liệu giảng dạy và học tập
Đối với KGCH, hiện tượng hư hỏng phổ biến nhất là do phá hỏng vì mỏi.
KGCH không những chịu tác dụng của những tải trọng không đổi mà còn chịu tác
dụng của các ứng suất biến thiên xuất hiện do dao động của đầu máy, của các kết
cấu trên lò xo, cũng như dao động của các bộ phận dưới lò xo như trục bánh, động
cơ điện kéo và bản thân khung giá. Các lực cũng như các phản lực tác dụng vào
khung giá còn thay đổi cả theo thời gian, những sự thay đổi đó phụ thuộc rất nhiều
vào các yếu tố như: vận tốc chuyển động của Đầu máy, chất lượng đường, kết cấu
của bộ phận chạy…
Ký hiệu hệ số tập trung ứng suất có kể tới những yếu tố ảnh hưởng nêu trên
bằng (kσ)D. Đã xác định được hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ như sau [3]:


- 25 σ −1
sσ =

(k σ )D

- 26 -


φσ
+ σ t  1 −
(k σ )D

σt +σa






(1.18)

trong đó: σ-1 là giới hạn mỏi của vật liệu
φσ là hệ số độ nhạy của vật liệu ứng với chu trình không đối xứng
Hệ số dự trữ độ bền mỏi sσ phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định các
lực tác dụng lên khung giá và độ chính xác của việc xác định hệ số tập trung ứng
suất, vào chất lượng vật liệu và chất lượng gia công. V.B.Model đề nghị xác định
hệ số (kσ)D theo công thức sau: (kσ)D = kσ.

k1k 2

β

(1.19)

trong đó: k1 - hệ số tính tới độ không đồng nhất của vật liệu
k2 - hệ số tính tới nội ứng suất

kσ - hệ số tập trung ứng suất
β - hệ số tính tới chất lượng bề mặt gia công
Hệ số (kσ)D phụ thuộc vào sự ảnh hưởng đồng thời của sự tập trung ứng suất
được thể hiện bằng hệ số tập trung ứng suất kσ, vào chất lượng của bề mặt gia
công, có thể tính theo công thức:
1

(kσ)D = kσ + β

-1

(1.20)

Hệ số k1 đối với kim loại cán và rèn có thể lấy bằng 1,1
Hệ số k2 được xác định trong khoảng 1 ÷ 1,2
Hệ số β phụ thuộc vào độ bóng của mặt gia công và sức bền tức thời của vật
liệu σb, β có thể xác định nhờ đồ thị trong giáo trình “Sức bền vật liệu” và các “Sổ
tay kỹ thuật”.
Hệ số tập trung ứng suất thực tế kσ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Medel cho
rằng, khi chế tạo khung giá từ các xà bên và xà ngang là các tấm thép dập định hình
với điều kiện là đã xem xét kỹ cách liên kết của chúng thì có thể lấy kσ = 3.
Trong thực tế khi tính toán người ta thường coi tải trọng là đơn giản, nghĩa là tỉ
số giữa σt và σa là không đổi. Khi đó hệ số dự trữ độ bền có thể tính theo công thức:
sσ =

σ −1

(kσ )D .σ B + σ T φσ

(1.21)

Đối với các kết cấu hàn có thể lấy sσ ≥ 2, còn trị số (kσ)D = kσ.
Trên cơ sở của các mẫu thử nghiệm, hệ số dự trữ độ bền phải lấy sσ ≥ 2. Đối
với KGCH lấy sσ = 2 ÷ 2,5.
Các ứng suất nhận được phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu. Hệ số an
toàn phải lớn hơn hệ số an toàn cho phép.
d. Tính toán độ bền mỏi TBX của các tài liệu giảng dạy và học tập
Khi Đầu máy chuyển động, các tải trọng tác dụng lên trục bánh xe thay đổi
cả về chiều và trị số một cách tuần hoàn. Trục lại là chi tiết có nhiều chỗ mối ghép,

có nhiều góc lượn chuyển tiếp…vì thế dễ phát sinh vết nứt do mỏi.
Trục bánh xe là chi tiết đặc biệt có ý nghĩa quan trọng về mặt an toàn khi vận
hành, do đó yêu cầu phải tính toán hết sức cẩn thận và phải đảm bảo hệ số an toàn
cao. Mặt khác để đảm bảo tính năng động lực và tiết kiệm vật liệu trục bánh xe
phải có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ nhất.
Khi tính toán trục theo độ bền mỏi, chế độ làm việc trung bình của trục có thể
lấy theo tốc độ kỹ thuật của đầu máy. Đối với đầu máy hàng có thể lấy bằng 50 ÷
60 km/h. Đối với đầu máy kéo khách có thể lấy khoảng 80 ÷ 90 km/h.
Ảnh hưởng của mômen xoắn và mômen uốn trong mặt phẳng nằm ngang ở các
giá trị tốc độ trên không lớn và có thể bỏ qua, khi đó chỉ cần xét đến mô men uốn
trong mặt phẳng thẳng đứng.
Hệ số động lực theo phương thẳng đứng có thể xác định theo công thức [3]:
Kd = 0,1 + 0,2

V
ft

(1.22)

Trong đó: V - vận tốc của đầu máy (km/h)

ft - độ nhún tĩnh của hệ thống lò xo giá chuyển (mm).
e. Thử nghiệm xác định GHBM mẫu vật liệu KGCH và TBX Đầu máy D9E
Trong đề tài Nghiên cứu khoa học, cấp Bộ mã số B2000-35-106 TĐ. Trường
Đại học Giao thông Vận tải. Hà Nội 2000 do GS. Đỗ Đức Tuấn làm chủ nhiệm đề
tài. Đã thử nghiệm mỏi các mẫu vật liệu theo phương pháp thí nghiệm mỏi một
bậc, uốn thuần túy, chu trình đối xứng, với 4-5 mức ứng suất cho tới khi mẫu bị
phá hủy. Đề tài đã xây dựng phương trình đường cong mỏi vật liệu KGCH và TBX
đầu máy D9E và đã xác định GHBM mẫu vật liệu:
Với KGCH: σ-1 = 1800 daN/cm2 ; N0 = 2.106
Với TBX: σ-1 = 2040 daN/cm2 ; N0 = 2.107
1.6. Mục tiêu, hướng, phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài
Giao thông vận tải đường sắt là một trong các hình thức giao thông vận tải
quan trọng nhất của xã hội phát triển. Ngành ĐSVN đang ứng dụng những tiến bộ
mới của khoa học và công nghệ nhằm từng bước đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp
hoá và hiện đại hoá. Vừa qua ngành ĐSVN đã chế tạo và lắp ráp thành công đoàn
tàu kéo đẩy. Chủ trương của ngành là tiếp tục chế tạo, sản xuất ra những đoàn tàu
theo yêu cầu của giao thông vận tải đường 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 ngành thực hiện.
Đợt đầu tiên gồm 10 Đầu máy số hiệu D19E 901 – 910, tiếp nhận và đưa
vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà nội từ tháng 1/2002. Đã có sự cố


- 27 hư hỏng KGCH đầu máy D19E. Sau khi khai thác được khoảng 1 năm, vận dụng
được khoảng hơn 100 000 km thì phát hiện nứt xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ
cấu truyền lực kéo, vết nứt phát sinh, phát triển ở tấm cạnh và tấm dưới của xà dọc
KGCH. Ngành ĐSVN mời Viện Cơ học Việt Nam tiến hành đo đạc khảo sát trạng
thái ứng suất, biến dạng động trên KGCH và đã kết luận nguyên nhân xuất hiện vết
nứt tại vùng nguy hiểm trên xà dọc giá chuyển của đầu máy D19E là do quá trình
phá huỷ mỏi kết hợp đồng thời với sự tập trung ứng suất.

Vì vậy nghiên cứu thực nghiệm (thử nghiệm xác định giới hạn mỏi của vật
liệu, thử nghiệm độ dai phá huỷ của vật liệu, thử nghiệm tốc độ lan truyền vết nứt
mỏi) cho phép đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ
mỏi của KGCH và TBX đầu máy D19E trong quá trình vận dụng hiện nay.
Từ trước đến nay, việc nghiên cứu tính toán độ bền mỏi kết cấu đầu máy nói
chung và kết cấu bộ phận chạy nói riêng trong ngành Đường sắt nước ta chưa đươc
quan tâm đúng mức. Bởi vậy, đề tài: “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.” là góp phần giải quyết một vấn đề mà thực tế sản xuất đang
đặt ra một cách cấp bách.
1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá độ bền
mỏi và tuổi thọ mỏi của KGCH và trục bánh xe đầu máy D19E.
2. Hướng đề tài nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu và điều kiện làm việc của
KGCH và TBX đầu máy tới độ bền và tuổi thọ mỏi của nó. Tiến hành nghiên cứu
lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, thử nghiệm mỏi mẫu vật liệu làm KGCH và
TBX đầu máy D19E đợt nhập đầu tiên đang sử dụng tại Xí nghiệp đầu máy Hà
Nội, trên cơ sở đó tính toán độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ còn lại của kết cấu
KGCH và TBX đầu máy.
3. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm và sử dụng phương trình
đồng dạng phá huỷ mỏi
- Sử dụng các phần mềm cơ học, toán học và các thiết bị thí nghiệm chuyên
dùng để hỗ trợ.
4. Người hướng dẫn:
GS .TS. Đỗ Đức Tuấn - Trường Đại học Giao thông Vận tải
PGS .TS. Ngô Văn Quyết - Học Viện Kỹ thuật Quân sự

- 28 5. Nội dung chính của luận án:

- Nghiên cứu lý thuyết về sự phát triển vết nứt mỏi của vật liệu KGCH và TBX
đầu máy D19E, phân tích đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi của các kết cấu đó có xét
tới ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và tải trọng.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác định thành phần hóa học, thử nghiệm xác định
đặc trưng cơ học và đặc trưng mỏi, thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt mỏi
và độ dai phá huỷ mỏi của vật liệu chế tạo KGCH và TBX đầu máy D19E để tính
toán và đánh giá một cách đầy đủ hơn về tình trạng độ bền mỏi và tuổi thọ mỏi, từ
đó đề ra một số biện pháp về công nghệ bảo dưỡng, sửa chữa và khai thác hợp lý.
Luận án gồm 4 chương và kết luận chung như phần mục lục.
1.7. Kết luận chương 1
1. Đã xác định được các chỉ tiêu để đánh giá độ tin cậy và độ bền lâu của chi
tiết hoặc kết cấu, đó chính là hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt theo kích
thước vết nứt cho phép và giới hạn mỏi của chi tiết hoặc kết cấu.
2. Hiện nay ngành đường sắt Việt Nam sử dụng chủ yếu là đầu máy diesel
truyền động điện. Công dụng và kết cấu của KGCH và TBX của các loại đầu máy
này cơ bản là giống nhau. Trong số các loại đầu máy disel truyền động điện, đầu
máy D19E chiếm số lượng lớn nhất (60 chiếc). Mặt khác, trong thời gian tới ngành
ĐSVN sẽ tiếp tục lắp ráp và tăng cường số lượng đầu máy D19E.
Đầu máy D19E do nhà máy Tư Dương, Trung Quốc chế tạo được nhập vào
Việt Nam từ tháng 01 năm 2002. Đợt nhập đầu tiên gồm 10 đầu máy được tiếp
nhận và đưa vào quản lý, khai thác tại Xí nghiệp đầu máy Hà Nội. Sau khi khai
thác được khoảng hơn một năm, đầu máy chạy được khoảng hơn 100 000 km thì
phát hiện nứt trên xà dọc chính tại vị trí lắp chốt cơ cấu truyền lực kéo. Vết nứt
phát sinh, phát triển vào tôn thép cơ bản của xà dọc khung giá chuyển hướng. Đây
là hiện tượng tương đối đặc biệt, cần quan tâm nghiên cứu và xử lý.
Vì những lý do nói trên, luận án tập trung nghiên cứu cho đối tượng cụ thể là
loại đầu máy D19E, đại diện cho các loại đầu máy diesel truyền động điện đang
khai thác trên ĐSVN.
3. Việc nghiên cứu thử nghiệm xác định đặc trưng mỏi mẫu vật liệu ở trong
nước thường chỉ thử nghiệm xác định GHBM, do vậy không đủ các đại lượng để

đánh giá độ bền và tuổi thọ mỏi của vật liệu kết cấu. Vì vậy Luận án đề xuất việc
nghiên cứu thử nghiệm xác định tốc độ lan truyền vết nứt và độ dai phá hủy của
vật liệu kết cấu.


- 29 4. Vic tớnh toỏn bn mi trong nc thng ỏp dng theo phng
phỏp tớch lu tuyn tớnh cỏc tn thng mi, tuy nhiờn nhiu kt qu nghiờn cu
cho thy rng quy lut tớch lu tuyn tớnh cỏc tn thng mi t ra ớt tin cy. Do
mỏy tớnh ngy cng c s dng rng rói nờn phng phỏp th nghim, thng kờ
tr thnh phng phỏp hu hiu tớnh toỏn, phng phỏp ny cho phộp xem xột
y hn c im ngu nhiờn ca tt c cỏc i lng n nh ca bn v
tui th mi. Phng phỏp xỏc sut tớnh bn mi cỏc chi tit trong phm vi
nhiu chu trỡnh c ỏp dng trong tớnh toỏn thit k ch to, kim tra v sa cha
cỏc chi tit b phn chy ca u mỏy. Vỡ vy Lun ỏn chn phng phỏp tớnh toỏn
theo lý thuyt ng dng phỏ hy mi.
Vic nghiờn cu tớnh toỏn bn v d bỏo tui th mi ca KGCH v TBX
u mỏy núi chung v u mỏy D19E núi riờng trờn c s ng dng lý thuyt C
hc phỏ hu l nhm gúp phn vo vic xut cỏc gii phỏp xõy dng tiờu chun
v quy trỡnh s dng hp lý trong cụng tỏc vn dng, khai thỏc u mỏy, gúp phn
m bo tin cy v an ton vn hnh on tu - mt vn m thc t sn xut
ang t ra cho ngnh ng st hin nay.

- 30 chơng 2
cơ sở lý thuyết đánh giá độ bền mỏi và dự báo tuổi thọ
mỏi của kgch và tbx
2.1. S lan truyn vt nt mi
Mụ t quỏ trỡnh lan truyn vt nt trong vt liu, nhiu nh nghiờn cu ó
xõy dng nhng biu thc toỏn hc trong ú phn ỏnh mi quan h gia chiu di
vt nt vi cỏc c trng ca ch ti trng gõy ra ng sut v cỏc thụng s kớch
thc ca kt cu hoc chi tit.

T nghiờn cu thc nghim, cỏc nh nghiờn cu nhn thy rng: s gia tng
ca chiu di vt nt ph thuc vo ng sut ca ph ti tỏc ng. Ti u vt nt
xut hin vựng n - do, nờn luụn cú s phõn b li ng sut. ỏnh giỏ s phõn
b li ng sut, ó a ra khỏi nim: H s cng ng sut K.
2.1.1 C hc phỏ hu i vi vt nt mi
2.1.1.1 Trng ng sut v bin dng u vt nt
Qua nghiờn cu bin dng u vt nt t cỏc cụng trỡnh nghiờn cu ca cỏc
nh khoa hc, ta thy rng: b mt vt nt l bin dng khụng cú ng sut, s phõn b
ng sut ti chớnh u nhn vựng u vt nt. Cỏc bin dng khỏc xa hn k t
vựng ú v cỏc ngoi lc ch nh hng ti cng ca trng ng sut cc b.
Trng ng sut u vt nt cú th c phõn chia thnh ba dng c bn
m mi dng y c c trng bi dỏng v bin dng, trong phm vi ng dng ta
ch tp trung nghiờn cu vi dng I - Phỏ ch, trong ú b mt ca vt nt tỏch xa
nhau theo hng vuụng gúc vi phng dch chuyn ca vt nt [16, 17].
Nhng trng ng sut v chuyn v tng ng vi tng dng riờng bit
c xỏc nh theo phng thc Irwin, da trờn c s ca phng phỏp
Westegaard. Cỏc dng I v II cú th c nghiờn cu nh nhng bi toỏn phng
ca lý thuyt n hi, tc l c chia thnh cỏc bi toỏn i xng v phi i xng
vi mt phng vt nt. Dựng cỏc ký hiu mụ t nh hỡnh 2.1.

Hỡnh 2.1. H to v cỏc thnh phn ng sut ca trng ng sut u vt nt


- 31 -

- 32 -

Công thức cuối cùng để xác định các trường ứng suất và chuyển vị đối với
dạng I được viết như sau [17]:
σx =

KI
2π r

cos

σy =
τ xy
σ

z

nứt là a xuyên thấu, chịu tác dụng ứng suất kéo σ thẳng góc với bề mặt vết nứt [10].
Tường hợp vết nứt ở một cạnh, hệ số hiệu chỉnh là:

θ
3θ 
 1 − sin sin

2
2
2 

θ 

KI
2πr
KI

cos

f

θ
3θ 
1 + sin sin

2
2
2 

θ

3θ
=
sin cos cos
2
2
2
2πr
= µ (σ x + σ y ) τ = τ

θ

(2.1)

θ

;

yz

xz

=0 ;

g =

KI
G

r
θ 
θ 
co s  1 − 2 µ + sin 2 
2π
2
2

h=

KI
G

r
θ
θ
sin  2 − 2 µ − cos 2 
2π
2

2

ω=0
KI - HSCĐUS của trường ứng suất dạng I;
g, h, ω - các chuyển vị thành phần tương ứng với ba dạng;
µ - hệ số Poisson;
G- môđun đàn hồi trượt.
Cường độ ứng suất của trường ứng suất không phụ thuộc toạ độ r, mà nó
phụ thuộc vào các toạ độ của các dạng, nhưng không phụ thuộc vào sự phân bố của
trường ứng suất. Từ phân tích thứ nguyên các công thức (2.1), ta thấy, các
HSCĐUS của trường ứng suất phụ thuộc tỷ lệ vào ngoại lực tác động vào vật thể
đàn hồi tuyến tính, hình dáng của vật thể và kích thước của vết nứt.
2.1.1.2 Chỉ tiêu về độ dai chống phá huỷ
Trong kết cấu tồn tại vết nứt, dùng cơ học đàn hồi làm phương pháp cơ bản
để phân tích trạng thái ứng suất tại đầu vết nứt. Xét vết nứt dạng I, vết nứt này chịu
ngoại lực thẳng góc với bề mặt vết nứt, khiến cho vết nứt chịu ứng suất kéo.
Các nhà nghiên cứu đã phân tích lý thuyết và thực nghiệm đều có kết luận
là: HSCĐUS K của kết cấu có vết nứt có quan hệ tuyến tính với ứng suất ngoại gia
và chiều dài vết nứt, đối với bài toán dị hướng tổng quát có thể tìm được KI như
sau [10]:
K I = σ π a . f (g )
(2.2)
trong đó:

trong đó: f(g) - tham số không thứ nguyên, gọi là hệ số hiệu chỉnh,
hoặc là hệ sô' hình học của kết cấu có vết nứt;
a - chiều dài vết nứt.
Hệ số hiệu chỉnh trong một số trường hợp đã có kết quả cụ thể. Đối với tấm
rộng hữu hạn có vết nứt xuyên thấu: tấm rộng hữu hạn, chiều rộng là b, chiều dài vết

(g ) =

 a 
 a 
1 ,12 − 0 , 231 
 + 10 , 55 

 b 
 b 

2

 a 
+ 21 , 72 

 b 

3

 a 
+ 30 , 95 

 b 

4

(2.3)

Với những kết cấu cụ thể khi xác định được kích thước phá hỏng của vết nứt
(khi vết nứt lan truyền từ chiều dài kỹ thuật cho phép ban đầu a0 tới chiều dài tới hạn

cuối cùng ath) giá trị KI tiến tới giá trị KIC, tức là HSCĐUS tiến tới giá trị tới hạn (kết
cấu phá hủy hoàn toàn). Gọi KIC là độ dai phá hủy biến dạng phẳng của vật liệu (đặc
tính bền của vật liệu có vết nứt khi bị phá hủy).
2.1.2 Đặc điểm của vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt
Các nhà nghiên cứu về vùng đàn - dẻo đã chỉ ra trong quá trình lan truyền,
tại đầu vết nứt xuất hiện một vùng đàn - dẻo. Vùng đàn - dẻo này được gọi là vùng
tiền vết nứt, cũng lan truyền và phát triển về hướng građien lớn nhất của ứng suất
cục bộ và bằng cách đó định hướng cho vết nứt chính lan truyền và phát triển theo.
Sơ đồ minh hoạ vùng đàn - dẻo ở đầu vết nứt được chỉ ra trên hình 2.2. Có thể xác
định kích thước vùng đàn - dẻo theo lý thuyết trình bày tóm tắt dưới đây.
σy
σy(x) = KI (2πx)-1/2
σy

y
x
§Ønh vÕt nøt

σy(x - u) = KI (2πx - u)-1/2

u

W

W

W

Hình 2.2. Vùng đàn - dẻo tại đầu vết nứt mỏi

Trong trường hợp chịu tải chu trình, không những ứng suất, mà còn
HSCĐUS, vùng biến dạng dẻo, độ mở vết nứt và các thông số khác đều biến đổi
liên tục có chu trình. Dưới đây là kết quả lời giải, trên hình 2.3 [17].
Giả sử tải trọng thay đổi gây ra ứng suất biến đổi có chu trình với biên độ
ứng suất là σa = 2σ0, từ trạng thái kéo (a) với ứng suất σ sang trạng thái nén (b) với
ứng suất - ∆σ, rồi lại từ trạng thái nén (c) với ứng suất (σ - ∆σ) sang trạng thái kéo
(d) với ứng suất + ∆σ, sau đó mới lặp lại chu ký mới. Kích thước vùng biến dạng
dẻo ở đầu vết nứt được xác định lần lượt như sau:
Lúc đầu (hình 2.3), vùng biến dạng dẻo được tính như trường hợp chịu tải
tĩnh:

W mon =

1  KI

π  σ 0





2

,

(2.4)

Vùng biến dạng dẻo khi chịu nén (hình 2.3b):
W rev =

1  ∆K I

π  2σ 0

2


 ,


(2.5)


- 33 σ

- 34 σ - ∆σ

- ∆σ

σy

σy

σy

σ0

Wrev -

∆K

x

σ0

KI - ∆KI

x

x

Wmon

a)

b)

c)

σ - ∆σ

+∆σ

σ

σy

σy

2σ

2σ
σ0

+∆KI

KI

(KI - ∆KI) + ∆KI

x

x

e)

d)

Hình 2.3. Vùng dẻo ở đầu vết nứt khi chịu tải chu kỳ

Có thể tính kích thước các vùng biến dạng dẻo nêu trên theo HSCĐUS Kmax
và ∆KI theo các công thức dưới đây:
W mon =

W rev =

1  K max

π  σ 0

1  ∆K I

π  σ 0





2

2

,


1K
 =  a
π

σ0

(2.6)
2


 ,


(2.7)

Để đánh giá sự phi đối xứng của chu trình ứng suất hoặc sự phi đối xứng của
HSCĐUS, có thể dùng hệ số sau:
P=

σ max
σa

=

K max
,
K a

(2.8)

Vậy kích thước vùng biến dạng dẻo khi chịu tải tĩnh và khi chịu tải chu trình
có liên hệ sau: wmon = P 2Wrev với P ≥ 2
(2.9)
2.1.3 Tốc độ phát triển vết nứt mỏi
2.1.3.1 Quá trình phá huỷ mỏi
Từ các công trình nghiên cứu cho thấy, quá trình phá huỷ mỏi của kết cấu, là
một quá trình phức tạp. Nhân tố ảnh hưởng quá trình này rất nhiều, sự phân biệt định
lượng toàn bộ quá trình phá huỷ mỏi cũng không có một gianh giới chính xác, do đó

thường chia quá trình hình thành vết nứt mỏi tới lúc kết cấu hoặc vật liệu kim loại bị
phá huỷ thành các giai đoạn sau:
- Giai đoạn vết nứt hình thành;
- Giai đoạn vết nứt phát triển tế vi: vết nứt phát triển vết nứt giai đoạn I;
- Giai đoạn vết nứt phát triển nhìn thấy: vết nứt phát triển giai đoạn II;
- Giai đoạn phá huỷ: phá huỷ kết cấu.

Đối với kết cấu có vết nứt ban đầu, chủ yếu là quá trình phát triển của vết
nứt nhìn thấy, cũng tức là vết nứt phát triển giai đoạn II. Cho tới nay, kích thước
nhỏ nhất của vết nứt nhìn thấy quy định chưa thống nhất, mà chỉ công nhận tiêu
chuẩn, cho nên tiêu chuẩn phân chia các giai đoạn phát triển của vết nứt cũng không
thống nhất. Xuất phát từ góc độ ứng dụng, nói chung có thể cho kích thước nhỏ nhất
của vết nứt nhìn thấy là 0,1∼0,5 mm, độ sâu của vết nứt là 0,15 mm.
2.1.3.2 Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
- Khái niệm về Tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
Kết cấu có vết nứt, dưới tác dụng của tải trọng biến đổi, vẫn có thể công tác
bình thường trong thời gian dài mà không bị phá huỷ. Tốc độ phát triển mỏi của
vết nứt dùng da/dN biểu thị, do da/dN có thể đo được từ mẫu thử, nên người ta
thường biểu thị nó là ∆a/∆N, trong đó: ∆N biểu thị lượng tăng số lần tuần hoàn
của tải trọng biến đổi (hoặc ứng suất biến đổi); ∆a biểu thị lượng tăng của chiều dài
vết nứt tương ứng với ∆N. Do đó, ý nghĩa vật lý của ∆a/∆N hoặc da/dN là lượng
gia tăng của chiều dài vết nứt dưới số lần tuần hoàn đơn vị.
- Công thức tốc độ phát triển mỏi của vết nứt
Các nhà khoa học đã triển khai nghiên cứu về tốc độ phát triển vết nứt, Paris
đã chỉ ra, trong phạm vi cơ học phá huỷ đàn hồi, HSCĐUS K là một tham số để
mô tả trường ứng suất đầu vết nứt, như vậy, số gia biến đổi ∆K sẽ là tham số thứ
hai khống chế tốc độ vết nứt phát triển da/dN. Do đó, Paris đề xuất công thức kinh
nghiệm về tốc độ vết nứt phát triển mỏi như sau:
da
= C(∆K)n
dN

(2.10)

Trong đó: ∆K – số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K = Kmax - Kmin
C, n - các hệ số phụ thuộc vật liệu, do thử nghiệm xác định.
Đối với vật liệu khác nhau, năng lực chống vết nứt phát triển khác nhau, do

đó, tốc độ vết nứt phát triển, thực tế là một lượng đo năng lực khống chế vết nứt
phát triển của vật liệu. Quan hệ giữa da/dN với ∆K do thực nghiệm xác định.
Để tiện lợi, người ta lấy đối số của công thức (2.10) và được:
da 
 = lg(C) + n lg(∆K)
 dN 

lg 

(2.11)


- 35 -

- 36 -

Đường cong trong hình 2.4 biểu thị tốc độ vết nứt phát triển mỏi da/dN - ∆K
tương đối điển hình của vật liệu kim loại trong hệ toạ độ đối số, các nhà nghiên
cứu đã căn cứ tính chất phát triển của vết nứt trong vật liệu, chia đường cong
da/dN-∆K thành 3 vùng: vùng I, II và III [10].
da
lg dN

da
lg dN

B

A
Vïng II

Vïng I
∆Κth

Vïng III

Vïng I
lg ∆K

∆Κth

Vïng II

Vïng III

a)
b)
Hình 2.4. Đuờng cong da/dN-∆K trong hệ tọa độ đối số

lg ∆Κ

Tại vùng I: ∆K < ∆Kth, về cơ bản vết nứt không phát triển (tốc độ phát
triển da/dN < 10-7∼10-8 mm/chu trình), ∆Kth gọi là trị số ngưỡng vết nứt phát triển,
vật liệu khác nhau có ∆Kth khác nhau. Ngoài ra, ∆Kth chịu ảnh hưởng của đặc tính
tuần hoàn ứng suất R tương đối lớn, nói chung, R tăng thì ∆Kth giảm.
Vùng II: ∆K > ∆Kth vết nứt phát triển theo qui luật da/dN = C(∆K)n, trong
vùng II này trên hình 2.4b dùng đường gãy biểu thị, trên mỗi đoạn thẳng có trị số C
và n khác nhau.
Vùng III: Vết nứt mỏi phát triển nhanh chóng và dẫn đến phá huỷ kết cấu.
Để xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân σ đối với tốc độ phát triển vết

nứt, nhà nghiên cứu E.K Walker đưa ra công thức sau:
n
da
= C K max (1 − R m )
dN

[

]

Vậy xác suất phá huỷ của dãy có dạng:
n

P (σ ) = 1 − Q (σ ) = 1 − ∏ [1 − Pi (σ

n

C (∆K )
da
=
dN
(1 − R) K C − ∆K

(2.13)

Công thức Forman chẳng những xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình
quân, mà cũng phản ánh ảnh hưởng của tính dai phá huỷ của vật liệu KC. Ta thấy
KC càng cao thì da/dN càng nhỏ, điều này rất quan trọng khi chọn vật liệu.

)]

(2.15)

i =1

Giả thiết rằng, chi tiết có ứng suất khối không đều nhau, xét một phân tố
khối của chi tiết. Hàm ứng suất này được cho bởi:

σ = σmax f(x, y, z)

(2.12)

Trong đó: C, m, n – các hệ số có quan hệ đến vật liệu, môi chất do thực
nghiệm xác định.
Để có thể đồng thời xét đến ảnh hưởng của ứng suất bình quân và tính dai
phá huỷ của vật liệu đến tốc độ phát triển của vết nứt, và quan tâm đến khi Kmax đạt
đến tính dai phá huỷ ứng suất phẳng (hoặc tính dai phá huỷ biến phẳng) KC và
da/dN lớn vô hạn, nhà nghiên cứu G.R. Forman đưa ra công thức tốc độ phát triển
mỏi của vết nứt như sau:

- Ảnh hưởng của tần số gia tải đối với sự phát triển mỏi của vết nứt.
Nói chung, ảnh hưởng của tần số gia tải và nhiệt độ đối với da/dN có quan
hệ gắn bó với số gia hệ số cường độ ứng suất ∆K. Khi ∆K tương đối thấp, ảnh
hưởng của tần số gia tải đối với phát triển vết nứt, rất nhỏ. Nhưng khi trị số ∆K
tương đối lớn, đặc biệt ở nhiệt độ cao, do tác dụng tương hỗ của tần số gia tải và nhu
biến, tần số gia tải có ảnh hưởng rõ rệt đối với tốc độ phát triển của vết nứt mỏi, kết
quả của nó là: Tần số gia tải giảm nhỏ, tốc độ phát triển vết nứt da/dN tăng lớn.
2.2. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi
2.2.1. Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối
Từ công trình nghiên cứu của Xerenxe-Kogaev ta có thể tóm tắt Phương

trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối như sau [17]:
- Cơ sở lý thuyết
Trên cơ sở lý thuyết phá huỷ “khâu yếu nhất” do Weibull đề xướng và lý
thuyết xác suất thống kê. Giả sử có một dãy gồm n khâu (n phép thử thí nghiệm
mỏi độc lập với n mẫu chuẩn) nối tiếp được chất tải, gây ra ứng suất σ
Biểu diễn xác suất phá huỷ của một khâu thứ i nào đó chịu tải trọng gây ra
ứng suất σ là Pi(σ). Pi(σ) được xem là hàm phân bố đặc trưng cho độ bền của một
khâu thứ i nào đó.
Xác suất không phá huỷ của khâu thứ i nào đó là:
Qi (σ) = 1 - Pi (σ)
(2.14)

(2.16)

trong đó: σmax - ứng suất lớn nhất ở một điểm nào đó của phân tố đang khảo sát của
chi tiết; f(x, y, z)- hàm không thứ nguyên
Xác suất phá huỷ của chi tiết khi chịu ứng suất σmax có dạng:
P(σmax) =


1 − exp − ∫
 V
 u

m
 σ max . f ( x, y , z ) − u  dVi 





 V0 
σ0




khi σmax ≥ u;

0
khi σmax < 0.
trong đó: u, σ0, m - những thông số của phân bố
Biểu diễn I là đại lượng dưới dấu tích phân được viết giản cách như sau:

(2.17)