nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của của thép p43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ x quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỂ TIẾN

NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI
MỎI BỀ MẶT CỦA CỦA THÉP P43 DÙNG
LÀM ĐƯỜNG RAY BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S KC 0 0 4 2 2 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ THỂ TIẾN

NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI BỀ
MẶT CỦA CỦA THÉP P43 DÙNG LÀM ĐƯỜNG
RAY BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT

Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Học viên đóng kèm xác nhận này vào quyển LVTN)

Họ và tên học viên:
Chuyên ngành:
Tên đề tài:

Lê Thể Tiến

MSHV: 1202520103013

Kĩ thuật cơ khí

Khóa :

2012 – 2014 A

“Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng

làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang”
Học viên đã hoàn thành LVTN theo đúng yêu cầu về nội dung và hình
thức (theo qui định) của một luận văn thạc sĩ.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 04 năm 2014

Giảng viên hƣớng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

i


LÝ LỊCH KHOA HỌC
(Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học)
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ & tên: Lê Thể Tiến

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1988

Nơi sinh: Quy Nhơn

Quê quán: Nhơn Phúc – An Nhơn – Bình Định

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 118/13 – Man Thiện – Quận 9 - TP.HCM
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại di động: 0906594471

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
1. Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo : 09/2006 đến 08/2011

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật TP. HCM
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy
2. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo : 05/2012 đến 05/ 2014

Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật TP. HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí
Tên luận văn: “ Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng
làm đƣờng ray bằng nhiễu xạ X-quang ”
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 26/04/2014 tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ
Thuật TP. HCM.
Ngƣời hƣớng dẫn : PGS.TS.Lê Chí Cƣơng
3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn B1(Khung Châu Âu).
Ngày

tháng 04 năm 2014

Ngƣời khai ký tên

Lê Thể Tiến

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình do chính tơi nghiên
cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc cơng bố
mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin hồn tồn
chịu trách nhiệm”.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 04 năm 2014

Lê Thể Tiến

iii


LỜI CẢM ƠN
Đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của
thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang” sau một thời gian nhất
định để thực hiện đã hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, trong
quá trình nghiên cứu và thực hiện tơi đã gặp khơng ít khó khăn. Nhờ có sự hƣớng
dẫn giúp đỡ tận tình của q thầy cơ, bạn bè, gia đình tơi đã vƣợt qua và hồn thành
luận văn của mình. Để tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm
ơn:
 Thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cƣơng đã dành nhiều thời gian,
tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, góp ý, động viên tơi trong
suốt q trình thực hiện luận văn.
 Q thầy cơ Khoa Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt
luận văn.

 Q thầy cơ Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ
thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất giúp tơi hồn thành đề tài.
 Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tơi tận tình
trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
 Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt những năm học vừa qua.

T.p Hồ Chí Minh,

iv

tháng 04 năm 2014


TĨM TẮT
Nhu cầu thực tế về thí nghiệm mỏi các loại thép ray để tăng độ bền sử dụng
trong ngành cơ khí, giao thơng vận tải ở Việt Nam với độ tin cậy cao là cấp thiết. Đề
tài: “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray
bằng nhiễu xạ X - quang” nghiên cứu, đề xuất và chế tạo mẫu thí nghiệm mỏi
nhằm nghiên cứu khả năng kéo dài thời gian sử dụng thanh ray.Qua đó, cho phép sử
dụng hiệu quả thanh ray giảm lƣợng nhập khẩu. Quá trình thực hiện đề tài bao gồm
các nội dung sau:
a. Giới thiệu tổng quan về đƣờng ray xe lửa và tàu hỏa.
b. Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian, định luật Bragg và
phƣơng pháp Parabol, Gaussian là cơ sở để tính tốn ứng suất tiếp xúc, chế tạo mẫu
thí nghiệm và đánh giá kết quả sau khi thí nghiệm.
c. Khảo sát chế độ làm việc của đƣờng ray và nghiên cứu đề xuất mẫu thí
nghiệm mỏi.
e. Thực hiện thí nghiệm mỏi do tiếp xúc lăn sau đó nhiễu xạ X – quang so
sánh với soi kim tƣơng nhằm dự đoán sự mỏi sớm của bề mặt thép ray P43.

v


ABSTRACT
Actual needs of new experimental steel rails used to increase durability in
mechanical engineering, transportation in Vietnam with high reliability is
imperative . Topic : "Study to determine the status of surface fatigue P43 steel rails
used by diffracted X - ray " study , propose and prototype new experiments aimed at
studying the possibility of prolonged use rails . Thereby , allowing efficient use of
rails, reducing imports . The process to implement the project include:
a. Overview of train tracks and trains .
b . Learn about the theoretical basis of fatigue , Hertzian law , Bragg 's law
and parabolic methods , Gaussian calculation basis for stress exposure , prototyping
and experimental evaluation results after the experiment .
c . Survey modes of rail work and study proposes new sample .
d . Perform laboratory rolling contact fatigue then diffracted X - ray compare
with hypodermic needle relative to the early prediction of surface strain P43 steel
rails .

vi


MỤC LỤC
TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN......................................................... i
LÝ LỊCH KHOA HỌC .......................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... iv

TÓM TẮT ...............................................................................................................v
MỤC LỤC ........................................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................. xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ xvi
Chƣơng 1.GIỚI THIỆU ..........................................................................................1
1. Mục tiêu đề tài ............................................................................................................... 2
2. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2
3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu .................................................................................... 3
4.Tính mới của đề tài......................................................................................................... 3
5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp .................................................................................... 3

Chƣơng 2.TỔNG QUAN ........................................................................................5
2.1. Chức năng đƣờng ray xe lửa/ tàu hỏa ........................................................................ 5
2.1.1.Đƣờng ray xe lửa ...................................................................................................... 5
2.1.2.Tàu hỏa ..................................................................................................................... 8
2.2.Hình dạng và kích thƣớc hình học của ray[9] ............................................................. 9
2.3.Phụ tùng nối giữ ray .................................................................................................. 10
2.3.2.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt gỗ[9]............................................................................ 11

vii


2.3.3.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt bê tông[9] .................................................................... 13
2.3.4.Mối nối ray và phụ kiện mối nối[9] ....................................................................... 14
2.3.5.Tà vẹt ...................................................................................................................... 16
2.3.6.Lớp đá ba lát ........................................................................................................... 17
2.4. Điều kiện hoạt động[9] ........................................................................................... 19
2.5.Thông số kỹ thuật thép ray ........................................................................................ 19
2.6.Tải trọng[10] ............................................................................................................. 20
2.6.1.Kết cấu toa xe ......................................................................................................... 20

2.6.2. Bộ phận chạy ......................................................................................................... 20
2.6.3 Phân bố tải lên đƣờng ray ...................................................................................... 22
2.6.3.2.Trục xe ............................................................................................................... 23
2.7.Các dạng hƣ hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đƣờng ray ............................................. 25
2.7.1. Độ nhấp nhô đƣờng sắt ......................................................................................... 25
2.7.2.Hƣ hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đƣờng ray[22]................................................... 26
2.8.Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc......................................................................... 33
2.8.1. Các nghiên cứu ngoài nƣớc ................................................................................... 33
2.8.2. Các nghiên cứu trong nƣớc ................................................................................... 41
2.9. Kết luận .................................................................................................................... 44

Chƣơng 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................45
3.1. Hiện tƣợng mỏi của kim loại.................................................................................... 45
3.1.1. Hiện tƣợng mỏi ..................................................................................................... 45
3.1.2. Giới hạn mỏi ......................................................................................................... 46
3.1.3. Đƣờng cong mỏi.................................................................................................... 46
3.2. Những chỉ tiêu phá hủy mỏi ..................................................................................... 50
3.2.1. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng ......................................................................... 50

viii


3.2.2. Chỉ tiêu về năng lƣợng .......................................................................................... 51
3.2.3. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi .......................................................................................... 52
3.3. Những yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền mỏi ................................................................. 53
3.3.1. Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt............................................................................ 53
3.3.2. Trạng thái ứng suất................................................................................................ 55
3.3.3. Kích thƣớc tuyệt đối .............................................................................................. 58
3.3.4. Hình dạng kết cấu.................................................................................................. 59
3.3.5. Cơng nghệ gia cơng cơ khí .................................................................................... 61

3.3.6. Oxi hóa và thốt cacbon ........................................................................................ 62
3.3.7. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng Fretting (hiện tƣợng mỏi – mòn – rỉ) ........................ 63
3.4. Cơ chế lan truyền vết nứt ......................................................................................... 64
3.4.1. Các pha trên đƣờng cong mỏi Wöhler .................................................................. 64
3.4.2. Nghiên cứu bề mặt phá hủy mỏi của các tiết máy thực tế .................................... 64
3.4.3. Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi ................................................................... 65
3.4.5. Các dạng phƣơng trình lan truyền vết nứt mỏi ..................................................... 66
3.4.6. Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi................................................................ 67
3.2. Tiếp xúc Hertz: ........................................................................................................ 67
3.2.1.Giới thiệu về Hertz [29] ......................................................................................... 67
3.2.2.Định luật Hertz [29] ............................................................................................... 68
3.3.Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X ...................................................................................... 73
3.3.1. Nguồ n gố c tia x và ƣ́ng du ̣ng[8] ........................................................................... 73
3.3.2. Nhiễu xa ̣ tia X ....................................................................................................... 74
3.3.3. Công thức Bragg[8]............................................................................................... 75
3.3.4.Thông số máy nhiễu xạ[8]...................................................................................... 77
3.3.5.Các loại máy nhiễu xạ cầm tay: ............................................................................. 78
3.4. Cơ sở cấ u trúc ma ̣ng tinh thể ................................................................................... 78

ix


3.4.1. Mạng không gian và ô cơ sở [12] ........................................................................ 78
3.4.2. Mạng Bravais [12]................................................................................................. 79
3.4.3 Hệ số xếp và số sắp xếp ........................................................................................ 82
3.4.4.Cấ u trúc ma ̣ng tinh thể của pha ferit và austenite [3] ............................................ 83
3.4.5. Chỉ số Miller ......................................................................................................... 83
3.4.6. Chỉ số Miller đƣợc định nghĩa nhƣ sau ................................................................. 83
3.4.7. Để xác định chỉ số Miller cần phải theo trình tự sau ............................................ 84
3.4.8. Các bề mặt nhiễu xạ của pha ferit và austennite: .................................................. 85

3.5.Hiệu chỉnh đƣờng nhiễu xạ x-ray [31] ...................................................................... 86
3.6.Phƣơng pháp xác định vị trí đỉnh[31] ....................................................................... 88
3.6.1 Phƣơng pháp parabola ............................................................................................ 88
3.6.2. Phƣơng pháp đƣờng cong Gaussian[31] ............................................................... 90
3.7.Phƣơng pháp tiến hành xƣ̉ lý dữ liê ̣u đo đa ̣c[31] ...................................................... 90
3.7.1. Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ....................................................................................... 90
3.7.2.Chọn phạm vi bề rô ̣ng đáy nhiễu xạ X :................................................................ 91

Chƣơng 4.NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ CHI TIẾT MẪU ...................92
4.1.Khảo sát điều kiện làm việc của đƣờng ray .............................................................. 92
4.2.Xét mơ hình thực tế bánh xe lửa tiếp xúc với đƣờng sắt .......................................... 94
4.3.Từ mơ hình thực tế chuyển qua phù hợp với mơ hình thí nghiệm ............................ 96
4.3.1. Mơ hình thí nghiệm ............................................................................................... 96
4.3.2.Nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm ...................................................................... 98
4.3.3.Tính toán lực F khi con lăn tác dụng lên mẫu thí nghiệm.................................... 100
4.3.4.Xử lý kết quả thực nghiệm[16] ............................................................................ 101

Chƣơng 5.THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.......105
Chƣơng 6.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................122

x


TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................124
PHỤ LỤC ...........................................................................................................127

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1. Đƣờng ray....................................................................................................5
Hình 2.2.Bánh xe tiếp xúc đƣờng ray .........................................................................6
Hình 2.3.Tuyến đƣờng ray ..........................................................................................7
Hình 2.4.Đƣờng ray đặt trên bê tơng ..........................................................................8
Hình 2.5.Tàu hỏa .........................................................................................................8
Hình 2.6.Hình dạng mặt cắt ray ..................................................................................9
Hình 2.7.Mặt cắt ray P43 ..........................................................................................10
Hình 2.8. Liên kết ray với tà vẹt gỗ ..........................................................................12
Hình 2.9.Hình dạng, kích thƣớc của đinh móc và đinh vít của Liên Xơ ..................13
Hình 2.10.Các loại đinh đàn hồi................................................................................13
Hình 2.11.Phối kiện tia rơ phơng cóc của Liên Xơ ...................................................14
Hình 2.12. Mối nối đƣờng ray...................................................................................15
Hình 2.13.Bố trí tà vẹt chỗ mối nối ...........................................................................15
Hình 2.14.Các loại lập lách dẹp ................................................................................15
Hình 2.15.Lập lách 2 đầu dùng cho thép ray P43 và P50 .........................................16
Hình 2.16.Các loại tà vẹt gỗ ......................................................................................17
Hình 2.17.Tà vẹt bê tơng hai khối .............................................................................17
Hình 2.18.Mặt cắt ngang của lớp đá ba lát trên đƣờng thẳng ...................................18
đƣờng 1435 mm ........................................................................................................18
Hình 2.19.Hình dạng thép ray ...................................................................................19
Hình 2.20. Kết cấu toa xe ..........................................................................................20
Hình 2.21.Giá chuyển hƣớng toa xe[9] .....................................................................21
Hình 2.22.Bộ trục bánh xe ........................................................................................22
Hình 2.23.Trục xe .....................................................................................................23
Hình 2.24.Bánh xe .....................................................................................................23
Hình 2.25. Độ nhấp nhơ ngắn trên bề mặt đƣờng ray[22] ........................................25

xii

Hình 2.26. Mặt cắt ngang thể hiện độ nhấp nhơ[22].................................................26
Hình 2.27. Độ nhấp nhô dài trên bề mặt đƣờng ray[22] ...........................................26
Hình 2.28.Sự lan truyền vết nứt do mỏi tiếp xúc lăn[19] .........................................27
Hình 2.29. Tình trạng ban đầu của vết nứt[22] .........................................................27
Hình 2.30. Các giai đoạn khác nhau của vết nứt ở góc của đƣờng ray[22] ..............28
Hình 2.31. Sự tróc lớp vỏ trên bề mặt .......................................................................28
Hình 2.32. Sự bóc lớp vỏ trên bề mặt đƣờng ray ở các giai đoạn khác nhau ...........29
Hình 2.33. Mặt cắt ngang của hiện tƣợng tróc lớp vỏ bề mặt ...................................29
Hình 2.34.Các giai đoạn xuất hiện của vết lồi lõm ...................................................29
Hình 2.35.Vết lồi lõm bắt đầu phát triển rộng hơn ...................................................30
Hình 2.36.Vết nứt hình ovan .....................................................................................30
Hình 2.37.Vết nứt dọc trên thanh ray ........................................................................31
Hình 2.38. Vết nứt dọc trên mặt cắt ngang thanh ray ...............................................31
Hình 2.39.Vết nứt dọc trên thanh ray ........................................................................32
Hình 2.40. Các hƣ hỏng do vết bánh xe lửa ..............................................................33
Hình 2.41. Hƣ hỏng mỏi do vết bánh xe lửa kéo dài trên diện rộng .........................33
Hình 2.42. Đƣờng cong giữa số chu kỳ và lan truyền vết nứt thép U71Mn và U75V
với thí nghiệm mỏi ....................................................................................................34
Hình 2.43.Góc lan truyền vết nứt của thép ray. ........................................................34
Hình 2.44. Mặt cắt ngang với các vết nứt đƣợc chụp theo kính hiển vi quang học..35
Hình 2.45. Đánh giá độ cứng tế vi theo độ sâu khác nhau dƣới bề mặt tiếp xúc lăn.
...................................................................................................................................36
Hình 2.46. Máy thí nghiệm mỏi Cemef Tribotester ..................................................36
Hình 2.47. Mẫu thí nghiệm mỏi ................................................................................37
Hình 2.48. Đánh giá độ cứng tế vi và chiều rộng tiếp xúc theo số chu kỳ ...............38
Hình 2.49. Đánh giá độ cứng bề mặt theo số chu kỳ với tải trọng trục 700N ..........38
Hình 2.50. Mẫu thí nghiệm .......................................................................................39
Hình 2.51. Máy thí nghiệm mỏi[26] .........................................................................40
Hình 2.52. Đƣờng cong mỏi do tiếp xúc lăn .............................................................41

xiii


Hình 3.1.Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại [23] ....................................................46
Hình 3.2. Đƣờng cong mỏi Wưhler [1] .....................................................................47
Hình 3.3. Đồ thị các ứng suất giới hạn [23] ..............................................................48
Hình 3.4. Đƣờng cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn ........................50
Hình 3.5. Đƣờng cong Wohler trong hệ trục logarit [1] ...........................................51
Hình 3.6. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhằm xây dựng chỉ tiêu năng
lƣợng [19] ..................................................................................................................52
Hình 3.8. Những nơi có tập trung ứng suất [1] .........................................................60
Hình 3.9. Các pha trên đƣờng cong mỏi Wưhler [23]...............................................64
Hình 3.10. Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi [1] ............................................65
Hình 3.11.Đƣờng lan truyền vết nứt mỏi [23] ..........................................................66
Hình 3.12. Diện tích tiếp xúc Hertz sau khi tác dụng lực lên vật thể .......................68
Hình 3.13.Định luật Hertz cho vật trịn[29] ..............................................................69
Hình 3.14.Tiếp xúc Hertz cho đƣờng ray với bánh xe lửa[29] .................................69
Hình 3.15. Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đƣờng ray tiếp xúc với nhau theo
phƣơng x [29] ............................................................................................................70
Hình 3.16. Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đƣờng ray tiếp xúc với nhau theo
phƣơng y [29] ............................................................................................................71
Hình 3.17.Diện tích tiếp xúc có hình dạng elip khi bánh xe lửa tác dụng lực lên
đƣờng ray[29] ............................................................................................................72
Hình 3.18. Ứng suất tiếp xúc sinh ra khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đƣờng ray[29]
...................................................................................................................................73
Hình 3.19. Nguyên lý nhiễu xạ [8] ............................................................................75
Hình 3.20. Đƣờng nhiễu xạ X - quang ......................................................................77
Hình 3.21. Máy nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical - Hà lan) .........................77
Hình 3.22.Máy nhiễu xạ cầm tay AXFG3005 ..........................................................78
Hình 3.23. Mạng không gian của tinh thể rắn lý tƣởng, ô đơn vị và hằng số mạng .79

Hình 3.24. Mặt tinh thể lập phƣơng có các điểm cắt. ...............................................84
Hình 2.25: Hiệu chỉnh nền của đƣờng nhiễu xạ ........................................................87

xiv


Hình 2.26.Giản đồ nhiễu xạ ......................................................................................91
Hình 2.27. Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằ ng 5 lầ n bề rô ̣ng trung bin
̀ h ............................91
Hình 4.1.Sơ đồ tuyến đƣờng sắt Việt Nam ...............................................................92
Hình 4.2.Mơ hình hóa bánh xe lửa tiếp xúc Hertz lên đƣờng ray[29]. .....................94
Hình 4.3.Bánh xe lửa tác dụng lực Q lên đƣờng ray giống nhƣ hai hình trụ trịn ....97
Hình 4.4.Tiếp xúc giữa hai hình trụ[33] ...................................................................97
Hình 4.7.Ổ lăn 608 -2Z .............................................................................................99
Hình 4.8. Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm thép ray P43 ..........................................99
Hình 5.1.Mẫu dùng thí nghiệm mỏi lăn ..................................................................106
Hình 5.2.Máy thí nghiệm mỏi đa năng ...................................................................107
Hình 5.3. Các mẫu thí nghiệm sau khi tạo mỏi .......................................................110
Hình 5.4.Mẫu thí nghiệm chia ra thành hai phần ....................................................111
Hình 5.5.Mẫu thí nghiệm sau khi cắt ......................................................................111
Hình 5.6. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang .................................................................115
Hình 5.7. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh .........................................................115
Hình 5.6. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang .................................................................116
Hình 5.9. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh .........................................................116
Hình 5.10. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang ...............................................................117
Hình 5.11. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh .......................................................117
Hình 5.12. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang ...............................................................118
Hình 5.13. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh .......................................................118
Hình 5.14. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang ...............................................................119
Hình 5.15. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh .......................................................119

Hình 5.16. Biểu đồ liên hệ giữa bề rộng B với số chu kỳ .......................................120

xv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Thông số kỹ thuật thép ray ........................................................................19
Bảng 2.2.Thành phần hóa học của thép ray ..............................................................19
Bảng 2.3.Đặc tính cơ học của thép ray .....................................................................20
Bảng 2.1. Hệ số biến dạng tế vi thể hiện ứng suất tồn dƣ trong mỗi mẫu đồng. ......43
Bảng 3.1.Số liệu Nf của một số kim loại thƣờng dùng[1] ........................................46
Bảng 3.2.Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trƣng cơ học của vật liệu[1]
...................................................................................................................................53
Bảng 3.3.Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt tới độ bền mỏi [1] ....................................54
Bảng 3.4. Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu[1] ................................57
Bảng 3.5.Ảnh hƣởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới ..............................58
khả năng chống phá hủy mỏi [1] ...............................................................................58
Bảng 3.6.Giá trị tới hạn Katb của một số loại vật liệu [1] ........................................67
Bảng 3.7. Tra hệ số m và n[29] .................................................................................71
Bảng 3.8.Mạng không gian của hệ tinh thể ...............................................................79
Bảng 3.9. Quan hệ giữa hằng số mạng và bán kính nguyên tử của kim loại có .......82
cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm mặt và lập phƣơng tâm khối. ...............................82
Bảng 3.9. Hệ số hấp thu của phƣơng pháp iso-inclination và side-inclination có và
khơng có giới hạn vùng nhiễu xạ ..............................................................................87
Bảng 4.1.Bảng giờ tàu hỏa tuyến thống nhất Bắc – Nam[11] ..................................93
Bảng 4.2.Bảng giờ tàu hỏa các tuyến địa phƣơng.....................................................93
Bảng 4.3. Số chu kỳ hoạt động của xe lửa theo từng năm ........................................94
Bảng 5.1.Thông số kỹ thuật của máy. .....................................................................106
Bảng 5.2.Kế hoạch thí nghiệm mỏi lăn ...................................................................107
Bảng 5.3.Tiến hành thí nghiệm mỏi lăn ..................................................................108

Bảng 5.4. Kết quả nhiễu xạ X – quang. ..................................................................120

xvi


Chƣơng 1

GIỚI THIỆU
Đƣờng sắt cao tốc là một giải pháp giao thông công cộng tƣơng lai cho vùng
đô thị và liên vùng. Vì vậy độ bền của đƣờng ray rất quan trọng cho việc phát triển
đƣờng sắt cao tốc. Hiện nay nhiều hiện tƣợng ảnh hƣởng đến tuổi thọ của thép ray
mà độ bền mỏi là hiện tƣợng khá phức tạp. Một số phƣơng pháp phân tích kết cấu
và tuổi thọ của đƣờng ray trong đó việc nghiên cứu xác định quá trình mỏi đƣờng
ray khá thiết thực với Việt Nam khi mà hệ thống đƣờng sắt toàn quốc đang lập kế
hoạch nâng cấp.
Hiện tƣợng mỏi là hiện tƣợng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theo
thời gian. Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy có trị số nhỏ hơn giới hạn
bền, thậm chí cịn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đó. Tuy nhiên nó
lại gây ra những dạng hƣ hỏng trầm trọng nhất, không phục hồi đƣợc, gây tổn thất
nghiêm trọng về kinh tế và những hậu quả nguy hiểm. Hiện tƣợng mỏi do tiếp xúc
lăn (Rolling Contact Fatigue) là một trong những dạng khác nhau của đƣờng sắt cần
đƣợc xem xét liên quan đến việc bảo trì đƣờng sắt và tuổi thọ của nó.Vết nứt nhỏ sẽ
bắt đầu trên bề mặt đƣờng sắt trƣớc khi lan truyền theo chiều ngang trong các giai
đoạn và vết nứt sẽ tiếp tục phát triển theo chiều dọc từ bề mặt tiếp xúc vào bên
trong đƣờng ray gây ra hiện tƣợng nứt gãy đƣờng sắt và tiềm ẩn tai nạn nghiêm
trọng nếu khơng có biện pháp khắc phục hậu quả kịp thời.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện tƣợng phá hủy mỏi đã
đƣợc tiến hành nghiên cứu rộng rãi trên cơ sở cơ học và vật lý của độ bền mỏi
kim loại đã xây dựng cơ sở lý thuyết mỏi và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng.
Trong đó có thể kể đến những cơng trình nghiên cứu có đóng góp quan trọng đối

với lĩnh vực khoa học nghiên cứu về mỏi vật liệu: Các nhà khoa học Nga nhƣ
Ordin, Ivanova, Xêrenxen… [1], các nhà khoa học Anh, Mỹ nhƣ Wohler,
Gafa,… [1] đã tiến hành nghiên cứu cơ sở cơ học và vật lý của độ bền vật liệu
kim loại dƣới tác dụng của tải trọng thay đổi – độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và

1


tiến hành các thực nghiệm kiểm chứng vào những năm 20 của thế kỷ XX…;
Những nhà khoa học ngƣời Mỹ - D.L.Davidson và S.Suresh [1] đã nghiên cứu
về những khái niệm, lý thuyết nền tảng về giới hạn lan truyền vết nứt mỏi vào
năm 1993; Donald J. Wulpi [1], một chuyên viên về luyện kim và là một nhà
khoa học ở Ấn Độ đã xuất bản một bộ sách nói về toàn bộ các hƣ hỏng của chi
tiết máy, trong đó có trình bày về hiện tƣợng nứt mỏi và mòn do mỏi, một số cơ
chế cũng nhƣ đặc điểm vi mô, vĩ mô của vết nứt mỏi (năm 1999); Vào năm
2001, việc cơng bố cơng trình nghiên cứu “ Ảnh hƣởng của lệch đến sự lan
truyền vết nứt mỏi” là một thành tựu của Tatsuro MORITA và Kenji SAITO [1],
những nhà khoa học ngƣời Nhật đã tiến hành mô phỏng trên máy tính, so sánh và
kiểm chứng bằng thực nghiệm mối quan hệ giữa cƣờng độ ứng suất với hệ số lan
truyền vết nứt mỏi.
Thép ray P43 là loại sản phẩm thép mà Việt Nam không sản xuất đƣợc.
Hàng năm để phục vụ vận tải đƣờng sắt và đảm bảo an toàn tuyến đƣờng sắt
hàng chục km thanh ray đã đƣợc thay thế theo định chuẩn hiện tại. Việc nghiên
cứu xác định thời hạn thanh ray là vấn đề ngành đƣờng sắt quan tâm. Nhiều
phƣơng pháp khác nhau đƣợc ứng dụng để nghiên cứu khảo sát độ bền của đƣờng
ray, trong số đó là phƣơng pháp nhiễu xạ X - quang. Phƣơng pháp này đánh giá sai
hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của thép ray là một việc làm mới, khó khăn, địi hỏi các
kỹ thuật phức tạp, các thiết bị phân tích hiện đại. Nó mang lại những hiểu biết cần
thiết về những sai hỏng mỏi ảnh hƣởng đến độ bền và các tính năng khác của thép
đƣờng ray.

1. Mục tiêu đề tài
Sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ X - quang để khảo sát ứng suất dƣ và sự biến
đổi trong mạng tinh thể nhằm đánh giá sự mỏi sớm của thép đƣờng ray P43.
2. Nội dung nghiên cứu
Nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu xác định trạng thái
mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang ” quan
tâm đến :

2


 Tổng quan lý thuyết về các hiện tƣợng mỏi.
 Nghiên cứu đề xuất chi tiết mẫu thí nghiệm.
 Chế tạo thử nghiệm chi tiết mẫu, thử nghiệm mỏi trên máy thí nghiệm mỏi
đa năng (phịng thí nghiệm REME).
 Xây dựng đƣờng cong mỏi Wohler cho thép ray.
 Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của thép ray sử dụng phƣơng pháp nhiễu
xạ tia X.
3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Do thời gian và khối lƣợng nghiên cứu lớn nên đề tài tập trung nghiên cứu
phát triển xác định trạng thái mỏi của thép đƣờng ray:
 Thí nghiệm đƣợc thực hiện cho các chi tiết mẫu thí nghiệm dạng trụctạo mỏi
cho chi tiết mẫu do tiếp xúc lăn.
 Vật liệu chế tạo các chi tiết mẫu thí nghiệm mỏi là thép đƣờng ray chƣa qua
sử dụng .
 Đánh giá sự mỏi sớm của thép ray bằng phƣơng pháp nhiễu xạ X – quang..
4.Tính mới của đề tài
 Thiết lập xác định mối liên hệ giữa mức độ biến cứng do mỏi lăn với bề rộng
đƣờng nhiễu xạ.
 Cho phép dự báo thời hạn phục vụ của thanh ray dƣới tải xác định.

5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp
Đề tài “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm
đƣờng ray bằng nhiễu xạ X - quang” gồm có 6 chƣơng và phần phụ lục.
- Chƣơng 1 nhằm giới thiệu lý do chọn đề tài, các mục tiêu chính và giới hạn
phạm vi nghiên cứu.
- Tổng quan về đƣờng ray xe lửa, tàu hỏa cũng nhƣ các dạng hƣ hỏng mỏi lăn
của đƣờng ray, khảo sát các nghiên cứu độ bền mỏi của đƣờng ray trong và ngồi
nƣớc đƣợc trình bày trong chƣơng 2.
- Chƣơng 3 là giới thiệu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian khảo sát sự
tiếp xúc cơ học để xác định đƣợc ứng suất tiếp xúc khi bánh xe tác dụng lực lên

3


đƣờng ray phục vụ nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm mỏi. Ngoài ra, định luật
Bragg và phƣơng pháp Parabol, Gaussian là cơ sở để phân tích kết quả chụp X –
quang.
- Chƣơng 4 khảo sát điều kiện làm việc của đƣờng ray và đƣa ra mơ hình thực
tế giống với mơ hình thí nghiệm để đề xuất hình dáng và chế tạo chi tiết mẫu thí
nghiệm đƣợc dùng thí nghiệm tạo mỏi lăn trên máy thí nghiệm mỏi đa năng tại
phịng thí nghiệm REME.
- Trên cơ sở phân tích, khảo sát và đánh giá các nội dung nghiên cứu đƣợc đề
cập ở các chƣơng 1, 2, 3, 4 với mục đích cuối cùng đánh giá phân tích kết quả
sau khi thực hiện thí nghiệm tạo mỏi lăn, nhiễu xạ X –quang và soi kim tƣơng. Từ
đó dự đốn đƣợc sự mỏi sớm trên bề mặt thép ray P43. Đây cũng là nội dung chính
của đề tài luận văn tốt nghiệp đƣợc trình bày trong chƣơng 5.
- Chƣơng 6 là kết luận, kiến nghị và hƣớng phát triển đề tài.
- Phụ lục.

4

Chƣơng 2

TỔNG QUAN
Trong chƣơng này giới thiệu tổng quan về đƣờng ray xe lửa, tàu hỏa cũng nhƣ
các dạng hƣ hỏng mỏi lăn của đƣờng ray, khảo sát các nghiên cứu độ bền mỏi của
đƣờng ray trong và ngoài nƣớc.
2.1. Chức năng đƣờng ray xe lửa/ tàu hỏa
2.1.1.Đƣờng ray xe lửa
Đƣờng ray là thành phần cơ bản trong giao thông đƣờng sắt. Đƣờng ray cùng
với bộ phận chuyển ray (bẻ ghi) dẫn hƣớng cho tàu hỏa di chuyển mà không cần lái.
Ray dùng để dẫn hƣớng cho bánh xe, trực tiếp chịu lực từ bánh xe truyền xuống và
truyền lực xuống tà vẹt. Lực từ bánh xe truyền xuống là lực ln thay đổi nó gồm:
lực thẳng đứng, lực nằm ngang và tác dụng dọc theo thanh ray.

Hình 2.1. Đƣờng ray
Ngồi ra ray cịn chịu lực do nhiệt độ thay đổi gây ra. Dƣới tác dụng của các
lực đó, ray có thể bị nén, kéo, uốn, xoắn và có thể đập bẹp, mài mòn. Ứng suất tiếp
xúc giữa ray và bánh xe rất lớn.
Do vậy thép làm ray đòi hỏi phải có chất lƣợng cao. Trong thời gian đầu của
đƣờng sắt ngƣời ta sử dụng vật liệu sắt sau nhiều thập kỉ phát triển ngƣời ta đã

5


chuyển sang dùng thép để làm ray. Hơn nữa những khuyết tật trên thép cũng đòi hỏi
phải đƣợc loại trừ để tránh nguy cơ phá hoại đƣờng ray. Dạng ray phổ biến nhất là
dạng mặt cắt chữ I không đối xứng, cán nóng[9]. Nói chung tải trọng càng lớn thì
địi hỏi kích thƣớc ray phải lớn tƣơng ứng.

Khi tàu chuyển động, lực ma sát giữa ray và bánh xe tạo nên sức bám cho
các bánh chủ động của đầu máy. Muốn có đủ sức bám để sinh ra lực kéo thì khi
khởi động, đối với các bánh chủ động của đầu máy yêu cầu mặt đỉnh ray phải phủ
nhám. Tuy nhiên, nếu mặt đỉnh ray quá nhám sẽ gây ra sức cản lớn đối với các bánh
xe của toa xe. Vì vậy, đối với các bánh xe của lại yêu cầu mặt đỉnh ray phải đủ nhẵn
[9]. Thông thƣờng, khi luyện thép, mặt đỉnh ray không cần gia công đặc biệt vẫn
đảm bảo đủ sức bám cho các bánh chủ động của đầu máy và lực cản cũng không
quá lớn đối với các bánh xe khác. Khi cần thiết, ngƣời ta rải cát lên mặt đỉnh ray để
tăng sức bám.
Ray làm việc nhƣ một dầm dặt trên các gối đàn hồi là tà vẹt. Dƣới tác dụng
của tải trọng đoàn tàu, ray bị uốn. Để chịu uốn tốt, yêu cầu ray phải cứng. Khi tàu
chuyển động thƣờng có lực xung kích tác dụng lên ray. Vì vậy, u cầu ray phải đủ
độ dẻo nhất định. Vì ứng suất tiếp xúc giữa bánh xe và ray rất lớn nên thép ray phải
đủ rắn để chịu lực tốt và không bị mài mịn nhanh. Ray phải có đủ độ dai để đầu ray
khơng bị đập bẹp[9].

Hình 2.2.Bánh xe tiếp xúc đƣờng ray

6


Tuyến đƣờng ray gồm 2 ray song song với nhau đặt trên các thanh ngang gọi
là tà vẹt đƣợc đặt trên lớp đá dăm gọi là đá ba lát. Liên kết giữa các thanh ray và
thanh nối tà vẹt là đinh ray, đinh ốc hoặc kẹp. Loại liên kết phụ thuộc một phần vào
loại vật liệu tà vẹt, các loại đinh đƣợc dùng khi tà vẹt bằng gỗ còn nếu tà vẹt
bằng bê tơng thì phần lớn dùng kẹp ray hoặc dùng liên kết bằng bulơng.
Tà vẹt thƣờng có mặt cắt hình chữ nhật đặt dƣới thanh ray[9]. Tà vẹt đƣợc đặt
theo chiều ngang so với hƣớng tàu chạy. Thanh ray gối lên tà vẹt và gắn cố định lên
tà vẹt.
Vai trò của tà vẹt là truyền áp lực từ thanh ray xuống lớp đá ba lát rồi xuống

nền đất và cố định khoảng cách giữa hai thanh ray tạo thành khổ đƣờng ray. Thanh
tà vẹt truyền thống làm bằng gỗ tốt, có loại bằng thép hoặc composite. Ngày nay,
ngƣời ta càng ngày càng sử dụng nhiều tà vẹt bằng bê tông do sự khan hiếm của gỗ
đồng thời những do ƣu điểm của bê tông về khả năng chịu lực cũng nhƣ độ bền.

Hình 2.3.Tuyến đƣờng ray
Với loại tà vẹt bằng gỗ, ngƣời ta thƣờng đặt bản đệm giữa thanh ray và tà vẹt
tăng diện tích truyền áp lực của thanh ray xuống tà vẹt (để làm giảm ứng suất).
Hoặc ngƣời ta bắt đinh thẳng từ thanh ray xuống xuyên qua lỗ trên bản đệm, hoặc
ngƣời ta bắt đinh liên kết bản đệm với thanh tà vẹt, còn thanh ray bắt vào bản đệm
bằng kẹp[9]. Các thanh tà vẹt có chức năng phân bố áp lực xuống lớp đá ba lát, rồi
từ đá ba lát truyền xuống nền đất, ngồi ra nhiệm vụ của thanh tà vẹt cịn là giữ
khoảng cách cố định giữa 2 thanh ray khoảng cách này gọi là khổ đƣờng sắt. Lớp đá

7