Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi tiết dạng trục

TÓM TẮT
Đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của
chi tiết dạng trục” phân tích ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ Crơm trên nền thép
cacbon trung bình C45 được tạo thành từ phương pháp mạ điện. Chiều dày lớp mạ
được chọn trong khoảng 10µm đến 60µm. Thí nghiệm mỏi được thực hiện trên máy
mỏi uốn quay bốn điểm tại Phịng Thí nghiệm Kỹ thuật Cơ khí Mơi trườngHCMUTE. Đề tài đã xây dựng đồ thị sin2ψ cho các loại mẫu, và thiết lập phương
trình và xây dựng đồ thị đường cong mỏi Weibull cho các loại mẫu. Kết quả thực
nghiệm cho thấy chi tiết chịu ứng suất nén trong quá trình gia cơng chi tiết, chịu
ứng suất kéo trong q trình mạ, độ dày mạ càng cao thì giá trị ứng suất kéo càng
lớn, mật độ vết nứt xuất hiện càng cao, làm giảm độ bền mỏi chi tiết mạ.

x


ABSTRACT
The subject “Research the effect of coating thickness on fatigue strength of axial
parts” has analysis of the effect of chromium-plated thickness on medium carbon
steel surface is made by electroplating method. In this subject, the author uses C45
substrate and coating thickness ranges from 10μm to 60μm for the survey. The test
specimen was fatigued on a four-point bending machine at the Laboratory of
Environment and Mechanical Engineering-HCMUTE. This study has constructed
sin2ψ graphs for samples and established the equations and graphs of the Weibull
fatigue curves for the samples. The experimental results showed that the component
is subjected to compression stress during the detailed machining process, stress
resistance during plating, the higher the thickness of the plating, the greater the
tensile stress (the more the crack appears), reduces the fatigue strength of the
coating.

xi

MỤC LỤC
Chương 1 .....................................................................................................................1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ..............................................................................................1
1.2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI .......................................2
1.2.1. Các nghiên cứu của nước ngoài .........................................................2
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước ...............................................................6
1.2.3. Kết luận .............................................................................................8
1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .....................................................................................8
1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ......................8
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................8
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................8
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................9
1.6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................9
1.7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................10
1.8 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .................................10
Chương 2 ................................................................................................................... 11
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................ 11
2.1 LÝ THUYẾT MỎI VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................ 11
2.1.1. Hiện tượng mỏi ....................................................................................... 11
2.1.2. Giới hạn mỏi ........................................................................................... 11
2.1.3. Đường cong mỏi ..............................................................................12
2.1.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi .......................................14
2.1.4.1 Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt ....................................................14
2.1.4.2 Trạng thái ứng suất .........................................................................16
2.1.4.3 Kích thước tuyệt đối ......................................................................19
2.1.4.4 Hình dạng kết cấu ..........................................................................20
2.1.4.5 Cơng nghệ gia cơng cơ khí ............................................................22
2.1.4.6 Oxi hóa và thốt cacbon ................................................................23
2.1.4.7 Ảnh hưởng của hiện tượng Fretting (hiện tượng mỏi-mòn-gỉ) .....24

2.2 ĐỘ NHÁM BỀ MẶT VÀ CÁC KHÁI NIỆM LIÊN QUAN ............................24
2.2.1. Bản chất nhám bề mặt......................................................................24
2.2.2. Chỉ tiêu đánh giá độ nhám bề mặt ..................................................25
2.2.3. Tiêu chuẩn độ nhám bề mặt.............................................................25
2.3 NGUYÊN LÝ ĐO ỨNG SUẤT DƯ BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG .............27
2.3.1. Ứng suất dư.............................................................................................27
2.3.2. Phân loại ứng suất dư.............................................................................27
2.3.3. Các phương pháp đo ứng suất dư ...........................................................28
2.3.4. Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) ..........................................................30
2.3.5. Phương trình cơ bản xác định biến dạng.................................................32
2.4 MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ..................................................35
2.4.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình mạ điện ....................................................35
2.4.1.1 Sự điện phân .........................................................................................35

xii


2.4.1.2 Mật độ dịng điện ................................................................................37
2.4.1.3 Các thơng số quan trọng được điều khiển trong quá trình mạ .............37
2.5 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MẠ ĐIỆN .......................................................38
2.5.1. Mạ Crôm cứng ........................................................................................39
2.5.1.1 Tính chất và ứng dụng của lớp mạ Crơm ...............................................39
2.5.1.2 Phân loại lớp mạ Crôm .........................................................................40
2.5.1.3 Cơ sở lý thuyết của q trình mạ Crơm ...............................................41
2.6 CƠNG NGHỆ PHỤC HỒI CHI TIẾT TRỤC ...................................................43
2.6.1. Giới thiệu chung .....................................................................................43
2.6.2. Ứng dụng phương pháp mạ crôm phục hồi cho các chi tiết dạng trục ...45
Chương 3 ...................................................................................................................48
THIẾT KẾ VÀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MẪU THÍ NGHIỆM ................................48
3.1 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHI TIẾT MẪU .....................................................48

3.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU..........................................................................50
3.2.1. Xử lý thớ .................................................................................................50
3.2.2. Kiểm tra thành phần mẫu........................................................................51
3.2.3. Nhiệt luyện mẫu ......................................................................................52
3.2.3.1 Tôi ..........................................................................................................52
3.2.3.2 Ram .......................................................................................................52
3.2.4. Thực nghiệm kiểm tra độ bền kéo của mẫu ............................................53
3.2.5. Thực nghiệm kiểm tra độ nhám và độ cứng ...........................................54
3.2.6. Mạ Crôm cứng lên chi tiết mẫu ..............................................................55
3.3 THIẾT BỊ ĐO ĐỘ BỀN MỎI ............................................................................56
3.3.1. Máy thí nghiệm .......................................................................................56
3.3.2. Xác định lực tác dụng .............................................................................58
Chương 4 ...................................................................................................................60
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....................................................................................60
4.1 ĐO ỨNG SUẤT DƯ BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG ....................................60
4.1.1. Kết quả thực nghiệm ...............................................................................61
4.1.1.1 Kết quả mẫu nền C45 .............................................................................61
4.1.1.2 Kết quả các mẫu mạ crom ......................................................................62
4.2 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM MỎI .........................................................................65
4.3 XỬ LÝ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................66
4.3.1 Phương trình đường cong mỏi cho vật liệu nền ......................................68
4.3.2 Phương trình đường cong mỏi cho mẫu mạ crom 10 micromet ..............68
4.3.3 Phương trình đường cong mỏi cho mẫu mạ crom 30 micromet ..............69
4.4.4 Phương trình đường cong mỏi cho mẫu mạ crom 60 micromet ..............69
4.4.5 Chụp hiển vi điện tử quét (SEM) .............................................................71
Chương 5 ...................................................................................................................73
KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ .......................................................................................73
5.1 KẾT LUẬN .........................................................................................................73
5.2 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................74

xiii


PHỤ LỤC ..................................................................................................................86

xiv


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Miết bề mặt mạ crơm dùng dụng cụ kim cương .........................................4
Hình 1.2. Mẫu thí nghiệm mỏi tương ứng với trục khuỷu ..........................................5
Hình 1.3. Kết quả phân tích độ bền mỏi khi mạ Niken ..............................................6
Hình 2.1. Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại. ......................................................... 11
Hình 2.2. Đường cong mỏi Wưhler...........................................................................13
Hình 2.3. Chu trình ứng suất .....................................................................................17
Hình 2.4. Những nơi tập trung ứng suất ...................................................................20
Hình 2.5. Sự phân bố ứng suất dư vĩ mô và vi mơ ...................................................28
Hình 2.6. Các phương pháp đo lường ứng suất dư [1] .............................................29
Hình 2.7. Hiện tượng nhiễu xạ tia X .........................................................................31
Hình 2.8. Hệ tọa độ thí nghiệm Li và hệ tọa độ mẫu Si ............................................32
Hình 2.9. Sơ đồ hệ mạ điện .......................................................................................35
Hình 2.10. Mạ crơm cho trục cán..............................................................................40
Hình 2.11. Lớp mạ Crơm cứng .................................................................................41
Hình 2.12. Lớp mạ Crơm mỏng đặc .........................................................................41
Hình 2.13. Sơ đồ phân loại các phương pháp sửa chữa phục hồi .............................44
Hình 2.14. Mạ crơm trục khuỷu ................................................................................47
Hình 3.1. Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm ...............................................................48
Hình 3.2. Mẫu thí nghiệm sau khi gia cơng ..............................................................49
Hình 3.3. Qui trình thực nghiệm ...............................................................................50

Hình 3.4. Lắp phơi vào đồ gá ....................................................................................51
Hình 3.5. Quá trình ủ khử thớ ...................................................................................51
Hình 3.6. Tổ chức tế vi trước khi ủ ...........................................................................51
Hình 3.7. Tổ chức tế vi sau khi ủ ..............................................................................51
Hình 3.8. Mẫu kiểm tra thành phần vật liệu..............................................................51
Hình 3.9. Mẫu thí nghiệm sau khi tơi .......................................................................52
Hình 3.10. Mẫu thí nghiệm sau khi ram ...................................................................53
Hình 3.11. Mẫu thí nghiệm trước kéo nén ................................................................53
Hình 3.12. Mẫu thí nghiệm kéo nén..........................................................................54
Hình 3.13. Mẫu thí nghiệm sau khi mạ Crơm...........................................................56
Hình 3.14. Mẫu thí nghiệm được đó bằng máy Elcometer 456B .............................56
Hình 3.15. Mơ hình máy tạo mỏi uốn .......................................................................57
Hình 3.16. Máy thí nghiệm mỏi uốn quay ................................................................57
Hình 3.17. Sơ đồ chất tải lên mẫu đường kính quay trịn với tần số ω, 1/s ..............58
Hình 4.1. Hệ máy nhiễu xạ tia X...............................................................................60
Hình 4.2. Đường nhiễu xạ của mẫu mạ crom 10 micromet ......................................61

xv


Hình 4.3. Đồ thị sin2 của mẫu vật liệu nền .............................................................62
Hình 4.4. Đường nhiễu xạ của mẫu mạ 10 micromet ...............................................63
Hình 4.5. Đồ thị sin2 của mẫu mạ 30 micromet .....................................................63
Hình 4.6. Đồ thị sin2 của mẫu mạ 60 micromet .....................................................63
Hình 4.7. Biểu đồ đường cong mỏi thực nghiệm cho các chiều dày mạ ..................70
Hình 4.8. Mặt cắt phá hủy mỏi của mẫu ...................................................................72

xvi

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Số liệu Nf của một số kim loại thường dùng [1] .....................................12
Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu .15
Bảng 2.3: Ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền mỏi........................................16
Bảng 2.4: Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu .....................................18
Bảng 2.5: Ảnh hưởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới khả năng chống phá
hủy mỏi......................................................................................................................19
Bảng 2.6: Các cấp độ nhẵn bề mặt ............................................................................25
Bảng 2.7: Cấp chính xác và cấp độ bóng bề mặt đạt được bằng các phương pháp gia
cơng ...........................................................................................................................26
Bảng 2.8: Đương lượng điện hóa K của các kim loại ...............................................36
Bảng 2.9: Các dung dịch mạ Crôm ...........................................................................42
Bảng 3.1: Các thành phần nguyên tố của thép C45 ..................................................52
Bảng 3.2: Bảng giá trị thực nghiệm lực kéo .............................................................54
Bảng 3.3: Kết quả đo độ nhám ..................................................................................54
Bảng 3.4: Kết quả đo độ cứng ...................................................................................55
Bảng 3.5: Yêu cầu về độ cứng kim loại nền và chiều dày lớp crôm cứng cho các
ứng dụng khác nhau [36]...........................................................................................55
Bảng 3.6: Thơng số máy thí nghiệm mỏi sau khi chế tạo .........................................57
Bảng 4.1: Điều kiện đo nhiễu xạ X-quang ................................................................60
Bảng 4.2: Kết quả góc 2max và khoảng cách d của mẫu nền ...................................61
Bảng 4.3: Tổng hợp kết quả thu được của các mẫu ..................................................64
Bảng 4.4: Bảng số liệu kết quả thực nghiệm ............................................................65
Bảng 4.5: Bảng so sánh độ bền mỏi ..........................................................................70

xvii


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Độ bền mỏi hay sức bền mỏi là khả năng của chi tiết máy chống lại các phá
hủy mỏi như tróc rỗ bánh răng, rạn nứt bề mặt chi tiết…Quá trình phá hủy mỏi xảy
ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi theo chu kỳ. Quá trình này bắt đầu từ
những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng chi tiết máy chịu ứng suất
tương đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này
cũng mở rộng dần, chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng [1].
Hiện tượng phá hủy mỏi này được phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và được nghiên
cứu rộng rãi sau đó, nhất là những năm đầu của thế kỷ 20. Các nhà khoa học nhiều
nước, trong đó có các nhà khoa học Nga như: Ordin, Ivannôva, Xêrexen..., các nhà
khoa học Anh, Mỹ như: Wöhler, Gafa...đã tiến hành nghiên cứu cơ sở cơ học và vật
lý của độ bền vật liệu kim loại dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ và
giới hạn mỏi được coi là một trong những chỉ tiêu tính tốn chủ yếu để xác định
kích thước chi tiết máy. Thực tiễn cho thấy, khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do
các vết nứt mỏi gây ra [2]. Thông thường, sau một thời gian làm việc, các chi tiết
máy bị mài mòn và phá hủy. Để tiết kiệm chi phí thay thế chi tiết mới, các chi tiết
này được phục hồi bằng các phương pháp: hàn đắp, lắp thêm chi tiết phụ, mạ phủ….
Hiện nay, phương pháp mạ phủ vẫn đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp, đặc biệt là trong ngành: ơtơ, hàng khơng, thực phẩm, hóa dầu,
tàu biển... Mạ phủ là phương pháp để tạo lớp bề mặt với các tính chất cơ học, ma
sát, chống mài mịn, ăn mịn hóa học tốt hơn hẳn vật liệu nền ban đầu. Trong các vật
liệu mạ: kẽm, đồng, niken, titan,... mạ crơm được sử dụng nhiều nhất. Ngồi tăng
bền cho bề mặt chi tiết với tính chất chống mài mịn, ăn mịn tốt, độ cứng
cao....crơm cịn được sử dụng để mạ phục hồi các chi tiết máy bị mài mịn như chi
tiết trục, khn đúc.... Với những tính chất tuyệt vời đó, cơng nghệ mạ phủ ln có

1

những bước phát triển mạnh mẽ và nhận được quan tâm nghiên cứu rộng rãi của các
nhà khoa học.
Ở một số nước tiên tiến, công nghệ mạ phủ đã chuyển sang bán tự động và tự
động hoá dây chuyền thiết bị mạ. Nâng cao chất lượng lớp mạ ổn định, bóng và bền.
Đồng thời với mạ điện cịn có mạ phun (Al, Zn, Cu−Pb...), mạ xoa, mạ quay, mạ
chuyển dịch anốt cũng được phát triển. Do đó có thể mạ được những chi tiết có khối
lượng lớn và có hình dạng phức tạp như: đường ống dẫn chất lỏng, chất khí, tơn tấm
dùng để làm tấm lợp... nhằm đáp ứng được nhu cầu sản xuất và đời sống.
1.2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
1.2.1. Các nghiên cứu của nước ngoài
Trong những năm gần đây cho thấy rằng lớp phủ bằng các vật liệu như niken,
crôm, vonfram cacbua, Zn-Ni, Zn-Co và Zn-Fe có hiệu quả để tăng tính chịu mài
mòn và sự ăn mòn của các chi tiết máy khi làm việc trong mơi trường ăn mịn: dầu
khí, chế biến thực phẩm, in ấn, phục hồi các chi tiết dạng trục, khuôn mẫu..., đặc
biệt là trong ngành hàng không, khi khơng khí ăn mịn tua-bin làm việc ở tốc độ và
nhiệt độ cao có thể xảy ra sự ăn mòn nghiêm trọng đến một số chi tiết, dẫn đến sự
mài mòn và phá hủy. Một trong những kỹ thuật được sử dụng tốt nhất để cải thiện
sự ăn mòn và chịu mài mòn trong điều kiện như vậy là phủ một lớp mỏng một số
vật liệu chống ăn mòn. Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất của lớp phủ là cần thiết
để nâng cao độ bền của chi tiết máy.
Tiffany D. Ziebell và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ dòng
điện khác nhau đến ứng suất dư và kích thước hạt của lớp mạ Niken-Wonfram [4].
Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng phương pháp nhiễu xạ x-quang để đo
được hai thông số trên và khảo sát sự biến thiên của nó theo thời gian. Một thông số
khác của lớp mạ cũng được nghiên cứu trong thời gian gần đây là độ cứng. Nghiên
cứu độ cứng của lớp phủ compozit kim loại trên nền kim loại Đồng(Cu) được thực
hiện bởi J. Lamovec và các cộng sự [5]. Trong bài nghiên cứu này, phương pháp đo
vi độ cứng sử dụng thang đo Vickers với lực tác dụng 0.049 N từ 1.96 N và cấu

2

trúc của lớp mạ Ni/Cu cũng được khảo sát với kính hiển vi lực nguyên tử
AFM(Atomic Force Microscope).
Trong kỹ thuật mạ điện, mạ crôm được sử dụng nhiều nhất để tăng độ cứng,
khả năng chống mài mòn và ăn mòn và hệ số ma sát thấp để ứng dụng trong các
lĩnh vực hàng khơng vũ trụ, ơ tơ và hóa dầu [6]. Để nghiên cứu và nâng cao chất
lượng lớp mạ crôm, Julieta Torres-González và các cộng sự cũng đã nghiên cứu ứng
suất dư và độ cứng tế vi của lớp mạ Crôm trên nền thép AISI 1080 [7]. Một số
phương pháp được sử dụng trong bài viết để tiến hành nghiên cứu các thông số trên:
dùng nhiễu xạ x-quang để đo ứng suất dư, dùng thang đo Vickers để đo độ cứng và
kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy- SEM) để khảo sát cấu
trúc nguyên tử lớp mạ.
Bên cạnh những nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến các thông số của
lớp mạ: ứng suất dư, độ cứng, kích thước hạt ....để nâng cao chất lượng của chi tiết
mạ thì nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy cũng
được quan tâm. Một tính năng quan trọng của mạ điện crơm là có ứng suất dư kéo
cao, nó ln tồn tại từ sự phân hủy của hiđrua crôm trong quá trình mạ điện [8]. Khi
ứng suất dư kéo tăng cao sẽ dẫn đến sự xuất hiện của vết nứt tế vi [9]. Trong điều
kiện làm việc thì những vết nứt tế vi này sẽ lan truyền, xuyên qua bề mặt lớp phủ
dẫn đến giảm độ bền mỏi của chi tiết. Do đó phương pháp mạ điện crơm, là phải
chịu tải trọng động, giảm các ảnh hưởng tiêu cực này để đảm bảo an tồn trong hoạt
động. Vì vậy, việc sử dụng hiệu quả phương pháp để cải thiện sức bền mỏi phải
được nghiên cứu [8]. Theo nghiên cứu của Voorwald, H. J và các cộng sự cho thấy
rằng khi mạ Crơm cứng lên thép AISI 4340 thì độ bền mỏi sẽ giảm đi 47% so với
chi tiết không mạ Crơm[10]. Theo đó, A.L.M. Carvalho và các tác giả nghiên cứu
tác dụng của phun bi bề mặt chi tiết trước khi mạ Crôm lên chi tiết bằng vật liệu
hợp kim Nhôm 7050-T7451 với chiều dày lớp mạ Crôm là 100 μm và cho kết quả
rất tốt [11]. Độ bền mỏi được tăng lên so với chi tiết không phun bi trước khi mạ
Crôm. H.J.C.Voorwald với các cộng sự cũng đã nghiên cứu tương tự cho thép AISI

4340 và cho kết quả là độ bền mỏi cũng tăng lên [12].

3


Nghiên cứu về công nghệ tăng bền mỏi này, Y. Fouad and Mostafa khảo sát
ảnh hưởng của phun bi đến độ bền mỏi mẫu hợp kim nhôm Al 2024-T4 [13]. Đây là
một hợp kim Nhôm sử dụng trong ngành hàng không. Trong bài báo này tác giả đã
sử dụng phương pháp khoan lỗ, phương pháp đo Vickers để đo ứng suất dư, độ
cứng ... sau khi phun bi. Đặc biệt, kết quả bài báo cho thấy độ bền mỏi tăng lên sau
khi phun bi. K. A. Soady và các cộng sự cũng đã nghiên cứu công nghệ này áp dụng
cho cánh tuabin với vật liệu 12CrMoV [14]. Kết quả cũng cho thấy, độ bền mỏi của
cánh tuabin sau khi phun bi cũng tăng lên ở chế độ mỏi ở chu kỳ thấp (low cycle
fatigue).
Cũng nhằm nâng cao độ bền mỏi của chi tiết mạ, nhưng không dùng công
nghệ phun bi, M. Korzynski và các cộng sự đã dùng phương pháp miết bề mặt
Crôm sau khi mạ [15]. Tác giả đã sử dụng một dụng cụ bằng kim cương để trượt lên
bề mặt chi tiết mạ nhằm biến dạng dẻo và làm giảm chiều cao nhấp nhơ và tăng độ
bóng của bề mặt. Tác giả đã thí nghiệm mạ Crơm cho hai loại thép 42CrMo4 và
41Cr4 ứng với chiều dày lớp mạ là 25 μm và 50 μm. Kết quả nghiên cứu cho thấy
giới hạn bền mỏi đã tăng lên tới 40% khi áp dụng phương pháp dùng chày kim
cương để làm giảm nhấp nhô bề mặt.

1-phôi, 2-chày trượt, 3-vùng biến dạng dẻo, 4- lớp mạ crôm,5-vật liệu nền
thép, F-lực nén, f-tốc độ, n-tốc độ quay của phơi, r-bán kính của đầu dụng cụ
Hình 1.1. Miết bề mặt mạ crơm dùng dụng cụ kim cương

4

Một nhược điểm của mạ trực tiếp vật liệu cần mạ lên chi tiết nền là độ bám
dính khơng cao, để khắc phục nhược điểm này, một kỹ thuật được nghiên cứu đó là
trước khi mạ lớp mạ bên ngồi thì mạ lớp mạ lót để làm lớp mạ trung gian tăng tính
chịu mài mịn và độ bám dính của lớp mạ bên ngoài với vật liệu nền[16-19]. Hiện
nay, kỹ thuật này đã đang được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp mạ và nghiên
cứu tính chất của lớp mạ phủ đa lớp này cũng là hướng nghiên đang được thực hiện
đối với các công nghệ: mạ phủ, phun phủ PVD, CVD....
Jia-lei ZHAO và các cộng sự đã nghiên cứu tính chất của lớp phủ Đồng lên
nền Al [19]. Khi có lớp mạ lót Niken, độ bền kéo của tồn lớp tăng lên đáng kể so
với khi khơng mạ lót niken.
L. Yang và các cộng sự cũng đã nghiên cứu độ bền mỏi nhiệt của cánh
tuabin khi được mạ lớp lót khi chi tiết này làm việc ở nhiệt độ cao, các tác giả đã
dùng phương pháp phần tử hữu hạn với hai phần mềm Catia và Abaqus để khảo sát
sự phân bố nhiệt độ và ứng suất biến dạng của cánh tuabin cũng như độ bền mỏi
nhiệt của nó trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau [20].
Dạng phá hủy mỏi xảy ra nhiều nhất ở dạng chi tiết trục, nhất là trục khuỷu
Jonathan Williams đã nghiên cứu so sánh độ bền mỏi của trục khuỷu được làm từ
thép đúc dẻo và thép rèn (C45) [21]. Kết quả cho thấy, thép rèn cho độ bền mỏi và
độ bền kéo cao hơn.

Hình 1.2. Mẫu thí nghiệm mỏi tương ứng với trục khuỷu
Wei Li cùng các cộng sự đã tổng hợp các cơng trình nghiên cứu về phá hủy
mỏi của trục khuỷu [22]. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến phá hủy mỏi của trục
khuỷu là độ lớn của cung lượn r trên phần cổ trục khuỷu, tập trung ứng suất tại lỗ
dầu bôi trơn. Sự ảnh hưởng của chất lượng bề mặt và sai lệch về hình dạng của cổ
trục cũng là nguyên nhân chính dẫn đến phá hủy mỏi trong trục khuỷu.

5

M. Senthil kumar và các cộng sự đã mô phỏng độ bền mỏi của trục khuỷu
bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Ansys workbench 14.0 [23].
Kết quả nghiên cứu cho thấy trục khuỷu khi mạ Nikel và hợp kim nhơm Al2O3 đều
có tác dụng tăng độ bền mỏi của trục khuỷu.

Hình 1.3. Kết quả phân tích độ bền mỏi khi mạ Niken
Tuy nhiên, Sarmed Abdalrasoul Salih cùng các cộng sự đã thực hiện nghiên
cứu lớp mạ niken (6 μm) trên nền thép cacbon thấp [24]. Kết quả lại trái ngược với
M. Senthil kumar, độ bền mỏi khi mạ lớp nikel giảm 4% so với chi tiết không mạ
trong mơi trường khơng ăn mịn. Ngun nhân là trong lớp mạ tồn tại ứng suất kéo
dư và nhiều vết nứt tế vi. Các vết nứt này phát triển và làm giảm độ bền mỏi của chi
tiết. Tuy nhiên, trong mơi trường ăn mịn khơng khí, mạ nikel tăng độ bền mỏi
11,46% và 21,68% trong môi trường 3% NaCl.
1.2.2. Các nghiên cứu trong nước
Hiện nay, ở nước ta công nghệ xử lý bề mặt đang được quan tâm và phát triển,
đặt biệt là mạ điện. Với ưu điểm là nâng cao chất lượng bề mặt, tăng khả năng chịu
mài mòn, ăn mịn, tăng độ cứng bề mặt....Đây là một cơng nghệ hứa hẹn sẽ là lĩnh
vực chú trọng nghiên cứu trong thời gian tới tại Việt Nam.
Luận án tiến sĩ của tác giả Trương Đức Thiệp đã nghiên cứu công nghệ mạ
composite và mạ thử nghiệm trên một số chi tiết máy [25]. Trong nghiên cứu tác giả
đã tiến hành mạ hạt composite Al2O3 trên nền Niken. Tác giả đã đưa ra một số

6


thông số hợp lý về mạ composite Al2O3 trên nền Niken và chứng minh được ưu
điểm của nó so với mạ Niken thông thường.
Luận án tiến sĩ của tác giả Đào Khánh Dư đã nghiên cứu nâng cao tính năng ma
sát của lớp mạ xoa đồng và niken [26]. Tác giả đã nghiên cứu về công nghệ mạ xoa.
Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến lớp mạ xoa Cu và Ni. Nghiên cứu thực

nghiệm tính năng ma sát của lớp mạ xoa Cu và Ni, ứng dụng kết quả nghiên cứu để
phục hồi chi tiết máy.
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Duy Kết đã nghiên cứu công nghệ mạ hợp
kim vàng hai nguyên tố [27]. Tác giả đã nghiên cứu q trình phóng điện đồng thời
tạo hợp kim vàng trong các dung dịch phức. Từ đó làm cơ sở để ổn định công nghệ
mạ hợp kim vàng hai nguyên tố.
Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Lê Tiến đã 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 [45]. Tác giả đã xây dựng được một phương trình lan
truyền vết nứt mỏi có xét tới tần số tải trọng, dùng để tính số chu trình ứng suất
(tuổi thọ mỏi). Phương trình lan truyền vết nứt dạng khơng thứ ngun này chưa
được tìm thấy trong số các phương trình lan truyền vết nứt hiện có.Việc sử dụng
phương trình mới này đã cho phép dự báo được tuổi thọ mỏi của khung giá chuyển
hướng đầu máy D19E khi vận dụng trên một số khu gian của đường sắt Việt Nam.
Luận văn Thạc sĩ của tác giả Thân Xuân Tình đã nghiên cứu chế tạo lớp mạ
Crơm gia cường bằng ống nano cacbon(CNTs) [28]. Tác giả sử dụng phương pháp
mạ điện để nghiên cứu và chế tạo lớp mạ crôm gia cường các loại CNTs, đồng thời
đánh giá ảnh hưởng của CNTs đến cơ tính của lớp mạ composit thu được. Để phân
tán tốt CNTs vào dung dịch mạ chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các phương pháp
pháp biến tính CNTs để thu được các loại CNTs biến tính khác nhau.
Luận văn Thạc sĩ của tác giả Nguyễn Văn Dũng nghiên cứu lý thuyết mạ điện
và khả năng ứng dụng cho chi tiết dạng trục có hình dạng phức tạp [37]. Tác giả đã
xây dựng được quy trình mạ crơm trục vít máy ép dầu có ứng dụng catốt phụ và cho
lớp mạ đẹp, khơng bị bong tróc và khá đồng đều.

7


Luận văn Thạc sĩ của tác giả Hồng Văn Đơn nghiên cứu ứng dụng công nghệ
mạ crôm để mạ trục vít và xi lanh máy ép dầu [38]. Tác giả đã xây dựng được quy

trình mạ trục vít và xylanh máy ép dầu, kết quả kiểm tra độ dày lớp mạ cho thấy
theo tiết diện ngang (độ ô van). Lớp mạ của cả trục vít và xi lanh khá đều. Trên trục
vít chiều dày lớp mạ trên mặt răng lớn hơn khá nhiều chiều dày lớp mạ trên bề mặt
trục (khoảng hơn 2 lần).
1.2.3. Kết luận
Qua khảo sát các công trình nghiên cứu trong và ngồi nước, ta có thể kết luận
một số vấn đề sau:
- Đây là lĩnh vực nghiên cứu đang được quan tâm hiện nay, được các nhà khoa
học trong và ngoài nước nghiên cứu sâu.
- Tuy đã được nghiên cứu và có nhiều cơng bố trong nước, nhưng cho tới nay
chưa có cơng trình nào nghiên cứu về ảnh hưởng chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi
của chi tiết dạng trục.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp phủ đến độ bền mỏi của chi
tiết dạng trục” sẽ là một đóng góp để giải quyết vấn đề nêu trên và giúp cho các nhà
nghiên cứu, kỹ sư thiết kế cũng như các nhà quản lý có thêm tài liệu tham khảo.
1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng chiều dày lớp mạ đến độ bền mỏi của chi tiết máy
dạng trục.
1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các chi tiết dạng trục chịu tải theo chu kỳ được chế tạo từ thép C45
- Lớp mạ phủ crôm cứng, ứng suất dư của vật liệu.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
- Hình dáng chi tiết: chi tiết dạng trục đường kính 7.5mm
- Dạng chịu mỏi: Uốn xoay
- Vật liệu nền: thép C45

8

- Vật liệu mạ phủ: crôm
- Chiều dày lớp mạ: từ 10µm đến 60µm
- Đề tài áp dụng qui trình mạ chuẩn hiện nay để khảo sát tính chất, chiều dày lớp
mạ đến độ bền mỏi nên các thông số của q trình mạ khơng nghiên cứu trong đề
tài.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Nghiên cứu lý thuyết về xử lý bề mặt và công nghệ phục hồi
+ Nghiên cứu lý thuyết về phá hủy mỏi
- Phương pháp thực nghiệm
+ Chế tạo mẫu thử; Tiến hành thí nghiệm mạ và thí nghiệm mỏi
+ Xử lý số liệu
+ Đánh giá kết quả
1.6 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
a. Tìm hiểu quy trình cơng nghệ, kỹ thuật chế tạo và phục hồi chi tiết máy
dạng trục bằng mạ phủ. Các phần chính được quan tâm đến gồm:
- Các kỹ thuật, quy trình cơng nghệ chế tạo và phục hồi chi tiết máy dạng
trục bằng mạ phủ lên thép C45.
- Các phương pháp, kỹ thuật đánh giá cơ tính của lớp hóa bền bề mặt bằng
mạ phủ lên chi tiết dạng trục.
- Các kỹ thuật đo chiều dày, đánh giá chất lượng của lớp mạ phủ bằng các
phương pháp kiểm tra khơng phá hủy.
b. Tìm hiểu ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết
máy dạng trục.
- Xác định khoảng chiều dày mạ khảo sát (10µm - 60µm).
- Đề xuất các tiêu chí đánh giá chất lượng lớp mạ crơm, các tiêu chuẩn thí
nghiệm mỏi theo các tiêu chuẩn TCVN/ISO.

9

Thực nghiệm chế tạo mẫu chi tiết, thí nghiệm mỏi và tiến hành các phương pháp đo
kiểm phù hợp để lấy số liệu: ứng suất dư và chu kỳ mỏi. Từ đó, phân tích và đánh
giá ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ crôm đến độ bền mỏi của chi tiết máy dạng
trục.
1.7 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày lớp mạ Crom đến độ bền mỏi của chi tiết
máy từ đó chọn ra bề dày tối ưu nhất giúp giảm thời gian, nâng cao hiệu quả làm
việc và giảm chi phí phát sinh do hư hỏng gây ra.
Với hướng nghiên cứu này, đề tài muốn khảo sát ảnh hưởng của lớp vật liệu
mạ đến độ bền mỏi, nghiên cứu thông số: chiều dày của lớp phủ ảnh hưởng đến độ
bền mỏi của chi tiết máy như thế nào. Từ đó chọn được thơng số tối ưu của lớp phủ
để đạt độ bền mỏi cao nhất cho các chi tiết phục hồi, làm việc trong môi trường ăn
mịn, chế biến thực phẩm và trong cơng nghệ phục hồi bằng phương pháp mạ phủ.
1.8 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Các nhóm nghiên cứu trên thế giới đặc biệt quan tâm đến những chương
trình thí nghiệm mỏi mới đang được thực hiện. Nghiên cứu độ bền mỏi của lớp phủ
đến chi tiết máy ở Việt Nam là cần thiết và có ý nghĩa, bởi nó khơng chỉ phù hợp
với xu hướng chung của thế giới, mà còn phù hợp với thực tế Việt Nam là ngày
càng xuất hiện nhu cầu về sửa chữa, phục hồi các chi tiết máy sử dụng phương pháp
mạ phủ.
Công trình nghiên cứu này bước đầu sẽ góp phần xây dựng hệ thống lý luận
về ảnh hưởng của lớp phủ đến độ bền mỏi, giúp cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư thiết
kế cũng như các nhà quản lý có thêm tài liệu tham khảo.
Với hướng nghiên cứu này, đề tài muốn khảo sát ảnh hưởng của lớp vật liệu
mạ đến độ bền mỏi: chiều dày của lớp phủ ảnh hưởng đến độ bền mỏi của chi tiết
máy như thế nào. Từ đó chọn được thơng số tối ưu của lớp phủ để đạt độ bền mỏi
cao nhất cho các chi tiết phục hồi, làm việc trong môi trường ăn mịn, chế biến thực
phẩm và trong cơng nghệ phục hồi bằng phương pháp mạ phủ.

10


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT MỎI VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
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 tốn 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
2.1.1. Hiện tượng mỏi
Hiện tượng mỏi (hay sự mỏi): Đó là q trình tích lũy 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.

Hình 2.1. Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại.
2.1.2. 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

11


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.
Bảng 2.1: Số liệu Nf của một số kim loại thường dùng [1]
STT

Loại vật liệu

1

Thép cacbon thấp (σb=40-60 kG/mm2)

2

Thép cacbon trung bình (σb=50-100 kG/mm2)

3

Thép hợp kim (σb=100-180 kG/mm2)

4

Kim loại màu

5

Gang

Nf
2. 106
2. 106
2. 106
5. 106
6

2.1.3. Đường cong mỏi
Trên cơ sở kết quả thí nghiệm mỏi, đường cong mỏi được thiết lập nhằm biểu
diễn mối quan hệ giữa ứng suất S (ứng suất lớn nhất) với số chu kỳ thay đổi ứng
suất N mà chi tiết máy (hoặc mẫu thử nghiệm) chịu được cho đến khi hỏng (hình
2.2).

12


Hình 2.2. Đường cong mỏi Wưhler
Số chu kỳ N được gọi là tuổi thọ tương ứng với mức ứng suất . Đồ thị đường
cong mỏi có dạng như hình 2.2.
Qua đồ thị đường cong mỏi ta thấy:
- Khi ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm,
- Nếu giảm ứng suất đến một giới hạn

r

nào đó đối với một số loại vật liệu,

tuổi thọ N có thể tăng lên khá lớn mà chi tiết không bị phá hủy. Trị số

r

được gọi là

giới hạn bền mỏi (dài hạn) của vật liệu.
Phương trình đường cong mỏi có thể viết dưới dạng:
 m .N  C

(2.1)

Trong đó C và m là hằng số, số mũ m được gọi là bậc của đường cong mỏi.
Phương trình (2.1) biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất
miền ứng suất có trị số nằm ngang trong khoảng giới hạn chảy
mỏi

r

và tuổi thọ N trong
ch

và giới hạn bền

của vật liệu.

Từ phương trình (2.1) ta có thể xác định tuổi thọ Nk của vật liệu chịu ứng suất
thay đổi

k

(

r

<

k

<

ch

). Ứng suất

r

gọi là giới hạn mỏi ngắn hạn tương ứng với

tuổi thọ Nk của vật liệu. Trong hệ tọa độ logarit lgσ-lgN, phương trình (2.1) được
biểu diễn bằng đường thẳng:
m lg   lg N  lg C

13

(2.2)


Đồ thị đường cong mỏi trong hệ tọa độ bán lg   lg N có nhánh riêng là

đường thẳng có phương trình:
N k .10  B

(2.3)

Trong đó k và B là hằng số.
Ngồi ra, phương trình (2.1) có tiệm cận là trục hồnh N, điều này khơng đúng
với vật liệu gang hoặc thép, đường cong mỏi của chúng có tiệm cận song song với
trục hoành và cách trục hoành một khoảng bằng trị số giới hạn bền mỏi dài hạn của
vật liệu. Vì vậy, trên cơ sở của phân tích theo tốn học thống kê các số liệu thí
nghiệm, Weibull biểu thị đường cong mỏi bằng phương trình:
N

B
(   r ) m

Từ phương trình (2.4) ta thấy khi
nằm ngang cách trục hồnh bằng

, lúc này

(2.4)
thì

nghĩa là đường thẳng

là tiệm cận của đường cong mỏi

(2.4).
2.1.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi

2.1.4.1 Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt
Bản chất vật liệu được quyết định bởi cấu trúc tế vi ở một điều kiện nào đó của
vật liệu, được thể hiện bằng hàng loạt các đặc trưng cơ học và hóa học. Cấu trúc tế
vi qua q trình cơng nghệ nhiệt luyện hay q trình xử lý nhiệt quyết định. Những
quá trình này tạo ra những cấu trúc hạt khác nhau làm ảnh hưởng đến độ bền mỏi
của vật liệu.
Vật liệu có ảnh hưởng lớn đến độ bền mỏi của chi tiết máy. Chi tiết máy được
chế tạo bằng vật liệu có cơ tính cao, độ bền mỏi của chi tiết sẽ cao vì khả năng xuất
hiện các vết nứt sẽ khó khăn hơn. Thép có hàm lượng cacbon tương đối cao thì giới
hạn bền mỏi sẽ cao hơn thép có hàm lượng cacbon thấp hơn. Thép hợp kim có độ
bền mỏi cao hơn thép cacbon thơng thường.
Bên cạnh đó, các thành phần hóa học là một trong những nhân tố quyết định
bản chất vật liệu. Có thể xét ảnh hưởng của các thành phần hóa học tới độ bền mỏi
theo quan điểm lý thuyết hệ thống.

14


Khi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học của vật liệu tới
một số đặc trưng cơ học của nó, thành phần của các nguyên tố hóa học chính và mã
số tương ứng được liệt kê trong bảng 2.2.
Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa thành phần hóa học và đặc trưng cơ học của vật liệu
STT

Thành phần hóa học (%)

Cu

Mg

Mn

Mã

1

Mức cơ bản

4,25

1,45

0,80

2

Thay đổi

0,55

0,22

0,15

3

Mức trên

4,80

1,70

0,95

4

Mức dưới

3,70

1,25

0,65

Để có thể thấy rõ ảnh hưởng của thành phần hóa học tới giới hạn mỏi, một
cách định lượng có thể xác định giới hạn mỏi theo công thức Roger:
 F   1  0,4 Y  0,25 T

(2.6)

Trong đó:  F -Giới hạn mỏi
 T -Giới hạn bền kéo tĩnh
 Y -Giới hạn chảy khi kéo tĩnh

 Ảnh hưởng của tổ chức tế vi:
Tổ chức tế vi được quyết định bởi q trình luyện kim, gia cơng và nhiệt luyện.
Những quá trình này tạo ra những cấu trúc hạt khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp
đến độ bền mỏi của vật liệu.
Ảnh hưởng của cấu trúc tế vi theo chế độ nhiệt luyện tới độ bền mỏi của vật
liệu là làm cho giới hạn mỏi thay đổi từ 1.7-2 lần. Tuy nhiên, thực nghiệm cũng cho

rằng ảnh hưởng của tổ chức tế vi tỏ ra yếu hơn nếu như xuất hiện nhân tố tập trung
ứng suất.
 Ảnh hưởng của kích thước hạt:
G. M. Sinclair và W. J. Craig đã tiến hành thí nghiệm uốn quay trịn mẫu do= 7 mm
làm từ đồng thau mác 70/30 có các độ hạt khác nhau và cho kết quả như bảng 2.3.

15


Bảng 2.3: Ảnh hưởng của kích thước hạt đến độ bền mỏi
Kích thước
STT

trung bình của
hạt, ho (mm)

Giới hạn

Giới hạn

chảy,

mỏi,

 y   0, 2

 F   1 ,

2

2

kG/mm

kG/mm

So sánh
 1 j

h0 j
h01

 10

1

0,00185

47,70

28,10

1,000

1,000

2

0,00205

37,80

21,10

1,108

0,751

3

0,00295

23,90

16,90

1,595

0,610

4

0,01200

4,86

15,40

6,486

0,548

5

0,02600

1,97

11,90

14,054

0,423

6

0,05100

1,56

9,85

27,568

0,351

7

0,13100

1,27

8,45

70,812

0,301

Từ bảng số liệu ta thấy, khi kích thước hạt tăng lên 70 lần thì giới hạn bền mỏi
giảm hơn 3 lần. Người ta tìm ra mối quan hệ phản ánh ảnh hưởng của kích thước
hạt đến độ bền mỏi như sau:
 F   iF  K F .h01/ 2

(2.7)

Trong đó: -  F ,  iF là các hằng số vật liệu.
- ho là kích thước trung bình của hạt.
2.1.4.2 Trạng thái ứng suất
Các vật liệu làm việc trong điều kiện chất tải không ổn định thường gây ra
những ứng suất khác nhau, dẫn đến sự phá hủy mỏi khơng theo quy luật tuyến tính.
Ứng xử của vật liệu đối với tải trọng rất khác nhau và việc đưa ra một quy luật
chung cho mọi trường hợp là không thể thực hiện được. Các quan sát cũng cho thấy
rằng, nếu chất tải cho mẫu rồi lại cho mẫu nghỉ thì khả năng chống mỏi của mẫu sẽ
tăng lên. Khi làm việc, tải trọng tác dụng lên chi tiết máy có thể gây nên các loại
ứng suất: kéo, nén, uốn, xoắn, dập, cắt, tiếp xúc…
Ứng suất sinh ra trong chi tiết máy có thể thay đổi hoặc khơng thay đổi. Một
vịng thay đổi ứng suất từ trị số giới hạn này đến trị số giới hạn khác rồi trở về giá

16

trị ban đầu được gọi là chu trình ứng suất. Thời gian để thực hiện một chu trình ứng
suất gọi là chu kỳ ứng suất.
Chu trình ứng suất được đặc trưng bởi hình 2.5.

Hình 2.3. Chu trình ứng suất
Biên độ ứng suất:
a 

 max   min
2

(2.8)

Ứng suất trung bình:
m 

 max   min
2

(2.9)

Hệ số tính chất chu trình:
 max
(2.10)
 min
Phần lớn chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi theo chu trình khơng đối xứng,
r

nghĩa là các giới hạn ứng suất ( σmax , σmin ) không bằng nhau về trị số. Ứng suất tác

dụng lên chi tiết máy được chia thành 2 phần: thành phần ứng suất khơng đổi hay
cịn gọi là ứng suất trung bình σm là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự mỏi và thành
phần ứng suất thay đổi có biên độ ứng suất σa. Qua đồ thị trên hình 2.7 ta thấy nếu
ứng suất trung bình σm là ứng suất kéo (σm>0) càng lớn thì trị số giới hạn của biên
độ ứng suất càng giảm xuống, nghĩa là khi ứng suất trung bình là kéo càng tăng lên,
thì ứng suất biên độ σa tuy nhỏ nhưng cũng có thể gây ra sự phá hủy mỏi. Trong chu
trình đối xứng với σm = 0 trị số giới hạn của biên độ ứng suất σa bằng giới hạn bền
mỏi trong chu trình đối xứng σ-1. Khi ứng suất trung bình là nén (σm<0) trị số giới
hạn của biên độ ứng suất σa tăng lên, nghĩa là nếu chi tiết máy chịu thành phần ứng
suất tĩnh là nén thì giới hạn ứng suất biên độ σa có thể cao hơn giới hạn bền mỏi
trong chu trình đối xứng σ-1.

17