Sự mỏi trong thép: Cơ chế hỏng hóc, phương pháp kiểm tra và phòng ngừa

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Mệt mỏi là hư hỏng cấu trúc tiến triển, cục bộ và vĩnh viễn xảy ra ở vật liệu chịu ứng suất tuần hoàn hoặc dao động dưới độ bền kéo cực đại của vật liệu. Đây là một trong những cơ chế hỏng hóc phổ biến nhất trong các thành phần thép, chiếm khoảng 90% tất cả các hỏng hóc dịch vụ cơ học.

Mệt mỏi về cơ bản là một quá trình thoái hóa phụ thuộc vào thời gian, trong đó việc tải và dỡ tải lặp đi lặp lại dẫn đến sự khởi đầu và lan truyền các vết nứt cho đến khi xảy ra gãy cuối cùng. Không giống như các chế độ hỏng tĩnh, mỏi có thể gây ra hỏng hóc thảm khốc ở mức ứng suất thấp hơn đáng kể so với giới hạn chảy của vật liệu.

Trong luyện kim, mỏi chiếm vị trí quan trọng tại giao điểm của các tính chất cơ học, đặc điểm cấu trúc vi mô và điều kiện sử dụng. Nó thu hẹp khoảng cách giữa độ bền vật liệu lý thuyết và thiết kế kỹ thuật thực tế, đại diện cho một cân nhắc quan trọng trong các ứng dụng có tải trọng tuần hoàn.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, mỏi bắt đầu bằng biến dạng dẻo cục bộ ở các vùng tập trung ứng suất. Các biến dạng này tạo ra các dải trượt liên tục (PSB) nơi chuyển động trật khớp xảy ra dọc theo các mặt phẳng tinh thể có ít lực cản nhất.

Tải trọng tuần hoàn gây ra sự sai lệch tích tụ tại ranh giới hạt, tạp chất hoặc các đặc điểm cấu trúc vi mô khác, tạo thành các vết lõm và đùn trên bề mặt vật liệu. Những bất thường trên bề mặt này hoạt động như các bộ tập trung ứng suất, cuối cùng phát triển thành các vết nứt nhỏ lan truyền qua vật liệu.

Quá trình mỏi bao gồm ba giai đoạn riêng biệt: khởi đầu vết nứt (thường ở bề mặt), lan truyền vết nứt ổn định (theo Định luật Paris) và gãy nhanh cuối cùng khi mặt cắt còn lại không còn chịu được tải trọng tác dụng.

Mô hình lý thuyết

Phương pháp ứng suất-tuổi thọ (SN), do August Wöhler tiên phong vào những năm 1850, là mô hình hệ thống đầu tiên về mỏi. Mô hình thực nghiệm này liên hệ biên độ ứng suất tuần hoàn với số chu kỳ đến khi hỏng, thiết lập khái niệm về giới hạn mỏi cho vật liệu sắt.

Sự hiểu biết đã phát triển đáng kể với cơ học gãy đàn hồi tuyến tính (LEFM) của Irwin vào những năm 1950, cung cấp một khuôn khổ để phân tích sự lan truyền vết nứt. Phương pháp tiếp cận tuổi thọ biến dạng được phát triển vào những năm 1960 bởi Coffin và Manson đã giải quyết được tình trạng mỏi chu kỳ thấp khi biến dạng dẻo chiếm ưu thế.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm các mô hình dựa trên năng lượng coi năng lượng trễ là thông số hư hỏng do mỏi và cơ học hư hỏng liên tục coi sự mỏi là sự suy giảm dần dần tính toàn vẹn của vật liệu thông qua biến số hư hỏng.

Cơ sở khoa học vật liệu

Khả năng chống mỏi của thép chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi cấu trúc tinh thể, trong đó cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) thường cho thấy giới hạn mỏi rõ rệt trong khi cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) cho thấy đường cong mỏi liên tục mà không có giới hạn độ bền rõ ràng.

Ranh giới hạt đóng vai trò kép trong hiện tượng mỏi: chúng có thể cản trở sự lan truyền vết nứt bằng cách buộc vết nứt phải thay đổi hướng, nhưng chúng cũng có thể đóng vai trò là điểm khởi đầu do sự chồng chất sai lệch và sự không tương thích về ứng suất giữa các hạt liền kề.

Sự hiện diện, hình thái và sự phân bố của các hạt pha thứ hai, tạp chất và chất kết tủa ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất mỏi bằng cách đóng vai trò là các vị trí tập trung ứng suất. Thép sạch với ít tạp chất thường thể hiện khả năng chống mỏi vượt trội.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Mối quan hệ giữa căng thẳng và tuổi thọ đối với tình trạng mệt mỏi chu kỳ cao thường được thể hiện bằng phương trình Basquin:

$\sigma_a = \sigma'_f (2N_f)^b$

Ở đâu:
- $\sigma_a$ là biên độ ứng suất
- $\sigma'_f$ là hệ số cường độ mỏi
- $N_f$ là số chu kỳ đến khi hỏng
- $b$ là số mũ độ bền mỏi (thường nằm trong khoảng từ -0,05 đến -0,12 đối với thép)

Công thức tính toán liên quan

Đối với mỏi chu kỳ thấp, trong đó biến dạng dẻo chiếm ưu thế, mối quan hệ Coffin-Manson được áp dụng:

$\Delta\varepsilon_p = \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Ở đâu:
- $\Delta\varepsilon_p$ là biên độ biến dạng dẻo
- $\varepsilon'_f$ là hệ số dẻo mỏi
- $c$ là số mũ độ dẻo mỏi (thường nằm trong khoảng từ -0,5 đến -0,7 đối với thép)

Biên độ biến dạng tổng thể kết hợp cả thành phần đàn hồi và thành phần dẻo:

$\Delta\varepsilon/2 = \sigma'_f/E (2N_f)^b + \varepsilon'_f (2N_f)^c$

Trong đó $E$ là mô đun đàn hồi.

Tốc độ phát triển vết nứt trong giai đoạn lan truyền tuân theo Định luật Paris:

$da/dN = C(\Delta K)^m$

Ở đâu:
- $da/dN$ là tốc độ tăng trưởng vết nứt theo chu kỳ
- $\Delta K$ là phạm vi hệ số cường độ ứng suất
- $C$ và $m$ là hằng số vật liệu

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình này giả định hành vi vật liệu đẳng hướng và chính xác nhất đối với điều kiện tải đơn trục. Đối với mỏi đa trục, các tiêu chí phức tạp hơn như phương pháp tiếp cận mặt phẳng quan trọng phải được sử dụng.

Phương pháp tiếp cận ứng suất-tuổi thọ chủ yếu có giá trị đối với mỏi chu kỳ cao (>10³ chu kỳ) khi ứng suất vẫn chủ yếu là đàn hồi. Dưới ngưỡng này, các phương pháp tiếp cận dựa trên biến dạng phù hợp hơn.

Các mô hình này thường giả định tải biên độ không đổi trong môi trường không ăn mòn. Tải biên độ thay đổi đòi hỏi các mô hình hư hỏng tích lũy như quy tắc Miner, có những hạn chế đáng kể trong việc tính đến các hiệu ứng trình tự tải.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E466: Tiêu chuẩn thực hành để tiến hành thử nghiệm mỏi trục có biên độ không đổi được kiểm soát bằng lực đối với vật liệu kim loại - bao gồm các quy trình thử nghiệm mỏi trục dưới sự kiểm soát lực.

ASTM E606: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để kiểm tra độ mỏi có kiểm soát ứng suất - phương pháp chi tiết để kiểm tra độ mỏi có kiểm soát ứng suất, đặc biệt liên quan đến độ mỏi chu kỳ thấp.

ISO 1143: Vật liệu kim loại - Thử nghiệm độ mỏi uốn thanh quay - chỉ định các quy trình cho thử nghiệm độ mỏi uốn quay.

ASTM E647: Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo tốc độ phát triển vết nứt do mỏi - cung cấp các quy trình để xác định tốc độ phát triển vết nứt do mỏi bằng cách sử dụng mẫu vật chịu kéo chặt hoặc mẫu vật nứt ở giữa.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử thủy lực servo cung cấp khả năng kiểm soát chính xác tải trọng hoặc độ dịch chuyển để thử nghiệm mỏi trục. Các hệ thống này thường hoạt động ở tần số từ 0,1-100 Hz tùy thuộc vào yêu cầu thử nghiệm.

Máy dầm quay tác dụng ứng suất uốn vào các mẫu hình trụ quay quanh trục dọc của chúng, tạo ra ứng suất ngược hoàn toàn trên bề mặt mẫu.

Hệ thống thử nghiệm mỏi cộng hưởng hoạt động ở tần số cộng hưởng của mẫu vật (thường là 50-300 Hz), cho phép thử nghiệm nhanh hơn trong khi vẫn duy trì khả năng kiểm soát tải chính xác.

Các kỹ thuật tiên tiến bao gồm phát hiện nhiệt, theo dõi những thay đổi nhiệt độ liên quan đến biến dạng dẻo và theo dõi phát xạ âm thanh để phát hiện sự khởi đầu và lan truyền vết nứt.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử mỏi trục tiêu chuẩn thường có chiều dài đo là 25-50 mm với đường kính tiết diện giảm là 6-12 mm và chuyển tiếp trơn tru để giảm thiểu sự tập trung ứng suất.

Yêu cầu về độ hoàn thiện bề mặt rất nghiêm ngặt, thường yêu cầu đánh bóng đến độ nhám 600 hoặc mịn hơn, với quá trình đánh bóng cuối cùng thường được thực hiện theo chiều dọc để giảm thiểu các vết xước ngang có thể gây ra vết nứt do mỏi.

Mẫu vật phải không có khuyết tật gia công, ứng suất dư và hư hỏng do môi trường. Đối với các thử nghiệm chuyên biệt, mẫu vật có khía với các hệ số tập trung ứng suất được kiểm soát chính xác có thể được sử dụng để mô phỏng các tính năng thiết kế.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) với độ ẩm tương đối dưới 85%, mặc dù thử nghiệm chuyên biệt có thể mô phỏng các môi trường dịch vụ cụ thể.

Tần số tải thường nằm trong khoảng từ 1-100 Hz, trong đó tần số thấp hơn được sử dụng cho các thử nghiệm ứng suất cao, chu kỳ thấp và tần số cao hơn cho các thử nghiệm ứng suất thấp, chu kỳ cao.

Tỷ lệ ứng suất (R = ứng suất tối thiểu/ứng suất tối đa) là một thông số quan trọng, với các giá trị phổ biến bao gồm R = -1 (hoàn toàn đảo ngược), R = 0 (từ không đến độ căng) và R = 0,1 (chủ yếu là độ căng).

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu bao gồm số chu kỳ, phép đo tải trọng/biến dạng, độ dịch chuyển và thường là phép đo chiều dài vết nứt để thử nghiệm sự lan truyền vết nứt.

Phân tích thống kê thường sử dụng các đường cong SN tuyến tính bằng thang logarit, với các dải tin cậy được thiết lập bằng các phương pháp như phương pháp cầu thang hoặc phân tích probit.

Giới hạn mỏi được xác định thông qua phương pháp cầu thang (phương pháp lên-xuống) hoặc bằng cách thiết lập mức ứng suất mà dưới mức đó không xảy ra hỏng hóc trong một số chu kỳ nhất định (thường là 10⁶-10⁷).

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Giới hạn mỏi)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1020)	180-240MPa	R = -1, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E466
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	275-325MPa	R = -1, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E466
Thép hợp kim (AISI 4140)	380-520MPa	R = -1, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E466
Thép không gỉ (AISI 304)	240-310MPa	R = -1, Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTM E466

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về xử lý nhiệt, kích thước hạt và bề mặt hoàn thiện. Thép tôi và ram thường có giới hạn mỏi cao hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ.

Các giá trị này biểu thị giới hạn mỏi của mẫu trơn; các thành phần thực tế có đặc điểm hình học có thể bị giảm đáng kể khả năng chống mỏi do hiệu ứng tập trung ứng suất.

Nguyên tắc chung đối với thép là giới hạn mỏi khi chịu tải hoàn toàn đảo ngược (R = -1) xấp xỉ bằng 40-50% độ bền kéo cực đại, mặc dù mối quan hệ này trở nên kém tin cậy hơn đối với thép có độ bền cao hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường áp dụng các hệ số giảm độ bền mỏi (Kf) để tính đến các hiệu ứng khía, bề mặt hoàn thiện, hiệu ứng kích thước và các yếu tố môi trường khi chuyển dữ liệu phòng thí nghiệm sang thiết kế linh kiện.

Hệ số an toàn cho các ứng dụng quan trọng về độ mỏi thường nằm trong khoảng từ 2-4 về ứng suất hoặc 10-100 về tuổi thọ, với các giá trị cao hơn được sử dụng cho các ứng dụng có độ không chắc chắn lớn hơn hoặc hậu quả hỏng hóc nghiêm trọng hơn.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng hiệu suất chịu mỏi với các yêu cầu khác như độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống ăn mòn, thường dẫn đến sự thỏa hiệp dựa trên các ưu tiên ứng dụng cụ thể.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong hệ thống vận tải, độ mỏi rất quan trọng đối với các thành phần như trục khuỷu, thanh truyền và hệ thống treo trải qua hàng triệu chu kỳ tải. Các ứng dụng này thường yêu cầu thép cường độ cao với bề mặt hoàn thiện tuyệt vời và cấu trúc vi mô được kiểm soát.

Thiết bị phát điện, đặc biệt là máy móc quay như cánh và trục tua bin, đòi hỏi khả năng chống mỏi đặc biệt trong điều kiện tải phức tạp bao gồm chu trình nhiệt và tải rung.

Các ứng dụng cơ sở hạ tầng như cầu và các công trình ngoài khơi phải chịu được tải trọng biên độ thay đổi trong nhiều thập kỷ trong môi trường ăn mòn, đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu và thiết kế cẩn thận để ngăn ngừa hỏng hóc do mỏi.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Tăng độ bền kéo thường cải thiện khả năng chống mỏi, nhưng độ cứng quá mức có thể làm giảm độ bền gãy, khiến các bộ phận dễ bị gãy giòn hơn khi chịu tải trọng va đập.

Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm cacbon hoặc thấm nitơ giúp tăng khả năng chống mỏi thông qua ứng suất nén dư nhưng có thể làm giảm độ dẻo và tăng khả năng giòn do hydro.

Những nỗ lực giảm trọng lượng thường xung đột với các yêu cầu về hiệu suất chống mỏi, đòi hỏi phải tối ưu hóa cẩn thận hình dạng linh kiện và lựa chọn vật liệu để duy trì biên độ an toàn thích hợp.

Phân tích lỗi

Các hư hỏng do mỏi thường biểu hiện các "vết hằn" đặc trưng trên bề mặt vết nứt, lan ra từ vị trí bắt đầu và cho thấy sự tiến triển của mặt trước vết nứt trong quá trình chịu tải theo chu kỳ.

Quá trình phá hủy bắt đầu bằng vết nứt bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất, tiếp theo là vết nứt phát triển ổn định vuông góc với ứng suất kéo chính và kết thúc bằng gãy đột ngột khi mặt cắt ngang còn lại không còn khả năng chịu tải.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm loại bỏ các góc sắc và khía, chỉ định phương pháp xử lý bề mặt thích hợp để tạo ra ứng suất nén dư và triển khai các giao thức kiểm tra để phát hiện các vết nứt trước khi chúng đạt đến kích thước nghiêm trọng.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chịu mỏi bằng cách xác định độ cứng và độ bền của thép. Hàm lượng carbon cao hơn thường làm tăng độ bền chịu mỏi nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai.

Crom, niken và molypden cải thiện khả năng chống mỏi thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và tăng cường khả năng làm cứng, tạo ra các cấu trúc vi mô đồng đều hơn sau khi xử lý nhiệt.

Lưu huỳnh và phốt pho đặc biệt có hại cho tính chất mỏi vì chúng tạo thành các tạp chất kéo dài hoạt động như chất tập trung ứng suất. Các phương pháp làm sạch thép hiện đại giảm thiểu các nguyên tố này để cải thiện hiệu suất mỏi.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện khả năng chống mỏi bằng cách cung cấp nhiều rào cản hơn đối với sự lan truyền vết nứt và giảm chiều dài dải trượt, theo mối quan hệ kiểu Hall-Petch.

Cấu trúc vi mô martensitic thường có khả năng chống mỏi vượt trội so với cấu trúc ferritic-pearlitic ở mức độ cường độ tương đương do đặc tính biến dạng đồng nhất hơn.

Các tạp chất không phải kim loại, đặc biệt là những tạp chất có góc sắc hoặc tỷ lệ khung hình cao, làm giảm đáng kể hiệu suất chịu mỏi do hoạt động như bộ tập trung ứng suất và vị trí bắt đầu nứt.

Xử lý ảnh hưởng

Các phương pháp xử lý nhiệt như tôi và ram giúp tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai, thường cải thiện khả năng chống mỏi so với điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ.

Các phương pháp xử lý làm cứng bề mặt như làm cứng cảm ứng, thấm cacbon hoặc thấm nitơ tạo ra ứng suất nén dư có lợi giúp ức chế sự hình thành và lan rộng vết nứt.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đến kích thước hạt, phân bố pha và trạng thái ứng suất dư, tất cả đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chịu mỏi.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm độ bền mỏi bằng cách đẩy nhanh quá trình chuyển động trật khớp và phục hồi, tác động trở nên đáng kể khi nhiệt độ tăng lên trên 30% nhiệt độ nóng chảy.

Môi trường ăn mòn làm giảm đáng kể khả năng chống mỏi thông qua cơ chế mỏi ăn mòn, trong đó ăn mòn đồng thời và tải trọng tuần hoàn tạo ra hiệu ứng hư hỏng hiệp đồng.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm lão hóa do ứng suất trong thép cacbon, có thể làm giảm hiệu suất chịu mỏi theo thời gian và sự suy thoái môi trường của các lớp bề mặt bảo vệ.

Phương pháp cải tiến

Phun bi tạo ra ứng suất nén dư trên lớp bề mặt, cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi bằng cách ức chế quá trình hình thành vết nứt và giai đoạn lan truyền ban đầu.

Việc hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố như vanadi, niobi và titan tạo ra các chất kết tủa mịn ngăn cản chuyển động sai lệch và tinh chỉnh cấu trúc hạt, tăng cường hiệu suất chịu mỏi.

Tối ưu hóa thiết kế thông qua phân tích phần tử hữu hạn và tối ưu hóa cấu trúc có thể xác định và loại bỏ các điểm tập trung ứng suất, phân bổ lại tải trọng đồng đều hơn để tối đa hóa tuổi thọ chịu mỏi.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Giới hạn mỏi (hoặc giới hạn độ bền) biểu thị biên độ ứng suất mà về mặt lý thuyết, vật liệu có thể chịu được vô số chu kỳ mà không bị hỏng, một hiện tượng chủ yếu được quan sát thấy ở vật liệu sắt từ.

Tỷ lệ mỏi là tỷ lệ giữa giới hạn mỏi và độ bền kéo cực đại, thường nằm trong khoảng 0,4-0,5 đối với thép, cung cấp phép tính gần đúng hữu ích cho thiết kế sơ bộ khi không có dữ liệu về độ mỏi.

Hệ số tập trung ứng suất (Kt) định lượng sự khuếch đại của ứng suất danh nghĩa gần các điểm không liên tục về mặt hình học, trong khi hệ số khía mỏi (Kf) biểu thị sự giảm thực tế về độ bền mỏi do các đặc điểm này.

Hiệu ứng ứng suất trung bình mô tả cách ứng suất trung bình kéo làm giảm tuổi thọ mỏi trong khi ứng suất trung bình nén kéo dài tuổi thọ mỏi, thường được biểu diễn thông qua các mối quan hệ Goodman, Gerber hoặc Soderberg.

Tiêu chuẩn chính

ASTM STP 1439: Cơ học mỏi và gãy xương cung cấp hướng dẫn toàn diện về phương pháp thử nghiệm, giải thích dữ liệu và ứng dụng các nguyên tắc mỏi vào thiết kế kỹ thuật.

SAE J1099: Báo cáo kỹ thuật về đặc tính chịu mỏi chu kỳ thấp của vật liệu cung cấp hướng dẫn dành riêng cho ngành ứng dụng ô tô, bao gồm các quy trình thử nghiệm được khuyến nghị và định dạng trình bày dữ liệu.

BS 7608: Bộ quy tắc thực hành về thiết kế và đánh giá chịu mỏi của kết cấu thép cung cấp hướng dẫn chi tiết về thiết kế chịu mỏi trong các ứng dụng kết cấu, đặc biệt là đối với các kết cấu hàn.

Xu hướng phát triển

Các phương pháp kỹ thuật vật liệu tính toán tích hợp (ICME) đang thúc đẩy việc dự đoán hiệu suất mỏi dựa trên các đặc điểm cấu trúc vi mô, cho phép phát triển vật liệu hiệu quả hơn.

Các kỹ thuật đánh giá không phá hủy tiên tiến, bao gồm phát xạ âm thanh, nhiệt ảnh và tương quan hình ảnh kỹ thuật số, đang cải thiện khả năng phát hiện hư hỏng do mỏi trước khi các vết nứt lớn hình thành.

Sản xuất bồi đắp các thành phần thép đặt ra những thách thức mới cho việc dự đoán hiệu suất mỏi do các cấu trúc vi mô, ứng suất dư và quần thể khuyết tật độc đáo, thúc đẩy nghiên cứu về mối quan hệ quy trình-cấu trúc-tính chất cho các phương pháp sản xuất này.