Giới hạn mỏi: Ngưỡng quan trọng đối với độ bền của thành phần thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Giới hạn mỏi, còn được gọi là giới hạn chịu đựng, là mức ứng suất mà vật liệu có thể chịu được vô số chu kỳ tải mà không bị hỏng. Nó biểu thị biên độ ứng suất ngưỡng mà vật liệu có thể chịu được vô thời hạn mà không bị hư hỏng do mỏi.

Tính chất này là cơ bản trong thiết kế kỹ thuật cho các thành phần chịu tải tuần hoàn, vì nó thiết lập phạm vi ứng suất vận hành an toàn cho tuổi thọ vô hạn về mặt lý thuyết. Giới hạn mỏi đóng vai trò là thông số thiết kế quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc lâu dài trong các ứng dụng mà các thành phần trải qua quá trình tải và dỡ tải lặp đi lặp lại.

Trong luyện kim, giới hạn mỏi chiếm một vị trí độc đáo như một trong số ít các tính chất giải quyết hành vi vật liệu phụ thuộc thời gian trong điều kiện động. Không giống như các tính chất tĩnh như độ bền chảy hoặc độ bền kéo, giới hạn mỏi đặc trưng cho phản ứng của vật liệu đối với ứng suất tuần hoàn trong thời gian dài, khiến nó trở nên cần thiết để dự đoán tuổi thọ của thành phần trong môi trường tải tuần hoàn.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, mỏi liên quan đến sự hình thành và phát triển dần dần của các vết nứt do biến dạng dẻo tuần hoàn. Khi ứng suất được áp dụng theo chu kỳ, ngay cả ở mức dưới giới hạn chảy, biến dạng dẻo cục bộ xảy ra ở các khuyết tật vi cấu trúc, ranh giới hạt hoặc các điểm không đều trên bề mặt.

Những biến dạng cục bộ này dẫn đến sự hình thành các dải trượt liên tục (PSB), nơi các sai lệch tích tụ và tạo ra 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. Dưới giới hạn mỏi, năng lượng đầu vào không đủ để thúc đẩy quá trình bắt đầu vết nứt này.

Sự tồn tại của giới hạn mỏi trong thép chủ yếu là do sự tương tác giữa các vị trí sai lệch và các nguyên tử xen kẽ (đặc biệt là carbon và nitơ). Các nguyên tử xen kẽ này tạo ra các trường ứng suất có hiệu quả ghim các vị trí sai lệch, ngăn ngừa sự tích tụ biến dạng dẻo không thể đảo ngược ở biên độ ứng suất thấp.

Mô hình lý thuyết

Khái niệm về giới hạn mỏi lần đầu tiên được thiết lập thông qua công trình của Wöhler vào những năm 1850, người đã phát triển phương pháp ứng suất-tuổi thọ (SN). Mô hình này vẽ đồ thị biên độ ứng suất theo số chu kỳ đến khi hỏng, cho thấy rằng dưới một mức ứng suất nhất định, vật liệu sắt từ có tuổi thọ vô hạn.

Hiểu biết hiện đại kết hợp phương pháp tiếp cận biến dạng-tuổi thọ do Coffin và Manson phát triển, liên hệ biên độ biến dạng dẻo với tuổi thọ mỏi. Phương pháp tiếp cận này giải thích tốt hơn về hành vi mỏi chu kỳ thấp khi xảy ra biến dạng dẻo đáng kể.

Các mô hình cơ học gãy, đặc biệt là các mô hình dựa trên Luật Paris, cung cấp một góc nhìn thay thế bằng cách tập trung vào tốc độ phát triển vết nứt thay vì sự khởi đầu của vết nứt. Các mô hình này cho thấy rằng giới hạn mỏi thực sự chỉ tồn tại khi phạm vi hệ số cường độ ứng suất giảm xuống dưới ngưỡng lan truyền vết nứt.

Cơ sở khoa học vật liệu

Giới hạn mỏi có mối tương quan mạnh mẽ với cấu trúc tinh thể, với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) trong vật liệu sắt thường biểu hiện giới hạn mỏi riêng biệt. Vật liệu lập phương tâm mặt (FCC) như nhôm thường không có giới hạn mỏi thực sự do các đặc điểm di động trật khớp khác nhau.

Các ranh giới hạt đóng vai trò kép trong hành vi mỏi. Chúng có thể cản trở chuyển động trật khớp và sự lan truyền vết nứt, tăng cường khả năng chống mỏi, nhưng cũng có thể đóng vai trò là các vị trí tập trung ứng suất nơi hư hỏng mỏi bắt đầu. Thép hạt mịn thường thể hiện giới hạn mỏi vượt trội do diện tích ranh giới hạt tăng lên, cản trở sự lan truyền vết nứt.

Giới hạn mỏi cũng phụ thuộc vào các đặc điểm cấu trúc vi mô như phân bố pha, hàm lượng tạp chất và hình thái kết tủa. Cấu trúc martensitic thường cung cấp giới hạn mỏi cao hơn cấu trúc ferritic hoặc pearlitic do độ cứng cao hơn và phân bố sai lệch đồng đều hơn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Giới hạn mỏi ($\sigma_e$) thường được xác định liên quan đến độ bền kéo cực đại ($\sigma_{UTS}$) đối với thép:

$$\sigma_e \khoảng 0,5 \sigma_{UTS}$$

Mối quan hệ thực nghiệm này chỉ ra rằng giới hạn mỏi bằng khoảng một nửa độ bền kéo cực đại đối với nhiều loại thép, mặc dù tỷ lệ này thay đổi tùy theo thành phần vật liệu và quá trình chế biến.

Công thức tính toán liên quan

Đối với các thành phần có tập trung ứng suất, giới hạn mỏi hiệu dụng ($\sigma_{e,eff}$) được giảm đi bởi hệ số khía mỏi ($K_f$):

$$\sigma_{e,eff} = \frac{\sigma_e}{K_f}$$

Trong đó $K_f$ liên quan đến hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ($K_t$) theo:

$$K_f = 1 + q(K_t - 1)$$

Với $q$ là hệ số độ nhạy của khía (nằm giữa 0 và 1).

Mối quan hệ Goodman cung cấp một phương pháp để tính đến tác động của ứng suất trung bình ($\sigma_m$) lên ứng suất xen kẽ cho phép ($\sigma_a$):

$$\frac{\sigma_a}{\sigma_e} + \frac{\sigma_m}{\sigma_{UTS}} = 1$$

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định vật liệu đồng nhất không có khuyết tật đáng kể và thường có giá trị đối với mỏi chu kỳ cao (>10^5 chu kỳ). Chúng trở nên kém chính xác hơn đối với các điều kiện tải phức tạp liên quan đến ứng suất đa trục hoặc tải biên độ thay đổi.

Mối quan hệ thực nghiệm giữa giới hạn mỏi và độ bền kéo bị phá vỡ đối với thép có độ bền rất cao (>1400 MPa), trong đó tỷ lệ này thường giảm xuống còn 0,3-0,4 do độ nhạy khía tăng lên.

Các mô hình này giả định điều kiện môi trường không đổi và không tính đến sự ăn mòn, nhiệt độ cao hoặc các yếu tố môi trường khác có thể làm giảm đáng kể hoặc loại bỏ giới hạn mỏi.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E466: Thực hành tiêu chuẩn 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.

ISO 1143: Vật liệu kim loại - Thử nghiệm độ mỏi uốn thanh quay - Chỉ định các phương pháp thử nghiệm độ mỏi uốn quay, thường được sử dụng để xác định giới hạn mỏi.

ASTM E739: Thực hành tiêu chuẩn để phân tích thống kê dữ liệu mỏi ứng suất-tuổi thọ (SN) và biến dạng-tuổi thọ (ε-N) tuyến tính hoặc tuyến tính hóa - Cung cấp các phương pháp thống kê để phân tích dữ liệu thử nghiệm mỏi.

JIS Z 2273: Phương pháp thử độ mỏi uốn quay của kim loại - Tiêu chuẩn Nhật Bản về thử độ mỏi uốn quay, được sử dụng rộng rãi ở các nước Châu Á.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử chùm tia quay tác dụng một mômen uốn không đổi lên mẫu vật quay quanh trục dọc của nó, tạo ra ứng suất kéo và nén xen kẽ trên bề mặt.

Hệ thống thử nghiệm servo-thủy lực cho phép thử nghiệm mỏi trục với khả năng kiểm soát chính xác tải trọng hoặc độ dịch chuyển, cho phép áp dụng nhiều tỷ lệ ứng suất và dạng sóng khác nhau.

Máy thử độ mỏi cộng hưởng hoạt động ở tần số cộng hưởng của mẫu, cho phép thử nghiệm ở tần số cao, giúp giảm đáng kể thời gian thử nghiệm trong khi vẫn duy trì kết quả chính xác.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn thường có phần đo đồng nhất với mặt cắt ngang hình tròn có đường kính 6-10 mm, với phần kẹp có đường kính lớn hơn và bán kính chuyển tiếp trơn tru.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải đánh bóng để loại bỏ các vết gia công, thường tiến hành bằng chất mài mòn ngày càng mịn hơn để đạt được độ nhám bề mặt Ra < 0,2 μm, sau đó là đánh bóng cuối cùng theo hướng trục.

Mẫu vật phải không bị thoát cacbon, điều này có thể được xác minh thông qua thử nghiệm độ cứng vi mô của lớp bề mặt hoặc được bảo vệ trong quá trình xử lý nhiệt với môi trường thích hợp.

Thông số thử nghiệm

Các thử nghiệm thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) với độ ẩm tương đối dưới 70% để ngăn ngừa tác động của môi trường, mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể mô phỏng các điều kiện dịch vụ.

Tần số tải dao động từ 10-200 Hz tùy thuộc vào hệ thống thử nghiệm, trong đó tần số cao hơn được sử dụng cho thử nghiệm mỏi chu kỳ cao để giảm thời gian thử nghiệm, với điều kiện là hiệu ứng gia nhiệt được kiểm soát.

Tỷ lệ ứng suất (R = ứng suất tối thiểu/ứng suất tối đa) thường được đặt ở R = -1 đối với tải hoàn toàn đảo ngược khi xác định giới hạn mỏi, mặc dù có thể sử dụng các tỷ lệ khác để mô phỏng các điều kiện dịch vụ cụ thể.

Xử lý dữ liệu

Phương pháp cầu thang (hoặc lên xuống) thường được sử dụng, trong đó biên độ ứng suất giảm sau khi sống sót và tăng sau khi hỏng, với mức tăng ứng suất bằng nhau, thường thử nghiệm 15-20 mẫu vật.

Phân tích thống kê áp dụng phương pháp xác suất tối đa để xác định giới hạn mỏi trung bình và độ lệch chuẩn của nó, thường giả định độ bền mỏi có phân phối chuẩn.

Giới hạn mỏi thường được định nghĩa là biên độ ứng suất mà tại đó 50% mẫu vật tồn tại sau 10^7 chu kỳ (đối với thép) hoặc 5×10^8 chu kỳ (đối với thử nghiệm mỏi chu kỳ rất cao gần đây).

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (MPa)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon (1020-1040)	170-310	R=-1, Nhiệt độ phòng, 10^7 chu kỳ	Tiêu chuẩn ASTM E466
Thép hợp kim thấp (4140-4340)	380-550	R=-1, Nhiệt độ phòng, 10^7 chu kỳ	Tiêu chuẩn ASTM E466
Thép không gỉ (304-316)	240-380	R=-1, Nhiệt độ phòng, 10^7 chu kỳ	Tiêu chuẩn ISO1143
Thép công cụ (H13, D2)	500-700	R=-1, Nhiệt độ phòng, 10^7 chu kỳ	Tiêu chuẩn ASTM E466

Thép cacbon có sự thay đổi đáng kể tùy theo hàm lượng cacbon và xử lý nhiệt, trong đó cấu trúc chuẩn hóa có giá trị thấp hơn so với điều kiện tôi và ram.

Thép hợp kim thấp có giới hạn mỏi cao hơn do sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim như crom, niken và molypden giúp tăng khả năng tôi luyện và tinh chỉnh cấu trúc vi mô.

Thép không gỉ austenit thường không có giới hạn mỏi thực sự nhưng lại có điểm ổn định trên đường cong SN, với các giá trị được báo cáo ở chu kỳ 10^7 thường được sử dụng cho mục đích thiết kế mặc dù sự suy thoái liên tục diễn ra ở các chu kỳ cao hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường áp dụng hệ số an toàn từ 1,5-2,5 cho giới hạn mỏi khi thiết kế các thành phần quan trọng, với hệ số cao hơn được sử dụng cho các điều kiện tải thay đổi hoặc khi dữ liệu thống kê bị hạn chế.

Biểu đồ Goodman đã sửa đổi thường được sử dụng để tính đến các tác động ứng suất trung bình, cho phép các nhà thiết kế xác định các kết hợp ứng suất cho phép nhằm ngăn ngừa hư hỏng do mỏi.

Việc lựa chọn vật liệu thường ưu tiên hiệu suất chịu mỏi hơn độ bền tĩnh đối với các bộ phận phải chịu nhiều chu kỳ, đặc biệt là trong các lĩnh vực vận tải, năng lượng và sản xuất.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong kỹ thuật ô tô, việc xem xét giới hạn mỏi rất quan trọng đối với các bộ phận hệ thống treo, trục khuỷu và thanh truyền phải chịu hàng triệu chu kỳ tải trong suốt vòng đời sử dụng của chúng.

Ngành hàng không vũ trụ phụ thuộc rất nhiều vào dữ liệu giới hạn chịu mỏi cho các thành phần cấu trúc, trong đó việc tối ưu hóa trọng lượng phải được cân bằng với hiệu suất chịu mỏi để đảm bảo an toàn trong suốt thời gian sử dụng của máy bay.

Thiết bị phát điện, đặc biệt là máy móc quay như tua-bin và máy phát điện, đòi hỏi phải xác định giới hạn mỏi chính xác để ngăn ngừa hỏng hóc thảm khốc trong nhiều thập kỷ hoạt động liên tục.

Đánh đổi hiệu suất

Giới hạn mỏi cao hơn thường đi kèm với cái giá phải trả là độ bền, tạo ra sự đánh đổi quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu cả tải trọng tuần hoàn và khả năng chống va đập, chẳng hạn như trong thiết bị khai thác mỏ.

Khả năng chống ăn mòn và hiệu suất chịu mỏi thường là những yêu cầu cạnh tranh nhau, vì phương pháp xử lý bề mặt giúp tăng cường khả năng chống ăn mòn có thể tạo ra ứng suất dư hoặc hydro làm giảm hiệu suất chịu mỏi.

Chi phí sản xuất tăng đáng kể khi thiết kế để đạt hiệu suất chịu mỏi gần với giới hạn của vật liệu, đòi hỏi phải gia công chính xác hơn, xử lý bề mặt và các biện pháp kiểm soát chất lượng có thể không hợp lý về mặt kinh tế đối với các ứng dụng không quan trọng.

Phân tích lỗi

Hỏng hóc do mỏi thường bắt đầu ở các điểm tập trung ứng suất như điểm gián đoạn hình học, khuyết tật bề mặt hoặc tạp chất, tạo thành các vết rạn đặc trưng cho thấy vết nứt phát triển dần dần.

Quá trình phá hủy diễn ra theo ba giai đoạn riêng biệt: bắt đầu nứt (thường ở bề mặt), lan truyền vết nứt ổn định (được đánh dấu bằng các kiểu bãi biển) và gãy nhanh cuối cùng khi mặt cắt ngang còn lại không còn chịu được tải trọng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm đưa ứng suất nén dư thông qua phun bi hoặc cán bề mặt, cải thiện bề mặt hoàn thiện và loại bỏ các điểm chuyển tiếp đột ngột thông qua bán kính góc lượn rộng.

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 giới hạn mỏi, trong đó thép carbon trung bình (0,4-0,5% C) thường cho thấy sự kết hợp tối ưu giữa độ bền và khả năng chống mỏi sau khi xử lý nhiệt thích hợp.

Mangan cải thiện hiệu suất chịu mỏi bằng cách tăng khả năng làm cứng và tạo thành các tạp chất sulfua mịn thay vì các tạp chất dài có tác dụng tập trung ứng suất.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh đặc biệt có hại cho tính chất chống mỏi, tạo thành các pha ranh giới hạt giòn hoặc các tạp chất kéo dài đóng vai trò là vị trí bắt đầu vết nứt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện giới hạn mỏi bằng cách cung cấp nhiều ranh giới hạt hơn, ngăn cản sự lan truyền vết nứt, tuân theo mối quan hệ kiểu Hall-Petch trong đó độ bền mỏi tăng theo nghịch đảo căn bậc hai của kích thước hạt.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất chịu mỏi, trong đó các cấu trúc vi mô đồng nhất thường hoạt động tốt hơn các cấu trúc không đồng nhất do phân bố ứng suất đồng đều hơn.

Các tạp chất phi kim loại hoạt động như chất tập trung ứng suất giúp giảm giới hạn mỏi, với tác động của chúng thay đổi theo kích thước, hình dạng và hướng so với hướng ứng suất được áp dụng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt tạo ra martensitic tôi luyện thường mang lại giới hạn mỏi cao nhất cho một thành phần thép nhất định do sự phân tán mịn của cacbua và mật độ sai lệch cao.

Các quy trình làm cứng bề mặt như thấm cacbon, thấm nitơ hoặc làm cứng cảm ứng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chịu mỏi bằng cách tạo ra ứng suất nén dư trên lớp bề mặt.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đến kiểu ứng suất dư và tính đồng nhất của cấu trúc vi mô, trong đó làm mát đồng đều hơn thường tạo ra các đặc tính chống mỏi tốt hơn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ cao làm giảm giới hạn mỏi bằng cách tăng cường tính di động của sự sai lệch và đẩy nhanh các thay đổi về cấu trúc vi mô, với sự giảm đáng kể thường được quan sát thấy ở nhiệt độ nóng chảy trên 0,3-0,4.

Môi trường ăn mòn có thể loại bỏ hiệu quả giới hạn mỏi bằng cách liên tục làm hỏng các lớp oxit bảo vệ và tạo ra các vị trí nứt mới, một hiện tượng được gọi là mỏi ăn mòn.

Sự giòn do hydro, dù là từ môi trường chế biến hay dịch vụ, đều làm giảm nghiêm trọng hiệu suất chịu mỏi bằng cách tạo điều kiện cho vết nứt hình thành và phát triển dọc theo ranh giới hạt.

Phương pháp cải tiến

Các phương pháp xử lý bề mặt như phun bi, đánh bóng bằng rulo hoặc phun bi sốc bằng laser tạo ra ứng suất nén dư có lợi, có thể tăng giới hạn mỏi lên 20-50% bằng cách làm chậm quá trình nứt.

Các phương pháp sản xuất thép sạch giúp giảm thiểu hàm lượng tạp chất và kiểm soát hình thái của chúng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chịu mỏi, đặc biệt là đối với các loại thép có độ bền cao.

Việc hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố như vanadi, niobi hoặc titan có thể tinh chỉnh cấu trúc hạt và tạo thành các chất kết tủa mịn ngăn cản chuyển động sai lệch, tăng cường khả năng chống mỏi.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ bền mỏi đề cập đến biên độ ứng suất mà vật liệu có thể chịu được trong một số chu kỳ nhất định, trong khi giới hạn mỏi biểu thị cụ thể ứng suất mà dưới đó sự cố sẽ không xảy ra bất kể số chu kỳ.

Tỷ lệ mỏi là tỷ lệ không có đơn vị giữa giới hạn mỏi và độ bền kéo cực đại, thường nằm trong khoảng từ 0,4 đến 0,6 đối với thép và cung cấp phương pháp ước tính nhanh hiệu suất mỏi.

Hệ số khía mỏi định lượng mức giảm hiệu suất mỏi do sự không liên tục về mặt hình học, khác với hệ số tập trung ứng suất lý thuyết ở chỗ tính đến độ nhạy khía của vật liệu.

Tiêu chuẩn chính

ASTM STP 566: Sổ tay về lập kế hoạch và phân tích thống kê cho các thí nghiệm về độ mỏi cung cấp hướng dẫn toàn diện về việc thiết kế các chương trình thử nghiệm độ mỏi và phân tích kết quả bằng các phương pháp thống kê phù hợp.

ISO 12107: Vật liệu kim loại - Thử nghiệm mỏi - Lập kế hoạch thống kê và phân tích dữ liệu thiết lập các giao thức quốc tế để xử lý dữ liệu mỏi theo thống kê, bao gồm xác định giới hạn mỏi.

SAE J1099: Báo cáo kỹ thuật về đặc tính mỏi chu kỳ thấp của vật liệu sắt và không chứa sắt cung cấp hướng dẫn dành riêng cho ngành công nghiệp cho các ứng dụng ô tô, trong đó các thành phần trải qua tương đối ít chu kỳ ứng suất nhưng có cường độ lớn.

Xu hướng phát triển

Kiểm tra mỏi chu kỳ rất cao (VHCF) nâng cao mở rộng đánh giá mỏi truyền thống vượt quá 10^7 chu kỳ lên 10^9-10^10 chu kỳ, cho thấy một số vật liệu có thể không có giới hạn mỏi thực sự nhưng vẫn tiếp tục phân hủy ở số chu kỳ rất cao.

Các phương pháp kỹ thuật vật liệu tính toán tích hợp cho phép dự đoán chính xác hơn giới hạn mỏi dựa trên các đặc điểm cấu trúc vi mô và lịch sử xử lý, giảm sự phụ thuộc vào các thử nghiệm vật lý mở rộng.

Các phương pháp thử nghiệm thu nhỏ sử dụng các mẫu vật nhỏ đang nổi lên để cho phép đánh giá độ mỏi của các khối lượng nhỏ vật liệu, rất quan trọng để đánh giá các đặc tính cục bộ trong các mối hàn, các thành phần được sản xuất bằng phương pháp bồi đắp hoặc các cấu trúc vi mô theo độ dốc.