1. Biến dạng trượt (creep) là gì?
Biến dạng trượt (creep) là hiện tượng một vật thể chịu tải trọng không đổi dưới nhiệt độ cao sẽ dần dần bị biến dạng theo thời gian.
Thông thường, khi vật thể chịu một lực cố định, nó sẽ biến dạng đến một mức nhất định rồi dừng lại. Tuy nhiên, nếu ở nhiệt độ cao, vật thể sẽ tiếp tục bị biến dạng chậm rãi và liên tục theo thời gian, dù lực không thay đổi.
(Đối với vật liệu nhựa, hiện tượng này cũng xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng và gọi là “biến dạng lạnh” – cold flow.)
Dưới đây là đồ thị mô tả sự kéo dài của vật thể khi chịu lực dưới nhiệt độ cao, cho thấy sự biến dạng ngày càng tăng theo thời gian.
Như đồ thị đã thể hiện, quá trình biến dạng trượt (creep) được chia thành ba giai đoạn chính.
- Giai đoạn 1: Biến dạng xảy ra nhanh chóng ngay từ đầu.
- Giai đoạn 2: Biến dạng tăng dần đều theo thời gian với một tốc độ ổn định, gọi là tốc độ creep (tốc độ biến dạng trượt).
- Giai đoạn 3: Biến dạng lại tăng nhanh đột ngột và cuối cùng dẫn đến phá hủy vật liệu.
Khi tải trọng thấp, sự kéo dài không tăng lên theo thời gian mà duy trì ở mức ổn định, như đường nét đứt trên hình minh họa. Giá trị ứng suất tối đa ở ngưỡng này gọi là giới hạn creep (giới hạn biến dạng trượt), tức là mức ứng suất mà dưới đó vật liệu không bị phá hủy do creep.
Do đó, khi thiết kế các sản phẩm sử dụng ở nhiệt độ cao, cần phải xem xét ảnh hưởng của biến dạng trượt. Nếu tải trọng tác động đủ nhỏ thì creep không xảy ra, nên có thể không cần cân nhắc trong thiết kế.
Ví dụ, trong các bộ phận được siết chặt bằng bu lông, creep có thể làm bu lông bị lỏng ra. Sự lỏng này làm giảm lực siết, có thể khiến bộ phận mất chức năng hoặc trong trường hợp xấu nhất là dẫn đến phá hủy. Vì vậy, đối với các chi tiết hoạt động ở nhiệt độ cao, cần kiểm tra trước khả năng xảy ra creep để đảm bảo an toàn và hiệu suất sử dụng.
2. Mỏi vật liệu (Fatigue) là gì
Độ bền mỏi vật liệu là khả năng vật liệu chống lại phá hủy do tải trọng lặp lại.
Trước đây, có một vụ tai nạn trật bánh tàu lượn siêu tốc do trục giữ bánh xe bị gãy. Nguyên nhân là do bu lông bị phá hủy do mỏi.
Bu lông chịu tác động của các tải trọng lặp đi lặp lại dẫn đến hiện tượng mỏi và cuối cùng bị phá hủy. Ngay cả khi tải trọng tác động rất nhỏ, cũng có thể gây ra gãy do mỏi. Hiện tượng này gọi là mỏi vật liệu, và sự phá hủy do mỏi gọi là phá hủy do mỏi.
Con người cũng có thể bị gãy xương do các tải trọng lặp đi lặp lại giống như vậy, gọi là gãy xương do mỏi.
Các vật liệu rất bền như kim loại cũng có thể bị mỏi tương tự như xương.
Thông thường, những vật liệu không bị phá hủy dưới tác dụng của tải trọng đơn lẻ, nhưng khi chịu tải trọng lặp lại nhiều lần có thể dẫn đến phá hủy, vì vậy trong thiết kế cần phải đặc biệt chú ý.
Phá hủy do mỏi phụ thuộc vào cường độ tải trọng (ứng suất) và số lần lặp lại của tải trọng — có thể dẫn đến phá hủy hoặc không tùy vào hai yếu tố này.
Dưới đây là biểu đồ ứng suất – biến dạng của thép mềm mà chúng ta đã tìm hiểu ở phần “Ứng suất và biến dạng”.
Thông thường, khi thiết kế, người ta sẽ đảm bảo ứng suất nằm trong phạm vi giới hạn đàn hồi hoặc giới hạn tỷ lệ như được thể hiện bằng màu xanh dương trong hình trên. Tuy nhiên, ngay cả khi thiết kế theo phạm vi này, nếu vật liệu chịu tải trọng lặp lại nhiều lần, vẫn có thể xảy ra hiện tượng phá hủy.
Nếu ứng suất luôn nằm dưới một giá trị nhất định, thì cho dù có chịu tải trọng lặp đi lặp lại bao nhiêu lần đi nữa, cũng sẽ không xảy ra hiện tượng phá hủy do mỏi. Giá trị giới hạn ứng suất đó được gọi là giới hạn mỏi (fatigue limit).
Khi thiết kế các chi tiết sẽ chịu tải trọng lặp lại, cần đảm bảo ứng suất làm việc không vượt quá giới hạn mỏi. Việc phá hủy do mỏi chủ yếu chịu ảnh hưởng bởi hai yếu tố:
- Ứng suất lặp lại
- Số lần lặp lại (chu kỳ tải)
Để biểu thị khả năng chịu mỏi của vật liệu dựa trên hai yếu tố này, người ta sử dụng đồ thị SN (Stress – Number of Cycles). Trên đồ thị này, trục tung biểu diễn ứng suất lặp lại, còn trục hoành biểu diễn số chu kỳ tải. Đồ thị có dạng như hình minh họa bên dưới.
Trên đường cong màu đỏ trong đồ thị, khi giảm giá trị của ứng suất lặp lại, số lần tải lặp lại mà vật liệu có thể chịu được sẽ tăng lên. Nói cách khác, khi ứng suất càng nhỏ, khả năng chống chịu mỏi của vật liệu càng cao.
Khi ứng suất giảm xuống đến một mức nhất định (phần nằm ngang của đường cong màu đỏ), vật liệu có thể chịu được số lần lặp lại gần như vô hạn mà không bị phá hủy. Mức ứng suất này được gọi là giới hạn mỏi (fatigue limit) – đã được đề cập ở phần trước.
Lưu ý:
Giới hạn mỏi chỉ tồn tại ở một số vật liệu như thép mềm (soft steel).
Tuy nhiên, đối với các kim loại màu như nhôm (aluminum) và các vật liệu phi sắt khác, không tồn tại giới hạn mỏi tuyệt đối. Trong trường hợp đó, người thiết kế sẽ chọn một mức ứng suất đủ nhỏ mà vật liệu có thể chịu được số chu kỳ tải mong muốn, và lấy đó làm cơ sở thiết kế “giả định” giới hạn mỏi.
Tổng kết:
Chúng ta đã cùng tìm hiểu về hai cơ chế hỏng hóc quan trọng là creep (biến dạng trượt) và fatigue (mỏi vật liệu).
Với các bộ phận máy móc như ô tô hay thiết bị công nghiệp – thường xuyên chịu rung động và tải trọng dao động – việc thiết kế sao cho phân bố ứng suất đồng đều, tránh tập trung ứng suất là vô cùng quan trọng để đảm bảo độ bền và độ an toàn của sản phẩm.
