Tiêu chuẩn TCVN 8185:2009 Thử mỏi vật liệu kim loại bằng phương pháp đặt lực dọc trục

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 8185:2009

ISO 1099:2006

VẬT LIỆU KIM LOẠI - THỬ MỎI - PHƯƠNG PHÁP ĐẶT LỰC DỌC TRỤC ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC

Metallic materials - Fatigue testing - Axial force-controlled method

Lời nói đầu

TCVN 8185 : 2009 hoàn toàn tương đương với ISO 1099 : 2006.

TCVN 8185 : 2009 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC 164 Thử cơ lý kim loại biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn cho thử mỏi theo chu kỳ bằng đặt lực dọc trục có biên độ không đổi điều khiển được trên mẫu thử kim loại để xác định dữ liệu tuổi thọ (độ bền mỏi) (nghĩa là ứng suất đối với số chu trình khi phá hủy).

Thông thường các mẫu thử giống nhau được lắp trên máy thử mỏi kiểu đặt lực chiều trục và chịu các điều kiện tải trọng yêu cầu sao cho đưa vào bất kỳ loại chu trình ứng suất nào như được minh họa ở Hình 1. Nếu không có qui định khác dạng sóng thử phải có biên độ không đổi, dạng hình sin.

Lực đặt vào mẫu thử theo phương dọc trục đi qua tâm của từng mặt cắt ngang.

Phép thử được tiếp tục cho đến khi mẫu thử bị phá hủy hoặc cho đến khi vượt quá số chu trình ứng suất xác định trước. (Xem các Điều 4 và 13).

Phép thử điển hình được tiến hành ở nhiệt độ thường (lý tưởng từ 10 °C đến 35 °C).

CHÚ THÍCH: Kết quả của phép thử mỏi có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khí quyển, do đó các điều kiện này phải theo 2.1 của ISO 554:1976.

VẬT LIỆU KIM LOẠI - THỬ MỎI - PHƯƠNG PHÁP ĐẶT LỰC DỌC TRỤC ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC

Metallic materials - Fatigue testing - Axial force-controlled method

1. Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này qui định điều kiện tiến hành thử mỏi mẫu kim loại bằng đặt lực dọc trục được điều khiển có biên độ không đổi ở nhiệt độ thường, không tạo ra sự tập trung ứng suất. Mục đích của phép thử để đưa ra thông tin về độ bền mỏi, như mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng và số chu trình đạt tới sự phá hủy của vật liệu đã cho ở các hệ số ứng suất khác nhau.

Tiêu chuẩn này mô tả hình dạng, sự chuẩn bị và tiến hành thử nghiệm mẫu có mặt cắt ngang hình tròn hoặc hình chữ nhật và không bao gồm sự thử bộ phận và thử các dạng riêng khác.

CHÚ THÍCH: Tiêu chuẩn này không bao gồm thử mỏi các mẫu được cắt rãnh do hình dạng và kích thước của mẫu thử này không được tiêu chuẩn hóa. Tuy nhiên, qui trình thử được mô tả trong tiêu chuẩn này có thể được áp dụng để thử mỏi các mẫu được cắt rãnh.

2. Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu dưới đây là rất cần thiết đối với việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với tài liệu có ghi năm công bố, áp dụng phiên bản được nêu. Đối với tài liệu không ghi năm công bố, áp dụng phiên bản mới nhất (bao gồm cả các sửa đổi).

ISO 554: 1976, Standard atmospheres for conditioning and/or testing - Specifications (Môi trường chuẩn cho thuần hóa và/hoặc thử nghiệm - Đặc tính kỹ thuật).

ISO 4287: 1997, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Terms, definitions and surface texture parameters (Đặc tính hình học của sản phẩm (GPS) - Cấu trúc bề mặt: Phương pháp prôfin - Thuật ngữ, định nghĩa và thông số cấu trúc bề mặt).

ISO 4288: 1996, Geometrical Product Specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Rules and procedures for the assessment of surface texture (Đặc tính hình học của sản phẩm (GPS) - Cấu trúc bề mặt: Phương pháp prôfin - Qui tắc và qui trình đánh giá cấu trúc bề mặt).

ISO 4965: 1979, Axial load fatigue testing machines - Dynamic force calibration - Strain gauge technique (Máy thử mỏi đặt tải dọc trục - Hiệu chuẩn lực động - Kỹ thuật đo biến dạng).

ISO 7500-1: 2004, Metallic materials - Verification of static uniaxial testing machines - Part 1: Tension/compression testing machines - Verification and calibration of the force-measuring system (Vật liệu kim loại - Kiểm định máy thử một trục tĩnh - Phần 1: Máy thử kéo/nén - Kiểm định và hiệu chuẩn hệ thống đo lực).

3. Thuật ngữ và định nghĩa

Tiêu chuẩn này áp dụng các thuật ngữ và định nghĩa sau.

3.1. Đường kính thử (test diameter), d

Khoảng cách theo hướng xuyên tâm hoặc chiều rộng của mẫu thử tại đó ứng suất là lớn nhất.

Xem Hình 3 và Hình 4.

3.2. Chiều dày của phần thử (thickness of test section), a

Chiều dày của mặt cắt ngang hình chữ nhật của mẫu thử.

3.3. Chiều rộng của phần thử (width of test section), b

Chiều rộng của mặt cắt ngang hình chữ nhật của mẫu thử.

3.4. Chiều dài phần song song (parallel length), L_c

Chiều dài đo của phần thử của mẫu thử có đường kính hoặc chiều rộng bằng đường kính thử hoặc chiều rộng thử và là phần song song.

Xem Hình 3 và Hình 4.

3.5. Bán kính (radius), r

Độ cong ở các đầu của phần thử bắt đầu có sự chuyển tiếp từ đường kính thử, d, hoặc chiều rộng thử, b, đến đường kính hoặc chiều rộng của các đầu kẹp; hoặc bán kính của đường cong liên tục giữa hai đầu kẹp của mẫu thử.

CHÚ THÍCH: Đường cong này không cần đúng là cung tròn trên toàn bộ chiều dài từ đầu của phần thử đến chỗ bắt đầu của đầu mở rộng đối với các mẫu thử trên các Hình 3a) và Hình 4a).

3.6. Ứng suất lớn nhất (maximum stress), s_max, S_max

Giá trị đại số lớn nhất của ứng suất trong một chu trình ứng suất.

Xem Hình 2.

3.7. Ứng suất trung bình (mean stress), s_m, S_m

Một nửa tổng đại số của ứng suất lớn nhất và ứng suất nhỏ nhất trong chu trình ứng suất.

Xem Hình 2.

3.8. Ứng suất nhỏ nhất (minimum stress), s_min, S_min

Giá trị đại số nhỏ nhất của ứng suất trong chu trình ứng suất.

Xem Hình 2.

3.9. Biên độ ứng suất (stress amplitude), s_a, S_a

Một nửa hiệu đại số giữa ứng suất lớn nhất và ứng suất nhỏ nhất trong chu trình ứng suất.

Xem Hình 2.

3.10. Miền ứng suất (stress range), ∆s, ∆S

Hiệu số giữa ứng suất lớn nhất và ứng suất nhỏ nhất

∆s = s_max - s_min hoặc ∆ S = S_max - S_min.

Xem Hình 2.

3.11. Hệ số ứng suất (stress ratio), R_s

Tỉ số giữa ứng suất nhỏ nhất và ứng suất lớn nhất của một chu trình.

R_s = s_min / s_max.

Xem Hình 2.

3.12. Chu trình ứng suất (stress cycle)

Sự thay đổi của ứng suất theo thời gian, lặp lại có chu kỳ và giống hệt nhau.

Xem Hình 2.

3.13. Số chu trình (number of cycles), N

Số lượng các đoạn nhỏ nhất của biểu đồ hàm lực-thời gian, ứng suất-thời gian, biến dạng-thời gian hàm đó được lặp lại có chu kỳ.

3.14. Tuổi thọ (độ bền mỏi) (fatigue life (endurance), N_f

Số chu trình tác dụng đến dấu hiệu phá hủy qui định.

3.15. Giới hạn mỏi ở số chu trình N (fatigue strength at N cycles), s_N

Giá trị của biên độ ứng suất tại hệ số ứng suất đã biết trong đó mẫu thử sẽ có tuổi thọ N chu trình.

4. Kế hoạch thử nghiệm

4.1. Nguyên tắc chung

Trước khi bắt đầu thử nghiệm, nếu không có các qui định khác trong tiêu chuẩn sản phẩm tương ứng, phải có sự nhất trí của các bên có liên quan về:

a) Dạng mẫu thử sử dụng (xem 5.1).

b) Hệ số ứng suất sử dụng.

c) Mục đích thử nghiệm, nghĩa là để xác định:

- tuổi thọ ở biên độ ứng suất đã qui định;

- giới hạn mỏi ở “độ bền mỏi” qui định;

- đồ thị đường cong S/N hoặc đường cong Wohler đầy đủ.

d) Số lượng mẫu thử và trình tự thử nghiệm.

e) Giới hạn số chu trình phải thử khi mẫu chưa bị phá hủy.

f) Nhiệt độ thử nếu nhiệt độ này khác so với các yêu cầu trong 5.2.

Thường sử dụng “độ bền mỏi” , ví dụ, 10⁷ chu trình đối với thép kết cấu và 10⁸ chu trình đối với các thép khác và hợp kim màu. Tuy nhiên trong quan niệm nghiên cứu gần đây, điều quan trọng cần lưu ý là các kim loại thường không thể hiện bản chất “giới hạn độ bền mỏi” hoặc “giới hạn mỏi”, tức là, một ứng suất mà dưới ứng suất này kim loại sẽ chịu một “số chu trình vô hạn”. Đặc biệt là, “trạng thái bình ổn” trong tuổi bền ứng suất được xem như một “giới hạn mỏi” hoặc “giới hạn độ bền mỏi” qui ước, nhưng sự phá hủy dưới các mức này đã xảy ra và được báo cáo. Ví dụ, xem các tham khảo từ [1] đến [3] trong thư mục tài liệu tham khảo.

4.2. Biểu diễn kết quả thử mỏi

Dự định nghiên cứu, và cách sử dụng kết quả, chi phối sự lựa chọn phương pháp biểu diễn kết quả thích hợp nhất từ các phương pháp có thể sử dụng, bằng đồ thị và bằng phương pháp khác. Kết quả thử mỏi thường được biểu diễn bằng đồ thị. Trong bản báo cáo dữ liệu thử mỏi, điều kiện thử phải được xác định rõ ràng. Mong muốn bổ sung dữ liệu số được xếp thành bảng vào các biểu diễn bằng đồ thị ở đó dạng biểu diễn cho phép.

4.2.1. Đồ thị đường cong S-N hoặc Wohler

Phương pháp biểu diễn kết quả thử mỏi bằng đồ thị phổ biến nhất là vẽ biểu đồ trong đó hoành độ là số chu trình đến khi phá hủy, N, và tung độ giá trị của biên độ ứng suất hoặc, phụ thuộc vào loại chu trình ứng suất, là bất kỳ ứng suất khác. Đường cong này được vẽ trơn như một đường nội suy qua giữa các điểm thực nghiệm được gọi là đường cong S-N hoặc đường cong Wohler. Thang lôga được sử dụng cho số chu trình và cách chọn cho dù có tuyến tính hay không hoặc thang lôga được sử dụng cho trục ứng suất là quyền của người thử nghiệm. Các đường cong riêng lẻ được vẽ cho mỗi nhóm thử ứng với mỗi hệ số R. Các kết quả thực nghiệm thường được vẽ trên cùng một hình. Ví dụ cách biểu diễn bằng đồ thị này được chỉ ra ở Hình 5, ở đó sử dụng thang đo ứng suất tuyến tính (thẳng).

4.2.2. Biểu đồ ứng suất trung bình

Giới hạn mỏi nhận được từ đồ thị đường cong Wohler hoặc đường cong S-N được vẽ trong biểu đồ giới hạn mỏi. Các kết quả có thể được biểu diễn trực tiếp bằng đồ thị đã cho, đặc biệt là đối với “độ bền mỏi”, biên độ ứng suất dựa trên ứng suất trung bình, như chỉ ra trên Hình 7 (biểu đồ Smith); hoặc bằng việc vẽ đồ thị ứng suất lớn nhất dựa trên ứng suất nhỏ nhất, như chỉ ra trên Hình 8 (biểu đồ Ros). Các kết quả thực nghiệm có thể được vẽ trên cùng một hình.

4.2.3. Căn thẳng

Việc kiểm tra căn thẳng phải được thực hiện bằng cách sử dụng một mẫu hiệu chuẩn tiêu chuẩn. Mẫu được minh họa ở Hình 9 phải có dạng hình học tương tự với mẫu được thử. Mẫu căn thẳng nên được làm từ thép được tôi cứng hoặc vật liệu tương tự có khả năng biến dạng đàn hồi tổng ít nhất 0,4 % hoặc lực tương ứng với biến dạng lớn nhất đặt trên mẫu được sử dụng trong loạt thử.

Để kiểm tra sai lệch do dịch chuyển góc, dịch chuyển ngang và/hoặc dịch chuyển của bộ truyền tải, mẫu căn thẳng phải có cảm biến được kẹp chặt tại các vị trí A, B và C như minh họa ở Hình 9. Cùng với đầu hoặc đáy (không phải cả hai) của mẫu được đo biến dạng được kẹp trong thiết bị kẹp, nhiệt độ phải được tính đến để làm cân bằng và sự điều chỉnh chuẩn không (0) của bộ khuyếch đại cầu đo. Ở thời điểm này, mẫu căn thẳng phải được kẹp trong cả kẹp trên và kẹp dưới.

Mẫu đã được hiệu chỉnh phải được đặt tải kéo đến biến dạng lớn nhất 0,4 % hoặc lực tương ứng với biến dạng lớn nhất đặt trên mẫu trong các loạt thử, nếu giá trị này không vượt quá 0,4 % biến dạng trên mẫu thử hiệu chỉnh. Lực thử phải được đặt lên mẫu thử đã được hiệu chỉnh bốn lần, tương ứng với các vị trí của mẫu: 0°, 90°, 180°, 270°. Phần trăm độ uốn được tính toán cho từng vị trí trong bốn vị trí mẫu thử phù hợp với sơ đồ trong Hình 9. Nếu phần trăm độ uốn vượt quá 5 % trên một hoặc nhiều hơn của ba mặt phẳng đo đối với bất kỳ vị trí nào trong số bốn vị trí mẫu thử, sự điều chỉnh phải được thực hiện trong bộ dẫn động khung thử hoặc đồ gá và/hoặc bộ biến đổi đo lực, tiếp theo lặp lại qui trình cho đến khi đạt được nhỏ hơn 5 % giới hạn phần trăm độ uốn.

Qui trình này phải được lặp lại trong sự nén ép để chắc chắn rằng sự căn thẳng nằm trong phạm vi qui định (nghĩa là 5 %).

Nếu sự kiểm tra không thỏa mãn thì phải thực hiện:

- Tính lặp lại của phép đo phải được kiểm định bằng cách thực hiện qui trình này vài lần.

- Sự kiểm tra phải được thiết lập để các kết quả có thể qui cho nhóm các phép thử và không qui cho mẫu thử.

- Các chi tiết cấu thành bộ kẹp (dụng cụ, phần tử, máy) phải được kiểm tra về độ chính xác hình học của chúng.

5. Hình dạng và kích thước mẫu thử

5.1. Hình dạng mẫu thử

Nói chung, phải sử dụng mẫu có phần thử được gia công hoàn toàn như loại được chỉ ra ở Hình 3 và Hình 4.

Mẫu thử có thể như sau:

- Có mặt cắt ngang hình tròn, có các cung lượn tròn tiếp tuyến giữa phần thử với các đầu [Hình 3 a)], hoặc có bán kính liên tục giữa hai đầu [Hình 3 b)];

- Có mặt cắt ngang hình chữ nhật có chiều dày đồng đều trên phần thử có các cung lượn tròn tiếp tuyến giữa phần thử với các đầu để kẹp [Hình 4 a)], hoặc có bán kính liên tục giữa hai đầu [Hình 4 b)].

Điều quan trọng cần lưu ý là, đối với mẫu có mặt cắt ngang hình chữ nhật, có thể cần phải giảm cả chiều dày và chiều rộng của phần thử. Nếu điều này là cần thiết, khi đó các cung lượn tròn phải được yêu cầu theo cả các hướng chiều dày và chiều rộng. Ngoài ra, đối với mẫu có mặt cắt ngang hình chữ nhật, khi cần tính đến trạng thái bề mặt kim loại được sử dụng trong ứng dụng thực tế, thì ít nhất một bề mặt của phần thử của mẫu thử phải giữ lại không gia công. Đây cũng thường là trường hợp, đối với các phép thử mỏi được tiến hành với việc sử dụng mẫu thử có mặt cắt ngang hình chữ nhật, thì kết quả thử luôn không thể so sánh được với kết quả xác định trên mẫu hình trụ, do sự khó khăn trong việc đạt được một bề mặt hoàn thiện thích hợp hoặc do các vết nứt mỏi bắt đầu ở các góc của mẫu thử hình chữ nhật.

Đối với dạng khác của mẫu thử mà phần thử được định dạng bằng bán kính lượn liên tục, bán kính này không được nhỏ hơn 3d (hoặc 3b) và hệ số tập trung ứng suất đàn hồi phải được đưa vào trong báo cáo thử.

5.2. Đo nhiệt độ mẫu thử

Phép thử điển hình được tiến hành ở nhiệt độ thường (lý tưởng từ 10 °C đến 35 °C). Trong trường hợp thử ở nhiệt độ thấp hoặc cao, nhiệt độ mẫu thử có thể được đo bằng cách sử dụng cặp nhiệt điện tiếp xúc với bề mặt mẫu, hoặc bằng thiết bị thích hợp khác có độ chính xác tới ± 2 °C. Nhiệt độ của mẫu thử, T, phải được dẫn chứng bằng tài liệu nếu nó được xem là “cao” (H), tức là lớn hơn hoặc bằng 0,3 lần nhiệt độ đồng đẳng của kim loại [nghĩa là ³ 0,3 T_H = T_thử (K) / T_chảy (K)].

6. Mẫu thử

6.1. Dạng hình học

6.2. Sản phẩm (thanh, tấm phẳng dày hơn 5 mm)

Phần đo của mẫu đại diện một phần tử thể tích của vật liệu được nghiên cứu, nó hàm ý rằng dạng hình học của mẫu không được ảnh hưởng đến việc sử dụng các kết quả.

Nên sử dụng các kích thước hình học trong Bảng 1 (xem Hình 3).

Bảng 1

Có thể sử dụng mặt cắt ngang hình học và chiều dài đo khác. Điều quan trọng là dung sai chung của mẫu tôn trọng ba tính chất sau:

(Các giá trị này được biểu thị liên quan đến trục hoặc mặt phẳng chuẩn).

6.1.2. Sản phẩm phẳng có chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng 5 mm

Nói chung, sự xem xét trong 6.1.1 cũng được áp dụng để thử cho các sản phẩm trên.

Do thường đặt tải thấp, nên có thể yêu cầu bộ biến đổi đo lực phải nhạy cảm hơn.

Nói chung, chiều rộng của mẫu được làm giảm đi trong đoạn chiều dài đo để tránh hỏng ở các đầu kẹp. Trong một số ứng dụng, có thể cần thiết bổ sung thêm các miếng đệm ở đầu mẫu thử để tăng sự kẹp chặt và chiều dày, cũng như để tránh hỏng ở các đầu kẹp (Hình 10).

Sự hiệu chỉnh căn thẳng mẫu thử phải được kiểm tra cẩn thận về:

- Độ song song và sự thẳng hàng của các kẹp,

- Sự thẳng hàng của mẫu thử với trục đặt tải.

Sự kiểm định này phải được thực hiện bằng việc sử dụng một mẫu có dạng hình học tương tự đến mức có thể thực hiện so với mẫu được thử, được trang bị các biến dạng kế trên hai mặt. Trong một số trường hợp, có thể cần phải sử dụng các tấm kẹp chống cong vênh trên các mặt của mẫu. Ví dụ tấm kẹp chống cong vênh được chỉ ra trên Hình 11. Tuy nhiên, thường không sử dụng các tấm kẹp chống cong vênh này.

6.2. Chuẩn bị mẫu

Trong tất cả các chương trình thử mỏi để mô tả tính chất bên trong (thuộc bản chất) của vật liệu, điều quan trọng là phải tuân theo các kiến nghị sau trong khi chuẩn bị mẫu. Có thể có sai khác so với các kiến nghị này nếu chương trình thử tập trung vào xác định ảnh hưởng của yếu tố riêng (xử lý bề mặt, sự oxy hóa, ...) không thích hợp với các kiến nghị này. Trong tất cả các trường hợp, các sai khác này phải được ghi chú trong báo cáo thử.

6.2.1. Qui trình gia công

6.2.1.1. Qui định chung

Qui trình gia công được chọn có thể gây ra ứng suất dư trên bề mặt mẫu có khả năng ảnh hưởng đến kết quả thử. Ứng suất dư này có thể được gây ra bởi sự thay đổi nhiệt trong giai đoạn gia công, ứng suất kết hợp với biến dạng của kim loại hoặc các thay đổi tổ chức tế vi. Ảnh hưởng của chúng thấp hơn khi thử ở nhiệt độ cao vì ứng suất dư được khử một phần hoặc toàn bộ ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, có thể giảm ứng suất dư bằng cách sử dụng qui trình gia công lần cuối thích hợp, đặc biệt là trước khi đánh bóng lần cuối.

Đối với các vật liệu cứng hơn, mài được ưu tiên hơn gia công bằng cắt gọt (tiện hoặc phay). Tiếp sau đó là đánh bóng.

- Mài: loại bỏ 0,1 mm của đường kính cuối cùng ở tốc độ không lớn hơn 0,005 mm/một lần mài.

- Đánh bóng: loại bỏ lần cuối 0,025 mm với các giấy giáp có kích thước hạt giảm dần. Nên sử dụng phương đánh bóng lần cuối dọc theo trục của mẫu.

6.2.1.2. Sự thay đổi tổ chức tế vi của kim loại

Hiện tượng này có thể do sự tăng nhiệt độ và sự biến cứng nguội do gia công. Nó có thể là sự thay đổi pha của vật chất hoặc thường là sự kết tinh lại bề mặt. Ảnh hưởng trực tiếp của hiện tượng này là làm cho phép thử không hợp lệ, vì vật liệu đã thử không là vật liệu lúc đầu nữa. Do vậy phải thực hiện các biện pháp phòng ngừa để tránh rủi ro này.

6.2.1.3. Sự lẫn tạp chất

Cơ tính của một số loại vật liệu bị giảm đi khi có mặt của một vài nguyên tố hoặc hợp chất nào đó. Ví dụ như ảnh hưởng của clo trong thép và hợp kim titan. Do đó phải tránh các nguyên tố này trong các sản phẩm sử dụng (dung dịch trơn nguội, ...). Nên rửa và lau tẩy dầu mỡ cho mẫu thử trước khi bảo quản.

6.2.2. Lấy mẫu và ghi nhãn

Việc lấy mẫu vật liệu thử từ bán thành phẩm hoặc từ một bộ phận có thể có ảnh hưởng lớn đến kết quả nhận được trong khi thử. Do đó việc lấy mẫu này cần thiết được tiến hành với sự hiểu biết đầy đủ về trạng thái. Một bản vẽ lấy mẫu được đính kèm với báo cáo thử phải cho biết một cách rõ ràng về:

- Vị trí của từng mẫu thử,

- Phương đặc trưng mà bán thành phẩm đã được chế tạo (phương cán, đùn, …, nếu thích hợp), và

- Ghi nhãn/sự nhận biết từng mẫu thử.

Các mẫu thử phải có nhãn/sự nhận biết trong từng giai đoạn khác nhau khi chuẩn bị chúng. Nhãn/sự nhận biết có thể được ứng dụng bằng cách sử dụng bất kỳ phương pháp đáng tin cậy nào trong vùng không bao giờ biến mất trong quá trình gia công hoặc không ảnh hưởng bất lợi đến chất lượng của phép thử.

6.2.3. Trạng thái bề mặt của mẫu thử

Trạng thái bề mặt của mẫu thử có ảnh hưởng đến kết quả thử. Ảnh hưởng này thường được đi kèm với một hoặc nhiều yếu tố sau:

- Độ nhám bề mặt mẫu thử;

- Sự hiện hiện của ứng suất dư;

- Sự thay đổi tổ chức tế vi của vật liệu;

- Sự lẫn tạp chất.

Các kiến nghị dưới đây cho phép làm giảm ảnh hưởng của các yếu tố này đến mức nhỏ nhất.

Trạng thái bề mặt thường xác định bằng độ nhám trung bình hoặc tương đương (ví dụ độ nhám của 10 điểm hoặc chiều cao lớn nhất của nhấp nhô bề mặt). Ảnh hưởng của sự thay đổi này đến các kết quả nhận được phụ thuộc nhiều vào điều kiện thử, và ảnh hưởng của nó được làm giảm bằng ăn mòn bề mặt của mẫu hoặc biến dạng dẻo. Trong bất cứ điều kiện thử nào, nên ưu tiên qui định độ nhám bề mặt trung bình R_a nhỏ hơn 0,2 mm (hoặc tương đương). Xem ISO 4287 và ISO 4288.

Thông số quan trọng khác không bao gồm độ nhám trung bình là sự có mặt của các vết xước cục bộ do gia công. Các nguyên công cuối cùng trên các mẫu tròn phải loại bỏ tất cả các vết xước theo chu vi được tạo ra trong quá trình tiện. Đặc biệt nên đánh bóng cơ học dọc theo trục sau khi mài lần cuối. Kiểm tra với độ phóng đại nhỏ (khoảng 20 lần) phải không thấy bất kỳ vết xước theo chu vi nào trong chiều dài đo.

Nếu nhiệt luyện được thực hiện sau khi gia công hoàn thiện thô mẫu thì tiến hành đánh bóng lần cuối sau khi nhiệt luyện sẽ thích hợp hơn. Nếu không thể thực hiện được điều này, nhiệt luyện phải được thực hiện trong chân không hoặc trong khí trơ để ngăn ngừa sự oxy hóa mẫu thử. Sự nhiệt luyện này không được làm thay đổi các đặc tính tổ chức tế vi của vật liệu. Các đặc trưng của nhiệt luyện và qui trình gia công phải được báo cáo cùng với kết quả thử.

6.2.4. Kiểm tra kích thước

Các kích thước phải được đo khi hoàn thành giai đoạn gia công lần cuối bằng cách dùng phương pháp đo sao cho không làm thay đổi trạng thái bề mặt.

6.2.5. Bảo quản và vận chuyển

Sau khi chuẩn bị, mẫu phải được bảo quản để ngăn ngừa các rủi ro hư hỏng (các vết xước do tiếp xúc, sự oxy hóa, ...). Nên sử dụng các hộp hoặc ống riêng biệt có các nắp ở đầu. Trong một số trường hợp, cần thiết bảo quản trong chân không hoặc trong bình chống ẩm được đổ đầy chất chống ẩm silicagen.

Việc vận chuyển nên được giảm tới mức nhỏ nhất cần thiết. Sự chú ý đặc biệt phải được đưa ra để ghi nhãn các mẫu. Sự nhận biết phải được gắn vào từng đầu của mẫu trước khi thử.

7. Thiết bị

7.1. Máy thử

Phép thử phải được thực hiện trên máy kéo-nén, được thiết kế để khởi động êm mà không có sự giật cục khi chuyển qua điểm không (0). Máy phải có độ cứng vững trên phương ngang và sự căn thẳng chính xác.

Toàn bộ hệ thống đặt tải (bao gồm bộ biến đổi đo lực, các thiết bị kẹp, và mẫu) phải có độ cứng vững trên phương ngang và có khả năng điều chỉnh và đo lực khi áp dụng chu kỳ tải trọng dạng sóng được đề nghị.

7.1.1. Bộ biến đổi đo lực

Bộ biến đổi đo lực phải có độ cứng vững cả trên phương ngang và phương dọc trục. Khả năng của nó phải thích hợp cho các lực được đặt trong khi thử. Bộ biến đổi đo lực phải được đánh giá về mỏi và thích hợp cho các lực được đặt trong khi thử. Lực được chỉ thị như được ghi ở cổng ra từ máy vi tính trong một hệ thống tự động, hoặc từ thiết bị ghi tín hiệu ra cuối cùng trong bất kỳ hệ thống không tự động nào, phải nằm trong sai lệch cho phép được qui định so với lực thực tế. Khả năng cảm biến tải trọng phải đủ bao hàm dải các tải trọng đo được trong một phép thử với độ chính xác tốt hơn 1 % giá trị đọc. Cảm biến lực phải được bù nhiệt và không có sự trôi điểm không hoặc sai lệch độ nhạy lớn hơn 0,002 % giá trị thang đo cho mỗi 1 °C.

7.1.2. Kẹp mẫu

Thiết bị kẹp mẫu phải truyền lực có chu kỳ tới mẫu mà không có sự ngắt quãng dọc theo trục của mẫu. Khoảng cách giữa các đầu kẹp phải nhỏ nhất tới mức có thể để tránh xu hướng mẫu thử bị biến dạng. Các đặc trưng hình học của thiết bị kẹp mẫu phải đảm bảo hiệu chỉnh sự căn thẳng để đáp ứng các yêu cầu được qui định trong 7.1.3; Do đó cần thiết giới hạn số lượng các bộ phận của các thiết bị kẹp này, và giảm số lượng các bề mặt tiếp xúc cơ học tới mức nhỏ nhất.

Thiết bị kẹp phải đảm bảo rằng việc lắp ghép mẫu thử có thể lặp lại được. Thiết bị kẹp phải có các bề mặt đảm bảo sự căn thẳng mẫu và các bề mặt này, cho phép truyền lực kéo và nén không có sự ngắt quãng trong suốt quá trình thử.

7.1.3. Kiểm tra sự căn thẳng

Sự uốn do không thẳng hàng trong hệ thống kẹp cứng thường do:

a) Dịch chuyển góc của các đầu kẹp mẫu thử;

b) Dịch chuyển ngang của các thanh chất tải (hoặc các đầu kẹp mẫu thử) trong một hệ thống cứng vững lý tưởng;

c) Dịch chuyển trong lắp ráp bộ truyền lực đối với hệ thống không cứng vững; hoặc

d) Trong trường hợp các máy có trợ lực thủy lực, một thanh dẫn động có khe hở bên trong các ổ lăn.

Sự căn thẳng phải được kiểm tra trước mỗi loạt thử hoặc bất kỳ thời điểm nào khi có sự thay đổi bộ truyền lực. Phần trăm độ uốn do không thẳng hàng của máy phải £ 5 % biến dạng dọc trục hoặc ± 50 micro biến dạng, lấy giá trị nào lớn hơn. Hình 9 biểu diễn ví dụ được khuyến nghị về mẫu được căn thẳng bằng cảm biến. Có các kỹ thuật khác để đo sự căn thẳng mà nó thích hợp cho mục đích này.

7.2. Thiết bị đo để định lượng thử nghiệm

7.2.1. Hệ thống ghi

Các hệ thống sau phải được xem xét như một yêu cầu tối thiểu đối với việc ghi dữ liệu:

Thiết bị đo lực lớn nhất dựa vào thời gian. Ví dụ, một dao động kế hoặc thiết bị lưu trữ số có khả năng mô phỏng tín hiệu được ghi dưới dạng ảnh hoặc dạng tương tự. Các thiết bị này là cần thiết khi tốc độ của các tín hiệu ghi quá cao đối với tốc độ lớn nhất của máy ghi. Do đó chúng cho phép ghi thường xuyên rồi sau đó được mô phỏng ở tốc độ thấp hơn. Các hệ thống được mô tả ở trên có thể được thay thế bằng một hệ thống máy tính có khả năng thực hiện nhiệm vụ tập hợp và xử lý dữ liệu dạng số.

7.2.2. Bộ đếm chu kỳ

Một bộ đếm chu kỳ là cần thiết để ghi số chu kỳ.

7.3. Kiểm tra và kiểm định

Máy thử và các hệ thống đo và điều khiển của nó phải được kiểm tra đều đặn.

Theo qui định, mỗi bộ biến đổi đo lực và điện tử kết hợp phải luôn được kiểm tra như một thiết bị.

- Lực phải được hiệu chuẩn phù hợp với ISO 7500-1 và, theo tiêu chuẩn này, phải được liên kết với chuẩn quốc gia.

- Hệ thống đo nhiệt độ phải được kiểm định theo tiêu chuẩn ISO hoặc tiêu chuẩn quốc gia tương ứng.

8. Máy thử

Hệ thống đo lực của máy thử phải được kiểm định tĩnh phù hợp với ISO 7500-1: 2004, đạt tới cấp 1. Nó phải được đảm bảo rằng sai số đo lực động gia tăng không vượt quá ± 1 % phạm vi đo lực yêu cầu.

CHÚ THÍCH 1: Điều này rất quan trọng để nhận ra tầm quan trọng của các sai số động (lực quán tính) được đưa vào bằng khối lượng giữa cảm biến tải trọng và mẫu thử. Sai số lực quán tính = khối lượng kẹp x gia tốc riêng của nó. Các sai số lực quán tính, được tính bằng phần trăm của phạm vi đo lực, có thể khác với bình phương tần số và chịu ảnh hưởng nhiều vào sự phù hợp của mẫu. Sự cộng hưởng máy thử (thân máy cứng vững) trên các phần gá lắp của máy có thể là nguồn sai số có ảnh hưởng lớn.

Máy thử có cảm biến tải trọng riêng, các thiết bị kẹp và khớp nối được sử dụng để thử động và một mẫu được đo biến dạng hoặc lực kế, sự làm đúng tương tự các mẫu thử, phải được kiểm định để đo lực động trên dải tần số quan tâm.

CHÚ THÍCH 2: Để tránh các sai số động ³ ± 1 % phạm vi đo lực, cần tạo một bảng sai số để hiệu chỉnh phạm vi đo lực động của máy thử.

Máy thử phải được trang bị hệ thống đếm chu kỳ chính xác đến 1 % và có sai số ngắt máy khi mẫu phá hủy.

Khi cần có lực đảo chiều trong loạt thử, bộ truyền tải không được ngắt quãng.

CHÚ THÍCH 3: ISO 4965 đưa ra chi tiết hơn về kiểm định động.

9. Lắp đặt mẫu

Thực hiện cẩn thận để đảm bảo rằng mỗi mẫu thử được định vị trong các dụng cụ kẹp đỉnh và kẹp đáy mẫu thử sao cho lực tác dụng dọc theo trục, và dạng ứng suất xuất hiện như dự định. Với các mẫu thử hình chữ nhật, điều quan trọng là đảm bảo cho lực được phân bố đều trên mặt cắt ngang của mẫu thử. Mặc dù không nên dùng, nhưng đối với mẫu thử có mặt cắt ngang hình tròn được tạo ren ở các đầu, thì kết cấu dụng cụ kẹp phải đảm bảo không có (hoặc rất nhỏ) ứng suất xoắn được truyền cho mẫu thử do siết chặt đai ốc khóa. Trong trường hợp sử dụng mẫu có ren ở đầu, một số kiểu liên kết bằng lực của các mặt phẳng dẹt hoặc mặt đồng tâm có thể được sử dụng dọc theo các đường ren để mô men xiết nhỏ nhất.

10. Tốc độ thử

Tần số của chu trình lực phụ thuộc vào loại máy thử được sử dụng và trong một số trường hợp phụ thuộc vào độ cứng vững của mẫu thử.

Tần số được chọn phải sao cho thích hợp nhất đối với sự kết hợp riêng của vật liệu, mẫu thử và máy thử. Nếu tần số được xác định từ sự kết hợp các đặc tính động của mẫu thử và máy thử, cần đo độ cứng vững của mẫu thử trước khi bắt đầu thử.

CHÚ THÍCH 1: Dải tần số của máy thử mỏi có điều khiển lực dọc trục thường sử dụng là xấp xỉ 5 Hz đến 300 Hz.

Ở các tần số cao, sự nóng lên đáng kể của mẫu thử có thể xảy ra, điều đó có thể ảnh hưởng tới kết quả thử về độ bền và tuổi thọ. Nếu sự nóng lên xảy ra, nên giảm tần số thử. Nếu nhiệt độ mẫu thử vượt quá 35 °C, thì nhiệt độ phải được ghi lại.

CHÚ THÍCH 2: Nếu ảnh hưởng của môi trường là đáng kể, thì kết quả thử thích hợp phụ thuộc vào tần số.

11. Đặt lực

Qui trình chung để đạt được điều kiện chạy toàn tải phải như nhau đối với mỗi mẫu thử. Lực trung bình và phạm vi đo lực phải được duy trì với sai số ± 1 % phạm vi đo lực, đồng thời các sai số tĩnh được qui định trong ISO 7500-1. Xem Điều 8.

12. Ghi nhiệt độ và độ ẩm

Nhiệt độ và độ ẩm lớn nhất và nhỏ nhất phải được ghi lại hàng ngày trong quá trình thử.

13. Dấu hiệu phá hủy và kết thúc thử

13.1. Dấu hiệu phá hủy

Nếu không có qui định khác, dấu hiệu phá hủy phải là sự đứt rời mẫu thử.

CHÚ THÍCH: Trong các ứng dụng đặc biệt, có thể chấp nhận dấu hiệu khác, ví dụ như, xuất hiện vết nứt mỏi nhìn thấy được bằng mắt thường, biến dạng dẻo của mẫu thử hoặc tốc độ lan truyền vết nứt.

13.2. Kết thúc thử

Phép thử kết thúc khi mẫu thử phá hủy hoặc số chu trình được xác định trước đã được đặt vào, theo thỏa thuận của các bên liên quan.

14. Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử phải bao gồm thông tin sau cho loạt thử, nếu được:

a) Số hiệu của tiêu chuẩn này;

b) Vật liệu thử, các đặc tính luyện kim của nó, cơ tính, và bất kỳ sự nhiệt luyện nào cho mẫu thử;

c) Vị trí của mẫu thử trong vật liệu gốc;

d) Hình dạng và kích thước danh nghĩa của mẫu thử;

e) Trạng thái bề mặt của mẫu thử.

Báo cáo thử phải bao gồm thông tin sau cho từng mẫu thử riêng biệt:

1) Các kích thước mặt cắt ngang;

2) Biên độ lớn nhất và nhỏ nhất của lực thử được đặt vào;

3) Trạng thái ứng suất được đặt vào;

4) Tần số và tuổi thọ;

5) Sự mô tả máy thử được sử dụng: loại, số seri, cảm biến lực và số seri, số và sự mô tả bộ biến đổi đo lực;

6) Nhiệt độ của mẫu thử nếu xảy ra sự nóng lên (nghĩa là lớn hơn 35 °C);

7) Nhiệt độ không khí lớn nhất và nhỏ nhất và độ ẩm tương đối;

8) Dấu hiệu kết thúc phép thử; nghĩa là, thời gian thử (ví dụ, 107 chu trình), hoặc mẫu thử phá hủy hoàn toàn, hoặc bất kỳ dấu hiệu nào khác;

9) Bất kỳ sự quan sát riêng nào hoặc các sai khác so với điều kiện thử yêu cầu.

Ngoài ra, kết quả thử có thể được biểu diễn bằng đồ thị.

CHÚ DẪN:

X Thời gian

Y Ứng suất

1 Sự nén biến đổi

2 Biến đổi nén - kéo

3 Sự kéo biến đổi

Hình 1 - Các loại chu trình ứng suất

CHÚ DẪN:

X Thời gian

Y Ứng suất

1 một chu trình ứng suất

2 ứng suất lớn nhất, s_max

3 ứng suất trung bình, s_m

4 ứng suất nhỏ nhất, s_min

5 biên độ ứng suất, s_a

6 miền ứng suất, ∆s_a

Hình 2 - Chu trình ứng suất mỏi

Hình 3 – Mẫu thử có mặt cắt ngang hình tròn

Hình 4 – Mẫu thử có mặt cắt ngang hình chữ nhật

CHÚ DẪN:

X Số chu trình đến khi phá hủy, N

Y Biên độ ứng suất, s_a, MPa

1 R = - 1

nhiệt độ thường

Hình 5 - Đồ thị đường cong Woher hoặc S-N

CHÚ DẪN:

X Ứng suất trung bình, s_m, MPa

Y Biên độ ứng suất, s_a, MPa

1 độ bền kéo

2 0,2 % giới hạn chảy

Hình 6 - Biên độ ứng suất (s_a) dựa trên ứng suất trung bình (s_m), [sơ đồ Haigh]

CHÚ DẪN:

X Ứng suất trung bình, s_m, Mpa

Y Ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất, s_max và s_min, Mpa

1 độ bền kéo

2 0,2 % giới hạn chảy

Hình 7 - Ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất (s_max và s_min) dựa trên ứng suất trung bình (s_m) [sơ đồ Smith]

CHÚ DẪN:

X Ứng suất nhỏ nhất, s_min, Mpa

Y Ứng suất lớn nhất, s_max, Mpa

1 0,2 % giới hạn chảy

Hình 8 - Ứng suất lớn nhất (s_max) dựa trên ứng suất nhỏ nhất (s_min) [sơ đồ Ros]

CHÚ DẪN:

 biến dạng: sự thay đổi đơn vị, do lực gây ra, theo kích thước và hình dạng của vật thể. Các ký hiệu dưới chỉ vị trí của thiết bị đo biến dạng trên mẫu đã chỉ ra.

Hình 9 - Sơ đồ căn thẳng

CHÚ DẪN:

1 miếng đệm đầu được làm tròn

2 miếng đệm đầu đã uốn để ngăn ngừa việc làm lõm vào đầu kẹp trong vùng kẹp. Có thể được giữ ở vị trí của nó bằng epoxy

Hình 10 - Sơ đồ kẹp chặt mẫu dạng tấm phẳng

CHÚ DẪN:

1 polytetrafluoroethylene

2 mẫu

Hình 11 – Tấm kẹp chống cong vênh cho mẫu dạng tấm phẳng

THƯ MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] ATRENS, A., HOFFELNER, W., DUERIG. T.W. and ALLISON, J.E. Subsurface Crack Initiation in High Cycle Fatigue in Ti6AI4V and in a Typical Martensitic Steel, Scripta Metallurgica, Vol. 17, pp. 601-606, 1983 (Sự khởi đầu vết nứt ở lớp dưới bề mặt khi thử mỏi chu trình cao Ti6AI4V và thép mactensit điển hình).

[2] MAYER, H.R., LIPOWSKY, H., PAPAKYRIACOU, M., RÖSCH, R., STICH, A., STANZL-TSCHEGG, S.E. Application of Ultrasound for Fatigue Testing of Lightweight Alloys, Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 22, pp. 591-599 (1999) (Ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thử mỏi hợp kim nhẹ).

[3] PAPAKYRIACOU, M., MAVER, H., PYPEN, C., PLENK Jr, H., STANZL-TSCHEGG, S. Influence of Loading Frequency on High-Cycle Fatigue Properties of BCC. and HCP Metals, Mat. Sci. Eng., A, 308, pp. 143-152 (2001) (Ảnh hưởng của tần số tải trọng chu trình cao đối với tính mỏi của các kim loại BCC và HCP).