Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11107:2015 ISO 14628:2012 Gốm mịn (gốm cao cấp, gốm kỹ thuật cao cấp)-Xác định độ mỏi tiếp xúc lăn của gốm silic nitrua tại nhiệt độ phòng bằng phương pháp lăn bi trên mặt phẳng

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 11107:2015

ISO 14628:2012

GỐM MỊN (GỐM CAO CẤP, GỐM KỸ THUẬT CAO CẤP) - XÁC ĐỊNH ĐỘ MỎI TIẾP XÚC LĂN CỦA GỐM SILIC NITRUA TẠI NHIỆT ĐỘ PHÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LĂN BI TRÊN MẶT PHẲNG

Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test method for rolling contact fatigue of silicon nitride ceramics at room temperature by balls-on-flat method

Lời nói đầu

TCVN 11107:2015 hoàn toàn tương đương với ISO 14628:2012.

TCVN 11106:2015 do Ban kỹ thuật tiêu chuẩn quốc gia TCVN/TC206 Gốm cao cấp biên soạn, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đề nghị, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

Lời giới thiệu

Tính năng độ mỏi tiếp xúc khi lăn (RCF) là cần thiết để dự đoán tuổi thọ của chi tiết lăn. Nói chung, tính năng RCF được đánh giá từ tuổi thọ tại xác suất phá hủy cụ thể nhận được bằng phép phân tích các dữ liệu thử nghiệm Weibull trong điều kiện gia tải không đổi. Tiêu chuẩn này quy định phương pháp nhanh và tin cậy để so sánh tính năng RCF khi gia tải từng bước như một cách để định lượng chính xác bằng các phép thử RCF dưới tải trọng không đổi. Các vật liệu thử nghiệm xếp hạng, trong số những phép so sánh tính năng khác, sẽ là giá trị để lựa chọn vật liệu có tính năng yêu cầu cho ổ đỡ. Ngoài ra, nhà cung cấp vật liệu nhận phản hồi từ các kết quả thử nghiệm, cho phép họ đạt được mức độ tính năng RCF cao hơn.

GỐM MỊN (GỐM CAO CẤP, GỐM KỸ THUẬT CAO CẤP) - XÁC ĐỊNH ĐỘ MỎI TIẾP XÚC LĂN CỦA GỐM SILIC NITRUA TẠI NHIỆT ĐỘ PHÒNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LĂN BI TRÊN MẶT PHẲNG

Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) - Test method for rolling contact fatigue of silicon nitride ceramics at room temperature by balls-on-flat method

1  Phạm vi áp dụng

Tiêu chuẩn này quy định phương pháp xác định độ mỏi tiếp xúc lăn của gốm silic nitrua khi gia tải theo bước được thực hiện tại nhiệt độ phòng. Thử nghiệm này có thể được sử dụng như sau: so sánh tương đối tính năng mỏi tiếp xúc khi lăn, thử nghiệm đạt/không đạt đối với chất lượng vật liệu của chi tiết lăn hoặc chọn mức tải trọng phù hợp đối với thử nghiệm RCF dưới tải trọng không đổi.

2  Tài liệu viện dẫn

Các tài liệu viện dẫn sau đây rất cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).

TCVN ISO/IEC 17025:2007 (ISO/IEC 17025:2005), Yêu cầu chung về năng lực của phòng thử nghiệm và hiệu chuẩn.

ISO 3290-1:2008, Rolling bearings - Balls - Part 1: Steel balls (Ổ lăn - Bi - Phần 1: Bi thép).

ISO 3290-2:2008, Rolling bearings - Balls - Part 2: Ceramic balls (Ổ lăn - Bi - Phần 2: Bi gốm).

ISO 3611:2010, Geometrical product specifications (GPS) - Dimensional measuring equipment: Micrometers for external measurements - Design and metrological characteristics [Đặc tính hình học của sản phẩm (GPS) - Thiết bị đo kích thước: Micrometer dùng cho phép đo bên ngoài - Thiết kế và đặc tính đo lường].

ISO 4287:1997, Geometrical Products specifications (GPS) - Surface texture: Profile method - Term, definitions and surface texture parameters (Đặc tính kỹ thuật của sản phẩm hình học (GPS) - Nứt gãy bề mặt: phương pháp mặt cắt (profile) - thuật ngữ, định nghĩa và thông số kết cấu bề mặt).

3  Thuật ngữ và định nghĩa

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

3.1

Tiếp xúc lăn (rolling contact)

Tiếp xúc giữa các chi tiết lăn.

CHÚ THÍCH: Dưới các điều kiện tiếp xúc lăn thuần túy, vận tốc tương đối tại điểm tiếp xúc là bằng không. Tuy nhiên, vận tốc tương đối giữa chi tiết lăn thực tế không bằng không trong hầu hết các trường hợp.

3.2

Phá hủy bề mặt (surface failure)

Tróc bề mặt mẫu thử.

3.3

Độ mỏi tiếp xúc khi lăn (rolling contact fatigue)

Sự phá hủy bề mặt hình thành do ứng suất tiếp xúc khi lăn tuần hoàn dưới ứng suất khi phá hủy bề mặt xảy ra dưới tải trọng đều.

3.4

Thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn (rolling contact fatigue test)

Thử nghiệm mà ứng suất tiếp xúc khi lăn lặp lại được áp dụng đối với mẫu thử và số chu kỳ phá hủy bề mặt được đo.

3.5

Tải trọng theo bước (stepwise loading)

Phương pháp gia tải mà theo đó tải trọng được gia tăng theo bước tại khoảng thời gian đều nhau cho đến lần phá hủy cuối cùng của mẫu thử.

3.6

Dấu tiếp xúc (contact track)

Vệt tròn được hình thành trên mẫu thử bằng cách tiếp xúc lăn lặp lại của các viên bi.

3.7

Tải trọng hiệu dụng trung bình (mean effective load)

Tải trọng không đổi tương ứng với tải trọng theo bước.

3.8

Ứng suất Hertzian tối đa (maximum Hertzian stress)

Ứng suất tiếp xúc tối đa giữa hai thân sử dụng ứng suất đàn hồi phân tích lý thuyết theo Hertz.

3.9

Silic nitrua cấp độ ổ đỡ (bearing grade silicon nitride)

Gốm silic nitrua được thiết kế đặc biệt cho các chi tiết lăn.

4  Nguyên tắc

Độ bền của tấm phẳng dưới ứng suất tiếp xúc khi lăn tuần hoàn, được áp dụng bởi các viên bi lăn đơn hướng trên đó, được xác định bằng cách đo số vòng ứng suất đến lần phá hủy bề mặt cuối cùng của tấm.

5  Máy thử nghiệm

5.1  Cấu trúc của máy thử nghiệm

Máy thử nghiệm phải được cấu tạo sao cho ứng suất tiếp xúc lăn có thể được áp vào bề mặt mẫu thử tấm phẳng bởi những viên bi ở trên có khoảng cách bằng nhau bằng kẹp (xem Hình 1). Những viên bi lăn theo hình tròn bằng chuyển động quay vòng đệm trục có ổ bi chặn góc tiếp xúc 90° có đường kính lỗ khoan xác định. Vòng đệm trục phải quay đơn hướng.

Máy thử nghiệm được thể hiện dạng biểu đồ trong Hình 2. Tải trọng được áp dụng bởi trọng tải không đổi tại phần cuối tay đòn.

Máy thử nghiệm phải được trang bị bằng cầu đóng tự động có thiết bị phát hiện phá hủy bề mặt, thiết bị có khả năng đạt được số vòng quay cho đến khi ngừng thử nghiệm, và có cơ cấu ngăn ngừa tái kích hoạt tự động khi máy thử nghiệm bị dừng do lý do mất điện hoặc các lý do khác.

CHÚ THÍCH 1: Vòng đệm trục phải được chọn trên cơ sở đường kính của viên bi và trục chính của máy thử nghiệm.

CHÚ THÍCH 2: Kích thước của bộ phận kẹp phụ thuộc vào kích thước của vòng đệm trục, đường kính bi và số lượng bi.

5.2  Độ chụm tải trọng

Dao động tải trọng thử nghiệm phải nằm trong ± 1% giá trị đã chọn.

CHÚ THÍCH: Tải trọng thử nghiệm có thể được áp dụng bằng trọng tải không đổi có độ chính xác. Thông thường tải trọng theo trọng tải không đổi được gia tăng bằng cán theo hệ số xác định.

6  Mẫu thử

6.1  Dạng hình học của mẫu thử

Mẫu thử phải là tấm phẳng. Dung sai tương đương trên bề mặt đối diện của tấm là 0,015 mm. Không được sử dụng mẫu thử xoắn hoặc cong do những mẫu này có thể dẫn đến sự rung động của thiết bị thử nghiệm. Mẫu thử phải có đủ mép ngoài vết tiếp xúc cố định cũng như để ngăn tác động của cạnh mẫu thử đối với sự phân bổ ứng suất quanh điểm tiếp xúc mà có thể gây ra sứt mẻ vật liệu.

Mặt cắt A-O-A

CHÚ DẪN:

1. bi có đường kính D

2. mẫu thử

3. trục chính của máy thử nghiệm

4. vòng đệm trục ổ bi chặn góc tiếp xúc 90°

5. kẹp

Hình 1 - Hình viên bi trên mặt phẳng

CHÚ DẪN:

1. Bồn dầu (hình bi trên mặt phẳng ở bên trong)

2. Bi đối với điểm chốt xoay để đỡ bồn dầu

3. Tay đòn

4. Trọng tải không đổi

5. Động cơ

Hình 2 - Sơ đồ máy thử nghiệm

6.2  Cố định mẫu thử

Mẫu thử phải được cố định trên đáy của bồn dầu cố định và tránh rung lắc.

Cần đặc biệt chú ý đến việc hoàn thiện bề mặt và độ phẳng của đáy bồn dầu để cố định mẫu thử chắc chắn trên đó.

6.3  Độ dày mẫu thử

Mẫu thử phải có đủ độ dày để ngăn không cho tấm phẳng rung lắc. Độ dày phải được đo bằng micrometer như được mô tả trong ISO 3611 hoặc dụng cụ đo kích cỡ khác có độ phân giải 0,002 mm hoặc tốt hơn. Nếu mẫu thử được đo trước khi thử nghiệm, đo độ dày tại phần gần trung tâm để tránh tiếp xúc không cần thiết với vết tiếp xúc về sau.

6.4  Hoàn thiện bề mặt

Mẫu thử phải có bề mặt mài bóng. Độ nhám là 0,1 μm Ra hoặc nhỏ hơn như được quy định trong ISO 4187. Hư hại dưới bề mặt trong quá trình mài phải được loại bỏ bằng cách đánh bóng tiếp để loại bỏ ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm.

Hệ số lệch Rsk, như được xác định trong ISO 4287, của mẫu thử cũng phải được đo.

CHÚ THÍCH: Khi Rsk thể hiện giá trị dương lớn, nó cho biết bề mặt được đo có nhiều khu vực lồi hơn khu vực lõm. Rsk có giá trị dương lớn không được khuyến nghị cho thử nghiệm RCF do kết quả thử nghiệm có thể bị tác động bởi tính toàn bộ bề mặt của mẫu thử.

6.5  Số mẫu thử

Số mẫu thử phải được trên cơ sở thỏa thuận giữa người thử nghiệm và người yêu cầu. Nếu giá trị ngưỡng đối với thử nghiệm đạt/không đạt được thiết lập, ít nhất phải chuẩn bị năm mẫu thử.

7  Phương pháp thử

7.1  Bi

Bi được làm từ silic nitrua cấp ổ đỡ được sử dụng cho thử nghiệm các vật liệu cho ứng dụng ổ đỡ. Cấp của bi phải là G5 hoặc G3 như được quy định trong ISO 3290-2. Nếu mục đích thử nghiệm là thử nghiệm đạt/không đạt đối với chất lượng vật liệu của chi tiết lăn, viên bi ổ đỡ được chế tạo từ thép như được quy định trong ISO 3290-1 cũng có thể được sử dụng.

Bi phải được kẹp để giữ khoảng cách cố định.

Đường kính bi và số lượng bi phải theo thỏa thuận người thử nghiệm và người yêu cầu.

CHÚ THÍCH: Thông thường ba hoặc sáu bi được sử dụng trong kết cấu bi trên mặt phẳng.

7.2  Phương pháp gia tải

Tải trọng thử nghiệm phải được áp dụng trong điều kiện gia tải theo bước mà tải trọng được tăng theo bước tại khoảng thời gian đều nhau cho đến khi phá hủy cuối cùng như được thể hiện trong Hình 3. Tải trọng bắt đầu của nấc tải trọng và khoảng tải trọng phải theo thỏa thuận của người thử nghiệm và người yêu cầu.

CHÚ THÍCH 1: Một số loại gốm silic nitrua có thể thể hiện tính nhạy đối với quá trình tải trọng. Tải trọng bắt đầu quá thấp có thể dẫn đến việc đánh giá quá cao tính năng mỏi tiếp xúc khi lăn.

CHÚ THÍCH 2: Nếu mục tiêu của thử nghiệm là so sánh tương đối với số liệu hiện có của thử nghiệm theo tải trọng không đổi, thử nghiệm có thể được tiến hành theo tải trọng không đổi như một cách thay thế.

CHÚ DẪN:

X vòng quay

Y tải trọng (kN)

1 tải trọng bắt đầu

2 tải trọng tại các khoảng thời gian đều nhau

3 phá hủy cuối cùng của mẫu thử

Hình 3 - Tải trọng theo bước

7.3  Sự bôi trơn

Mẫu thử và các viên bi phải được ngâm trong dầu bôi trơn trong quá trình thử nghiệm.

Độ nhớt động học của dầu phải được chọn để duy trì tiếp xúc khi bôi trơn đàn hồi thủy động lực một phần hoặc toàn bộ.

CHÚ THÍCH: Để duy trì tiếp xúc khi bôi trơn đàn hồi thủy động lực một phần hoặc toàn bộ, dầu parafin có độ nhớt động lực cao hơn, như 68 mm²/s, được chọn.

7.4  Phát hiện phá hủy bề mặt

Phá hủy bề mặt của mẫu thử có thể được phát hiện bằng sự gia tăng gia tốc rung của các viên bi. Máy đo gia tốc phải được gắn trên bộ phận mà độ rung được khuếch đại ca học, như phía cấp tải của cán tải trọng (xem Hình 2). Nếu gia tốc vượt quá ngưỡng cài đặt, máy thử nghiệm phải tự động ngừng.

CHÚ THÍCH: Để tránh tự động ngắt dừng máy theo tiếng ồn, ngưỡng cài đặt có thể trong phạm vi từ 2 đến 3 lần mức tín hiệu đối với gia tốc rung ngay sau bắt đầu thử nghiệm tại mỗi cấp tải trọng.

8  Xử lý kết quả thử nghiệm

8.1  Tải trọng hiệu dụng trung bình

Tính tải trọng hiệu dụng trung bình P_m theo công thức sau từ các điều kiện gia tải và số vòng quay tại mỗi bước gia tải cho đến khi ngừng thử nghiệm.

trong đó

P_k là tải trọng trên bi tại bước gia tải lần thứ k (N);

N_k là số vòng quay tại bước gia tải lần thứ k;

p là số mũ trong phương trình lý thuyết Lundberg và Palmgren được thể hiện dưới đây:

trong đó

L là độ bền tỷ lệ cơ bản;

C là tỷ lệ tải trọng động lực cơ bản (N);

P là tải trọng tương ứng động lực (N).

CHÚ THÍCH 1: Số mũ p cần phải được xác định qua thực nghiệm đối với các ổ đỡ được chế tạo từ từng vật liệu thử nghiệm. Xem xét phạm vi của tiêu chuẩn này chọn giá trị xác định đối với p là một giải pháp thực tế, nghĩa là so sánh tương đối tính năng mỏi tiếp xúc khi lăn.

CHÚ THÍCH 2: Giá trị p có thể được lấy là 3. Giá trị này được chấp nhận rộng rãi làm giá trị đối với viên bi ổ đỡ bằng thép được sử dụng trong bạc đạn hybrid có sẵn trên thị trường.

8.2  Công suất cơ học hiệu dụng trung bình

Tinh ứng suất Hertzian tối đa giữa bi và mẫu thử tại tải trọng Q = P_m theo công thức sau

trong đó

Q là tải trọng trên bi (N);

a là bán kính của vòng tiếp xúc (m).

Đối với tiếp xúc giữa bi và tấm phẳng, a được biểu thị theo công thức sau.

trong đó

D là đường kính của bi (m);

E₁ là mô đun đàn hồi của bi (Pa);

E₂ là mô đun đàn hồi của tấm phẳng (Pa);

e₁ là tỷ lệ Poisson của bi;

e₂ là tỷ lệ Poisson của tấm phẳng.

Nhân ứng suất Hertzian tối đa với số vòng ứng suất N_c thu được công suất cơ học hiệu dụng trung bình

Trong đó N_c là nửa tích của tổng số vòng quay cho đến khi phá hỏng và số lượng bi.

CHÚ THÍCH: Phương trình công suất cơ học hiệu dụng trung bình biểu thị vật liệu có giá trị cao hơn (M_in)_m chịu được tải trọng cao đối với vòng dài hơn với giả định rằng toàn bộ (M_in)_m được sử dụng trong độ mỏi tiếp xúc khi lăn.

8.3  Tróc bề mặt bi

Tróc bề mặt bi có thể gây nên việc ngừng tự động máy thử nghiệm. Nếu tổn hại bề mặt như bị xước quan sát được trên vết tiếp xúc, thử nghiệm phải được kết thúc. Nếu không kết thúc, phải thay bi tróc và dầu bôi trơn và tiếp tục thử nghiệm.

9  Báo cáo thử nghiệm

Báo cáo thử nghiệm phải phù hợp với TCVN ISO/IEC 17025, trừ khi có lý do chính đáng không tuân theo. Báo cáo kết quả của thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn phải bao gồm các thông tin sau:

a) Tên và địa chỉ của phòng thử nghiệm;

b) Ngày thử nghiệm, xác nhận nhận dạng báo cáo và của từng trang, tên khách hàng và địa chỉ, chữ ký trong báo cáo;

c) Viện dẫn tiêu chuẩn này, nghĩa là được xác định phù hợp với TCVN 11107 (ISO 14628);

d) Mô tả vật liệu thử nghiệm, mô đun đàn hồi, mã mẻ, ngày sản xuất, nếu thích hợp;

e) Dạng hình học và kích cỡ của mẫu thử;

f) Độ nhám bề mặt của mẫu thử;

g) Mô tả các viên bi, đường kính, loại bi, tên vật liệu, mô đun đàn hồi, v.v..;

h) Các điều kiện tải trọng (tải trọng và khoảng thời gian của từng bước tải trọng);

i) Mô tả dầu bôi trơn (tên nhà sản xuất, mã sản phẩm, độ nhớt động lực, v.v...);

j) Danh mục kết quả thử nghiệm (số vòng ứng suất, công suất cơ học hiệu quả trung bình, v.v...)

Báo cáo kết quả thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc khi lăn bao gồm các thông tin sau:

k) Tên của máy thử nghiệm và chủng loại máy;

I) Loại phụ gia và phương pháp thiêu kết của vật liệu thử nghiệm;

m) Điều kiện lấy mẫu của mẫu thử từ vật liệu và điều kiện gia công cơ khí (khi mẫu thử được xử lý nhiệt, phải bao gồm điều kiện);

n) Các đặc tính cơ học của mẫu thử, như độ bền uốn, giá trị độ cứng rạn nứt, v.v...

Phụ lục A

(Tham khảo)

Thông tin chung

A.1 Giá trị p của silic nitrua để tính toán tải trọng hiệu dụng trung bình

Số mũ p được xác định trong lý thuyết nổi tiếng Lundberg and Palmgren được xác định qua thực nghiệm. Giá trị p là số nghịch đảo của hệ số góc trong thực nghiệm trong mối quan hệ giữa tải trọng với vòng ứng suất (xem Hình A.1). Đối với silic nitrua, không có giá trị được chấp thuận chung đối với p, trong khi đó giá trị bằng 3 được công nhận là giá trị p đối với viên bi ổ đỡ bằng thép. Tuy nhiên, một số thí nghiệm đã được thực hiện để xác định tham biến này và giá trị trung bình của p đối với silic nitrua đã được báo cáo nằm trong dãy từ 5,0 đến 5,5; Tài liệu tham khảo [1,2].

CHÚ DẪN:

Hình A.1 - Ví dụ về biểu đồ tải trọng so với vòng ứng suất để xác định p

A.2  Chất bôi trơn

Trong kết cấu bi trên mặt phẳng, sự chuyển động của bi bao gồm chuyển động trượt. Hoạt động ăn mòn giữa bi và mẫu thử bị ảnh hưởng mạnh bởi các điều kiện bôi trơn. Trong tiêu chuẩn này, bôi trơn bồn dầu được chấp thuận. Mẫu thử và bi được ngâm trong cùng loại dầu bôi trơn trong suốt quá trình thử nghiệm. Để tránh ăn mòn bởi phần thứ ba, bi và vòng đệm trục phải được thay thế mới và bộ kẹp thử nghiệm phải được làm sạch bằng siêu âm trong axeton trước mỗi lần thử nghiệm.

A.3  Xử lý mẫu thử và bi

Mẫu thử và bi phải được xử lý cẩn thận cho đến khi chúng được đưa vào thiết lập thử nghiệm để giảm nguy cơ tổn hại bề mặt do sự tiếp xúc giữa các vật cứng gây ra. Sử dụng bi, giống như bi được sử dụng trong ổ đỡ hybrid hiện có sẵn trên thị trường, được khuyến nghị do chúng được chế tạo tỉ mỉ nhằm giảm tối thiểu khuyết tật gia công mà những khuyết tật này có thể gây ra phá hủy bi trong quá trình thử nghiệm độ mỏi tiếp xúc lăn.