Luận văn Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-Quang (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-Quang (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỂ TIẾN NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI BỀ MẶT CỦA CỦA THÉP P43 DÙNG LÀM ĐƯỜNG RAY BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S KC 0 0 4 2 2 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THỂ TIẾN NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI MỎI BỀ MẶT CỦA CỦA THÉP P43 DÙNG LÀM ĐƯỜNG RAY BẰNG NHIỄU XẠ X-QUANG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Học viên đĩng kèm xác nhận này vào quyển LVTN) Họ và tên học viên: Lê Thể Tiến MSHV: 1202520103013 Chuyên ngành: Kĩ thuật cơ khí Khĩa : 2012 – 2014 A Tên đề tài: “Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang” Học viên đã hồn thành LVTN theo đúng yêu cầu về nội dung và hình thức (theo qui định) của một luận văn thạc sĩ. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2014 Giảng viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) i
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ & tên: Lê Thể Tiến Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1988 Nơi sinh: Quy Nhơn Quê quán: Nhơn Phúc – An Nhơn – Bình Định Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 118/13 – Man Thiện – Quận 9 - TP.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0906594471 Fax: E-mail: thetien88@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo : 09/2006 đến 08/2011 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật TP. HCM Ngành học: Cơ khí chế tạo máy 2. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo : 05/2012 đến 05/ 2014 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật TP. HCM Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên luận văn: “ Nghiên cứu, xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đƣờng ray bằng nhiễu xạ X-quang ” Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 26/04/2014 tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ Thuật TP. HCM. Ngƣời hƣớng dẫn : PGS.TS.Lê Chí Cƣơng 3. Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh Văn B1(Khung Châu Âu). Ngày tháng 04 năm 2014 Ngƣời khai ký tên Lê Thể Tiến ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là cơng trình do chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tơi khơng sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã đƣợc cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu cĩ bất kỳ một sự vi phạm nào, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm”. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 04 năm 2014 Lê Thể Tiến iii
6. LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X-quang” sau một thời gian nhất định để thực hiện đã hồn thành. Ngồi sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, trong quá trình nghiên cứu và thực hiện tơi đã gặp khơng ít khĩ khăn. Nhờ cĩ sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình của quý thầy cơ, bạn bè, gia đình tơi đã vƣợt qua và hồn thành luận văn của mình. Để tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tơi xin chân thành cảm ơn:  Thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Lê Chí Cƣơng đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, gĩp ý, động viên tơi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.  Quý thầy cơ Khoa Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn.  Quý thầy cơ Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất giúp tơi hồn thành đề tài.  Các anh, chị, bạn bè, trong và ngồi lớp đã động viên, giúp đỡ tơi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn.  Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất và tạo điều kiện cho tơi trong suốt những năm học vừa qua. T.p Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014 iv
7. TĨM TẮT Nhu cầu thực tế về thí nghiệm mỏi các loại thép ray để tăng độ bền sử dụng trong ngành cơ khí, giao thơng vận tải ở Việt Nam với độ tin cậy cao là cấp thiết. Đề tài: “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang” nghiên cứu, đề xuất và chế tạo mẫu thí nghiệm mỏi nhằm nghiên cứu khả năng kéo dài thời gian sử dụng thanh ray.Qua đĩ, cho phép sử dụng hiệu quả thanh ray giảm lƣợng nhập khẩu. Quá trình thực hiện đề tài bao gồm các nội dung sau: a. Giới thiệu tổng quan về đƣờng ray xe lửa và tàu hỏa. b. Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian, định luật Bragg và phƣơng pháp Parabol, Gaussian là cơ sở để tính tốn ứng suất tiếp xúc, chế tạo mẫu thí nghiệm và đánh giá kết quả sau khi thí nghiệm. c. Khảo sát chế độ làm việc của đƣờng ray và nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm mỏi. e. Thực hiện thí nghiệm mỏi do tiếp xúc lăn sau đĩ nhiễu xạ X – quang so sánh với soi kim tƣơng nhằm dự đốn sự mỏi sớm của bề mặt thép ray P43. v
8. ABSTRACT Actual needs of new experimental steel rails used to increase durability in mechanical engineering, transportation in Vietnam with high reliability is imperative . Topic : "Study to determine the status of surface fatigue P43 steel rails used by diffracted X - ray " study , propose and prototype new experiments aimed at studying the possibility of prolonged use rails . Thereby , allowing efficient use of rails, reducing imports . The process to implement the project include: a. Overview of train tracks and trains . b . Learn about the theoretical basis of fatigue , Hertzian law , Bragg 's law and parabolic methods , Gaussian calculation basis for stress exposure , prototyping and experimental evaluation results after the experiment . c . Survey modes of rail work and study proposes new sample . d . Perform laboratory rolling contact fatigue then diffracted X - ray compare with hypodermic needle relative to the early prediction of surface strain P43 steel rails . vi
9. MỤC LỤC TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv TĨM TẮT v MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xvi Chƣơng 1.GIỚI THIỆU 1 1. Mục tiêu đề tài 2 2. Nội dung nghiên cứu 2 3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 3 4.Tính mới của đề tài 3 5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp 3 Chƣơng 2.TỔNG QUAN 5 2.1. Chức năng đƣờng ray xe lửa/ tàu hỏa 5 2.1.1.Đƣờng ray xe lửa 5 2.1.2.Tàu hỏa 8 2.2.Hình dạng và kích thƣớc hình học của ray[9] 9 2.3.Phụ tùng nối giữ ray 10 2.3.2.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt gỗ[9] 11 vii
10. 2.3.3.Phụ kiện giữ ray với tà vẹt bê tơng[9] 13 2.3.4.Mối nối ray và phụ kiện mối nối[9] 14 2.3.5.Tà vẹt 16 2.3.6.Lớp đá ba lát 17 2.4. Điều kiện hoạt động[9] 19 2.5.Thơng số kỹ thuật thép ray 19 2.6.Tải trọng[10] 20 2.6.1.Kết cấu toa xe 20 2.6.2. Bộ phận chạy 20 2.6.3 Phân bố tải lên đƣờng ray 22 2.6.3.2.Trục xe 23 2.7.Các dạng hƣ hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đƣờng ray 25 2.7.1. Độ nhấp nhơ đƣờng sắt 25 2.7.2.Hƣ hỏng mỏi do tiếp xúc lăn trên đƣờng ray[22] 26 2.8.Các nghiên cứu trong và ngồi nƣớc 33 2.8.1. Các nghiên cứu ngồi nƣớc 33 2.8.2. Các nghiên cứu trong nƣớc 41 2.9. Kết luận 44 Chƣơng 3.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 45 3.1. Hiện tƣợng mỏi của kim loại 45 3.1.1. Hiện tƣợng mỏi 45 3.1.2. Giới hạn mỏi 46 3.1.3. Đƣờng cong mỏi 46 3.2. Những chỉ tiêu phá hủy mỏi 50 3.2.1. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng 50 viii
11. 3.2.2. Chỉ tiêu về năng lƣợng 51 3.2.3. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi 52 3.3. Những yếu tố ảnh hƣởng tới độ bền mỏi 53 3.3.1. Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt 53 3.3.2. Trạng thái ứng suất 55 3.3.3. Kích thƣớc tuyệt đối 58 3.3.4. Hình dạng kết cấu 59 3.3.5. Cơng nghệ gia cơng cơ khí 61 3.3.6. Oxi hĩa và thốt cacbon 62 3.3.7. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng Fretting (hiện tƣợng mỏi – mịn – rỉ) 63 3.4. Cơ chế lan truyền vết nứt 64 3.4.1. Các pha trên đƣờng cong mỏi Wưhler 64 3.4.2. Nghiên cứu bề mặt phá hủy mỏi của các tiết máy thực tế 64 3.4.3. Giải thích cơ chế của sự phá hủy mỏi 65 3.4.5. Các dạng phƣơng trình lan truyền vết nứt mỏi 66 3.4.6. Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi 67 3.2. Tiếp xúc Hertz: 67 3.2.1.Giới thiệu về Hertz [29] 67 3.2.2.Định luật Hertz [29] 68 3.3.Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 73 3.3.1. Nguờn gớc tia x và ƣ́ ng duṇ g[8] 73 3.3.2. Nhiêũ xa ̣tia X 74 3.3.3. Cơng thức Bragg[8] 75 3.3.4.Thơng số máy nhiễu xạ[8] 77 3.3.5.Các loại máy nhiễu xạ cầm tay: 78 3.4. Cơ sở cấu trúc maṇ g tinh thể 78 ix
12. 3.4.1. Mạng khơng gian và ơ cơ sở [12] 78 3.4.2. Mạng Bravais [12] 79 3.4.3 Hệ số xếp và số sắp xếp 82 3.4.4.Cấu trúc maṇ g tinh thể của pha ferit và austenite [3] 83 3.4.5. Chỉ số Miller 83 3.4.6. Chỉ số Miller đƣợc định nghĩa nhƣ sau 83 3.4.7. Để xác định chỉ số Miller cần phải theo trình tự sau 84 3.4.8. Các bề mặt nhiễu xạ của pha ferit và austennite: 85 3.5.Hiệu chỉnh đƣờng nhiễu xạ x-ray [31] 86 3.6.Phƣơng pháp xác định vị trí đỉnh[31] 88 3.6.1 Phƣơng pháp parabola 88 3.6.2. Phƣơng pháp đƣờng cong Gaussian[31] 90 3.7.Phƣơng pháp tiến hành xƣ̉ lý dữ liêụ đo đac̣ [31] 90 3.7.1. Hiệu chỉnh nền nhiễu xạ 90 3.7.2.Chọn phạm vi bề rơṇ g đáy nhiễu xạ X : 91 Chƣơng 4.NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ CHI TIẾT MẪU 92 4.1.Khảo sát điều kiện làm việc của đƣờng ray 92 4.2.Xét mơ hình thực tế bánh xe lửa tiếp xúc với đƣờng sắt 94 4.3.Từ mơ hình thực tế chuyển qua phù hợp với mơ hình thí nghiệm 96 4.3.1. Mơ hình thí nghiệm 96 4.3.2.Nghiên cứu đề xuất mẫu thí nghiệm 98 4.3.3.Tính tốn lực F khi con lăn tác dụng lên mẫu thí nghiệm 100 4.3.4.Xử lý kết quả thực nghiệm[16] 101 Chƣơng 5.THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 105 Chƣơng 6.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122 x
13. TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC 127 xi
14. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1. Đƣờng ray 5 Hình 2.2.Bánh xe tiếp xúc đƣờng ray 6 Hình 2.3.Tuyến đƣờng ray 7 Hình 2.4.Đƣờng ray đặt trên bê tơng 8 Hình 2.5.Tàu hỏa 8 Hình 2.6.Hình dạng mặt cắt ray 9 Hình 2.7.Mặt cắt ray P43 10 Hình 2.8. Liên kết ray với tà vẹt gỗ 12 Hình 2.9.Hình dạng, kích thƣớc của đinh mĩc và đinh vít của Liên Xơ 13 Hình 2.10.Các loại đinh đàn hồi 13 Hình 2.11.Phối kiện tia rơ phơng cĩc của Liên Xơ 14 Hình 2.12. Mối nối đƣờng ray 15 Hình 2.13.Bố trí tà vẹt chỗ mối nối 15 Hình 2.14.Các loại lập lách dẹp 15 Hình 2.15.Lập lách 2 đầu dùng cho thép ray P43 và P50 16 Hình 2.16.Các loại tà vẹt gỗ 17 Hình 2.17.Tà vẹt bê tơng hai khối 17 Hình 2.18.Mặt cắt ngang của lớp đá ba lát trên đƣờng thẳng 18 đƣờng 1435 mm 18 Hình 2.19.Hình dạng thép ray 19 Hình 2.20. Kết cấu toa xe 20 Hình 2.21.Giá chuyển hƣớng toa xe[9] 21 Hình 2.22.Bộ trục bánh xe 22 Hình 2.23.Trục xe 23 Hình 2.24.Bánh xe 23 Hình 2.25. Độ nhấp nhơ ngắn trên bề mặt đƣờng ray[22] 25 xii
15. Hình 2.26. Mặt cắt ngang thể hiện độ nhấp nhơ[22] 26 Hình 2.27. Độ nhấp nhơ dài trên bề mặt đƣờng ray[22] 26 Hình 2.28.Sự lan truyền vết nứt do mỏi tiếp xúc lăn[19] 27 Hình 2.29. Tình trạng ban đầu của vết nứt[22] 27 Hình 2.30. Các giai đoạn khác nhau của vết nứt ở gĩc của đƣờng ray[22] 28 Hình 2.31. Sự trĩc lớp vỏ trên bề mặt 28 Hình 2.32. Sự bĩc lớp vỏ trên bề mặt đƣờng ray ở các giai đoạn khác nhau 29 Hình 2.33. Mặt cắt ngang của hiện tƣợng trĩc lớp vỏ bề mặt 29 Hình 2.34.Các giai đoạn xuất hiện của vết lồi lõm 29 Hình 2.35.Vết lồi lõm bắt đầu phát triển rộng hơn 30 Hình 2.36.Vết nứt hình ovan 30 Hình 2.37.Vết nứt dọc trên thanh ray 31 Hình 2.38. Vết nứt dọc trên mặt cắt ngang thanh ray 31 Hình 2.39.Vết nứt dọc trên thanh ray 32 Hình 2.40. Các hƣ hỏng do vết bánh xe lửa 33 Hình 2.41. Hƣ hỏng mỏi do vết bánh xe lửa kéo dài trên diện rộng 33 Hình 2.42. Đƣờng cong giữa số chu kỳ và lan truyền vết nứt thép U71Mn và U75V với thí nghiệm mỏi 34 Hình 2.43.Gĩc lan truyền vết nứt của thép ray. 34 Hình 2.44. Mặt cắt ngang với các vết nứt đƣợc chụp theo kính hiển vi quang học 35 Hình 2.45. Đánh giá độ cứng tế vi theo độ sâu khác nhau dƣới bề mặt tiếp xúc lăn. 36 Hình 2.46. Máy thí nghiệm mỏi Cemef Tribotester 36 Hình 2.47. Mẫu thí nghiệm mỏi 37 Hình 2.48. Đánh giá độ cứng tế vi và chiều rộng tiếp xúc theo số chu kỳ 38 Hình 2.49. Đánh giá độ cứng bề mặt theo số chu kỳ với tải trọng trục 700N 38 Hình 2.50. Mẫu thí nghiệm 39 Hình 2.51. Máy thí nghiệm mỏi[26] 40 Hình 2.52. Đƣờng cong mỏi do tiếp xúc lăn 41 xiii
16. Hình 3.1.Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại [23] 46 Hình 3.2. Đƣờng cong mỏi Wưhler [1] 47 Hình 3.3. Đồ thị các ứng suất giới hạn [23] 48 Hình 3.4. Đƣờng cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn 50 Hình 3.5. Đƣờng cong Wohler trong hệ trục logarit [1] 51 Hình 3.6. Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhằm xây dựng chỉ tiêu năng lƣợng [19] 52 Hình 3.8. Những nơi cĩ tập trung ứng suất [1] 60 Hình 3.9. Các pha trên đƣờng cong mỏi Wưhler [23] 64 Hình 3.10. Những giai đoạn lan truyền vết nứt mỏi [1] 65 Hình 3.11.Đƣờng lan truyền vết nứt mỏi [23] 66 Hình 3.12. Diện tích tiếp xúc Hertz sau khi tác dụng lực lên vật thể 68 Hình 3.13.Định luật Hertz cho vật trịn[29] 69 Hình 3.14.Tiếp xúc Hertz cho đƣờng ray với bánh xe lửa[29] 69 Hình 3.15. Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đƣờng ray tiếp xúc với nhau theo phƣơng x [29] 70 Hình 3.16. Mặt cắt hình dáng của bánh xe và đƣờng ray tiếp xúc với nhau theo phƣơng y [29] 71 Hình 3.17.Diện tích tiếp xúc cĩ hình dạng elip khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đƣờng ray[29] 72 Hình 3.18. Ứng suất tiếp xúc sinh ra khi bánh xe lửa tác dụng lực lên đƣờng ray[29] 73 Hình 3.19. Nguyên lý nhiễu xạ [8] 75 Hình 3.20. Đƣờng nhiễu xạ X - quang 77 Hình 3.21. Máy nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical - Hà lan) 77 Hình 3.22.Máy nhiễu xạ cầm tay AXFG3005 78 Hình 3.23. Mạng khơng gian của tinh thể rắn lý tƣởng, ơ đơn vị và hằng số mạng . 79 Hình 3.24. Mặt tinh thể lập phƣơng cĩ các điểm cắt. 84 Hình 2.25: Hiệu chỉnh nền của đƣờng nhiễu xạ 87 xiv
17. Hình 2.26.Giản đồ nhiễu xạ 91 Hình 2.27. Chọn (xo,yo) và (xn,yn) bằng 5 lần bề rơṇ g trung bình 91 Hình 4.1.Sơ đồ tuyến đƣờng sắt Việt Nam 92 Hình 4.2.Mơ hình hĩa bánh xe lửa tiếp xúc Hertz lên đƣờng ray[29]. 94 Hình 4.3.Bánh xe lửa tác dụng lực Q lên đƣờng ray giống nhƣ hai hình trụ trịn 97 Hình 4.4.Tiếp xúc giữa hai hình trụ[33] 97 Hình 4.7.Ổ lăn 608 -2Z 99 Hình 4.8. Bản vẽ kỹ thuật mẫu thí nghiệm thép ray P43 99 Hình 5.1.Mẫu dùng thí nghiệm mỏi lăn 106 Hình 5.2.Máy thí nghiệm mỏi đa năng 107 Hình 5.3. Các mẫu thí nghiệm sau khi tạo mỏi 110 Hình 5.4.Mẫu thí nghiệm chia ra thành hai phần 111 Hình 5.5.Mẫu thí nghiệm sau khi cắt 111 Hình 5.6. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 115 Hình 5.7. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 115 Hình 5.6. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 116 Hình 5.9. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 116 Hình 5.10. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 117 Hình 5.11. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 117 Hình 5.12. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 118 Hình 5.13. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 118 Hình 5.14. Biểu đồ đo nhiễu xạ X-quang 119 Hình 5.15. Đƣờng nhiễu xạ sau khi hiệu chỉnh 119 Hình 5.16. Biểu đồ liên hệ giữa bề rộng B với số chu kỳ 120 xv
18. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1.Thơng số kỹ thuật thép ray 19 Bảng 2.2.Thành phần hĩa học của thép ray 19 Bảng 2.3.Đặc tính cơ học của thép ray 20 Bảng 2.1. Hệ số biến dạng tế vi thể hiện ứng suất tồn dƣ trong mỗi mẫu đồng. 43 Bảng 3.1.Số liệu Nf của một số kim loại thƣờng dùng[1] 46 Bảng 3.2.Mối quan hệ giữa thành phần hĩa học và đặc trƣng cơ học của vật liệu[1] 53 Bảng 3.3.Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt tới độ bền mỏi [1] 54 Bảng 3.4. Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu[1] 57 Bảng 3.5.Ảnh hƣởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới 58 khả năng chống phá hủy mỏi [1] 58 Bảng 3.6.Giá trị tới hạn Katb của một số loại vật liệu [1] 67 Bảng 3.7. Tra hệ số m và n[29] 71 Bảng 3.8.Mạng khơng gian của hệ tinh thể 79 Bảng 3.9. Quan hệ giữa hằng số mạng và bán kính nguyên tử của kim loại cĩ 82 cấu trúc tinh thể lập phƣơng tâm mặt và lập phƣơng tâm khối. 82 Bảng 3.9. Hệ số hấp thu của phƣơng pháp iso-inclination và side-inclination cĩ và khơng cĩ giới hạn vùng nhiễu xạ 87 Bảng 4.1.Bảng giờ tàu hỏa tuyến thống nhất Bắc – Nam[11] 93 Bảng 4.2.Bảng giờ tàu hỏa các tuyến địa phƣơng 93 Bảng 4.3. Số chu kỳ hoạt động của xe lửa theo từng năm 94 Bảng 5.1.Thơng số kỹ thuật của máy. 106 Bảng 5.2.Kế hoạch thí nghiệm mỏi lăn 107 Bảng 5.3.Tiến hành thí nghiệm mỏi lăn 108 Bảng 5.4. Kết quả nhiễu xạ X – quang. 120 xvi
19. Chƣơng 1 GIỚI THIỆU Đƣờng sắt cao tốc là một giải pháp giao thơng cơng cộng tƣơng lai cho vùng đơ thị và liên vùng. Vì vậy độ bền của đƣờng ray rất quan trọng cho việc phát triển đƣờng sắt cao tốc. Hiện nay nhiều hiện tƣợng ảnh hƣởng đến tuổi thọ của thép ray mà độ bền mỏi là hiện tƣợng khá phức tạp. Một số phƣơng pháp phân tích kết cấu và tuổi thọ của đƣờng ray trong đĩ việc nghiên cứu xác định quá trình mỏi đƣờng ray khá thiết thực với Việt Nam khi mà hệ thống đƣờng sắt tồn quốc đang lập kế hoạch nâng cấp. Hiện tƣợng mỏi là hiện tƣợng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy cĩ trị số nhỏ hơn giới hạn bền, thậm chí cịn nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu chi tiết máy đĩ. Tuy nhiên nĩ lại gây ra những dạng hƣ hỏng trầm trọng nhất, khơng phục hồi đƣợc, gây tổn thất nghiêm trọng về kinh tế và những hậu quả nguy hiểm. Hiện tƣợng mỏi do tiếp xúc lăn (Rolling Contact Fatigue) là một trong những dạng khác nhau của đƣờng sắt cần đƣợc xem xét liên quan đến việc bảo trì đƣờng sắt và tuổi thọ của nĩ.Vết nứt nhỏ sẽ bắt đầu trên bề mặt đƣờng sắt trƣớc khi lan truyền theo chiều ngang trong các giai đoạn và vết nứt sẽ tiếp tục phát triển theo chiều dọc từ bề mặt tiếp xúc vào bên trong đƣờng ray gây ra hiện tƣợng nứt gãy đƣờng sắt và tiềm ẩn tai nạn nghiêm trọng nếu khơng cĩ biện pháp khắc phục hậu quả kịp thời. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện tƣợng phá hủy mỏi đã đƣợc tiến hành nghiên cứu rộng rãi trên cơ sở cơ học và vật lý của độ bền mỏi kim loại đã xây dựng cơ sở lý thuyết mỏi và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng. Trong đĩ cĩ thể kể đến những cơng trình nghiên cứu cĩ đĩng gĩp quan trọng đối với lĩnh vực khoa học nghiên cứu về mỏi vật liệu: Các nhà khoa học Nga nhƣ Ordin, Ivanova, Xêrenxen [1], các nhà khoa học Anh, Mỹ nhƣ Wohler, Gafa, [1] đã tiến hành nghiên cứu cơ sở cơ học và vật lý của độ bền vật liệu kim loại dƣới tác dụng của tải trọng thay đổi – độ bền mỏi, xây dựng lý thuyết và 1
20. tiến hành các thực nghiệm kiểm chứng vào những năm 20 của thế kỷ XX ; Những nhà khoa học ngƣời Mỹ - D.L.Davidson và S.Suresh [1] đã nghiên cứu về những khái niệm, lý thuyết nền tảng về giới hạn lan truyền vết nứt mỏi vào năm 1993; Donald J. Wulpi [1], một chuyên viên về luyện kim và là một nhà khoa học ở Ấn Độ đã xuất bản một bộ sách nĩi về tồn bộ các hƣ hỏng của chi tiết máy, trong đĩ cĩ trình bày về hiện tƣợng nứt mỏi và mịn do mỏi, một số cơ chế cũng nhƣ đặc điểm vi mơ, vĩ mơ của vết nứt mỏi (năm 1999); Vào năm 2001, việc cơng bố cơng trình nghiên cứu “ Ảnh hƣởng của lệch đến sự lan truyền vết nứt mỏi” là một thành tựu của Tatsuro MORITA và Kenji SAITO [1], những nhà khoa học ngƣời Nhật đã tiến hành mơ phỏng trên máy tính, so sánh và kiểm chứng bằng thực nghiệm mối quan hệ giữa cƣờng độ ứng suất với hệ số lan truyền vết nứt mỏi. Thép ray P43 là loại sản phẩm thép mà Việt Nam khơng sản xuất đƣợc. Hàng năm để phục vụ vận tải đƣờng sắt và đảm bảo an tồn tuyến đƣờng sắt hàng chục km thanh ray đã đƣợc thay thế theo định chuẩn hiện tại. Việc nghiên cứu xác định thời hạn thanh ray là vấn đề ngành đƣờng sắt quan tâm. Nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc ứng dụng để nghiên cứu khảo sát độ bền của đƣờng ray, trong số đĩ là phƣơng pháp nhiễu xạ X - quang. Phƣơng pháp này đánh giá sai hỏng mỏi ở giai đoạn sớm của thép ray là một việc làm mới, khĩ khăn, địi hỏi các kỹ thuật phức tạp, các thiết bị phân tích hiện đại. Nĩ mang lại những hiểu biết cần thiết về những sai hỏng mỏi ảnh hƣởng đến độ bền và các tính năng khác của thép đƣờng ray. 1. Mục tiêu đề tài Sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ X - quang để khảo sát ứng suất dƣ và sự biến đổi trong mạng tinh thể nhằm đánh giá sự mỏi sớm của thép đƣờng ray P43. 2. Nội dung nghiên cứu Nhiệm vụ của luận văn tốt nghiệp cao học “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đường ray bằng nhiễu xạ X - quang ” quan tâm đến : 2
21. . Tổng quan lý thuyết về các hiện tƣợng mỏi. . Nghiên cứu đề xuất chi tiết mẫu thí nghiệm. . Chế tạo thử nghiệm chi tiết mẫu, thử nghiệm mỏi trên máy thí nghiệm mỏi đa năng (phịng thí nghiệm REME). . Xây dựng đƣờng cong mỏi Wohler cho thép ray. . Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi của thép ray sử dụng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X. 3. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu Do thời gian và khối lƣợng nghiên cứu lớn nên đề tài tập trung nghiên cứu phát triển xác định trạng thái mỏi của thép đƣờng ray: . Thí nghiệm đƣợc thực hiện cho các chi tiết mẫu thí nghiệm dạng trụctạo mỏi cho chi tiết mẫu do tiếp xúc lăn. . Vật liệu chế tạo các chi tiết mẫu thí nghiệm mỏi là thép đƣờng ray chƣa qua sử dụng . . Đánh giá sự mỏi sớm của thép ray bằng phƣơng pháp nhiễu xạ X – quang 4.Tính mới của đề tài . Thiết lập xác định mối liên hệ giữa mức độ biến cứng do mỏi lăn với bề rộng đƣờng nhiễu xạ. . Cho phép dự báo thời hạn phục vụ của thanh ray dƣới tải xác định. 5. Kết cấu của luận văn tốt nghiệp Đề tài “Nghiên cứu xác định trạng thái mỏi bề mặt của thép P43 dùng làm đƣờng ray bằng nhiễu xạ X - quang” gồm cĩ 6 chƣơng và phần phụ lục. - Chƣơng 1 nhằm giới thiệu lý do chọn đề tài, các mục tiêu chính và giới hạn phạm vi nghiên cứu. - Tổng quan về đƣờng ray xe lửa, tàu hỏa cũng nhƣ các dạng hƣ hỏng mỏi lăn của đƣờng ray, khảo sát các nghiên cứu độ bền mỏi của đƣờng ray trong và ngồi nƣớc đƣợc trình bày trong chƣơng 2. - Chƣơng 3 là giới thiệu về cơ sở lý thuyết mỏi, định luật Hertzian khảo sát sự tiếp xúc cơ học để xác định đƣợc ứng suất tiếp xúc khi bánh xe tác dụng lực lên 3