Tư vấn
Sự không hoàn hảo của vật lệu trong tìm hiểu SKF
Th7
Trong SKF, nghiên cứu đã liên tục được thực hiện để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của cấu trúc vi mô và sự không hoàn hảo của vật liệu có sẵn đối với hiệu suất vòng bi. Công việc được trình bày là cơ bản để xác định các tính năng và các mức độ nghiêm trọng liên quan là rất quan trọng để ảnh hưởng đến hiệu suất vòng bi.
Ngày nay, hỏng vòng bi do tiếp xúc (RCF) nói chung là rất hiếm khi xảy ra và tuổi thọ cuối cùng của vòng bi thường vượt quá tuổi thọ định mức tính toán. Tuy nhiên, có những trường hợp trong đó các ứng dụng cụ thể có thể bị hỏng sớm. Hiểu các cơ chế hỏng vòng bi là cơ bản để cải thiện liên tục hiệu suất vòng bi, đáp ứng yêu cầu về mật độ công suất ngày càng tăng với các ứng dụng ổ lăn hiện đại.
Độ tin cậy của vòng bi được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau tuân theo nguyên tắc liên kết yếu nhất, nghĩa là, sự cố là kết quả của việc phá vỡ liên kết yếu nhất bên trong hệ thống liên quan. Trong điều kiện bôi trơn kém, hỏng vòng bi có thể là do hư hỏng bề mặt dưới dạng suy yếu bề mặt hoặc mòn. Mặt khác, liên kết yếu nhất có thể tồn tại trong khu vực dưới bề mặt. Điều này là do ứng suất cắt do tiếp xúc Hertzian đạt cực đại ở độ sâu nhất định bên dưới bề mặt mương. Hơn nữa, giống như hầu hết các vật liệu cường độ cao, thép chịu lực nói chung có thể bị thiếu khả năng chịu thiệt hại dưới dạng nhạy cảm với các khiếm khuyết vật liệu có sẵn như vùi không kim loại như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất thép.
Các nghiên cứu về kim loại trên các mẫu được thử nghiệm RCF chỉ ra rằng những con bướm được gọi là thường phát triển từ các vùi không kim loại. Con bướm nhìn thấy từ một mẫu khắc nital với kính hiển vi quang học ánh sáng cho thấy một cặp vết nứt phát ra từ một bao gồm được trang trí với một khu vực khắc màu trắng, như trong hình. 1. Vùng khắc trắng là cấu trúc vi mô bị thay đổi do cọ xát giữa các mặt vết nứt. Khi tải tiếp xúc lăn, vết nứt có thể lan truyền và cuối cùng vỡ ra bề mặt mương, dẫn đến nứt vỡ bề mặt.
Sự không hoàn hảo về vật chất trong RCF
Tiếp xúc lăn trên bề mặt mương mang dẫn đến ứng suất theo chu kỳ kéo dài từ bề mặt đến bề mặt dưới bề mặt. Do hiệu ứng tăng ứng suất, các vết nứt có thể được bắt đầu từ các vùi ngay cả dưới áp suất tiếp xúc thấp hơn giới hạn lắc đàn hồi, nghĩa là áp suất tiếp xúc bên dưới vật liệu tổng thể, ngoại trừ các vùng trong vùng lân cận, bao gồm đàn hồi. Theo mô tả của hình, quá trình thiệt hại bao gồm ba giai đoạn cuối cùng có thể dẫn đến sự phá vỡ bề mặt mương mang.
Một phương pháp mô hình hóa mới đã được phát triển kết hợp FEM với một giải pháp phân tích nửa không gian chịu tải trọng bề mặt. Như minh họa trong hình. 3, một lớp vật liệu xung quanh khuyết tật được mô hình hóa bởi FEM, trong khi ứng suất và biến dạng dưới bề mặt phát sinh từ tiếp xúc lăn được truyền bởi các nút biên, tại đó các chuyển vị được quy định sử dụng giải pháp nửa không gian phân tích.
Các loại bao gồm khác nhau về thành phần hoặc hình thái, và điều kiện liên kết giữa các vùi và ma trận thép, đã được xem xét. Mô phỏng FE cũng kết hợp hành vi đàn hồi-dẻo của thép chịu lực để giải thích cho tính dẻo cục bộ.
Hình trên cho thấy các yếu tố tăng ứng suất được tính toán của một số khiếm khuyết vật liệu theo RCF, bao gồm các hạt mềm và cứng và lỗ rỗng. Các hạt được coi là chất rắn đàn hồi có độ cứng khác với ma trận thép. Hình cũng hiển thị phân bố ứng suất von Mise gần mỗi vùi. Sự bao gồm hoàn toàn ngoại quan có một yếu tố gây căng thẳng tương đối thấp. Một hạt mềm liên kết hoàn toàn có hệ số tăng ứng suất cao hơn so với sự bao gồm cứng liên kết hoàn toàn. Hệ số tăng ứng suất tăng theo mức độ khử liên kết giữa ma trận bao gồm và ma trận thép. Lỗ chân lông là trường hợp cực đoan có yếu tố tăng căng thẳng cao nhất.
Nồng độ ứng suất gần bao gồm có thể gây ra độ dẻo cục bộ của thép, gây ra ứng suất kéo đứt cục bộ. Ứng suất dư kéo, cùng với các thành phần khác của ứng suất cục bộ gần bao gồm, có thể gây ra khởi đầu vết nứt và lan truyền vết nứt ban đầu, nghĩa là, tổn thương mỏi giai đoạn A được chỉ ra trong hình. 2. Mức độ nghiêm trọng tăng căng thẳng thể hiện trong hình. 4 chỉ ra tác hại của các thể vùi khác nhau. Các hạt titan nitride, thường được liên kết tốt với ma trận thép chịu lực, đã được tìm thấy ít gây hại hơn nhiều so với các hạt nhôm oxit, cũng là các hạt cứng nhưng có liên kết kém với, thậm chí khử từ ma trận thép.
Dưới một áp lực tiếp xúc được chỉ định, việc bắt đầu một vết nứt từ sự bao gồm phụ thuộc chủ yếu vào ứng suất cục bộ gần sự bao gồm. Nói cách khác, sự khởi đầu vết nứt được chi phối bởi loại chứ không phải kích thước của sự bao gồm, vì yếu tố tăng căng thẳng không phụ thuộc vào kích thước bao gồm. Tuy nhiên, một vết nứt bắt đầu từ sự bao gồm sẽ không phải lúc nào cũng phát triển để tạo thành một vết nứt. Trong một số trường hợp nhất định, vết nứt có thể bị bắt giữ vĩnh viễn.
Tăng trưởng vết nứt mỏi được phân tích trong khuôn khổ của cơ học gãy xương. Động lực cho sự tăng trưởng vết nứt mỏi có thể được tính toán dựa trên kích thước của vết nứt và sự bao gồm của loại cụ thể, và ứng suất dưới bề mặt dẫn đến tiếp xúc Hertzian và ứng suất chồng chất như ứng suất dư, ứng suất cấu trúc và / hoặc ứng suất hoop, như được chỉ ra trong hình. 3. Nếu lực truyền động vượt quá một giá trị ngưỡng nhất định, vết nứt sẽ lan truyền và dẫn đến thất bại. Nếu không, vết nứt sẽ bị bắt giữ. Động lực càng cao, vết nứt lan truyền càng nhanh.
Ví dụ, xem xét một hình cầu bao gồm bán kính R , với vết nứt hình khuyên, chiều dài l , như được chỉ ra trong hình. 5. Lực truyền động tỷ lệ với p 0 ( R + l ), với p 0 là áp suất tiếp xúc. Điều này có nghĩa là động lực tăng theo áp lực tiếp xúc. Theo p 0 được chỉ định , kích thước của sự bao gồm, R , chi phối tốc độ tăng trưởng vết nứt, đặc biệt là trong Giai đoạn-A trong đó l nhỏ hơn R rất nhiều . Ảnh hưởng của sự bao gồm giảm dần khi vết nứt lan truyền ra khỏi sự bao gồm.
Phân tích phần tử hữu hạn đã được thực hiện để mô phỏng sự lan truyền của vết nứt 3D từ lỗ rỗng hình elip đại diện cho sự bao gồm không liên kết trong RCF. Sự lan truyền vết nứt mô phỏng, như thể hiện trong hình. 6a, được so sánh với cấu hình vết nứt quan sát được từ các thí nghiệm RCF. Một thỏa thuận định tính được tìm thấy giữa dự đoán và thử nghiệm.
Sự lan truyền vết nứt Giai đoạn B chủ yếu được điều khiển bởi ứng suất cắt xen kẽ do tiếp xúc lăn, điều này sớm muộn sẽ dẫn đến sự lan truyền vết nứt Giai đoạn C, tức là phân nhánh vết nứt do vùng ứng suất nén kéo xen kẽ trong vùng lân cận các đầu nứt, như thể hiện trong hình. 6b. Có sự cạnh tranh giữa sự tăng trưởng vết nứt coplanar chế độ cắt và sự phân nhánh vết nứt chế độ kéo. Sự xuất hiện của sự phân nhánh vết nứt có thể bị ảnh hưởng bởi các ứng suất chồng chất. Một căng thẳng kéo dài thúc đẩy phân nhánh nứt và có thể làm giảm cuộc sống mệt mỏi. Một ứng suất nén có lợi vì nó có xu hướng triệt tiêu sự phân nhánh nứt.
Hình. 7 cho thấy động lực truyền lan vết nứt từ sự bao gồm hình cầu như là một chức năng của định hướng vết nứt, xem xét áp lực tiếp xúc 2,5 GPa và các mức độ căng thẳng khác nhau. Các động lực cho các vết nứt của định hướng khác nhau đã được đánh giá. Có thể được thấy rõ ràng từ y phục. 7 trong trường hợp không có ứng suất chồng, lực lái tối đa tương ứng với hướng nứt 45 °. Nếu ứng suất nén 200 MPa được áp dụng, đường cong lực lái đạt đến đỉnh ở góc 30 °; tuy nhiên, nếu ứng suất kéo 200 MPa được áp dụng, tuy nhiên, hướng vết nứt mà lực truyền động đạt được tối đa được tăng lên đến 57 °. Có thể nói rằng ứng suất kéo có thể tăng tốc độ lan truyền vết nứt và có xu hướng thúc đẩy sự phát triển vết nứt theo hướng dốc,
Ý nghĩa từ quan điểm kỹ thuật
Nghiên cứu về các cơ chế mỏi đã dẫn đến việc xác định một trong những nguyên nhân gốc rễ dẫn đến thất bại sớm [2]. Thất bại sớm của vòng bi, bạc đạn được đặc trưng bởi các vết nứt khắc trắng (WEC) và các vết nứt dọc trục đã được tái tạo thành công trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, trong đó vòng trong của ổ trục hình trụ được gắn trên trục tay áo với độ chụm nhân tạo. Điều đó đã được chứng minh bằng mô phỏng FE rằng độ lệch của ghế mang như độ chụm có thể dẫn đến ứng suất kéo gần mương của vòng trong, nếu vượt quá giới hạn nhất định, có thể làm suy yếu vật liệu và kết hợp với ứng suất Hertzian, dẫn đến sớm bắt đầu và tăng trưởng nhanh chóng của các vết nứt từ sự không hoàn hảo của vật liệu có sẵn, dẫn đến sự thất bại sớm của ổ trục.
Hơn nữa, kiểm tra kim loại bằng cách sử dụng mặt cắt nối tiếp bước nhỏ của các vòng được thử nghiệm chỉ ra rằng WEC thường được tìm thấy trong vòng bi bị hỏng sớm có thể được bắt đầu từ các vùi dưới bề mặt, như được chỉ ra trong hình. 8. Một kết luận tương tự được rút ra từ một nghiên cứu độc lập được báo cáo trong [4]. Ý nghĩa của phát hiện này là sự làm rõ liên quan đến nguồn gốc của WEC. Có thể nói rằng WEC về bản chất là một vết nứt dưới bề mặt như một con bướm, có thể được bắt đầu từ một kẻ gây căng thẳng, nhưng đã phát triển đến giai đoạn tiên tiến. Sự cọ xát lặp đi lặp lại giữa các bề mặt vết nứt trong RCF gây ra sự thay đổi cấu trúc vi mô dần dần dẫn đến sự hình thành các khu vực khắc trắng (WEAs) gần bề mặt vết nứt. Do đó, WEC hoặc WEA không phải là nguyên nhân gây ra hỏng hóc sớm, mà là một triệu chứng của thiệt hại RCF tiên tiến.
Các giới hạn dung sai cho sự không hoàn hảo của vật liệu có thể được thiết lập nhờ vào sơ đồ Kitagawa tổng quát, như được minh họa trong hình, liên quan đến giới hạn mỏi về giới hạn áp suất tiếp xúc tối đa, với kích thước khuyết tật. Khi khuyết tật trở nên nhỏ bé, đường cong tiến đến giới hạn mỏi nội tại của vật liệu ma trận. Đối với các khuyết tật lớn, giới hạn mỏi có thể được xác định theo điều kiện ngưỡng cho sự khởi đầu của sự tăng trưởng vết nứt mỏi, tức là, tiệm cận có độ dốc không đổi của Giá trị, giá trị phụ thuộc vào loại khuyết tật.
Sơ đồ Kitagawa [6] ban đầu được đề xuất cho các khuyết tật giống như vết nứt trong đó m = 0,5. Sơ đồ Kitagawa tổng quát có thể được áp dụng cho các vật liệu khác nhau và các loại khuyết tật khác nhau. Ví dụ, nó đã được sử dụng để thiết lập giới hạn dung sai cho các khuyết tật vật liệu bị thiếu trên bề mặt của các quả bóng nitrat silicon cho vòng bi SKF tổ hợp [6]. Đối với loại khuyết tật này, m là 0,46.
Dựa trên mô tả về sự khởi đầu và lan truyền vết nứt mỏi từ các vùi dưới bề mặt, một mô hình đã được phát triển để dự đoán cường độ mỏi chu kỳ rất cao (VHCF) và giới hạn mỏi của thép chịu lực [7]. Nó đã được chứng minh [8] rằng các giới hạn mỏi dự đoán và dữ liệu thử nghiệm VHCF tương quan tốt với giá trị giới hạn mỏi được thiết lập trong tiêu chuẩn ISO 281: 2007 để đánh giá tuổi thọ của vòng bi, bạc đạn SKF.