Thử nghiệm độ mỏi

Thử nghiệm độ mỏi được chia thành các loại khác nhau:

• Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ thấp theo tiêu chuẩn ISO 12106 và ASTM E606
• Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao theo tiêu chuẩn DIN 50100, ASTM E466-15 hoặc ISO 1099

Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao (HCF), còn được gọi là thử nghiệm SN, thử nghiệm độ mỏi Woehler hoặc thử nghiệm rung liên tục, là một thử nghiệm tải theo chu kỳ để xác định hành vi mỏi của vật liệu và linh kiện. Hành vi mỏi hoặc khả năng chống rung cung cấp thông tin về hành vi biến dạng và hỏng hóc của vật liệu hoặc linh kiện dưới tải trọng động dao động. Kết quả thử nghiệm đóng một vai trò quan trọng trong việc sử dụng các vật liệu và linh kiện trong thực tế, vì tải cơ học theo chu kỳ thường là nguyên nhân gây ra lỗi linh kiện. Biết được hành vi mỏi cho phép đưa ra kết luận chính xác về độ bền mỏi hữu hạn và giới hạn mỏi của vật liệu hoặc linh kiện. Kiến thức về hành vi mỏi của vật liệu và linh kiện đảm bảo rằng không có thiệt hại vật liệu quan trọng hoặc sự cố mỏi đột ngột xảy ra trong vòng đời của sản phẩm cuối cùng.

Mẫu vật thử nghiệm được đặt trong giá đỡ thử nghiệm và chịu tải theo chu kỳ (lực căng, nén, uốn, xoắn hoặc cắt) thường sử dụng hàm thời gian tải hình sin. Trong thử nghiệm độ mỏi Woehler, ứng suất trung bình vẫn không đổi. Các mẫu của chuỗi thử nghiệm được nạp tải xen kẽ bởi độ lệch ứng suất (biên độ) ở cả hai phía của mức ứng suất trung bình cho đến khi xảy ra tiêu chí thất bại được xác định trước, ví dụ:

• Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao (HCF) tiến hành cho đến khi mẫu bị lỗi (hoặc xảy ra tiêu chí hỏng hóc được xác định rõ ràng, ví dụ như gãy xương hoặc nứt nẻ).
• Giá trị ngưỡng theo số chu kỳ được xác định trước. Thử nghiệm độ mỏi xylce cao (thử nghiệm S-N) kết thúc khi mẫu vật hoặc linh kiện đạt đến số chu kỳ tải ngưỡng mà không hiển thị bất kỳ tiêu chí hỏng hóc có thể nhìn thấy nào. Trong trường hợp này, mẫu vật hoặc linh kiện được thử nghiệm được cho là có khả năng chống mỏi.
• Các nhà khoa học và kỹ sư thử nghiệm luôn thực hiện một số Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao (thử nghiệm S-N) trên các mẫu giống hệt nhau lần lượt. Biên độ ứng suất từ mẫu này sang mẫu khác giảm dần (phương pháp cầu thang) cho đến khi sự kiện được xác định trước (ví dụ: đứt gãy của mẫu vật thử nghiệm) không còn xảy ra hoặc đạt đến số chu kỳ tải ngưỡng. Nói chung, ít nhất ba thử nghiệm được thực hiện trên mỗi biên độ tải để xác minh thống kê các giá trị.
  

Kết quả của tất cả các lần chạy của chuỗi thử nghiệm độ mỏi Woehler cuối cùng được đưa vào một sơ đồ: sơ đồ Woehler. Sơ đồ này cho thấy sự phụ thuộc của biên độ ứng suất (trục Y) và số ngưỡng tương ứng của chu kỳ tải (trục X). Điều này dẫn đến đường cong Woehler (đồng nghĩa: Đường Woehler).

Thiết bị đo cổ điển cho Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao là máy đo biến dạng (hoặc thiết bị đo), có giá trị điện trở thay đổi khi bề mặt vật thể bị biến dạng hoặc nén. Đồng hồ đo/đồng hồ đo biến dạng có sẵn trên thị trường với nhiều loại vật liệu và hình dạng khác nhau, do đó, đồng hồ đo biến dạng phù hợp có sẵn cho mọi thử nghiệm tiêu chuẩn. Để ghi lại sự biến dạng của vật liệu hoặc linh kiện cần kiểm tra, một hoặc nhiều đồng hồ đo biến dạng được áp dụng thủ công cho mẫu và được kết nối với thiết bị khuếch đại hoặc cái gọi là hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ) thông qua cáp.

Những gì nghe có vẻ đơn giản hóa ra lại phức tạp hơn trong thực tế: Ứng dụng cục bộ của máy đo biến dạng/thiết bị đo thể hiện sự can thiệp vật lý vào thành phần của bề mặt mẫu. Ngay cả khi lớp kết dính của máy đo biến dạng/thiết bị đo rất mỏng, có thể quan sát thấy hiệu ứng rãnh cục bộ. Kết quả là các khuyết tật bề mặt nhỏ có thể dẫn đến các vết nứt không mong muốn trong khu vực của máy đo biến dạng/thiết bị đo, làm sai lệch phép thử. Ngoài ra, việc sử dụng đồng hồ đo biến dạng/thiết bị đo biến dạng kéo theo một vấn đề thứ hai: Không chỉ vật liệu được thử nghiệm bị mỏi, vật liệu của máy đo biến dạng/thiết bị đo cũng bị mỏi. Đặc biệt là trong vật liệu tổng hợp công nghệ cao, độ mỏi vật liệu của máy đo biến dạng/thiết bị đo có thể xảy ra sớm hơn độ mỏi của vật liệu được thử nghiệm. Do đó, Thử nghiệm độ mỏi chu kỳ cao (thử nghiệm độ mỏi Woehler) có thể phải bị hủy bỏ sớm hơn dự định thực sự, tức là đã có sự thất bại của máy đo biến dạng/thiết bị đo.

Một giải pháp thay thế hoặc bổ sung hữu ích cho đồng hồ đo biến dạng/đồng hồ đo là đo lường 3D quang học: Các hệ thống đo dựa trên máy ảnh theo dõi trình tự đo trong thời gian thực (trong các thiết lập đa cảm biến từ các góc nhìn khác nhau cùng một lúc) và cho phép thu thập dữ liệu đo không tiếp xúc. Các giá trị đo được của biến dạng và chuyển vị 3D cung cấp thông tin rõ ràng về biến dạng của mẫu vật thử nghiệm. Dữ liệu đo được tự động chuyển sang phần mềm đo, cho phép đánh giá khác nhau (ví dụ: so sánh dữ liệu đo với dữ liệu mô phỏng).

Hệ thống đo 3D quang học ARAMIS ghi lại với tọa độ 3D chính xác cao, chuyển vị 3D và biến dạng bề mặt 2D cả trên toàn bộ bề mặt và tại các điểm quan tâm cụ thể. Diện tích đo của hệ thống ARAMIS có thể được điều chỉnh linh hoạt cho phù hợp với mẫu vật thử nghiệm. Bất kể đó là một linh kiện nhỏ hay cấu trúc đặc biệt có chiều dài vài mét, các cảm biến ARAMIS luôn bao phủ toàn bộ thiết lập thử nghiệm. Ngược lại với đồng hồ đo biến dạng/đồng hồ đo biến dạng thông thường, hệ thống ghi lại hoàn toàn dữ liệu đo theo cách không tiếp xúc. Nếu được yêu cầu, người dùng cũng có thể áp dụng đồng hồ đo/đồng hồ đo biến dạng ảo cho linh kiện thông qua phần mềm ZEISS INSPECT được kết nối mà không phải lo lắng trước về nơi sẽ xảy ra biến dạng cao nhất. Phần mềm hướng dẫn người dùng thực hiện quy trình đo lường hoàn chỉnh: bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu đo lường thông qua phân tích biến dạng bề mặt hoặc chuyển vị 3D theo điểm cho đến việc tạo ra các báo cáo đo lường có ý nghĩa dễ hiểu và diễn giải ngay cả đối với những người dùng không có bất kỳ kinh nghiệm nào về công nghệ đo lường (ví dụ: đối tác hợp tác hoặc khách hàng). Ví dụ, mức độ biến dạng của mẫu vật thử nghiệm có thể được trực quan hóa trong biểu diễn độ lệch màu.