Language
Country/Area
No result found
Sự thật về độ mỏi cơ nhiệt: Tại sao nó lại quan trọng đối với động cơ?
Các chuyên gia thiết kế động cơ ngày nay thường phải cân nhắc đến một yếu tố quan trọng: mỏi nhiệt cơ (TMF). TMF là hiện tượng mỏi của vật liệu dưới sự tương tác của tải trọng cơ học tuần hoàn và tải trọng nhiệt tuần hoàn. Khi chế tạo động cơ tua-bin hoặc tua-bin khí, không thể bỏ qua tầm quan trọng của TMF.
Mỏi nhiệt cơ không chỉ ảnh hưởng đến tuổi thọ của vật liệu mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.
Cơ chế lỗi
Có ba cơ chế hỏng hóc chính của mỏi nhiệt cơ học:
Sự biến dạng: Hiện tượng chảy của vật liệu ở nhiệt độ cao. Mỏi: Sự phát triển và lan truyền vết nứt do tải trọng lặp đi lặp lại. Oxy hóa: Sự thay đổi trong thành phần hóa học của vật liệu do các yếu tố môi trường làm cho vật liệu bị oxy hóa trở nên giòn hơn và dễ nứt hơn. Tác động của ba cơ chế này sẽ khác nhau tùy thuộc vào các thông số tải.
Giai đoạn tải
Trong tải nhiệt cơ học trong pha (IP), tác động của hiện tượng biến dạng sẽ đáng kể nhất khi cả nhiệt độ và tải đều tăng đồng thời. Sự kết hợp giữa ứng suất cao và nhiệt độ cao là lý tưởng cho hiện tượng biến dạng. Vật liệu nóng này chảy dễ dàng hơn khi kéo căng, nhưng nguội đi và trở nên cứng hơn khi nén.
Trong tải nhiệt cơ học lệch pha (OP), tác động của quá trình oxy hóa và mỏi chiếm ưu thế. Quá trình oxy hóa làm yếu bề mặt vật liệu, hình thành các khuyết tật và đóng vai trò như mầm mống cho sự phát triển của vết nứt. Khi vết nứt phát triển, bề mặt vết nứt mới lộ ra sẽ bị oxy hóa, làm vật liệu yếu đi và vết nứt lan rộng hơn.
Trong một số trường hợp, khi chênh lệch ứng suất lớn hơn nhiều so với chênh lệch nhiệt độ, hiện tượng mỏi có thể trở thành nguyên nhân duy nhất gây ra hỏng hóc, khiến vật liệu hỏng trước khi quá trình oxy hóa có hiệu lực.
Phân tích mô hình
Hiện nay, nghiên cứu về mỏi nhiệt cơ học vẫn chưa hoàn thiện và các nhà khoa học đã đề xuất nhiều mô hình khác nhau để dự đoán hành vi và tuổi thọ của vật liệu dưới tải trọng TMF.
Hai loại mô hình chính sẽ được thảo luận ở đây: mô hình cấu thành và mô hình hiện tượng học.
Mô hình cấu thành
Các mô hình cấu thành tận dụng hiểu biết hiện có về cấu trúc vi mô của vật liệu và cơ chế hỏng hóc. Các mô hình này rất phức tạp và được thiết kế để kết hợp tất cả kiến thức của chúng ta về hư hỏng vật liệu. Với sự tiến bộ của công nghệ hình ảnh, loại mô hình này ngày càng trở nên phổ biến trong các nghiên cứu gần đây.
Mô hình hiện tượng họcCác mô hình hiện tượng học dựa trên hành vi quan sát được của vật liệu và xem cơ chế hỏng hóc như một "hộp đen". Sau khi nhập nhiệt độ và điều kiện tải, kết quả đầu ra là tuổi thọ mỏi. Loại mô hình này cố gắng tìm ra mối quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra khác nhau bằng cách sử dụng các phương trình nhất định.
Mô hình tích lũy thiệt hại
Mô hình tích lũy thiệt hại là một loại mô hình cấu thành tổng hợp thiệt hại từ ba cơ chế hỏng hóc: mỏi, biến dạng và oxy hóa.
Mô hình này được coi là một trong những mô hình TMF toàn diện và chính xác nhất vì nó xem xét đến tác động của nhiều cơ chế hỏng hóc khác nhau.
Tuổi thọ mệt mỏi
Tuổi thọ chịu mỏi được tính toán trong điều kiện tải đẳng nhiệt và chủ yếu bị ảnh hưởng bởi độ biến dạng tác dụng lên mẫu vật. Mô hình này không tính đến các tác động của nhiệt độ, những yếu tố này được xử lý bằng các thuật ngữ oxy hóa và biến dạng.
Hiệu ứng oxy hóa
Tuổi thọ oxy hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thời gian chu kỳ. Kết quả thực nghiệm cho thấy trong điều kiện nhiệt độ cao, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ chịu mỏi của vật liệu.
Hiệu ứng rùng rợn
Ảnh hưởng của biến dạng được đánh giá bằng các điều kiện ứng suất và tải trọng ở các nhiệt độ khác nhau và tuổi thọ vật liệu được tóm tắt từ điều này.
Những thách thức cho đến nay và triển vọng tương lai
Mặc dù các mô hình tích lũy thiệt hại đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu TMF, nhưng tính phức tạp của chúng cũng đòi hỏi phải thu thập nhiều thông số vật liệu thông qua các thí nghiệm mở rộng. Làm thế nào để cân bằng độ chính xác và khả năng vận hành của mô hình vẫn là một thách thức lớn đối với giới học thuật và ngành công nghiệp.Trong tương lai, khi khoa học vật liệu tiến bộ, chúng ta sẽ có thể hiểu sâu hơn về cơ chế mỏi nhiệt cơ, điều này sẽ giúp thiết kế động cơ bền hơn. Tuy nhiên, làm thế nào để chuyển đổi hiệu quả kiến thức mới này thành ứng dụng thực tế vẫn là một câu hỏi đáng để khám phá.
