Sai hỏng do ứng suất cơ học xảy ra trong 4 trường hợp:
- Ứng suất đạt đến tải trọng giới hạn làm gãy dẻo. Tải trọng lên chi tiết là tải tĩnh. Gãy dẻo bắt buộc phải có hiện tượng chảy dẻo cục bộ trước đó. Vì vậy, bạn có thể phát hiện sai hỏng sắp xảy ra và ngăn chặn kịp thời.
- Ứng suất đạt đến tải trọng giới hạn làm gãy giòn. Tải trọng lên chi tiết là tải tĩnh. Chi tiết không có dấu hiệu để bạn biết trước khi sai hỏng xảy ra.
- Ứng suất làm chi tiết gãy mỏi. Tải trọng lên chi tiết là tải chu kỳ hoặc rung động.
- Ứng suất làm chi tiết biến dạng vĩnh viễn, mất chức năng kỹ thuật. Ví dụ: hiện tượng uốn dọc của dầm, móp méo trên mặt biên dạng cam (profile).
Sai hỏng do ứng suất tĩnh
Đa số các kim loại và hợp kim trong kỹ thuật có tính biến dạng đàn hồi tuyến tính. Lấy ví dụ bằng một chiếc phe cài bằng vật liệu 65Mn, độ dày 1mm chưa xử lý nhiệt. Bạn có thể bẻ cong nó dễ dàng bằng 2 ngón tay mà vẫn trở lại trạng thái ban đầu. Đến khi đạt giới hạn chảy, kim loại và hợp kim mới bị biến dạng vĩnh viễn. Điều này xảy ra được vì cấu trúc tinh thể của chúng cho phép làm điều đó.
Bây giờ ta đào sâu về cơ tính chi tiết dưới góc nhìn của khoa học vật liệu. Biến dạng đàn hồi xảy ra khi mạng tinh thể biến dạng giãn nở nhưng có thể phục hồi. Biến dạng vĩnh viễn hay chảy dẻo xảy ra khi mạng tinh thể trượt không thể phục hồi. Khi đó, các vùng mạng tinh thể sẽ trượt trên các mặt trượt ưu tiên. Ở vật liệu đồng nhất và đẳng hướng, các mặt trượt này trùng hướng với ứng suất cắt cực đại.
Với cấu trúc mạng lý tưởng, không khuyết tật, giá trị ứng suất cắt sẽ giống mô phỏng. Tuy nhiên, thực tế thường phũ phàng hơn nhiều. Cấu trúc mạng nào cũng sẽ có khuyết tật
- điểm (khuyết tật mạng không chiều hay 0D)
- đường (khuyết tật mạng một chiều hay 1D)
- mặt (khuyết tật mạng hai chiều hay 2D)
- khối (khuyết tật mạng ba chiều hay 3D)
Đối với hiện tượng trượt của mạng tinh thể, khuyết tật xảy ra là khuyết tật đường. Quá trình trượt bắt đầu ở ứng suất cắt thấp hơn nhiều so với tính toán mô phỏng. Khi quá trình trượt ở cấp vi mô nhiều lên, các vân chảy ở cấp vĩ mô sẽ hình thành. Hướng của các vân chảy trùng với hướng của ứng suất cắt lớn nhất. Đối với trạng thái ứng suất ba trục, điều kiện chảy dưới đây sẽ được áp dụng:
Nếu vượt quá giới hạn chảy, vật liệu biến dạng dẻo được sẽ biến dạng đến khi gãy. Chi tiết bị biến dạng thế nào còn tùy thuộc vào trạng thái ứng suất hiện tại. Nếu là ứng suất nén đa trục, khả năng biến dạng sẽ lớn hơn so với ứng suất kéo. Nếu là ứng suất kéo đa trục, chi tiết có thể gãy giòn mà không có biến dạng báo trước.
Hình trên cho thấy ảnh hưởng của 4 ứng suất lên giới hạn chảy trượt \tau_F và độ bền trượt \tau_B. 4 ứng suất đó là: kéo và nén đơn trục, kéo và nén đa trục. Hình còn cho biết các vòng tròn ứng suất Mohr tương ứng cho thời điểm bắt đầu chảy dẻo. Khoảng cách giữa \tau_F và \tau_B là thước đo trực tiếp cho khả năng biến dạng dẻo. Nếu chi tiết có chịu ứng suất kéo đa trục, bạn cần phải lường trước nguy cơ gãy giòn. Trên đồ thị, đó là vị trí bên phải điểm giao nhau của \tau_F và \tau_B.
Sai hỏng do ứng suất rung động
Mỏi vật liệu do tải trọng dao động là một trong những nguyên nhân sai hỏng phổ biến nhất. Hình trên mô tả quá trình hư hại của các mẫu thử chịu tải dao động đơn cấp cho đến khi gãy. Hiện tượng này còn gọi là gãy mỏi.
Điểm chính của mỏi vật liệu là sự hình thành các biến dạng dẻo chu kỳ. Kể cả tải trọng chưa làm chi tiết biến dạng vĩnh viễn, các vết trượt vi mô vẫn xuất hiện cục bộ. Chúng xuất hiện ở chỗ có khía lẫn không có khía. Tuy nhiên, những vết nứt/trượt siêu vi này chủ yếu nằm ở vùng gần bề mặt. Sau khi chi tiết đi vào hoạt động một khoảng thời gian, các vết nứt sẽ tích tụ nhiều. Khi tích tụ đủ nhiều, vết nứt kỹ thuật được hình thành. Vết nứt lớn này thường chạy vuông góc với hướng ứng suất chính lớn nhất.
Tổng số chu kỳ cho đến khi gãy = số chu kỳ hình thành vết nứt dài từ 0.1÷1 mm + số chu kỳ phát triển vết nứt
Với các chi tiết không có khía và tải trọng nhỏ, giai đoạn hình thành vết nứt chiếm ưu thế. Với các chi tiết có khía và tải trọng cao, giai đoạn phát triển vết nứt chiếm ưu thế.