Để chọn vật liệu phù hợp với các trường hợp ứng suất một cách có hệ thống, một kỹ sư thiết kế cơ khí cần:
- Tính toán và thực nghiệm phân tích ứng suất – biến dạng của chi tiết.
- So sánh ứng suất của các vật liệu có tính chất tương đương liên quan đến yêu cầu kỹ thuật.
Trong thực tế, tải trọng có thể sinh ra từ tác động cơ học, nhiệt, hóa học, và ma sát. Những yếu tố này có thể tác động riêng lẻ đến chi tiết hoặc kết hợp với nhau (tải trọng phức tạp). Bài viết này chỉ tập trung về tải trọng sinh ra từ cơ học và kết hợp cơ – nhiệt. Các phản ứng trong vật liệu từ tải trọng đó gọi là ứng suất.
Bạn có thể phân biệt đặc tính của các trường hợp tải trọng khác nhau thông qua biểu đồ ứng suất – thời gian. Biên dạng của ứng suất phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ. Nếu có lỗi xảy ra, tính chất vật liệu và trạng thái ứng suất sẽ ảnh hưởng đến hình thức sai hỏng (failure mode) của chi tiết.
Các trường hợp ứng suất / tải trọng cơ bản
Trên đây là 5 trường hợp ứng suất / tải trọng thường thấy ở thực tế.
Mình giả sử vật liệu vẫn đang nằm trong giới hạn ứng suất – biến dạng đàn hồi. Khi ấy, đồ thị tải trọng theo thời gian ở trên cũng chính là đồ thị biểu diễn ứng suất – biến dạng. Bạn tác động lực bao nhiêu lên chi tiết thì chi tiết chịu bấy nhiêu lực theo tỉ lệ thuận. Bạn ngưng tác động lực thì chi tiết về trạng thái ban đầu, không bị biến dạng.
Tuy nhiên, thực tế thường hay phũ phàng. Khi chi tiết nằm ngoài phòng thí nghiệm Việt Nam vốn được điều hòa ở mức 23±5℃, vật liệu ít khi nằm trong giới hạn ứng suất – biến dạng đàn hồi. Ở môi trường ngoài trời, vật liệu không còn giữ được quan hệ tuyến tính vậy nữa. Điều này càng đúng khi chi tiết đang ở môi trường có nhiệt độ cao. Khi đó, chi tiết bắt đầu bị biến dạng dẻo. Trục đầu ra của motor hoạt động trong thời gian dài sẽ bị “méo”, “co lại”. Còn khoảng hở giữa trục và khớp nối ngày càng lớn.
Ảnh hưởng của tải trọng theo thời gian
Bạn cần hiểu được khi nào sẽ có biến dạng vĩnh viễn hoặc tích tụ theo thời gian. Biến dạng vĩnh viễn thường xảy ra do tải tĩnh đè lên chi tiết liên tục hoặc va chạm mạnh. Biến dạng tích tụ theo thời gian thường xảy ra do tính chất tải chu kỳ. Ví dụ: rung động, bóp nhả cò máy liên tục.
| Đồ thị ứng suất theo thời gian | Đồ thị biến dạng theo thời gian | |
| Tải trọng ứng suất duy trì: Tải trọng tĩnh, cưỡng bức bằng lực σ₁,σ₂,σ₃ σ=const |  |  |
| Tải trọng ứng suất chùng: Tải trọng tĩnh, cưỡng bức bằng vị trí ε₁,ε₂,ε₃ ε=const |  |  |
| Tải trọng ứng suất chu kỳ: Tải trọng chu kỳ, cưỡng bức bằng lực σ₁,σ₂,σ₃ σ=σₘ±σₐ |  |  |
| Tải trọng biến dạng chu kỳ: Tải trọng chu kỳ, cưỡng bức bằng vị trí ε₁,ε₂,ε₃ ε=εₘ±εₐ |  |  |
Tải trọng tại các bề mặt liên kết lực
Các trường hợp tải trọng ở mục trên không có sự truyền lực trực tiếp đi qua bề mặt của mặt cắt đang xét.
Trong thực tế, các bề mặt tiếp xúc phải chịu tải trọng kết hợp giữa lực nén và cắt. Lực nào nhiều hơn thì tùy vào tải trọng lên bề mặt truyền lực ở trạng thái tĩnh hay trượt. Ví dụ: dùng máy mài góc để cắt bỏ một đoạn của cây cốt thép dầm.
Khi máy mài tác dụng lực lên cây cốt thép dầm, cây thép chịu tải tĩnh lẫn trượt. Lực nén từ tải ở trạng thái tĩnh là hướng đưa máy mài do tay người. Lực cắt từ tải ở trạng thái trượt là do ma sát giữa đĩa mài và cốt thép dầm.
Trạng thái tải trọng với ứng suất dư
Trong chi tiết máy luôn tồn tại ứng suất dư. Đây là ứng suất vốn đã hiện diện ngay cả khi không có tác động của ngoại lực, moment hay giãn nở nhiệt. Nếu chi tiết chịu tải trọng từ bên ngoài, ta áp dụng
Tổng ứng suất mà chi tiết phải chịu = ứng suất tải trọng + ứng suất dư.
Ứng suất dư có thể gây ra thay đổi tính chất vật liệu, đặc biệt là các khu vực gần bề mặt. Nếu nhìn sâu hơn về sức bền vật liệu, ứng suất dư là ứng suất tĩnh, đa trục.
Hình phía trên là ví dụ của nứt gãy trục của công tắc từ máy bơm thủy lực. Trong trường hợp này, lực hít/xả của nam châm xảy ra liên tục để đóng mở bơm. Qua thời gian, vật liệu sẽ mỏi và có tình trạng nứt gãy. Nếu không được giảm hoặc khử ứng suất dư, chi tiết sẽ nứt gãy nhanh hơn ý định thiết kế của bạn.