Mỏi trong liên kết hàn: đường cong S-N và thực tế

Mỏi là phá hoại chậm, âm thầm - kiểu xuất hiện nhiều năm sau bàn giao, tại một chi tiết không ai để ý, dưới tải chưa từng tiến gần khả năng chịu lực tĩnh. Nó không do ứng suất lớn cỡ nào, mà do nó lặp bao nhiêu lần. Với mọi kết cấu chịu tải lặp - đường chạy cầu trục, cầu, gối đỡ rung - mỏi có thể là phép kiểm tra thực sự khống chế các liên kết.

Biên độ ứng suất, không phải ứng suất đỉnh

Thay đổi tư duy quan trọng nhất là mỏi quan tâm tới biên độ ứng suất $\Delta\sigma$ - khoảng dao động giữa lớn nhất và nhỏ nhất trong mỗi chu kỳ - chứ không phải giá trị đỉnh. Một chi tiết có thể nằm xa dưới giới hạn chảy mà vẫn nứt, đơn giản vì bị lặp hàng triệu lần. Vì vậy một cấu kiện vượt qua mọi kiểm tra tĩnh dễ dàng vẫn có thể giấu một vấn đề mỏi trong một mối hàn.

Cấp chi tiết

Mỗi hình học mối hàn được ánh xạ tới một cấp chi tiết - một số như 80, 71 hay 56 - xác định đường cong S-N của nó, quan hệ giữa biên độ ứng suất và số chu kỳ tới phá hoại. Con số đó thực chất là biên độ ứng suất (N/mm²) chi tiết chịu được cho một số chu kỳ tham chiếu. Cấp cao hơn là chi tiết tốt hơn.

Các cấp đi theo hình học và tay nghề, và khác biệt là lớn. Mối hàn đối đầu thấu hoàn toàn được mài là cấp cao; chân mối hàn góc, nơi ứng suất tập trung mạnh, là cấp thấp hơn nhiều; mối hàn khó tiếp cận dễ có khuyết tật gốc còn thấp hơn nữa.

Cấp chi tiết do hình học và chất lượng mối hàn quyết định, không phải mác thép nền. Chọn S355 thay vì S275 không giúp gì cho tuổi thọ mỏi.

Điểm cuối khiến nhiều người ngạc nhiên: không thể mua kháng mỏi bằng thép khỏe hơn. Bạn mua nó bằng cấu tạo tốt hơn - hình học mượt hơn, thấu hoàn toàn ở nơi quan trọng, mài bỏ chân nhọn.

Nơi đường cong và thực tế khác nhau

Đường cong S-N đến từ mẫu thí nghiệm có kiểm soát. Kết cấu thực hiếm khi khớp các điều kiện đó, và khoảng cách đó là nơi nứt thực sống:

• Khuyết chân (undercut) tại chân mối hàn tạo rãnh nhọn hơn mẫu thử giả định.
• Rỗ khí hoặc xỉ trong mối hàn gieo mầm nứt bên trong.
• Lệch gốc thêm ứng suất uốn thứ cấp mà tính toán danh nghĩa không kể đến.

Vì vậy kiểm tra mối hàn quan trọng về mỏi cũng quan trọng như tính toán. Một chi tiết thiết kế cấp 71 nhưng thi công với khuyết chân 1 mm không còn là chi tiết cấp 71. Con số trên bản vẽ là lời hứa mà chế tạo phải giữ.

Thiết kế chống mỏi

Ba thói quen bảo vệ liên kết chịu tải lặp:

1. Xác định đường truyền tải lặp sớm và dẫn chúng qua chi tiết cấp cao nếu có thể - mối đối đầu hơn mối góc, chuyển tiếp mượt hơn đột ngột.
2. Đặc tả chất lượng hàn mà cấp đó giả định, và làm cho mối hàn quan trọng về mỏi tiếp cận được để kiểm tra.
3. Đừng chỉ dựa vào kiểm tra cường độ cho cấu kiện chịu tải lặp; kiểm tra tiết diện tĩnh và ổn định đều có thể đạt trong khi mỏi âm thầm khống chế.

Mỏi thưởng cho kỹ sư nghĩ về hình học và người kiểm tra nhìn kỹ - và phạt người tin vào tỉ số sử dụng tĩnh trên một cấu kiện không bao giờ ngừng chuyển động.