Ngày 8 tháng 5 năm 1842.
Một đoàn tàu hơi nước rời Versailles để trở về Paris sau lễ hội của Vua Louis-Philippe.
Đó là một ngày bình thường.
Hành khách trò chuyện, trẻ em nhìn ra cửa sổ, đầu máy vẫn đều đặn kéo đoàn tàu tiến về phía trước.
Không ai biết rằng, trên một trục bánh xe đang quay liên tục, đã xuất hiện một vết nứt nhỏ đến mức không ai có thể nhìn thấy.
Nó không phát ra tiếng động.
Không làm đoàn tàu rung lắc.
Không làm người lái tàu nghi ngờ bất cứ điều gì.
Rồi chỉ trong một khoảnh khắc…
Chiếc trục gãy.
Đầu máy trật bánh.
Các toa tàu lao vào nhau rồi bốc cháy dữ dội.
Thảm họa Versailles đã cướp đi sinh mạng của 55 người, trong đó có Jules Dumont d’Urville – nhà thám hiểm nổi tiếng của nước Pháp, người từng thực hiện nhiều chuyến hải trình vòng quanh thế giới và góp phần quan trọng vào việc khám phá Nam Cực.
Sau tai nạn, các kỹ sư bắt đầu điều tra.
Họ tháo rời chiếc trục bị gãy.
Đo đạc kích thước.
Kiểm tra vật liệu.
Tính toán lại toàn bộ kết cấu.
Nhưng điều khiến tất cả bối rối là…
Chiếc trục không hề bị thiết kế sai.
Theo lý thuyết cơ học lúc bấy giờ, nó hoàn toàn đủ bền.
Ứng suất làm việc thấp hơn nhiều so với giới hạn bền tĩnh của vật liệu.
Không có dấu hiệu quá tải.
Không có sai sót chế tạo rõ ràng.
Nếu mọi phép tính đều đúng…
Vậy tại sao chiếc trục vẫn gãy?
Trong nhiều tháng sau đó, câu hỏi ấy không có lời giải.
Đến năm 1843, kỹ sư người Anh Joseph Glynn công bố kết quả phân tích chiếc trục gãy.
Điều ông phát hiện đã mở ra một chương hoàn toàn mới trong lịch sử cơ khí.
Quan sát mặt gãy của trục, ông nhận thấy những vòng cung đồng tâm lan dần từ mép ngoài vào tâm.
Đó không phải dấu vết của một cú gãy tức thời.
Mà là dấu vết của một vết nứt đã âm thầm phát triển qua hàng triệu chu kỳ tải trọng.
Chiếc trục không gãy vì một lực quá lớn.
Nó gãy vì một lực không quá lớn nhưng lặp đi lặp lại vô số lần.
Lần đầu tiên, con người nhận ra rằng kim loại cũng có thể “bị mỏi”.
Một dạng hỏng hoàn toàn mới được phát hiện.
Ngày nay chúng ta gọi đó là phá hủy vì mỏi (fatigue failure).
Khám phá của Joseph Glynn đã làm thay đổi cách các kỹ sư nhìn nhận về độ bền của chi tiết máy.
Nhưng phải đến khoảng năm 1860, kỹ sư người Đức August Wöhler mới đưa hiện tượng này từ quan sát lịch sử trở thành một lý thuyết khoa học.
Ông chế tạo thiết bị thử độ bền mỏi uốn của trục toa xe lửa, cho các mẫu trục quay liên tục dưới tải trọng không đổi và ghi nhận số chu kỳ cho đến khi phá hủy.
Kết quả của hàng trăm thí nghiệm đã được công bố trên Tạp chí Xây dựng của Đức (Zeitschrift für Bauwesen), đặt nền móng cho đường cong S-N (Wöhler curve) nổi tiếng.
Từ đó, tuổi thọ mỏi của một chi tiết máy không còn là điều phải phỏng đoán.
Nó có thể được xác định bằng thực nghiệm và tính toán.
Ngày nay, mỗi khi sinh viên học về giới hạn mỏi, đường cong mỏi, các nhân tố ảnh hưởng đến giới hạn mỏi, hay kiểm nghiệm độ bền của trục, bánh răng, lò xo…
các em không chỉ đang học những công thức.
Các em đang học một bài học được viết nên từ lịch sử của ngành kỹ thuật.
Nếu trước năm 1842, các kỹ sư chỉ quan tâm đến độ bền tĩnh, thì sau thảm họa Versailles, họ hiểu rằng một chi tiết máy không chỉ cần đủ bền để chịu tải hôm nay, mà còn phải đủ bền để chịu được hàng triệu chu kỳ làm việc trong tương lai.
Đó là lý do vì sao, trong thiết kế hiện đại, kiểm nghiệm độ bền mỏi luôn là một bước không thể thiếu đối với các chi tiết chịu tải trọng thay đổi như trục, bánh răng, lò xo, thanh truyền, cánh tuabin hay càng máy bay.
Đó cũng là triết lý của đào tạo kỹ sư.
Một người kỹ sư giỏi không chỉ biết tính để một chi tiết không gãy.
Mà còn phải dự đoán được khi nào nó sẽ bắt đầu xuất hiện vết nứt, vết nứt sẽ phát triển ra sao, và làm thế nào để ngăn điều đó xảy ra.
Bởi trong kỹ thuật, nhiều thảm họa không bắt đầu bằng một tải trọng quá lớn. Chúng bắt đầu bằng một vết nứt nhỏ mà không ai nhìn thấy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Versailles rail accident”, Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Versailles_rail_accident
[2] J. Glynn, “On the causes of fracture of the axles of railway carriages”, Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers, vol. 3, pp. 202-203, 1844 (báo cáo đọc trước Hội Kỹ sư Xây dựng Anh; dẫn lại trong [3], [5]).
[3] W. Schütz, “A history of fatigue”, Engineering Fracture Mechanics, vol. 54, no. 2, pp. 263-300, 1996. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0013794495001786
[4] A. Wöhler, “Über die Festigkeitsversuche mit Eisen und Stahl”, Zeitschrift für Bauwesen, vol. 20, pp. 73-106, 1870.
[5] R. A. Smith, S. Hillmansen, “A brief historical overview of the fatigue of railway axles”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, vol. 218, no. 4, pp. 267-277, 2004. https://journals.sagepub.com/doi/10.1243/0954409041319632
[6] “Fatigue (material)”, Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Fatigue_(material)
[7] W. D. Callister, D. G. Rethwisch, Materials Science and Engineering: An Introduction, 9th ed., John Wiley & Sons, 2014.
[8] Bài giảng Chi tiết máy, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
