Fatigue Testing – Thử Nghiệm Mỏi Vật Liệu Là Gì?

Khi bạn bẻ một chiếc ghim giấy qua lại nhiều lần, nó dần yếu đi và cuối cùng bị gãy – đó chính là hiện tượng mỏi vật liệu. Đây là một ví dụ điển hình của thử nghiệm mỏi chu kỳ thấp (low-cycle fatigue). Nếu chỉ tác dụng lực nhẹ, số chu kỳ để vật liệu gãy sẽ tăng lên – mô phỏng thử nghiệm mỏi chu kỳ cao (high-cycle fatigue).

Mỏi Vật Liệu Là Gì?

Mỏi vật liệu (fatigue) là hiện tượng xuất hiện các vết nứt nhỏ trong vật liệu dưới tác động của tải trọng lặp đi lặp lại, dù lực tác động chưa vượt ngưỡng phá hủy.

• Vết nứt mỏi thường bắt đầu từ các khuyết tật bề mặt hoặc vùng tập trung ứng suất cao.

• Các vết nứt lan rộng theo thời gian và gây phá hủy đột ngột sau một số chu kỳ nhất định.

Ví dụ thực tế: Một vết nứt nhỏ trên bo mạch in (PCB) có thể mở rộng do thay đổi nhiệt độ, cuối cùng dẫn đến hỏng mạch.

Sự Khác Biệt Giữa Giới Hạn Mỏi và Độ Bền Mỏi

• Giới hạn mỏi (Endurance Limit): Một số vật liệu như thép mềm có mức ứng suất dưới đó vật liệu sẽ không bị mỏi, dù số chu kỳ vô hạn.

• Độ bền mỏi (Fatigue Strength): Vật liệu như nhôm không có giới hạn mỏi, nên chỉ tồn tại trong một số chu kỳ nhất định tại mức ứng suất nhất định (10⁷ đến 10⁸ chu kỳ).

Mỏi trong vật liệu nguyên vẹn thường bắt đầu từ các vết nứt hình thành do tải lặp đi lặp lại (cyclic load or strain). Đối với mẫu thử bề mặt trơn, các vết nứt có thể xuất hiện do biến dạng dẻo không hồi phục.

Phần lớn các vết nứt mỏi khởi phát từ khuyết tật vật liệu, nơi tập trung ứng suất cao – và tiếp tục lan rộng qua từng chu kỳ cho đến khi vật liệu phá hủy hoàn toàn.

Các Phương Pháp Thử Nghiệm Mỏi Phổ Biến

1. Thử Nghiệm Mỏi Nén/Uốn (Push – Flex Bend / Compression)

Chế độ PUSH áp dụng tải nén lặp lại lên mẫu thử. Ứng dụng điển hình là uốn chu kỳ các liên kết trên bo mạch để mô phỏng ứng suất khi sử dụng thực tế.

• Dùng cho thử nghiệm uốn hoặc nén chu kỳ. Ở chế độ này, lực đẩy tuần hoàn được tác động lên mẫu thử. Một ứng dụng phổ biến là tạo biến dạng tuần hoàn cho các liên kết trên bảng mạch bằng phương pháp uốn.

  • Có thể dùng phương pháp uốn 3 điểm hoặc 4 điểm, trong đó uốn 4 điểm được dùng phổ biến hơn vì biến dạng bề mặt được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài con lăn trung tâm.

  • Người dùng nhập các thông số thử nghiệm gồm lực nén cực đại và cực tiểu, thời gian giữ lực tại mỗi điểm, cùng tốc độ tăng giảm lực.

  • Chu kỳ lặp lại cho đến khi đạt các tiêu chí dừng thử nghiệm hoặc người dùng kết thúc.

  • Đầu vào ngoài có thể dùng để ghi lại biến dạng bảng mạch hoặc dừng thử nghiệm khi điện trở của chuỗi liên kết vượt mức cho phép.

  • Khi cần đo nhiều cảm biến cùng lúc, đầu vào ngoài giúp đồng bộ dữ liệu lực-biến dạng với bộ ghi dữ liệu (data logger).

  • Các quy trình đo điện trở và vị trí đặt cảm biến được quy định trong các tiêu chuẩn IPC/JEDEC 9702 và 9704.

📌 Ứng dụng: Kiểm tra độ bền liên kết PCB, đánh giá gãy giòn.

Tại Sao Nên Thực Hiện Thử Nghiệm Mỏi?

• ✅ Phát hiện lỗi tiềm ẩn chưa thấy trong thử nghiệm tĩnh.

• ✅ Mô phỏng điều kiện làm việc thực tế: tải, nhiệt, độ ẩm, rung.

• ✅ Tối ưu thiết kế, vật liệu, lớp phủ và cấu trúc sản phẩm.

• ✅ Tăng độ tin cậy cho các sản phẩm điện tử, y sinh, hàng không, cơ khí chính xác.

2. Thử Nghiệm Mỏi Kéo (Pull – Tensile Fatigue Test)

Chế độ PULL dùng để tải kéo lặp lại, từ mức thấp đến cao.

• Phù hợp với kiểm tra pad cratering, wire bond, keo dẫn điện.

• Phát hiện vết nứt hoặc đứt kết nối qua thời gian.

📌 Ứng dụng:

• Dự đoán lỗi tiềm ẩn trong kết nối chip, dây nối.

• Phân tích độ bền liên kết chịu lực kéo.

3. Thử Nghiệm Mỏi Xoay Chiều (Push-Pull – Alternating Load)

Chế độ này đặc biệt hữu ích cho thử nghiệm mối hàn (solder joints) và các linh kiện gắn bề mặt, nơi lực tác dụng luân phiên theo hai hướng.

• Tải được đặt theo hướng này rồi chuyển sang hướng ngược lại, lặp đi lặp lại theo chu kỳ.

• Dịch chuyển được điều chỉnh tự động để đạt tải mong muốn.

📌 Ứng dụng: Kiểm tra mối hàn SMT, xác định độ bền uốn xoay.

4. Thử nghiệm mỏi Chu Kỳ Cắm/Rút Đầu Nối và Nút Bấm (Component – Connector/Button Cycling)

Chế độ COMPONENT được thiết kế để thực hiện thử nghiệm chu kỳ lặp đi lặp lại trên các đầu nối (connectors), phím bấm (buttons) và bàn phím (keypads). Quá trình thử nghiệm dựa trên sự dịch chuyển tuần hoàn (cyclic displacement) với thời gian giữ cố định tại hai vị trí cực đại của hành trình dịch chuyển.

Quy trình thử nghiệm gồm 4 bước chính:

• Bước 1: Người dùng nhập vị trí cao nhất (uppermost position) và thời gian (giây) mà thiết bị sẽ giữ nguyên vị trí này trong mỗi chu kỳ.

• Bước 2: Người dùng thiết lập tốc độ (insertion rate) mà công cụ di chuyển xuống vị trí thấp hơn.

• Bước 3: Người dùng nhập vị trí thấp nhất (lowermost position) và thời gian giữ tại vị trí này trong chu kỳ.

• Bước 4: Người dùng nhập tốc độ (retraction rate) để công cụ di chuyển trở lại vị trí cao nhất.

Chu kỳ sẽ lặp lại liên tục cho đến khi một trong các điều kiện phát hiện điểm dừng (End Point Detection) được kích hoạt hoặc người dùng chủ động kết thúc thử nghiệm.

Thử nghiệm mỏi vật liệu là một phần thiết yếu trong quy trình phát triển sản phẩm để xác định độ tin cậy của chúng dưới các điều kiện sử dụng thực tế. Nếu bạn cần tư vấn chọn máy Fatigue Tester hoặc xây dựng quy trình kiểm tra mỏi tùy chỉnh theo sản phẩm, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẵn sàng hỗ trợ.