0
04136674922

خستگی در شفت یا محورها

خستگی

 

اکثر قطعات ماشین ها تحت اثر نیروهای متغیر واقع می شوند. مثلاً در یک موتور احتراق داخلی، پیستون، شاتون، سرسیلندر، میل لنگ، میل بادامک، و خیلی از قطعات دیگر آن در معرض چنین نیروهایی قرار می گیرند. تحلیل های آماری نشان می دهند که بیش از ۸۰ درصد شکستگی قطعات در اثر تنش های متغیر به وقوع می پیوندد. این نوع شکستگی را “خستگی” می نامند.

استحکام قطعات ماشین در مقابل نیروهای متغیر خیلی کمتر از استحکام آن ها در مقابل نیروهای استاتیکی است. مثلاً اگر یک قطعه فولادی بتواند ۱۰۰۰ نیوتن بار استاتیکی را تحمل کند، نیروهای متناوبی فقط برابر ۴۰۰ نیوتن و یا کمتر را تحمل خواهد نمود. افزون بر آن، عوامل موثر در کاهش استحکام فلزات در بارهای متغیر عموماً تفاوت از عواملی هستند که در بارهای استاتیکی باعث شکستن زودرس قطعه می گردند. به این دلیل، آزمایش های لازم برای تعیین استحکام فلزات باید متفاوت از آزمایش هایی باشند که برای تعیین خواص مکانیکی آن ها به کار گرفته می شوند.

 

ضعیف ترین نقاط قطعه در مقابل خستگی 

 

نیروها و لنگرهای استاتیکی و متغير وارده به یک قطعه از نقطه ای به نقطه دیگر فرق می کنند. در نتیجه، نقطه یا نقاطی را می توان یافت که این نیروها حداکثر باشند. به نظر می رسد که در صورت اضافه بار، اولین آثار خستگی به صورت ترک در چنین نقاطی ظاهر شوند ولی برخلاف تصور، شکست ناشی از خستگی همیشه در نقاط ماکزیمم نیرو و لنگر اتفاق نمی افتد.

در قطعه ممکن است عواملی وجود داشته باشند که عملاً باعث تشدید تنش شوند. این عوامل را عوامل تنش افزا می نامیم. در نقاطی که عوامل تنش افزا وجود دارند، مقدار واقعی تنش ممکن است چند برابر مقدار محاسبه شده توسط فرمول های استاتیکی مقاومت مصالح باشد. عوامل تنش افزا در بارهای استاتیکی ممکن است اثر قابل توجهی نداشته باشند ولی در بارهای تکراری عموماً اثر تخریبی قابل ملاحظه ای دارند.

به طور کلی، تغییر مقطع، سوراخ، جاخار، خراش روی سطح، ناخالصی یا حفره داخلی در قطعه و انطباق پرسی هر یک به عنوان یک عامل تنش افزا عمل می کنند.

 

 

تفسير سطح مقطع شکسته شده 

 

یک مقطع شکسته شده در اثر خستگی، دارای دو ناحیه کاملاً متمایز است:

الف – ناحیه صاف دارای رگه های موجی: این ناحیه نشانگر پیشرفت تناوبی و تدریجی ترک می باشد. سطح مجاور نقطه ای که ترک آغاز گردیده است صاف تر بوده و به تدریج خشن تر می گردد.

ب- ناحیه ناصاف: این ناحیه که بیشتر به سطح شکسته مواد ترد شباهت دارد، نشانگر شکستن آنی فلز است.

 

عمل شکست در سه مرحله به شرح زیر صورت می پذیرد:

ایجاد ترک: چون نیروها متغيرند، تنش های حاصله از آن ها نیز در هر پریود از یک مقدار حداقل به یک مقدار متوسط و سپس به یک مقدار حداکثر می رسند. ضمن گذر از حداکثر نیروها و یا در اثر یک بار اضافی تصادفی ممکن است ترک، ولو خیلی کوچک، در ناحیه ضعیف قطعه ایجاد گردد. اگر بار اضافی تصادفی وارده خیلی زیادتر از حد خستگی جسم باشد، ممکن است ترک در چند نقطه ظاهر شود.

پیشرفت ترک: ضمن تغییر نیرو، کاهش آن باعث توقف ترک و افزایش دوباره آن موجب پیشرفت ترک می گردد. توقف و پیشرفت مداوم ترک در سطح شکسته شده رگه های موجی شکل باقی می گذارد.

شکست نهایی: ضمن نفوذ ترک به داخل جسم، به تدریج از سطح موثری که در مقابل نیرو مقاومت می کند کاسته می شود. بدین ترتیب، به تدریج در سطح باقیمانده قطعه بر مقدار تنش افزوده می شود. آنگاه که سطح باقیمانده به مقداری برسد که در مقابل نیروی حداکثر نتواند مقاومت کند شکست نهایی قطعه اتفاق می افتد و یک سطح ناصاف بجا می گذارد.

 

نقطه B شروع ترک و نقطه C شکست نهایی

 

در هیچ نقطه ای از سطح شکسته شده اثر تغییر شکل پلاستیکی قابل ملاحظه ای دیده نمی شود. این امر را می توان در شناسایی نوع شکست مورد بهره برداری قرار داد.

مساحت ناحیه ناصاف را می توان برای محاسبه تنش وارده به قطعه مورد استفاده قرار داد. اگر ناحیه ناصاف وسعت زیاد داشته باشد، پی می بریم که حداکثر نیروی وارده بیشتر از مقداری بوده است که محور برای آن طراحی گردیده است. در این صورت، باید در ابعاد یا جنس محور تجدیدنظر شود. در صورتی که این ناحیه کوچک باشد، نشان می دهد که طراحی محور صحیح صورت گرفته است و ترک اولیه به دلیل یک بار اضافی تصادفی به وجود آمده یا قطعه از اول دارای ترک یا ناخالصی بوده است..

بسته به نوع بار و مقدار آن، مقطع شکسته شکل ویژه ای می یابد. در شکل زیر، رابطه بين شكل مقاطع شکسته و نوع و میزان باری که موجب شکستگی می گردد نشان داده شده است.

 

سطوح شکست خستگی

 

روش های جلوگیری از خستگی 

 

در بارهای استاتیکی، قطعه تحت اثر بار اضافی قبل از شکستن تغییر شکل می دهد. مخصوصاً، اگر قطعه از ماده نرمی ساخته شده باشد تغییر شکل با چشم غیر مسلح نیز ممکن است قابل تشخیص باشد. این امر را می توان به عنوان هشدار قبل از شکستن تلقی کرد. اما، در بارهای تکراری عامل هشدار دهنده مشابهی وجود ندارد و گاهی شکست ناگهانی قطعه باعث ضررهای مادی زیاد و حتی تلفات جانی می شود.

در دستگاه های حساسی چون هواپیما، قطعات را پس از انجام تعداد ساعت های پرواز معینی مورد بازرسی قرار می دهند. این بازرسی شامل بازدید عینی و به کارگیری آزمایش های مخصوص آشکارسازی ترک های سطحی و داخلی می باشد. آزمایش های غیر مخرب، نظیر استفاده از شار مغناطیسی، نفوذ مایع، امواج ماورای صوت و روش های رادیوگرافی از جمله آزمایش های متداول برای آشکارسازی ترک می باشند. این روش ها را در مورد قطعات دستگاه های حساس دیگر، چون توربین ها، جرثقیل های سنگین و کشتی ها نیز می توان به کار بست.

راه دیگر جلوگیری از خطر، تقویت نقاطی است که امکان وجود عوامل تنش افزا می باشد. به طور کلی، ترک در قطعه زمانی تولید می شود که تنش کششی از حد معینی بیشتر شود. در خستگی قطعات، این ترک ها اکثراً در سطوح آزاد به وجود می آیند. بدین سبب، اگر سطح قطعه یا ناحیه عوامل تنش افزا به نحوی دارای تنش های پسماند فشاری شوند قطعه در مقابل بروز ترک تقویت خواهد گردید. بدین منظور، در بیشتر قطعات، مانند پره های توربین ها، عمداً در سطح قطعه توسط ساچمه زنی، عملیات حرارتی، سخت کاری سطحی و چکش کاری سرد تنش پسماند فشاری به وجود می آورند. چون تنش های پسماند ممکن است ضمن کار از بین بروند، گاهی در سرویس دستگاه ها، عمل ایجاد تنش پسماند فشاری را تکرار می کنند.

بعضی از روش های تولید مانند ریخته گری، کشش و گاهی اکستروژن در سطح قطعه تنش پسماند کششی ایجاد می کنند. همچنین، تراشکاری و سنگ زنی نیز تنش پسماند کششی باقی می گذارند. قبل از به کار بردن این گونه محصولات ابتدا باید تنش پسماند آن ها را از بین برد.

گالوانیزه کردن و پوشش با کروم نیز باعث تضعیف قطعه در مقابل بارهای تکراری می گردند. برخی از فلزات، حساس به صافی سطح هستند. این فلزات اگر دارای سطح صاف و صیقلی باشند دارای مقاومت بیشتری در مقابل بارهای متناوب می باشند. حتی، شماره سریال ساخت قطعه، که در بیشتر کارخانه ها روی آن حک می شود، در بعضی از موارد باعث شروع ترک در محور گردیده است.

روش دیگر جلوگیری از خستگی، تقویت بنیه قطعه در ناحیه عوامل تنش افزا و با به کارگیری شیوه هایی برای کاهش آثار این عوامل می باشد. تغییر ابعاد قطعه و همچنین انتخاب ماده قوی تر شاید ساده ترین شیوه هایی باشند که طراح برای تقویت قطعه ممكن است انتخاب نماید. ولی، اگر طراح به این فکر باشد که انحراف خطوط جریان تنش را به حداقل برساند، راه منطقی تر و صحیح تری در پیش گرفته است. کاهش انحراف خطوط جریان تنش با کاهش تمرکز تنش هماهنگ است و در نتیجه موجب تقویت بنیه قطعه می گردد. 

 

نویسنده مطلب: دکتر عبدالعلی فرزاد

 

 

نوشته های مرتبط دیگر در عصر مواد:


 

ارسال دیدگاه