خستگی در مواد
از سال ۱۸۳۰ مشخص شده است که وقتی مواد تحت یک بارگذاری نوسانی و تکراری دینامیکی قرار می گیرند در تنشی به مراتب کمتر از وقتی که تحت بارگذاری ثابت قرار دارند، می شکنند. شکست در اثر بارگذاری دینامیکی را خستگی می گویند. علت این نامگذاری شاید این باشد که این نوع شکست پس از مدتی کارکرد مشاهده می شود.
شکست خستگی امروزه متداول تر شده است زیرا تکنولوژی تجهیزات، قطعات، دستگاه ها و ماشین هایی را ساخته است که اغلب تحت بارگذاری دینامیکی کار می کنند. به طوری که گفته می شود حدود ۹۰% همه شکست های مکانیکی در اثر خستگی است.
دلیل اصلی خطرناک بودن شکست خستگی، وقوع آن بدون آگاهی قبلی و بدون قابلیت مشاهده است. بنابراین همواره باید قابلیت اطمینان خستگی قطعات را مد نظر قرار داد. بررسی ها نشان داده اند که معمولاً این نوع شکست، در اثر وجود تمرکز تنش مکانیکی (مانند یک گوشه تیز، فاق یا شیار) یا در اثر عوامل متالورژیکی (مانند ناخالصی یا خوردگی) رخ می دهد.
عملاً تمام شکست های خستگی از سطح شروع می شوند و این موضوع اهمیت سطح در خستگی فلزات را نشان می دهد. در بسیاری از روش های متداول بارگذاری مانند خمش و پیچش، تنش حداکثر در سطح رخ می دهد. در بارگذاری محوری نیز، شکست خستگی تقریباً همیشه از سطح شروع می شود.
مشخصات شکست خستگی
خستگی از این نظر که بدون اخطار قبلی اتفاق می افتد خطرناک است. شکست خستگی در فلزات معمولاً حالت ترد دارد زیرا یا بدون تغییرشکل پلاستیک است یا با مقدار تغییر شکل پلاستیک کمی همراه است. گرچه گفته شده است که مواد نرم در مرحله شکست ناگهانی خستگی دارای مقداری تغییر شکل پلاستیک هستند ولی مواد ترد بدون تغییر شکل پلاستیک می باشند.
در مقیاس ماکروسکوپی سطح شکست عمود بر جهت تنش اعمالی است و معمولاً یک ناحیه صاف ناشی از پیشرفت مرحله ای ترک خستگی و یک ناحیه با سطح زبر که در آن ماده به صورت ترد دچار شکست می شود، مشاهده می گردد. معمولاً در همان ناحیه صاف یک سری حلقه هایی اطراف نقطه شروع شکست مشاهده می شود. این علامت ها مربوط به دوره های مختلف گسترش ترک، مثلاً یک شیفت کاری دستگاه یا یک پرواز هواپیما می باشد. اعتقاد بر این است که رشد متناوب ترک باعث می شود سطح شکست اکسیده یا خورده شود و در نتیجه شکلی را به وجود آورد که شامل حلقه هایی هم مرکز با رنگ های مختلف باشد.
یک مشخصه دیگر خستگی این است که شکست معمولاً از نقاط تمرکز تنش در سطح نمونه ها مانند لبه های تیز، شیار یا عیوب متالورژیکی مانند آخال ها و حفره ها شروع می شود. سطح شکست بسته به مقدار و نوع تنش اعمالی و تعداد مکان های بالقوه جوانه زنی ترک به صورت های مختلفی ظاهر می شود.
نمایی از سطح شکست خستگی
سه عامل مهم و لازم برای ایجاد شکست خستگی عبارتند از:
۱- تنش کششی
۲- تغییر یا نوسان تنش اعمالی
۳- تعداد زیاد سیکل اعمال نیرو
البته برخی عوامل دیگر نظیر تمرکز تنش، دما، خوردگی، بار اضافی، ساختار متالورژیکی، تنش های باقیمانده و تنش های ترکیبی شرایط لازم برای خستگی را تغییر می دهند.
تست خستگی در مواد
آزمایش خستگی با روش های مختلفی انجام می شود. یکی از روش های متداول آن، روش چرخشی-خمشی و روش دیگر انجام آزمایش خستگی، روش کشش-فشار است. روش اصلی ارائه نتایج خستگی استفاده از منحنی S-N است که در آن S تنش اعمالی و N تعداد سیکل های منجر به شکست می باشد. معمولاً N به صورت لگاریتم ارائه می شود. مقدار تنش که روی محور عمودی نشان داده می شود می تواند σa ،σmin یا σmax باشد. مقادیر تنش معمولاً تنش های اعمالی یا اسمی هستند و تمرکز تنش در نظر گرفته نمی شود.معمولاً این نمودار حاصل آزمایش کاملاً برگشت پذیر می باشد که در آن تنش متوسط صفر است.
برای برخی فلزات مهم مانند فولاد و تیتانیم منحنی S-N در یک تنش مشخص افقی می شود. زیر این حد، که حد خستگی یا حد تحمل و یا استحکام یا مقاومت خستگی نامیده می شود، ماده می تواند تعداد بی شماری سیکل را بدون شکست تحمل کند. تعداد سیکل های منجر به شکست نمونه را عمر خستگی می نامند.
منحنی S-N برخی فلزات و آلیاژها مانند آلومینیوم، منیزیم و مس به گونه ای است که شیب آن به تدریج با افزایش تعداد سیکل ها کم می شود. این مواد یک حد خستگی مشخص یا واقعی ندارند، زیرا هیچ وقت منحنی S-N آن ها افقی نمی شود. در چنین حالتی برای مشخص کردن خصوصیات خستگی مواد، استحکام خستگی آن ها را در یک تعداد سیکل اختیاری، مثلاً ۱۰۸سیکل، تعریف می کنند.
تصویری از یک منحنی S-N برای آلیاژهای آهنی و غیر آهنی و تیتانیم
جنبه های ریزساختاری خستگی
فرایند خستگی را می توان به مراحل زیر تقسیم کرد:
۱- شروع و جوانه زنی ترک: شامل پیشرفت اولیه خسارت خستگی است که می توان آن را با عملیات حرارتی مناسب (مثل آنیل کردن) کنترل نمود.
۲- رشد ترک: در دو مرحله انجام می شود:
الف: مرحله اول رشد ترک، که شامل عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات دارای تنش برشی زیاد به وسیله تشکیل نوار لغزشی می باشد.
ب: مرحله دوم رشد ترک، که شامل رشد در جهت عمود بر تنش کششی و روی صفحات دارای تنش کششی زیاد می باشد.
۳- شکست نهایی: وقتی اتفاق می افتد که ترک به اندازه ای رسیده باشد که سطح مقطع باقیمانده نتواند نیروی اعمالی را تحمل کند. شکست نهایی بسته به نوع ماده می تواند نرم یا ترد باشد.
سهم هر مرحله در شکست خستگی به خوبی مشخص نیست و به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. گرچه مشخص شده است که قبل از ۱۰% عمر کل نمونه، ترک خستگی تشکیل می شود یا به عبارتی مرحله اول حدود ۱۰% کل عمر خستگی می باشد.
عوامل موثر بر روی عمر یا استحکام خستگی
عوامل زیادی روی عمر خستگی تاثیر دارند. از جمله ی این عوامل می توان به خواص ماده، نوع بارگذاری قطعه، تنش های سطحی، شرایط سطحی قطعه مثل زبری و صافی، تمرکز تنش ها، تنش های حرارتی، دما، خوردگی، عیوب ماده و غیره اشاره کرد. معمولاً در مورد فولادها حد خستگی تقریباً نصف استحکام نهایی آن ها است. بنابراین با انتخاب موادی با استحکام بالاتر می توان انتظار استحکام خستگی بالاتری نیز داشت. گرچه این باعث کاهش چقرمگی شکست و افزایش حساسیت به شیار می شود.
اگر چه هر تغییری در خواص ماده می تواند روی رفتار خستگی آن اثر داشته باشد، ولی هرگونه تغییر در سطح نمونه یا قطعه تاثیر بیشتری روی رفتار خستگی آن می گذارد زیرا همان طور که قبلاً نوشته شد اغلب ترک های خستگی از ناحیه سطح شروع می شود. هر چه سطح صاف تر باشد، به علت وجود مکان های تمرکز تنش کمتر، حد تحمل خستگی هم بالاتر خواهد بود.
نوشته های مرتبط دیگر در عصر مواد:
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.