مکانیک

شکست خستگی

تئوری شکست

دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخ می دهد.خستگی به صورت شکستی با ظاهر ترد ،بدون هیچگونه تغییر شکل نا خالص در شکست نتیجه میشود.معمولاسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است.معمولا سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده میشود،که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترک در مقطع (قسمت بالای شکل 1) و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ،در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود.غالبا پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می شود،که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند.شکل 1مشخصه دیگری از خستگی را نیز نشان میدهد و آن اینست که معمولا شکست در نقطه وجود تمرکز تنش ، مانند یک گوشه تیز یا شیار ،یا در یک تمرکز تنش متالورژیکی مانند ناخالصی ،رخ می دهد.

سه عامل عمده برای وقوع شکست خستگی ضروری هستند.این عوامل عبارتند از:(1)تنش کششی حداکثری به مقدار بسیار زیاد، (2)تغییرات به حد کافی زیاد یا نوسانی در تنش وارده،و(3)زیاد بودن چرخه های تنش وارده. علاوه بر این متغیرهای دیگری مانندتمرکز تنش ،خوردگی،دما،بار اضافی ،ساختار متالورژیکی،تنشهای باقیمانده و تنشهای مرکب هم وجود دارند که شرایط را برای ایجاد خستگی تقویت می کنند.

چون هنوز مفهومی کلی از علت بروز خستگی در فلزات به دست نیاورده ایم ،لازم است بعضی از این عوامل را از دیدگاهع اساسا تجربی مورد بحث قرار دهیم.به علت زیاد بودن حجم اطلاعاتی از این قبیل ،فقط تشریح نکات برجسته ممکن خواهد بود.

چرخه های تنش

ابتدا تعریف مختصری از انواع کلی تنشهای نوسانی که باعثی خستگی می شوند،بیان می کنیم شکل2 چرخه های نمونه ای تنش خستگی را نشان می دهد.شکل 2(الف) چرخه کاملا معکوس تنش سینوسی شکلی را نشان می دهد. این چرخه یک حالت آرمانی است که توسط دستگاه خستگی محور چرخان مور تو.لید شده و در عمل از چرخش محوری با سرعت ثابت و بدون اضافه بار به دست می آید.در این نوع چرخه تنش، تنشهای حداقل و حداکثر برابرند. تنش حداقل همان کمترین تنش جبری در چرخه است . تنش کششی مثبت در نظر گرفته میشود و تنش فشاری منفی است.

شکل 2(ب) یک چرخه تنش تکراری را نشان می دهد که در آن تنش حداکثر و تنش حداقل برابر نیستند. در این نمودار هر دو تنش کششی اند. ولی یک چرخه تنش تکراری می تواند شامل تنشهای حداقل و حداکثر با علامت مخالف یا هر دو در فشار نیز باشد.شکل 2(پ) چرخه تنش مرکبی را نشان می دهد که در قطعه ای مانند بال هواپیما و در اثر تند بادها تحت بارهای اضافی دوره ای غیر قابل پیش بینی قرار      می گیرد.

خصوصیات ساختاری خستگی

در مطالعات تغییرات ساختاری اصلی در فلزی که به آن تنش چرخه ای اعمال می شود، فرایند خستگی برای سهولت درک به مراحل زیر تقسیم شده است:

شروع ترک : شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.

رشد ترک نوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تنش برشی زیاد، این مرحله غالبا رشد ترک مرحله 1 نامیده می شود.

شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششی زیاد: عبارت است از رشد یک ترک معین در جهت عمد بر تنش کششی حداکثر . این مرحله معمولا رشد ترک مرحله 2 نامیده می شود.

شکست نرم نهایی: هنگامی رخ می دهد که طول ترک به اندازه کافی برسد، طوری که سطح مقطع باقیمانده نتواند بار وارده را تحمل کند.

 

سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه های مسبب شکست به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. اما کاملا مشخص شده است که یک ترک خستگی می تواند قبل از اینکه 10درصد عمر کل نمونه منقضی شود، شکیل شود.البته در تصمیم گیری در مورد زمانی که یک نوتر لغزش عمیق شده می تواند ترک نامیده شود، ابهام زیادی وجود دارد . به طور کلی ،سهم بیشتری از کل چرخه های مسبب شکست به اشاعه ترکهای مرحله2 در خستگی کم چرخه تعلق دارد تا خستگی پر چرخه، در صورتی که رشد ترک در مرحله 1 برای خستگی پرچرخه و تنش کمن ،بیشتر است . اگر تنش کششی زیاد باشد، مانند خستگی در نمونه های با شیار تیز ، رشد ترک مرحله 1 به هسچ وجه قابل مشاهده نیست.

بررسی ساختاری دقیق خستگی این واقعیت را نشان می دهد که معمولا ترکهای خستگی در یک سطح آزاد شروع می شوند . در موارد نادری که ترکهای خستگی از قسمت داخلی شروع می شوند، همیشه مرزی ، مانند حد فاصلیک لایه سطحی کربوره شده و فلز  اصلی ،باید وجود داشته باشد.

خستگی شباهتهایی با جریان مومسان و شکست تحت تغییرشکل تک جهتی یا ایستا دارد. بررسیهای گوف نشان داده است که فلز تحت کرنش چرخه ای توسط لغزش بر صفحات اتمی مشابه و در همان جهات بلور شناسی کرنش تک جهتی تغییرشکل می دهد. در حالی که لغزش در تغییر شکل تک جهتی معمولا در تمام دانه ها منتشر می شود، در خستگی فقط در بعضی دانه ها خطوط لغزش مشاهده می شود و در دانه های دیگر هیچ اثری از لغزش وجود ندارد. به طور کلی خطوط لغزش هنگام چند هزار چرخه اول تنش تشکیل می شوند.چرخه های پی در پی خطوط لغزش اضافی تولید می کنند، ولی تعداد خطوط لغزش مستقیما با تعداد چرخه های تنش مناسب نیست. لغزش قابل رویت در بسیاری از فلزات خیلی زود به مقدار اشباع می رسد، که این امر به صورت نواحی پیچیده ای از لغزش سنگین موازی با آنچه به طور طبیعی یک نوار لغزش بود، مشاهده می شود. نوترهای لغزش حین خستگی به معنای تشکیل ترک نخواهد بود.

یک جنبه مهم ساختاری که به نظر می رسد منحصر به تغییر شکل خستگی باشد،تشکیل سطحی از برآمدگی و شیار است که فرورفتگیهای نوارلغزش و بر آمدگیهای نوار لغزش نامیده می شود.انجام عملیات فلز نگاری خیلی دقیق بر قسمتهای مخروطی سطح نمونه نشان داده است که ترکهای خستگی در مکانهای فرورفتگی و بر آمدگی شروع می شوند.تجربیات زیادی نشان می دهند که لغزش متقاطع در فرایند ایجاد بر آمدگی اهمیت زیادی دارد.مثلا تولید شکست خستگی در بلورهای یونی ویژه ای که به سادگی لغزش متقاطع نمیکنندمشکل بوده و تولید شکست خستگی در بلورهای روی که طوری جهتدار می شوند تا فقط به صورت لغزش آسان تغییر شکل دهند نیز خیلی مشکل است . از طرف دیگر در آلومینیوم خالص ،که لغزش متقا طع آن بینهایت ساده است، برآمدگی نوار لغزش ایجاد    نمی شود (بر خلاف بیشتر آلیاژهای آلومینیم).

هال و کاترل مکانیزمی برای تشکیل برآمدگیها و فرورفتگیها پیشنهادکرده اند. شکل 3 نشان می دهد که  این مکانیزم به انجام لغزش پی در پی عمل می کنند تا دو پله سطحی تولید شود{شکل 3 (ب و پ)}. هنگامی که تنش فشاری می شود، روی اولین سیستمی که شروع به کار می کند فرورفتگی توسط لغزش تشکیل می شودشکل 3(ت) و هنگامی که سایر سیستمهای لغزش به کار می افتند،برآمدگی تشکیل می شود{شکل3(ث)}.

اثر سطح و خستگی

عملا تمام شکستهای خستگی از سطح شروع می شوند. در بسیاری از انواع متداول بارگذاری ،مانند خمش و پیچش،تنش حداکثر در سطح رخ می دهد ،طوری که شروع شکست از آن مکان منطقی جلوه می کند . اما در بارگذاری محوری، شکست خستگی تقریبا همیشه از سطح شروع می شود. مدارک فراوانی حاکی از اینکه خواص خستگی به شرایط سطحی بسیار حساس هستند در دست است. عواملی که در سطح یک نمونه خستگی تاثیر می گذارند عمدتا به سه دسته تقسیم           می شوند:(1) نا همواری سطح یا منابع تنش سطحی،(2) تغییر استحکام خستگی فلز سطحی، و (3) تغییرات شرایط تنش باقیمانده در سطح، علاوه بر این ،سطح فلز در معرض اکسایش و خوردگی نیز قرار دارد.

اثر متغیرهای متالورژیکی بر خستگی

خواص خستگی فلزات کاملا به ساختار حساس است.اما در حال حاضر،روشهای محدودی وجود داردکه توسط آنها می توان خواص خستگی را از طرق متالورژیکی بهبود بخشید.

تغییرات طراحی به نحوی که تمرکز تنش کم شود و استفاده صحیح از تنش باقیمانده فشاری مفید به جای تغییر جنس از کارهای عمده ای است که در خواص خستگی بهبود ایجاد می کند.با اینحال عوامل متالورژیکی ویژه ای وجود دارند که برای اطمینان از بهترین کارایی در اندازه گیری یک فلز یا آلیاژ خاص باید در نظر گرفته شوند.آن آزمایشهای خستگی که برای خستگی طراحی شده اند، معمولا با نمونه های صاف پرداخت شده و در شرایط تنش کاملا معکوس انجام می شوند. عموما فرض می شود هرگونه تغییری در خواص خستگی به علت عوامل متالورژیکی، مشابه همان مقدار تغییری است که در شرایط خستگی مرکب ، مانند نمونه های شیار دار تحت تنشهای مرکب ، رخ می دهد،البته این نکته همیشه یا شرایطی که در مورد نتایج حساسیت به شیار مطابقت ندارد.

غالبا خواص خستگی به خواص به خواص خستگی به خواص کششی وابسته اند. به طور کلی حد خستگی فولادهای ریخته شده و کار شده تقریبا 50 درصد استحکام نهایی کشش است . نسبت حد خستگی به استحکام کششی نسبت خستگی نامیده می شود. نسبت خستگی فلزات غیر آهنی مانند نیکل ،مس و منیزیم در حدود 35درصدخواهد بود. اما با زیاد شدن استحکام تسلیم توسط مکانیزمهای استحکامدهی مختلف ، معمولا حد خستگی به طور متناسب با آن زیاد نمی شود. اکثر مواد با استحکام زیاد، در برابر خستگی با محدودیت مواجه اند.

رابطه عمر خستگی با اندازه دانه نیز به شیوه تغییر شکل بستگی دارد. بیشترین تاثیر اندازه دانه بر عمر خستگی در شرایط چرخه زیاد و تنش کم است که در آن ایجاد ترک مرحله 1 مسلط است. در موادی با انرژی خطای انباشتگی زیاد(مانند آلومینیوم و مس) ساختارهای سلولی به سادگی به وجود آمده و اشاعه ترک    مرحله 1را کنترل می کند را کنترل می کند. بنابراین ساختار سلول نابجایی ، اثر اندازه دانه را می پوشاند و عمرخستگی در تنش ثابت به اندازه حساس نیست. اما در ماده ای با انرژی خطای انباشتگی کم (مانند برنج آلفا)، عدم وجود ساختار سلولی به دلیل لغزش مسطح باعث می شود مرزهای دانه آهنگ ایجاد ترک را کنترل کنند. در این حالت، عمرخستگی با 2/قطر دانه متناسب است.

اثر دما بر خستگی

آزمایشهای خستگی فلزات در دماهای کمتر از دمای اتاق نشان می دهد که استحکام خستگی با کاهش دما زیاد می شود. با اینکه فولادها در حالت خستگی در دمای کم به شیار حساستر می شوند،هیچ دلیلی برای نشان دادن وقوع هر گونه تغییر ناگهانی در خواص خستگی در دما های کمتر از دمای انتقال تردی به نرمی وجود ندارد . این واقعیت که با کاهش دما استحکام خستگی نسبتا بیشتر از استحکام کششی افزایش می یابد، با نشان دادن شکست خستگی در دمای اتاق که با تشکیل و تمرکز جای خالی همراه است، توجیه می شود.

به طور کلی ، هرچه استحکام خزش ماده ای بیشتر باشد ،استحکام خستگی آن ماده در دمای زیاد بیشتر است. اما آن عملیات متالورژیکی که باعث ایجاد بهترین خواص خستگی در دمای بالا می شود لزوما به ایجاد بهترین مشخصات پارگی در خزش منجر نخواهد شد. این مطلب از سوی تولین و ماچل و با آزمایشهایی که در دمای زیاد بر تعدادی ابر آلیاژ انجام شد ،نشان داده شده است . در دمای کمتر ریز بودن اندازه دانه خواص خستگی بین مواد درشت دانه و ریز دانه کم می شود تا در دماهای زیاد،که خزش مسلط است،مواد درشت دانه استحکام بیشتری دارند. به طور کلی ، گرچه اغلب قطعات ریختگی به خزش مقاومترند، ولی آلیاژهایی که بر آنها کار انجام شده باشد ،مقاومت به خستگی بهتری نشان می دهند .امکان دارد روشهایی که در کاهش شکستهای خستگی در دمای اتاق مفیدند ،برای خستگی در دمای بالا مفید نباشند. مثلا ممکن است قبل از اینکه دما به دمای عمل برسد ،تنشهای باقیمانده فشاری در اثر تابانیده شدن از بین بروند.

تنشهایی که باعث ایجاد شکست خستگی در دمای بالا می شوند ،لزوما نباید از منابع مکانیکی ناشی شده باشند. شکست خستگی می تواند در شرایطی که هیچ تنشی به دلایل مکانیکی تولید نمی شود،توسط تنشهای گرمایی نوسانی به وجود آید .تنشهای گرمایی وقتی به وجود می آیند که توسط قیدی از تغییر ابعاد یک قطعه به علت تغییر دما جلوگیری شود.

اگر شکست در اثر اعمال تنش گرمایی رخ دهد ، شرایط به شوک گرمایی موسوم است . اما اگر شکست پس از اعمال مکرر تنش گرمایی رخ دهد ، این حالت خستگی حرارتی نامیده میشود. غالبا در وسایلی که در دمای بالا کار می کنند ،شرایط ایجاد شکست در اثر خستگی گرمایی وجود دارد. فولاد زنگ نزن آستنیتی از فلزاتی است که خصوصا به دلیل هدایت گرمایی کم و انبساط گرمایی کم و انبساط گرمایی زیاد خود نسبت به این پدیده حساس است. از مطالعات انجام شده درباره خستگی گرمایی در این ماده مقالات منتشر شده زیادی موجود است.

خستگی خوردگی

کنش همزمان تنش چرخه ای و حمله شیمیایی به خستگی خوردگی موسوم است. حمله خورنده بدون حضور تنش غالبا در سطوح فلزی حفره ایجاد می کند . حفره ها مانند شیار عمل کرده و استحکام خستگی را کاهش می دهند. اما وقتی حمله خورنده همزمان با بار گذاری خستگی رخ دهد ، کاهش آشکاری در خواص خستگی نتیجه می شود که از کاهش خواصی که در اثر خوردگی قبلی سطح به وجود می آید ،بیشتر است . هنگامی که خوردگی و خستگی همزمان واقع شوند ،حمله شیمیایی سرعت اشاعه ترک خستگی را به شدت تسریع می کند.

برای به حداقل رساندن خسارت خستگی خوردگی چند روش وجود دارد. به طور کلی ،انتخاب هر ماده ای برای این نوع عملکرد به جای اینکه مبتنی بر خواص قراردادی خستگی باشد ، باید بر خواص مقاومت به خوردگی متکی باشد . بنابراین فولاد زنگ نزن ،برنز یا آلیاژ مس _ بریلیم، احتمالا بهتر از فولاد عملیات حرارتی عمل خواهند کرد. حفاظت از فلز در برابر تماس با محیط خورنده توسط روکشهای فلزی و غیر فلزی موثر است، به شرط آنکه روکش در اثر کرنش چرخه ای پاره نشود. روکشهای روی و کادمیم بر فولادو روکشهای آلومینیوم آلکلاد در بسیاری کاربردهای خستگی موثر هستند، حتی اگر این پوششها باعث شوند هنگام آزمایش در هوا استحکام خستگی کم شود . تشکیل تنشهای باقیمانده فشاری سطح از باز شدن شیارهای سطحی و وارد شدن ماده خورنده جلو گیری می کنند . به ویژه نیتریده کردن در مبارزه با خستگی موثر است و ساچمه زنی در شرایط خاص با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است . در سیستمهای بسته امکان کاهش حمله خوردگی با افزودن یک ممانعت کننده خوردگی وجود دارد . و بالاخره حذف تمرکزدهنده های تنش توسط طراحی دقیق در جایی که خستگی خوردگی باید در نظر گرفته شود،بسیار مهم است.

آزمونهای خستگی

آزمون خستگی ، آزمونی دینامیکی است که رفتار نسبی مواد را تحت نیرو های تکرار شونه یا کم و زیاد  شونده تعیین می کند . در این آزمون شرایطی مشابه شرایط کارکرد برای اجزای ماشین که تحت نیروهای لرزشی یا نوسانی قرار دارند به وجود می آید . مقدار تنش (کشش ،فشار ،خمش یا پیچش) با دستگاه و بسته یه نمونه ی مورد آزمون تعیین می شود . نیروی اعمال شده بر نمونه طی آزمون مرتبا بین دو مقدار تغییر می کند ، که حداکثر نیرو معمولا کمتر از استحکام تسلیم ماده است . چرخه های تنش تا شکست نمونه یا رسیدن به تعداد چرخه ی معین ادامه می یابد.

در آزمایش خستگی ، معمولا حد تحمل آهن و فولاد10000000سیکل است ولی برای آلیاژهای غیر آهنی این مقدار ممکن است 500000000دور باشد.

سه آزمایش خستگی معروف عبارتند از :

آزمایش میله ی چرخان ،آزمایش با میله ی ارتعاشی و آزمایش خستگی کشش فشار

قطعات اصلی یک ماشین آزمایش خستگی عبارتند از:

یک محرک مکانیکی ،هیدرولیکی یا مغناطیسی برای وارد کردن سیکلهای تکراری  تنش به نمونه

یک وسیله اندازه گیری تنشهای ماکزیمم و مینیمم وارد شده در جریان یک دور

یک شمارنده برای نشان دادن تعداد دورهای تنشی وارد شده بر نمونه

یک وسیله ی توقف خودکار ماشین آزمایش ، وقتی که نمونه می شکند.

یک ماشین خستگی با تیر یک سر آزاد چرخان در شکل4 دیده می شود.

نتیجه گیری

وقتی نمونه ای در یک ماشین کشش سنج می شکند ،تنش معین و مشخصی لازم است تا موجب شکستگی قطعه گردد . با اینحال ، نمونه ای از همان ماده وقتی در معرض بارهای چرخشی یا متناوبی قرار می گیرد ،تحت تنش بسیار کوچکتری خواهد شکست . بدین طریق ،یک محور ممکن است بعد از ماهها استفاده بشکند، حتی اگر بیشترین بار آن هم افزایش نیافته باشد. این نوع شکستگی در شکل 5 نشان داده شده است .فلزها از کریستالهای ریزی تشکیل شده اند که صفحات لغزش آنها در جهات گوناگون قرار دارند. هرگاه تنش به مقدار کافی برسد،عمل لغزش روی صفحات بلورین انفرادی رخ خواهد داد. در مرحله اول ممکن است این لغزش اشکالی ایجاد نکندولی با تکرار عمل لغزش ترکهای ریز تشکیل شده و گسترش پدا می کنند و در نتیجه سطح مقطع یک عضو نیز کاهش یافته بطوری که دیگر نیروی وارد شده را تحمل نخواهد کرد.در قسمت نهایی شکست ساختمان بلورین فلزی با قسمتهای مجاور مدتی ایجاد اصطکاک می کند. گاهی اوقات مقطع نهایی موجب اشتباه شدن نتیجه آزمایش می گردد ،زیرا که قطعه بعلت تبلور مجدد در جریان کار ،دارای دانه درشت شده و می شکند.این شکستها شکستهای خستگی هستند و در طراحی قطعاتی که در معرض تنشهای متغیری قرار دارند حد خستگی یک ماده غالبا مهمتر از مقاومت کششی یا مقاومت تسلیم آن است در سالهای اخیر اطلاعات جالبی بدست آمده است که به ما امکان می دهد فلزها را با اطمینان بیشتر و روش اقتصادی تر در ماشینهای دقیق و هواپیما های مافوق صوت مصرف کنیم . از عوامل مهم و عمده عمر خستگی بالا می توان پرداخت سطحی خوب ، عاری از خوردگی و کربن گیری را نام برد. استفاده از قطعاتی که به منظورافزایش تنش های فشاری نزدیک سطح نمونه نورد سرد یا ساچمه زده شده اند نیز عمر خستگی را زیاد می کند سطوح زبر شکاف دار یا شیار دار ،اغلب حد خستگی فلزها را کاهش    می دهند.

واضح است که خمیدگی ها ،سوراخها ، شکافها و زاویه های مقعر تیز مواضعی برای تنشهای بالا و امکان شکست در قطعات ماشین محسوب می شوند . استفاده از فیلت های زیاد،گرد کردن انتهاهای جا خارها و چاک ها ،صافکاری گوشه ها و شانه ها و اجتناب از اثرات برشی ابزار تیز بنحو قابل ملاحظه ای عوامل بوجود آورنده ی تنش را حذف کرده و عمر خستگی را افزایش می دهند . هر گونه شیارها یا شکافهای تیز می توانند توزیع تنشه را تعییر داده و خواص فیزیکی یک ماده را اصلاح کنند و باعث شوند تا قطعات در برابر نیرو های وارده عکس العمل خوبی از خود نشان دهند.

تهیه کننده: مصطفی سخراوی

 

+ نوشته شده در  شنبه شانزدهم آبان 1388ساعت 20:6  توسط فرزین زهدی  |