[Zohreh Gholami]

مقاله ای کامل درباره شکست خستگی در متالوژی مکانیکی


مقدمه
از سال 1850معلوم شده است که فلز تحت تنش تکراری با نوسانی، در تنشی به مراتب کمتر از تنش لازم لازم برای شکست در اثر یک مرتبه اعمال بار، خواهد شکست. شکست هایی که در شرایط بارگذاری دینامیک رخ می دهند شکست های خستگی نامیده می شوند. که این نامگذاری احتمالاً مبتنی بر این دلیل است که به طور کلی مشاهده می شود شکست ها فقط پس از یک دوره کار زیاد رخ می دهند. هیچ گونه تغییر واضحی در ساختار فلزی که به علت خستگی می شکند وجود ندارد تا بتوان به عنوان مدرکی برای شناخت دلایل شکست خستگی از آن استفاده کرد. با پیشرفت صنعت و افزایش تعداد وسایلی از قبیل خودرو، هواپیما، کمپرسور، پمپ، توربین و غیره که تحت بارگذاری تکراری و ارتعاشی هستند، خستگی بیشتر متداول شده و اکنون چنین برداشت می شود که عامل حداقل 90درصد شکستهای ناشی از دلایل مکانیکی حین کار خستگی باشد.


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 می شود. معمولاً سطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است. معمولاً سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده می شود، که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترک در مقطع و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع، در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود. غالباً پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می شود، که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند.

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
3)زیاد بودن چرخه های تنش وارده

علاوه بر این متغیرهای دیگری مانند تمرکز تنش، خوردگی، دما، بار اضافی، ساختار متالورژیکی، تنش های باقیمانده و تنش های 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 دیدگاه 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 تنش های نوسانی که باعثی خستگی می شوند.
چرخه کاملا معکوس تنش سینوسی شکلی: این چرخه یک حالت آرمانی است که توسط دستگاه خستگی محور چرخان مور تولید شده و در عمل از چرخش محوری با سرعت ثابت و بدون اضافه بار به دست می آید. در این نوع چرخه تنش، تنش های 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.
چرخه تنش تکراری: 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 تنش های حداقل و حداکثر با علامت مخالف یا هر دو در فشار نیز باشد.
چرخه تنش مرکبی: در آن 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:
1. شروع ترک: شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.
2. 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.
3. شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششی زیاد: عبارت است از رشد یک ترک معین در جهت عمد بر تنش کششی حداکثر . این مرحله معمولاً رشد ترک مرحله 2 نامیده می شود.
4. 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 کاملاً 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 هیچ وجه قابل مشاهده نیست.

بررسی ساختاری دقیق خستگی این واقعیت را نشان می دهد که معمولاً ترک های خستگی در یک سطح آزاد شروع می شوند. در موارد نادری که ترک های خستگی از قسمت داخلی شروع می شوند، همیشه مرزی، مانند حد فاصلیک لایه سطحی کربوره شده و فلز اصلی، باید وجود داشته باشد.  خستگی شباهت هایی با جریان مومسان و شکست تحت تغییرشکل تک جهتی یا ایستا دارد. بررسی های 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 فرورفتگی های نوارلغزش و بر آمدگی های نوار لغزش نامیده می شود. انجام عملیات فلز نگاری خیلی دقیق بر قسمت های مخروطی سطح نمونه نشان داده است که ترک های خستگی در مکان های 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 فرورفتگی ها پیشنهادکرده اند. این مکانیزم به انجام لغزش پی در پی عمل می کنند تا دو پله سطحی تولید شود. هنگامی که تنش فشاری می شود، روی اولین سیستمی که شروع به کار می کند فرورفتگی توسط لغزش تشکیل می شود و هنگامی که سایر سیستم های لغزش به کار می افتند، برآمدگی تشکیل می شود.


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 تقریباً 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 عمدتاً به سه دسته تقسیم می شوند
1) نا همواری سطح یا منابع تنش سطحی
2) تغییر استحکام خستگی فلز سطحی
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، روش های محدودی وجود دارد که توسط آن ها 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 آزمایش های خستگی که برای خستگی طراحی شده اند، معمولاً با نمونه های صاف پرداخت شده و در شرایط تنش کاملاً معکوس انجام می شوند. عموماً 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.

غالباً خواص خستگی به خواص به خواص خستگی به خواص کششی وابسته اند. به طور کلی حد خستگی فولادهای ریخته شده و کار شده تقریباً 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 35 درصد خواهد بود. اما با زیاد شدن استحکام تسلیم توسط مکانیزم های استحکام دهی مختلف، معمولاً 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 تأثیر 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
آزمایش های 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 حساس تر 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 لزوماً به ایجاد بهترین مشخصات پارگی در خزش منجر نخواهد شد. این مطلب از سوی تولین و ماچل و با آزمایش هایی 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 مقاوم ترند، ولی آلیاژهایی که بر آن ها کار انجام شده باشد، مقاومت به خستگی بهتری نشان می دهند. امکان دارد روش هایی 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.

تنش هایی که باعث ایجاد شکست خستگی در دمای بالا می شوند، لزوماً 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. تنش های 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 می شود. غالباً 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 خصوصاً 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 غالباً 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، احتمالاً بهتر از فولاد عملیات حرارتی عمل خواهند کرد. حفاظت از فلز در برابر تماس با محیط خورنده توسط روکش های فلزی و غیر فلزی موثر است، به شرط آن که روکش در اثر کرنش چرخه ای پاره نشود. روکش های روی و کادمیم بر فولاد و روکش های آلومینیوم آلکلاد در بسیاری کاربردهای خستگی موثر هستند، حتی اگر این پوشش ها باعث شوند هنگام آزمایش در هوا استحکام خستگی کم شود. تشکیل تنش های 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 سیستم های 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.


آزمون های 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، معمولاً حد تحمل آهن و فولاد 10000000سیکل 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
آزمایش خستگی کشش فشار


قطعات اصلی یک ماشین آزمایش خستگی عبارتند از:
1) یک محرک مکانیکی، هیدرولیکی یا مغناطیسی برای وارد کردن سیکل های تکراری تنش به نمونه
2) یک وسیله اندازه گیری تنش های ماکزیمم و مینیمم وارد شده در جریان یک دور
3) یک شمارنده برای نشان دادن تعداد دورهای تنشی وارد شده بر نمونه
4) یک وسیله ی توقف خودکار ماشین آزمایش، وقتی که نمونه می شکند.


نتیجه گیری
وقتی نمونه ای در یک ماشین کشش سنج می شکند، تنش معین و مشخصی لازم است تا موجب شکستگی قطعه گردد. با این حال، نمونه ای از همان ماده وقتی در معرض بارهای چرخشی یا متناوبی قرار می گیرد، تحت تنش بسیار کوچک تری خواهد شکست. بدین طریق، یک محور ممکن است بعد از ماه ها استفاده بشکند، حتی اگر بیشترین بار آن هم افزایش نیافته باشد. فلزها از کریستال های 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 به طوری 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 شکست ها شکست های خستگی هستند و در طراحی قطعاتی که در معرض تنش های متغیری قرار دارند حد خستگی یک ماده غالباً مهم تر از مقاومت کششی یا مقاومت تسلیم آن است در سال های اخیر اطلاعات جالبی بدست آمده است که به ما امکان می دهد فلزها را با اطمینان بیشتر و روش اقتصادی تر در ماشین های 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، سوراخ ها، شکاف ها و زاویه های مقعر تیز مواضعی برای تنش های 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 به نحو قابل ملاحظه ای عوامل بوجود آورنده ی تنش را حذف کرده و عمر خستگی را افزایش می دهند. هر گونه شیارها یا شکاف های 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.

جعبه متن

منبع: fe-c.blogfa.com