شكست خستگي

مقدمه:
از سال 1850معلوم شده است كه فلز تحت تنش تكراري با نوساني،در تنشي به مراتب كمتر از تنش لازم براي شكست در اثر يك مرتبه اعمال بار ، خواهد شكست.شكستهايي كه در شرايط بارگذاري ديناميك رخ مي دهند شكستهاي خستگي ناميده ميشوند. كه اين نامگذاري احتمالا مبتني بر اين دليل است كه به طور كلي مشاهده مي شود شكستها فقط پس از يك دوره كار زياد رخ مي دهند.هيچگونه تغيير واضحي در ساختار فلزي كه به علت خستگي مي شكند وجود نداردتا بتوان به عنوان مدركي براي شناخت دلايل شكست خستگي از آن استفاده كرد. با پيشرفت صنعت و افزايش تعداد وسايلي از قبيل خودرو ، هواپيما،كمپرسور،پمپ،توربي ن و غيره كه تحت بارگذاري تكراري و ارتعاشي هستند،خستگي بيشتر متداول شده و اكنون چنين برداشت مي شود كه عامل حداقل 90درصد شكستهاي ناشي از دلايل مكانيكي حين كار خستگي باشد.


تئوري شكست:
http://www.tech.plym.ac.uk/sme/inter...ure_ridges.JPG
دليل عمده خطرناك بودن شكست خستگي اين است كه بدون آگاهي قبلي و قابل رويت بودن رخ مي دهد.خستگي به صورت شكستي با ظاهر ترد ،بدون هيچگونه تغيير شكل نا خالص در شكست نتيجه ميشود.معمولاسطح شكست در مقياس ماكروسكوپي بر جهت تنش كششي اصلي عمود است.معمولا سطح شكست خستگي از ظاهر سطح شكست تشخيص داده ميشود،كه از يك ناحيه هموار حاصل از عمل سايش با اشاعه ترك در مقطع و يك ناحيه ناهموار كه در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ،در قطعه به صورت نرم شكسته شده است تشكيل مي شود.غالبا پيشرفت شكست توسط يك دسته حلقه نشان داده مي شود،كه از نقطه شروع شكست به طرف داخل پيشرفت مي كند.
سه عامل عمده براي وقوع شكست خستگي ضروري هستند.اين عوامل عبارتند از:
1-تنش كششي حداكثري به مقدار بسيار زياد
2-تغييرات به حد كافي زياد يا نوساني در تنش وارده
3-زياد بودن چرخه هاي تنش وارده.
علاوهبر اين متغيرهاي ديگري مانندتمركز تنش ،خوردگي،دما،بار اضافي ،ساختار متالورژيكي،تنشهاي باقيمانده و تنشهاي مركب هم وجود دارند كه شرايط را براي ايجاد خستگي تقويت مي كنند.
خصوصيات ساختاري خستگي:
در مطالعات تغييرات ساختاري اصلي در فلزي كه به آن تنش چرخه اي اعمال مي شود، فرايند خستگي براي سهولت درك به مراحل زير تقسيم شده است:
1-شروع ترك: شامل ايجاد اوليه عيب خستگي كه با عمليات تابانيدن مناسب برطرف مي شود.
2- رشد ترك نوار لغزش:عبارت است از عميق شدن ترك اوليه روي صفحات با تنش برشي زياد، اين مرحله غالبا رشد ترك مرحله 1 ناميده مي شود.
3-شكست ترك روي صفحاتي با تنش كششي زياد: عبارت است از رشد يك ترك معين در جهت عمد بر تنش كششي حداكثر . اين مرحله معمولا رشد ترك مرحله 2 ناميده مي شود.
4-شكست نرم نهايي: هنگامي رخ مي دهد كه طول ترك به اندازه كافي برسد، طوري كه سطح مقطع باقيمانده نتواند بار وارده را تحمل كند.
سهم نسبي هر مرحله از كل چرخه هاي مسبب شكست به شرايط آزمايش و ماده بستگي دارد. اما كاملا مشخص شده است كه يك ترك خستگي مي تواند قبل از اينكه 10درصد عمر كل نمونه منقضي شود، تشكيل شود.البته در تصميم گيري در مورد زماني كه يك نوار لغزش عميق شده مي تواند ترك ناميده شود، ابهام زيادي وجود دارد . به طور كلي ،سهم بيشتري از كل چرخه هاي مسبب شكست به اشاعه تركهاي مرحله2 در خستگي كم چرخه تعلق دارد تا خستگي پر چرخه، در صورتي كه رشد ترك در مرحله 1 براي خستگي پرچرخه و تنش كمتر ،بيشتر است . اگر تنش كششي زياد باشد، مانند خستگي در نمونه هاي با شيار تيز ، رشد ترك مرحله 1 به هسچ وجه قابل مشاهده نيست.
بررسي ساختاري دقيق خستگي اين واقعيت را نشان مي دهد كه معمولا تركهاي خستگي در يك سطح آزاد شروع مي شوند . در موارد نادري كه تركهاي خستگي از قسمت داخلي شروع مي شوند، هميشه مرزي ، مانند حد فاصليك لايه سطحي كربوره شده و فلزاصلي ،بايد وجود داشته باشد.
اثر سطح و خستگي :
عملا تمام شكستهاي خستگي از سطح شروع مي شوند. در بسياري از انواع متداول بارگذاري ،مانند خمش و پيچش،تنش حداكثر در سطح رخ مي دهد ،طوري كه شروع شكست از آن مكان منطقي جلوه مي كند . اما در بارگذاري محوري، شكست خستگي تقريبا هميشه از سطح شروع مي شود. مدارك فراواني حاكي از اينكه خواص خستگي به شرايط سطحي بسيار حساس هستند در دست است. عواملي كه در سطح يك نمونه خستگي تاثير مي گذارند عمدتا به سه دسته تقسيممي شوند:
1= نا همواري سطح يا منابع تنش سطحي
2= تغيير استحكام خستگي فلز سطحي
3= تغييرات شرايط تنش باقيمانده در سطح
علاوه بر اين ،سطح فلز در معرض اكسايش و خوردگي نيز قرار دارد.
اثر متغيرهاي متالورژيكي بر خستگي:
خواص خستگي فلزات كاملا به ساختار حساس است.اما در حال حاضر،روشهاي محدودي وجود داردكه توسط آنها مي توان خواص خستگي را از طرق متالورژيكي بهبود بخشيد.
تغييرات طراحي به نحوي كه تمركز تنش كم شود و استفاده صحيح از تنش باقيمانده فشاري مفيد به جاي تغيير جنس از كارهاي عمده اي است كه در خواص خستگي بهبود ايجاد مي كند.با اينحال عوامل متالورژيكي ويژه اي وجود دارند كه براي اطمينان از بهترين كارايي در اندازه گيري يك فلز يا آلياژ خاص بايد در نظر گرفته شوند.آن آزمايشهاي خستگي كه براي خستگي طراحي شده اند، معمولا با نمونه هاي صاف پرداخت شده و در شرايط تنش كاملا معكوس انجام مي شوند. عموما فرض مي شود هرگونه تغييري در خواص خستگي به علت عوامل متالورژيكي، مشابه همان مقدار تغييري است كه در شرايط خستگي مركب ، مانند نمونه هاي شيار دار تحت تنشهاي مركب ، رخ مي دهد،البته اين نكته هميشه يا شرايطي كه در مورد نتايج حساسيت به شيار مطابقت ندارد.
غالبا خواص خستگي به خواص كششي وابسته اند. به طور كلي حد خستگي فولادهاي ريخته شده و كار شده تقريبا 50 درصد استحكام نهايي كشش است . نسبت حد خستگي به استحكام كششي نسبت خستگي ناميده مي شود. نسبت خستگي فلزات غير آهني مانند نيكل ،مس و منيزيم در حدود 35درصدخواهد بود. اما با زياد شدن استحكام تسليم توسط مكانيزم هاي استحكام دهي مختلف ، معمولا حد خستگي به طور متناسب با آن زياد نمي شود. اكثر مواد با استحكام زياد، در برابر خستگي با محدوديت مواجه اند.
رابطه عمر خستگي با اندازه دانه نيز به شيوه تغيير شكل بستگي دارد. بيشترين تاثير اندازه دانه بر عمر خستگي در شرايط چرخه زياد و تنش كم است كه در آن ايجاد ترك مرحله 1 مسلط است. در موادي با انرژي خطاي انباشتگي زياد(مانند آلومينيوم و مس) ساختارهاي سلولي به سادگي به وجود آمده و اشاعه تركمرحله 1را كنترل مي كند را كنترل مي كند. بنابراين ساختار سلول نابجايي ، اثر اندازه دانه را مي پوشاند و عمرخستگي در تنش ثابت به اندازه حساس نيست. اما در ماده اي با انرژي خطاي انباشتگي كم (مانند برنج آلفا)، عدم وجود ساختار سلولي به دليل لغزش مسطح باعث مي شود مرزهاي دانه آهنگ ايجاد ترك را كنترل كنند. در اين حالت، عمرخستگي با 2/قطر دانه متناسب است.
اثر دما بر خستگي :
آزمايشهاي خستگي فلزات در دماهاي كمتر از دماي اتاق نشان مي دهد كه استحكام خستگي با كاهش دما زياد مي شود. با اينكه فولادها در حالت خستگي در دماي كم به شيار حساستر مي شوند،هيچ دليلي براي نشان دادن وقوع هر گونه تغيير ناگهاني در خواص خستگي در دما هاي كمتر از دماي انتقال تردي به نرمي وجود ندارد . اين واقعيت كه با كاهش دما استحكام خستگي نسبتا بيشتر از استحكام كششي افزايش مي يابد، با نشان دادن شكست خستگي در دماي اتاق كه با تشكيل و تمركز جاي خالي همراه است، توجيه مي شود.
به طور كلي ، هرچه استحكام خزش ماده اي بيشتر باشد ،استحكام خستگي آن ماده در دماي زياد بيشتر است. اما آن عمليات متالورژيكي كه باعث ايجاد بهترين خواص خستگي در دماي بالا مي شود لزوما به ايجاد بهترين مشخصات پارگي در خزش منجر نخواهد شد. اين مطلب از سوي تولين و ماچل و با آزمايشهايي كه در دماي زياد بر تعدادي ابر آلياژ انجام شد ،نشان داده شده است . در دماي كمتر، ريز بودن اندازه دانه خواص خستگي بين مواد درشت دانه و ريز دانه كم مي شود تا در دماهاي زياد،كه خزش مسلط است،مواد درشت دانه استحكام بيشتري دارند. به طور كلي ، گرچه اغلب قطعات ريختگي به خزش مقاومترند، ولي آلياژهايي كه بر آنها كار انجام شده باشد ،مقاومت به خستگي بهتري نشان مي دهند .امكان دارد روشهايي كه در كاهش شكستهاي خستگي در دماي اتاق مفيدند ،براي خستگي در دماي بالا مفيد نباشند. مثلا ممكن است قبل از اينكه دما به دماي عمل برسد ،تنشهاي باقيمانده فشاري در اثر تابانيده شدن از بين بروند.
تنشهايي كه باعث ايجاد شكست خستگي در دماي بالا مي شوند ،لزوما نبايد از منابع مكانيكي ناشي شده باشند. شكست خستگي مي تواند در شرايطي كه هيچ تنشي به دلايل مكانيكي توليد نمي شود،توسط تنشهاي گرمايي نوساني به وجود آيد .تنشهاي گرمايي وقتي به وجود مي آيند كه توسط قيدي از تغيير ابعاد يك قطعه به علت تغيير دما جلوگيري شود.
اگر شكست در اثر اعمال تنش گرمايي رخ دهد ، شرايط به شوك گرمايي موسوم است . اما اگر شكست پس از اعمال مكرر تنش گرمايي رخ دهد ، اين حالت خستگي حرارتي ناميده ميشود. غالبا در وسايلي كه در دماي بالا كار مي كنند ،شرايط ايجاد شكست در اثر خستگي گرمايي وجود دارد. فولاد زنگ نزن آستنيتي از فلزاتي است كه خصوصا به دليل هدايت گرمايي كم و انبساط گرمايي كم و انبساط گرمايي زياد خود نسبت به اين پديده حساس است.
آزمونهاي خستگي :
آزمون خستگي ، آزموني ديناميكي است كه رفتار نسبي مواد را تحت نيرو هاي تكرار شونده يا كم و زيادشونده تعيين مي كند . در اين آزمون شرايطي مشابه شرايط كاركرد براي اجزاي ماشين كه تحت نيروهاي لرزشي يا نوساني قرار دارند به وجود مي آيد . مقدار تنش (كشش ،فشار ،خمش يا پيچش) با دستگاه و بسته يه نمونه ي مورد آزمون تعيين مي شود . نيروي اعمال شده بر نمونه طي آزمون مرتبا بين دو مقدار تغيير مي كند ، كه حداكثر نيرو معمولا كمتر از استحكام تسليم ماده است . چرخه هاي تنش تا شكست نمونه يا رسيدن به تعداد چرخه ي معين ادامه مي يابد.
در آزمايش خستگي ، معمولا حد تحمل آهن و فولاد10000000سيكل است ولي براي آلياژهاي غير آهني اين مقدار ممكن است 500000000دور باشد.
سه آزمايش خستگي معروف عبارتند از :
آزمايش ميله ي چرخان ،آزمايش با ميله ي ارتعاشي و آزمايش خستگي كشش فشار
قطعات اصلي يك ماشين آزمايش خستگي عبارتند از:
1 -يك محرك مكانيكي ،هيدروليكي يا مغناطيسي براي وارد كردن سيكلهاي تكراري تنش به نمونه
2 -يك وسيله اندازه گيري تنشهاي ماكزيمم و مينيمم وارد شده در جريان يك دور
3 -يك شمارنده براي نشان دادن تعداد دورهاي تنشي وارد شده بر نمونه
4 -يك وسيله ي توقف خودكار ماشين آزمايش ، وقتي كه نمونه مي شكند.
روش هاي جلوگيري از رشد ترك و افزايش عمر خستگي:
رشد ترك بستگي به شرايط تنش متمركز شده در نوك ترك دارد . جلوگيري از رشد ترك در اثر تنش پسماند فشاري بر دو عامل استوار است :
<!--[if !supportLists]-->1- <!--[endif]-->ترك هرگز رشد نميكند مگر اينكه تنشي كششي در نوك ترك يا نزديك آن متمركز شده و باعث باز شدن دهانه آن گردد.
<!--[if !supportLists]-->2- <!--[endif]--> تا زماني كه تنشي فشاري در نوك ترك وجود داشته باشد ، دهانه ترك باز نخواهد شد .
در اثر ساچمه زني ( نوعي فرآيند كار سرد كه در آن سطح قطعه توسط ساچمه هاي كروي بمباران مي شود . هرساچمه نظير يك چكش عمل ميكند و موجب گودي و فرورفتگي در ناحيه تماس مي شود. ) دهانه ميكروترك هاي سطحي و خلل و فرجها بسته شده و تنشي فشاري در آن ها ايجاد شده كه مانع از باز شدن دهانه ترك و در نهايت رشد ترك ميگردد.
نتيجه گيري:
http://www.tms.org/Students/Winners/Davidson/pg15b.gif
وقتي نمونه اي در يك ماشين كشش سنج مي شكند ،تنش معين و مشخصي لازم است تا موجب شكستگي قطعه گردد . با اينحال ، نمونه اي از همان ماده وقتي در معرض بارهاي چرخشي يا متناوبي قرار مي گيرد ،تحت تنش بسيار كوچكتري خواهد شكست . بدين طريق ،يك محور ممكن است بعد از ماهها استفاده بشكند، حتي اگر بيشترين بار آن هم افزايش نيافته باشد.فلزها از كريستالهاي ريزي تشكيل شده اند كه صفحات لغزش آنها در جهات گوناگون قرار دارند. هرگاه تنش به مقدار كافي برسد،عمل لغزش روي صفحات بلورين انفرادي رخ خواهد داد. در مرحله اول ممكن است اين لغزش اشكالي ايجاد نكندولي با تكرار عمل لغزش تركهاي ريز تشكيل شده و گسترش پدا مي كنند و در نتيجه سطح مقطع يك عضو نيز كاهش يافته بطوري كه ديگر نيروي وارد شده را تحمل نخواهد كرد.در قسمت نهايي شكست ساختمان بلورين فلزي با قسمتهاي مجاور مدتي ايجاد اصطكاك مي كند. گاهي اوقات مقطع نهايي موجب اشتباه شدن نتيجه آزمايش مي گردد ،زيرا كه قطعه بعلت تبلور مجدد در جريان كار ،داراي دانه درشت شده و مي شكند.اين شكستها شكستهاي خستگي هستند و در طراحي قطعاتي كه در معرض تنشهاي متغيري قرار دارند حد خستگي يك ماده غالبا مهمتر از مقاومت كششي يا مقاومت تسليم آن است در سالهاي اخير اطلاعات جالبي بدست آمده است كه به ما امكان مي دهد فلزها را با اطمينان بيشتر و روش اقتصادي تر در ماشينهاي دقيق و هواپيما هاي مافوق صوت مصرف كنيم . از عوامل مهم و عمده عمر خستگي بالا مي توان پرداخت سطحي خوب ، عاري از خوردگي و كربن گيري را نام برد. استفاده از قطعاتي كه به منظورافزايش تنش هاي فشاري نزديك سطح نمونه نورد سرد يا ساچمه زده شده اند نيز عمر خستگي را زياد مي كند سطوح زبر شكاف دار يا شيار دار ،اغلب حد خستگي فلزها را كاهشمي دهند.
واضح است كه خميدگي ها ،سوراخها ، شكافها و زاويه هاي مقعر تيز مواضعي براي تنشهاي بالا و امكان شكست در قطعات ماشين محسوب مي شوند . استفاده از فيلت هاي زياد،گرد كردن انتهاهاي جا خارها و چاك ها ،صافكاري گوشه ها و شانه ها و اجتناب از اثرات برشي ابزار تيز بنحو قابل ملاحظه اي عوامل بوجود آورنده ي تنش را حذف كرده و عمر خستگي را افزايش مي دهند . هر گونه شيارها يا شكافهاي تيز مي توانند توزيع تنشه را تعيير داده و خواص فيزيكي يك ماده را اصلاح كنند و باعث شوند تا قطعات در برابر نيرو هاي وارده عكس العمل خوبي از خود نشان دهند.