-
تست های مکانیکی مواد
آزمایش خزش
یکی از آزمایشهای مهم آزمایش خزش و نمودار سه مرحله ایی آن است
آزمون خزش تغيير شكل مداوم در دماهاي بالا را وقتي تنش كمتر از حد تسليم است تعيين مي كند .نتايج اين آزمون در طراحي اجزاي ماشيني كه در دماي بالا قرار دارند اهميت دارد.خزش خاصيت بسيار مهم مواد در كاربرد هاي دماي بالا است و مي توان آن را به صورت ((جريان مداوم و آهسته ي مومسان تحت بار يا تنش ثابت ))تعريف كرد. به طور كلي خزش به آهنگ تغيير شكلي وابسته است كه در دماي كاركرد فلز و تحت تنشهاي پايينتراز تنش فلز ادامه يابد .خزش در هر دمايي رخ مي دهد ولي اهميت خزش به ماهيت ماده و مقدارتغيير شكل مجاز قطعه بستگي دارد .
آزمون خزش همان آزمون كششي است كه در تنش و دماي ثابت انجام مي شود . در اين آزمون از يك وسيله
بسياردقيق اندازه گيري طول ويك وسيله گرم كردن نمونه در شرايط كاملا كنترل شده استفاده مي شود . منحني خزش كل يادرصد ازدياد طول بر حسب زمان رسم مي شود.
منحني( الف) مرحله هاي مختلف خزش را نشان مي دهد . در آغاز بار گذاري ازدياد طول آني كشساني پديد مي آيد. سپس يك مرحله مقدماتي گذرا به وجود مي آيد كه طي آن لغزش و كار سختي در اغلب دانه هاي داراي جهت مطلوب روي مي دهد. آهنگ خزش(مماس بر منحني)ابتدا بالاست و به تدريج تا حداقلي كاهش مي يابد .پس از اين به مرحله دوم يا خزش حالت پايا مي رسيم كه طي آن تغيير شكل با آهنگ تقريبا ثابت
ادامه مي يابد.در طي مرحله بين آهنگ كار سختي و آهنگ نرم شدن ناشي از باز يابي يا تجديد تبلور تعادل به وجود دارد. در بعضي موارد تحت تنشهاي متوسط ممكن است آهنگ خزش بسيار آهسته كاهش يابد و مرحله ثانويه تا مدتي دراز ادامه پيدا كند(منحني ب) ولي اگر تنش به مقدار كافي بالا باشد مرحله سومي نيز وجود دارد كه در آن آهنگ خزش شتاب يابدتا شكست رخ دهد.
بين خواص مكانيكي ماده در دماي معمولي و خواص خزشي آن يا ارتباط اندك وجود دارد و يا هيچ ارتباطي وجود ندارد. به نظر مي رسد كه اندكي تغيير در ريز ساختار و مراحل ساخت بر خزش اثر شديد دارد. اندازه دانه ي فلز عامل مهمي در تعيين مشخصه هاي خزشي آن است در حالي كه در دماي محيط استحكام تسليم و استحكام نهايي مواد دانه ريز از مواد دانه درشت بيشتر است در دماهاي بسيار بالا عكس مطلب فوق صادق است.اين موضوع پذيرفته شده است كه در دماهاي بالا ممكن است مرز دانه ها به صورت مركزهايي براي توليد نابجاييهايي كه مايه ي خزش مي شوند عمل كنند . حضور اتمهاي ماده ي
حل شده حتي به مقدار جزيي از طريق تداخل با حركت نابجاييها در ميان بلور سبب كندي خزش مي شود . عامل موثرتر در كندي خزش وجود فاز دوم قوي و پايداري با پراكندگي خوب است.
برخي از خواص خزشي آلياژهاي گوناگون
فولادهاي ساده كربني و فولادهاي كم آلياژ به طور گستر ده اي در محيطهاي با دماي متوسط به ويژه دماهاي پايينتر از 480درجه سانتي گراد به كار مي روند. در دماهاي پايين به سبب لايه اي بودن كاربيدها افزايش مقدار كربناستحكام خزشي را بهبود مي بخشد. در دماهاي بالا به سبب كروي شدن كاربيدها عكس اين مطلب صادق است و افزايش مقدار كربن موجب كاهش استحكام خزشي مي شود.
ساختار مناسب فولادهاي ساده كربني براي كار در دماي بالا ساختار يكنواخت شده است . ساختار تابكاري شده پايداري كمتري دارد و مايل است به سرعت كروي در آيد و در نتيجه استحكام خزشي
را كاهش مي دهد. استفاده از آلومينيوم به عنوان عامل اكسيژن زدا در فولاد سازي سبب دانه ريزي فولاد
و كاهش استحكام خزشي مي شود
در فولادهاي كم آلياژ كه كمتر از 10درصد عنصر آلياژي دارند. مولبيدن و واناديم مؤثرترين عناصر در افزايش مقاومت خزشي اند مقدار كربن معمولا كمتر از15ر0 درصد نگه داشته مي شود.فولاد با 5ر0 درصد مولبيدن براي لوله هاي حمل مواد نفتي و لوله هاي گرمكن تا 455درجه سانتي گراد به كار برده مي شود بالاتر از اين دما روند كروي و گرافيتي شدن قوت مي گيرد كه با كاهش در استحكام خزشي توام
است.افزودن يك درصد كروم به اين مقاومت در برابر گرافيتي شدن را افزايش مي دهد و اين فولاد براي لوله هاي حمل مواد نفتي و لوله هاي ديگ بخار تا دماي 540درجه به كار برده مي شود
-
آزمون کشش مهندسی
مقدمه:
آزمون کشش مهندسی برای نشان دادن اطلاعات اساسی درباره استحکام مواد و به عنوان آزمونی برای پذیرش خصوصیات ماده کاربرد دارد.
در آزمون کشش نمونه تحت نیروی کششی یک بعدی که بطور پیوسته زیاد می شود قرار دارد و این در حالی است که ازدیاد طول بطور همزمان مشاهده می شود.
منحنی تنش و کرنش مهندسی براساس مقادیر بار-ازدیاد طول رسم می شود.
هدف: تعیین استحکام و خواص نمونه، مشاهده رفتار قطعه تحت بار کشش، مطالعه بر روی ماده در هنگام شکست.
تجهیزات:
1- دستگاه كشش يونيورسال
2-دستگاه اندازه گیری میزان کشیدگی
3-میکرومتر یا کولیس
4- نمونه‌های استاندارد آزمايش كشش(نمونه آلومینیم)
شرح آزمون
در ابتدا سطح مقطع اولیه نمونه آزمون را اندازگیری می کنیم.سپس اندازه طول نمونه را به عنوان شاخص طول اندازه می زنیم.
گیرهای مناسب را انتخاب و بروی ماشین نصب می کنیم.سپس نشانگر میزان بار را روی صفر تنظیم می کنیم.
نمونه آزمون را بطور کامل در گیره هاو همچنین دستگاه اندازه گیری میزان کشیدگی را نصب
می کنیم .سپس بار اعمالی با سرعت مشخص اعمال می شود و زمانی که نمونه آزمون به نقطعه تسلیم رسید میزان کشیدگی نمونه ثبت می شود.
اعمال بار تا مرحله رسیدن به نقطعه استحکام شکست ادامه یافته و مقدار استحکام شکست ثبت می گردد و سپس اندازه های نهایی طول شاخص بعد از شکست و سطح مقطع نمونه آزمون اندازه گیری و ثبت می گردد.
اطلاعات و نتایج بدست آمده:
فلز سرد کشیده شده با طول اولیه 2 اینچ
جدول اطلاعات بدست آمده
reading
load
strees
olength
starin
1
8
1.379
0.61
0.105
2
9
1.551
0.94
0.162
3
9
1.551
1.2
0.206
4
9.2
1.586
1.45
0.25
5
9.4
1.62
1.6
0.275
6
9.4
1.62
2.3
0.396
7
9
1.551
2.45
0.422
8
8.5
1.465
2.65
0.456
-
بررسي عوامل خستگي و انواع شكست در چرخدنده ها
چكيده :
در اين مقاله عوامل خستگي و شكست دندانه هاي چرخدنده مورد بررسي قرار گرفته است. عواملي كه باعث خستگي دندانه و در نهايت شكست آن مي شوند عبارتند از : 1ـ شكست حاصل از ممان هاي خمشي 2ـ سايش 3ـ كندگي 4ـ خراش كه هر يك از عوامل خود به چند دسته تقسيم مي شوند.
اين عوامل ممكن است بر اثر نقص هايي باشد كه در خود دندانه وجود دارد يا ممكن است بوسيله عملكرد ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي بكار رفته اند ايجاد شوند. وقتي با يك دندانه آسيب ديده مواجه مي شويم براحتي نمي توان در مورد علت آسيب قضاوت كرد زيرا اين امر مستلزم تجربه كافي و تحقيقات دقيق مي باشد. با اين حال در اين مقاله سعي شده است بصورت كلي با اين پديده ها آشنا شويم.
واژه هاي كليدي :
سايش، خستگي سطحي، تغيير شكل پلاستيك، شكست
مقدمه :
طراحان چرخدنده هميشه از اين موضوع تعجب مي كنند كه چرا بعضي از چرخدنده ها بهتر و بيشتر از آنچه در فرمول هاي طراحي انتظار مي رفت كار مي كنند در حاليكه تعدادي ديگر حتي وقتي در داخل محدوده طراحي، بارگذاري شده اند ناگهان دچار شكست مي شوند.
به همين دليل لازم است كه عوامل خستگي چرخدنده به دقت بررسي شود.
انجمن چرخدنده سازان آمريكا (AGMA) خستگيهاي چرخدنده را به 5 دسته كلي زير تقسيم مي نمايد:
1ـ سايش (wear)
2ـ خستگي سطحي
3 ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow)
4ـ شكست دندانه
5ـ شكست هاي خستگي كه 2 يا چند عامل فوق را با هم دارند.
هر يك از اين دسته ها خود به چند نوع و شكل مختلف تقسيم مي شود كه در نهايت يك مهندس كه در زمينه چرخدنده كار مي كند با 18 شكل مختلف از خستگي چرخدنده مواجه مي شود. به همين دليل در مواجه با يك چرخدنده آسيب ديده بايد تلفيقي از علم و هنر آناليز صحيح را بكار برد. اگر آناليز خستگي بطور صحيحي انجام نشود ممكن است علت خستگي چيزي غير از علت اصلي تشخيص داده شود كه در اين صورت طراح را به سمت ساخت يك مجموعه چرخدنده اي بزرگتر از آنچه كه نياز است هدايت مي كند در حاليكه طراحي جديد نيز ممكن است داراي همان عيب قبلي باشد زيرا عامل اصلي تخريب هنوز تصحيح نشده است. به عنوان مثال يك چرخدنده كه در سرعت بالا كار مي كند ممكن است براي ماهها داراي ارتعاش قابل قبولي باشد اما ناگهان علائم ارتعاش با دامنه بالا پديدار مي شود. تحقيقات دقيق روشن مي كند در مدتي كه چرخدنده كار مي كرده دندانه ها دچار سايش شده اند و در نتيجه فاصله بين دندانه ها افزايش يافته كه همين عامل باعث افزايش دامنه ارتعاش چرخدنده شده است. پس مشكل اصلي سايش دندانه ها است نه ارتعاش و ارتعاش بايد به عنوان يك عامل ثانويه در نظر گرفته شود. نكته مهم ديگري كه بايد در نظر گرفته شود اين است كه گاهي طراحي چرخدنده صحيح است ولي چرخدنده بر اثر رفتار ساير قطعاتي كه در مجموعه چرخدنده اي شركت دارند يا ساير عوامل (محيط، خطاي نصب و استقرار و …) دچار خستگي ناخواسته مي شود. به عنوان مثال فرض كنيد محور يك توربين توسط يك اتصال كوپلينگ به محور پينيون وصل شده است، در صورتيكه اين اتصال در انتقال نيرو داراي خطاي زيادي باشد يعني نيرو را طوري انتقال دهد كه نيروهاي شعاعي و محوري بيشتر از آنچه در طراحي در نظر گرفته شده به پينيون وارد شود در آنصورت پينيون و ياتاقان محور آن به سرعت دچار سايش يا حتي شكست مي شوند. بنابراين راه حل طراحي مجدد پينيون يا تعويض ياتاقان محور آن نيست بلكه بايد در وضعيت اتصال (coupling) تجديد نظر كرد.
با اين مقدمه به سراغ انواع خستگي هايي كه در يك چرخدنده رخ مي دهد مي رويم. تذكر اين نكته ضروري است كه منظور از شكست خستگي در يك چرخدنده، گسيختگي (جدا شدن) دندانه نمي باشد بلكه هر عاملي كه باعث شود چرخدنده از شرايط كاري مطلوب خارج گردد به عنوان يك نوع شكست خستگي محسوب مي شوند. لذا سايش نيز براي چرخدنده نوعي شكست خستگي محسوب مي شود.
1ـ سايش (wear) :
از نقطه نظر يك مهندس چرخدنده، سايش عبارتست از زدوده شدن يكنواخت يا غير يكنواخت فلز از روي سطح دندانه.
علل اصلي سايش دندانه، تماس فلز به علت نامناسب بودن ضخامت لايه روغن، ذرات ساينده موجود در روغن كه با شكستن لايه روغن باعث سايش سريع يا ايجاد خراش مي گردند و سايش شيميايي به علت تركيب روغن و مواد افزوده شده است به آن مي باشند. سايش باعث كم شدن ضخامت دندانه و تغيير شكل پروفيل آن مي گردد كه در نتيجه شكل پروفيل دندانه از حالت مطلوب (مثلا منحني اينولوت) خارج شده و خواص آن از بين مي رود. سايش بخصوص در چرخدنده هايي كه بايد براي مدت نامحدود با سرعت بالا كار كنند يك پديده بسيار مهم است. البته سايش هميشه يك عامل منفي نيست بلكه وجود مقدار بسيار ظريفي سايش باعث اصلاح دندانه هاي درگير با هم و هماهنگ شدن آنها مي شود. پوليش كــــردن (polishing) كه يك نوع عمليات پرداخت بسيار ظريف است نيز به معناي سائيدن قطعه به مقدار بسيار كمي مي باشد.
در شكل 1 مراحل رشد سايش در دندانه هاي چرخدنده اي با سختي قابل ماشينكاري نشان داده شده است. در مرحله اول سايش در حد پرداخت دندانه ها مي باشد كه كمترين مقدار آن در حدود خط گام رخ مي دهد. علاوه بر آن كندگيهاي ريزي در نزديك ريشه دندانه مشاهده مي شود. در مرحله دوم در سردندانه تغيير شكل پلاستيك كه البته مقدار آن بسيار كوچك است آغاز مي گردد. علاوه بر اينكه سايش و كندگي در نزديك ريشه بيشتر شده است و اين روند تا مرحله چهارم ادامه مي يابد. همانطور كه مشاهده مي كنيد در تمامي اين مراحل منطقه نزديك خط گام از كمترين سايش برخوردار است. (زيرا از نظر تئوري در نقطه گام غلتش محض و از نظر عملي مقدار ناچيزي لغزش وجود دارد) به همين علت در مرحله چهارم، منطقه خط گام بيشتر بار را انتقال خواهد داد كه اين عمل باعث افزايش تنش هاي تماسي در منطقه خط گام و اغلب منجر به كندگي اين ناحيه مي گردد. در نتيجه چرخدنده دچار شكست شده و از حالت كاري مطلوب خارج خواهد شد. كاهش بار انتقالي و افزايش كيفيت روغنكاري براي بهبود اين وضعيت بسيار مفيد خواهد بود. توجه كنيد كه سايش را مي توان مقدمه ظهور ساير شكست ها در دندانه دانست. بر اثر سائيده شدن دندانه ضخامت آن كاهش مي يابد. لذا علاوه بر كاهش مقاومت خمشي، در آغاز درگيري ضربه زيادي بر دندانه وارد مي شود كه ممكن است باعث شكست دندانه شود. علاوه بر آن تغيير شكل پروفيل دندانه باعث تمركز تنش در بعضي نقاط روي سطح دندانه مي شود كه ممكن است باعث كندگي و يا شكست دندانه شود. در صورتي كه علت سايش وجود مواد خارجي مانند براده هاي ماشين كاري ، باقيمانده هاي سنگزني و يا موادي كه به طريقي وارد فضاي كاري چرخدنده ، شده اند باشد به اين سايش، اصطكاك ساينده (abrasive wear) گويند. اما در صورتي كه عامل سايش مواد شيميايي موجود در روانساز يا مواد آلوده كننده اي مانند آب، نمك رطوبت محيطي و … باشد به آن اصطكاك خورنده (corrosvie wear) گويند. اما شايد مهمترين سايش، سايشي باشد كه ناشي از شكسته شدن موضعي لايه روغن به علت حرارت بيش از حد، مي باشد كه باعث تماس فلز با فلز و اصطكاك چسبنده به شكل يك جوش و يا پارگي و يا خراش مي شود كه اصطلاحا به اين نوع سايش scuffing گويند كه خود به چند نوع نقسيم مي شود. بطور كلي مستعدترين مكان ها براي اين نوع سايش، سر و ته دندانه مي باشد. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه نمائيد.) از روش هاي جلو گيري از اين نوع سايش مي توان افزايش ويسكوزيته روغن، افزايش سختي چرخدنده، پرداخت خوب سطح دندانه و در بعضي مواقع اصلاح پروفيل دندانه و تاج گذاري دندانه (crowing) كه در اين روش وسط دندانه به صورت يك برآمدگي، بالا مي آيد و بدين ترتيب بيشتر بار توسط اين قسمت منتقل مي شود را نام برد.
2ـ تغيير شكل پلاستيك (plastic flow) :
اين نوع شكست وقتي حاصل مي شود كه سطوح تماس تسليم شده و تحت بار سنگين تغيير شكل دهند. معمولا اين نوع شكست در نوك و در دو انتهاي (طرفين) دندانه رخ مي دهد. اما در مواقعي كه نيروهاي لغزشي در سطح دندانه زياد باشند تغيير شكل در سراسر دندانه مشاهده مي شود. بطوريكه سطح دندانه بصورت موج موج در مي آيد. (به اين نوع تغيير شكل پلاستيك rippling گويند) براي جلو گيري از تغيير شكل دندانه مي توان بار اعمالي را كم كرده يا بر سختي دندانه افزود. نوع ديگري از تغيير شكل پلاستيك كه به علت سرعت لغزشي بالا در حلزون ها و چرخ حلزون ها و چرخدنده هاي هيپوئيد مشاهده مي شود شيار شيار شدن سطح دندانه است كه به اين نوع تغيير شكل Ridging (شيار شيار شدن يا چروك شدن) گويند.
3ـ شكست دندانه :
شكست دندانه چرخدنده، شكستي است كه در آن تمام يا قسمت قابل توجهي از يك دندانه بر اثر بارگذاري بيش از حد، ضربه يا اغلب بر اثر تنش هاي خمشي مكرري كه بيش از مقدار حد دوام ماده چرخدنده است، از چرخدنده جدا مي شود. اين نوع از شكست حاصل خستگي خمشي دندانه تحت بار خمشي وارد بر آن مي باشد.
در بررسي شكست دندانه بررسي چند موضوع ضروري است :
1ـ3ـ نقطه كانوني :
نقطه كانوني، نقطه اي است كه شكست از آنجا آغاز مي شود. اين نقطه ممكن است يك شيار يا پارگي در ناحيه منحني ريشه (Root fillet) ، يكي از تركهايي كه بر اثرعمليات حرارتي در سطح قطعه بوجود مي آيد و يا نقطه اتصال بين منحني ريشه دندانه به منحني پروفيل دندانه (اين نقطه از نظر تئوري ضعيف ترين نقطه در مقابل تنش هاي خمشي است) باشد.
2ـ3ـ خورندگي مخرب (Fretting corrosion) :
در طول زماني كه ترك در حال رشد است روغن به درون آن نفوذ كرده و هر گاه دندانه وارد درگيري مي شود فشار هيدروليكي زيادي توليد مي كند كه اين فشار باعث تخريب و اشاعه ترك به زير سطح دندانه چرخدنده مي شود.
3ـ3ـ شكست براثر بارگذاري بيش از حد مجاز (over load Breakage) :
اگر شكست دندانه به علت بارگذاري بيش از حد مجاز يا بر اثر ضربه رخ داده باشد معمولا سطح شكسته شده به صورت ريش ريش است، حتي اگر دندانه كاملا سخت شده باشد. با اين حال سطح شكست شبيه رشته هاي يك ماده پلاستيكي است كه جدا جدا پيچانده شده اند.
4ـ3ـ موقعيت شكست :
معمولا شكست دندانه هاي چرخدنده از ناحيه منحني ريشه بخصوص در منطقه پيوستن منحني ريشه به منحني پروفيل دندانه، آغاز مي شود. (يك تير يك سردرگير در تكيه گاه داراي ضعيف ترين مقطع است). گاهي اوقات كندگي خط گام به قدري شديد است كه باعث شروع شكست دندانه از خط گام مي شود. گاهي اوقات نيز انطباق تداخلي ناخواسته اي كه بين دندانه هاي درگير رخ مي دهد يا تنش هاي پسماند عمليات حرارتي باعث مي شود كه شكست در ناحيه ريشه در وسط دو دندانه آغاز شود. در برخي موارد نيز نقص هاي ساختاري كه در عمليات آهنگري (forging) قطعه ايجاد شده باعث مي شود كه دندانه از نقطه اي غير قابل پيش بيني بشكند.
4ـ كندگي در دندانه هاي چرخدنده (pitting) :
كندگي عبارتست از شكست خستگي حاصل از تنش هاي تماسي (hertzian stresses) كه باعث مي شود قسمت هايي از سطح دندانه چرخدنده بصورت حفره كنده شود. بر اساس شدت خسارتي كه به سطح خورده است مي توان كندگي را به سه دسته تقسيم كرد:
1ـ4 ـ كندگي اوليه :
در اين كندگي، قطر حفره ها بسيار كوچك و در حد 0.4 تا 0.8 ميليمتر مي باشد. اين كندگي در نقاطي رخ مي دهد كه تنش از حد مجاز تجاوز نمايد و بدين وسيله تمايل دارد تا با كندن اين نقاط از روي سطح، بار را دوباره پخش نمايد. بدين ترتيب با پخش هموارتر بار، عمل كندگي كاهش يافته و در نهايت متوقف مي شود. به همين دليل به اين نوع كندگي، كندگي تصحيح كننده (corrective pitting) نيز گويند.
2ـ4 ـ كندگي مخرب (destructive pitting) :
اين نوع كندگي نسبت به كندگي اوليه شديدتر و قطر حفره هاي كندگي نيز بزرگتر است و وقتي بوجود مي آيد كه تنش سطحي در مقايسه با حد دوام ماده بزرگ باشد. در اين نوع كندگي در صورتي كه بار كاهش نيابد كندگي بطور پيوسته ادامه مي يابد تا جائي كه چرخدنده بايد از سرويس خارج شود.
3ـ4 ـ كندگي خرد كننده (spalling) :
اين نوع كندگي حالت شديدتر كندگي مخرب است كه كندگي ها داراي قطر بزرگتري بوده و ناحيه قابل توجهي را در برمي گيرد. كندگي خرد كننده معمولا پس از كندگي مخرب روي مي دهد و علت آن خستگي سطحي سطوح باقيمانده (سطوح كنده نشده توسط كندگي مخرب) و يا راه يافتن حفره هاي حاصل از كندگيهاي مخرب به يكديگر مي باشد.
وقوع كندگي مخرب يا خرد كننده حاكي از عدم تحمل تنش هاي تماسي توسط سطح مي باشد در بعضي موارد افزايش سختي ماده يا استفاده از موادي كه كربوره يا نيتريده شده اند به جاي مواد فعلي مي تواند اين مشكل را حل كند در غير اين صورت يك طراحي مجدد بايد انجام شود كه در آن ضخامت دندانه يا فاصله مراكز دو چرخدنده افزايش مي يابد (افزايش فاصله مراكز بار انتقالي را كاهش مي دهد)در درگيري ميان چرخدنده و پينيون، پينيون از استعداد بيشتري براي كندگي برخوردار است زيرا معمولا به علت كوچكتر بودن نسبت به چرخدنده، تعداد دور بيشتري مي زند و در نتيجه بيشتر در معرض تنش هاي سطحي قرار مي گيرد. ثانيا در صورتي كه پينيون به عنوان راننده (driver) بكار رود (كه اغلب چنين است) جهت نيروهاي لغزش از خط گام به سمت طرفين خط گام مي باشد كه اين عامل باعث مي شود ماده در ناحيه خط گام تحت كشش قرار گرفته و آماده ترك شود. (براي توضيحات بيشتر به منبع دوم مراجعه فرمائيد)
نتيجه :
با توجه به مباحث فوق، نمودار تجربي نشان داده شده در شكل 6 را به عنوان حاصل بحث مورد توجه قرار دهيم. اين نمودار حاصل آزمايش و انجام تستهاي تجربي بر روي يك چرخدنده نوعي مي باشد كه نتايج آن براي ساير چرخدنده ها نيز قابل تعميم است. در اين نمودار كه برحسب گشتاور و سرعت خطي گام رسم شده 5 ناحيه مختلف را مشاهده مي كنيد. در ناحيه اول، از آنجا كه سرعت چرخدنده آن قدر زياد نيست كه بتواند لايه روغن هيدرو ديناميكي را تشكيل دهد. لذا اين ناحيه اغلب با خستگي سايشي مواجه مي شود. در ناحيه سوم با اينكه سرعت براي تشكيل يك لايه روغن مناسب است اما سرعت به قدري بالا است كه حرارت ناشي از آن باعث شكسته شدن لايه روغن شده و در نتيجه پديده خراش (scoring) يا جوش خوردگي رخ مي دهد. در ناحيه چهارم كندگي رخ مي دهد. اين پديده از آنجا كه يك نوع شكست خستگي است لذا وابسته به زمان و بار اعمالي مي باشد و در صورتي كه نتش هاي تماسي بيش از حد دوام ماده باشد در هر سرعتي بالاخره رخ خواهد داد. لذا اين ناحيه در تمامي نواحي بالاي حد دوام مشاهده مي شود. در ناحيه پنجم دندانه بيشترين استعداد را براي شكسته شدن دارد. علت اصلي شكست در اين ناحيه ضعيف شدن سطح مقطع دندانه بر اثر سايش، تغيير شكل پروفيل دندانه و تمركز تنش در برخي نقاط بخصوص در ناحيه ريشه بر اثر سايش يا شوك و ضربه وارد به دندانه بر اثر سايش و بالاخره خستگي خمشي مي باشد. بنابراين طراح بايد سعي كند براي يك عمر نامحدود، شرايط كاري چرخدنده را در ناحيه دوم قرار دهد.
-
آزمون پیچش – Torsion Test
آزمون پیچش – Torsion Test
گرچه آزمون پیچش از نظر وسعت و اهمیت مانند آزمون کشش نیست با این حال در اغلب امور مهندسی مورد توجه قرار می گیرد. در مواد مهندسی، از آزمون پیچش بمنظور یافتن خصوصیاتی از قبیل مدول الاستیک در برش، استحکام تسلیم پیچشی و مدول گسیختگی استفاده می شود. بعنوان مثال در قطعاتی از قبیل شفت ها،محور ها، مته های حفاری و... که نوعی تنش پیچشی را تحمل می کنند و نیز برای مواد ترد مثل فولادهای ابزار.
از دیگر موارد استفاده از این آزمون می توان به بررسی خصوصیات تغییر شکل پلاستیک در دمای بالا بمنظور ارزیابی فورج پذیری اشاره کرد.
این آزمون مانند آزمون کشش دقیقا استاندارد سازی نشده است. دستگاه مورد استفاده شامل دو فک نگه دارنده است که یکی ثابت و دیگری متحرک است. فک متحرک به یک زاویه سنج و یک گشتاور سنج متصل است. که طبعا پس از بررسی اطلاعات خروجی نموداری بر حسب پارامتر های گشتاور اعمالی – زاویه پیچش حاصل خواهد شد. به جهت سهولت انجام کار و سادگی محاسبات معمولا از نمونه با سطح مقطع دایره ای شکل استفاده می شود.
برای انجام این آزمون می بایست سه نوع خطا را برطرف کرد:
1.با توجه به تعریف گشتاور متوجه می شویم که مقدار آن در نقاط مختلف سطح مقطع متفاوت است و بنابراین مقدار تنش اعمالی نیز متفاوت خواهد بود که در این حالت مقدار تنش و گشتاور در مرکز نمونه صفر و در سطوح به ماکزیمم می رسد. اولین راه برای برطرف کردن این خطا کوچک کردن سطح مقطع و راه بهتر استفاده از یک استوانه تو خالی به جای استوانه تو پر بعنوان نمونه است. اگر نمونه به شکل لوله و با ضخامت کم ساخته شود خطای بدست آمده ناچیز خواهد بود.
2.در اینجا میزان تنش خطی فرض شده است در صورتی که اگر تغییر شکل پلاستیک صورت گیرد تنش برشی با شعاع تا مرکز، رابطه کاملا خطی نخواهد داشت.
3.در زمانی که میزان تغییر فرم پلاستیک زیاد باشد نمونه دچار ازدیاد طول می شود و در صورتی که فک دستگاه امکان جابجایی محوری را نداشته باشد، تنش معکوس به نمونه اعمال شده که نتایج را دچار خطا می سازد. برای رفع این مشکل باید از دستگاهی دارای فک متحرک استفاده کرد.
انواع شکست در آزمون پیچش:
بر خلاف آزمون کشش نحوه اعمال تنش در آزمون پیچش به گونه ای است که بیشترین تنش برشی در صفحات با زاویه 90 درجه و بیشترین تنش نرمال در صفحات با زاویه 45 درجه اعمال می شود. لذا در صورتی که نمونه با زاویه سطح مقطع 45 درجه گسیخته شود شکست ترد و اگر با زاویه 90 درجه نسبت به محور نمونه گسیخته شود شکست نرم داریم.
-
آزمایش خزش
یکی از آزمایشهای مهم آزمایش خزش و نمودار سه مرحله ایی آن است
آزمون خزش تغيير شكل مداوم در دماهاي بالا را وقتي تنش كمتر از حد تسليم است تعيين مي كند .نتايج اين آزمون در طراحي اجزاي ماشيني كه در دماي بالا قرار دارند اهميت دارد.خزش خاصيت بسيار مهم مواد در كاربرد هاي دماي بالا است و مي توان آن را به صورت ((جريان مداوم و آهسته ي مومسان تحت بار يا تنش ثابت ))تعريف كرد. به طور كلي خزش به آهنگ تغيير شكلي وابسته است كه در دماي كاركرد فلز و تحت تنشهاي پايينتراز تنش فلز ادامه يابد .خزش در هر دمايي رخ مي دهد ولي اهميت خزش به ماهيت ماده و مقدارتغيير شكل مجاز قطعه بستگي دارد .
آزمون خزش همان آزمون كششي است كه در تنش و دماي ثابت انجام مي شود . در اين آزمون از يك وسيله
بسياردقيق اندازه گيري طول ويك وسيله گرم كردن نمونه در شرايط كاملا كنترل شده استفاده مي شود . منحني خزش كل يادرصد ازدياد طول بر حسب زمان رسم مي شود.
منحني( الف) مرحله هاي مختلف خزش را نشان مي دهد . در آغاز بار گذاري ازدياد طول آني كشساني پديد مي آيد. سپس يك مرحله مقدماتي گذرا به وجود مي آيد كه طي آن لغزش و كار سختي در اغلب دانه هاي داراي جهت مطلوب روي مي دهد. آهنگ خزش(مماس بر منحني)ابتدا بالاست و به تدريج تا حداقلي كاهش مي يابد .پس از اين به مرحله دوم يا خزش حالت پايا مي رسيم كه طي آن تغيير شكل با آهنگ تقريبا ثابت
ادامه مي يابد.در طي مرحله بين آهنگ كار سختي و آهنگ نرم شدن ناشي از باز يابي يا تجديد تبلور تعادل به وجود دارد. در بعضي موارد تحت تنشهاي متوسط ممكن است آهنگ خزش بسيار آهسته كاهش يابد و مرحله ثانويه تا مدتي دراز ادامه پيدا كند(منحني ب) ولي اگر تنش به مقدار كافي بالا باشد مرحله سومي نيز وجود دارد كه در آن آهنگ خزش شتاب يابدتا شكست رخ دهد.
بين خواص مكانيكي ماده در دماي معمولي و خواص خزشي آن يا ارتباط اندك وجود دارد و يا هيچ ارتباطي وجود ندارد. به نظر مي رسد كه اندكي تغيير در ريز ساختار و مراحل ساخت بر خزش اثر شديد دارد. اندازه دانه ي فلز عامل مهمي در تعيين مشخصه هاي خزشي آن است در حالي كه در دماي محيط استحكام تسليم و استحكام نهايي مواد دانه ريز از مواد دانه درشت بيشتر است در دماهاي بسيار بالا عكس مطلب فوق صادق است.اين موضوع پذيرفته شده است كه در دماهاي بالا ممكن است مرز دانه ها به صورت مركزهايي براي توليد نابجاييهايي كه مايه ي خزش مي شوند عمل كنند . حضور اتمهاي ماده ي
حل شده حتي به مقدار جزيي از طريق تداخل با حركت نابجاييها در ميان بلور سبب كندي خزش مي شود . عامل موثرتر در كندي خزش وجود فاز دوم قوي و پايداري با پراكندگي خوب است.
برخي از خواص خزشي آلياژهاي گوناگون
فولادهاي ساده كربني و فولادهاي كم آلياژ به طور گستر ده اي در محيطهاي با دماي متوسط به ويژه دماهاي پايينتر از 480درجه سانتي گراد به كار مي روند. در دماهاي پايين به سبب لايه اي بودن كاربيدها افزايش مقدار كربناستحكام خزشي را بهبود مي بخشد. در دماهاي بالا به سبب كروي شدن كاربيدها عكس اين مطلب صادق است و افزايش مقدار كربن موجب كاهش استحكام خزشي مي شود.
ساختار مناسب فولادهاي ساده كربني براي كار در دماي بالا ساختار يكنواخت شده است . ساختار تابكاري شده پايداري كمتري دارد و مايل است به سرعت كروي در آيد و در نتيجه استحكام خزشي
را كاهش مي دهد. استفاده از آلومينيوم به عنوان عامل اكسيژن زدا در فولاد سازي سبب دانه ريزي فولاد
و كاهش استحكام خزشي مي شود
در فولادهاي كم آلياژ كه كمتر از 10درصد عنصر آلياژي دارند. مولبيدن و واناديم مؤثرترين عناصر در افزايش مقاومت خزشي اند مقدار كربن معمولا كمتر از15ر0 درصد نگه داشته مي شود.فولاد با 5ر0 درصد مولبيدن براي لوله هاي حمل مواد نفتي و لوله هاي گرمكن تا 455درجه سانتي گراد به كار برده مي شود بالاتر از اين دما روند كروي و گرافيتي شدن قوت مي گيرد كه با كاهش در استحكام خزشي توام
است.افزودن يك درصد كروم به اين مقاومت در برابر گرافيتي شدن را افزايش مي دهد و اين فولاد براي لوله هاي حمل مواد نفتي و لوله هاي ديگ بخار تا دماي 540درجه به كار برده مي شود
-
تست راکول :
دستگاه آزمایش راکول ، دستگاه آزمایش سریع با خوادن مستقیم است . این روش برای انجام آزمونها ، مقایسه ای سریع بسیار مناسب است . در این آزمون ، یا در واقع مجموعه آزمونهای ، عمق فرو رفتگی اندازه گیری شده و مستقیماً به وسیله یک عقربه روی صفحه ی مدرج گردی که به طور غیر مستقیم به 100 قسمت تقسیم شده است ( هر قسمت نمایشگر00 1/1 میلیمتر از عمق حفره است ) خوانده می شود . بنابراین ، یک عدد کوچک روی صفحه به معنی عمق زیاد فرو رفتگی و در نتیجه سختی کم ( ماده نرم ) ، و بر عکس است . چندین مجموعه مقیاس سختی راکول وجود دارد زیرا ، چند فرو رونده و چند نیروی استاندارد برای آزمایش به کار می روند ( استاندارد 891 انگلیسی مربوط به آزمون سختی راکول است ) . فرو رونده ها ، گلوله های فولادی سخت شده با قطرهای مختلف ، یا یک الماس با زاویه راس 120 درجه هستند . فرو رونده ها کروی استاندارد دارای قطرهای 16/1 اینچ ( 1.588 میلیمتر ) ، 8/1 اینچ ( 3.175 میلیمتر ) ، 4/1 اینچ ( 6.350 میلیمتر ) و 2/1 اینچ (12.70 میلیمتر ) هستند . بارهای استاندارد ، 60 ، 100 و 150 کیلوگرم هستند . هر کدام از مقیاسهای سختی راکول با یکی از حروف A ، B و غیره مشخص می شوند . هنگامی که یک فرو رونده تحت اثر نیرو به درون ماده ای فشرده می شود ، هردو نوع کرنش کشسان و مومسان در آن دیده می شود ، ولی از آنجا که سختی فرو کردنی مقاومت در مقابل تغییر شکل مومسان است ، باید نیروی فرو شونده قبل از خواندن سختی حذف شود . البته برای اطمینان از این که اندازه خوان عدد درست سختی را نشان می دهد ، هنگام خواندن ، یک نیروی مختصر روی فرو رونده اعمال می شود تا مطمئن شویم که فرورونده در تماس کامل با کف فرو رفتگی قرار دارد . این امر در سختی سنج راکول از طریق اعمال یک نیروی جزئی ( کم ) و یک نیروی کلی ( زیاد ) حاصل می شود . روش استفاده از این دو نیرو با تشریح ترتیب عملیات سختی سنجی بهتر درک می شود : 1. نمونه ی آزمایش را در تماس با فرو رونده قرار دهید و آنقدر آن را به سمت فرو رونده حرکت دهید تا عقربه ی کوچک صفحه نمایش به محل از پیش تعیین شده روی صفحه برسد . با این عمل فرورونده روی یک فنر فشرده می شود تا نیروی وارد شده از فنر بر روی ماده از طریق فرو رونده به 10 کیلو گرم برسد . 2. صفحه نمایش را روی مرجع درست ( صفر برای فرورونده الماسی و 30 برای فرو رونده کروی ) قرار دهید . 3. نیروی کلی 50 ، 90 یا 140 کیلوگرم را اعمال کنید تا بر حسب مقیاس مورد نظر نیروی اصلی 60 ، 100 ، 150 کیلوگرم وارد شود . 4. نیروی کلی را به مدت 4 تا 7 ثانیه نگاه دارید . 5. ضمن نگاهداشتن نیروی جزیی روی نمونه ، نیروی کلی را بر دارید تا بافت کشسان حاصل شود . 6. عدد سختی را از روی صفحه نمایش بخوانید . بیشترین درجه ی اطمینان به نتایج آزمون هنگامی است که عدد سختی بین 20 و 70 باشد . اگر نمونه بیش از اندازه نازک باشد ، نتیجه بیانگر خاصیت واقعی ماده نخواهد بود . حد ضخامت نمونه های آزمایش سختی راکول در مقیاسهای مختلف در استاندارد انگلیسی 891 ( 1962 ) آمده است . مقیاسهای مختلف راکول با یکدیگر همپوشی دارند و نکته مهم این است که ترکیب مناسب فرورونده ونیروی فشاربرای ماده ی مورد نظر انتخاب شود . عمق حفره نباید از 100 درجه ی صفحه نمایش تجاوز کند . نکته بسیار مهم دیگر این است که هنگام گزارش عدد سختی راکول حتماً مقیاس مربوطه همراه عدد ذکر شود ، درغیر این صورت عدد سختی فاقد معنی خواهد بود . مقیاسهای دیگر سختی راکول نیز وجود دارند . این مقیاسها ، مقیاسهای N و T هستند و انواع دیگری از مقیاسهای A و B ، ولی با نیروهای فرورونده کمتر ، می باشند که برای آزمایش نمونه های نازک در نظر گرفته شده اند . این آزمایشها بر اساس استاندارد انگلیسی 4175 انجام می شوند . مقیاسهای مورد استفاده با فرورونده ی مخروطی N 15 ،N 30 ،N 45 و مقیاسهای مورد استفاده با فرورونده ی گلوله فولادی 16/1 اینچی T 15 ، T 30 ، T 45 نام دارند . در هر حالت عدد اول بیانگر نیروی اصلی وارد شده بر فرورونده بر حسب کیلوگرم است .روش انجام آزمونهای N وt دقیقاً مطابق مطابق روش انجام آزمایش مقیاسهای دیگر راکول با همان نیروی جزیی 10 کیلوگرم پیش از اعمال بار اصلی است . نوع راکول علامت اختصاری عامل نفوذ کننده نیروی اولیه (kg) نیروی ثانویه (kg) حد مجاز A (سختی نرم ) HRA مخلوط الماسه 10 60 90-70 B (سختی متوسط) HRB ساچمه به قطر mm1.88 10 100 100-35 C (سختی خیلی سخت) HRC مخلوط الماسه 10 150 67-20 نفوذ اولیه ونفوذ ثانویه است . هر چه نفوذ کمتر باشد سختی بیشتر است
