خستگی (مواد)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
شکست یک دسته میل لنگ آلومینیومی. ناحیهٔ تیره رنگ منطقهٔ رشد آهسته ترک و ناحیهٔ روشن منطقهٔ شکست ناگهانی است.

به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب کمتر از استحکام نهایی و (اغلب) کمتر از حد تسلیم، خستگی گفته می‌شود. خستگی علت شکست زودهنگام بیشتر قطعه‌های صنعتی است. خستگی بطور معمول همراه با جوانه‌زنی ترک در سطح قطعه یا نواحی تمرکز تنش و اشاعهٔ آن در ناحیهٔ تحت تنش بیشینه است.

از سال ۱۸۵۰معلوم 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. شکستهایی که در شرایط بارگذاری دینامیک رخ می‌دهند شکستهای خستگی نامیده می‌شوند؛ که این نامگذاری احتمالاً مبتنی بر این دلیل است که به طور کلی مشاهده می‌شود شکستها فقط پس از یک دوره کار زیاد رخ می‌دهند. هیچگونه تغییر واضحی در ساختار فلزی که به علت خستگی می‌شکند 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 می‌شود که عامل حداقل ۹۰درصد شکستهای ناشی از دلایل مکانیکی حین کار خستگی باشد.[۱]

خستگی بطور معمول همراه با جوانه‌زنی ترک در سطح قطعه یا نواحی تمرکز تنش و اشاعهٔ آن در ناحیهٔ تحت تنش بیشینه است.

دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخ می‌دهد. خستگی به صورت شکستی با ظاهر ترد، بدون هیچگونه تغییر شکل نا خالص در شکست نتیجه می‌شود. معمولاً سطح

شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است. معمولاً سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده می‌شود، 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 می‌شود. غالباً پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می‌شود، که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می‌کند.

به طور خلاصه می‌توان گفت خستگی ناشی از بارگذاری‌های سیکلی کششی و فشاری است.

شکست بر اثر خستگی سه مرحله دارد:

مراحل شکست خستگی[ویرایش]

تصویر گرفته شده از سطح ماده که نشان می‌دهد چگونه ترک‌ها روی سطح ماده رشد می‌کنند. توسط Ewing and Humfrey 1903

۱- شروع ترک (جوانه زنی ترک)[ویرایش]

ترک‌هایی برا ثر تنش‌هایی به مراتب پایینتر از تنش شکست ایجاد می‌شود که ناشی از لغزش است، که موجب ایجاد ساختاری لایه لایه می‌شود، که هر بیرون رفتگی و فرو رفتگی نشان دهندهٔ یک سیکل کشش و فشار است. این ترک‌ها ممکن است در قسمت‌هایی از ماده به خاطر نابجایی‌های موجود است. در این مرحله از شروع شکست خستگی ما شاهد شکست نوع دوم در ساختار میکروسکوپی ماده هستیم که شکل آن مانند سطح صدف است.

۲- رشد ترک[ویرایش]

در مرحلهٔ رشد، ترک عمود بر تنش اعمالی رشد می‌کند، در این مرحله نوغ شکست از نوع دو به نوع یک تغییر می‌کند. در این مرحله ترک‌های اولیه به قدری رشد کرده‌اند که بتوانند با تمرکز تنش قابل قبولی در یک جهت خاص و آن هم عمود بر تنش اعمالی رشد کنند.

۳- شکست نهایی ماده[ویرایش]

در این مرحله، به دلیل رشد زیاد ترک، آنقدر تمرکز تنش بالا می‌رود که موجب، تغییر شکل پلاستیک ماده و شکست نرم درماده می‌شود. در حقیقت ماده دچار پارگی می‌شود. در این مرحله شکست ترد رخ می‌دهد. علیرغم این که ممکن است ماده ترد نبوده باشد.

عمر خستگی[ویرایش]

نمودارد S-N آلومینیوم با تنش بیشینه کششی ۳۲۰ مگا پاسکال

عمر خستگی که با نماد Nf نشان داده می‌شود بیان گر تعداد سیکل‌های تنشی است که جسم مورد آزمایش تا قبل از این که شکست نهایی رخ دهد طی می‌کند.[۲] در بعی از مواد مانند فولاد و تیتانیوم مقداری تئوری برای تنش اعمالی وجود دادر که اگر کمتر از این مقدار تنش به آن وارد شود، آن ماده در هر تعداد سیکل تنشی، دچار شکست نخواهد شد. به این مقدار تنش حد خستگی یا استحکام خستگی می‌گویند.[۳]

تست خستگی[ویرایش]

برای پیش بینی رفتار مواد تحت تنشهای سیکلی، تست‌های مختلفی انجام می‌پذیرد که معمول‌ترین استاندارد تست خستگی برا آنها، استاندارد امریکای شمالی (ASTM) می‌باشد؛ که از جمله روش‌های تست خستگی به کار برده شده می‌توان به Rotating bending test و Servo-hydraulic machines اشاره کرد.

نتیجهٔ این تست‌ها در قالب نمودارهای تنش – سیکل (S-N) بیان می‌شود. در این نمودارها محور عمودی تنش و محور افقی سیکل می‌باشد. با استفاده از این نمودار می‌توان فهمید که با تنش اعمال شده، ماده مورد نظر چند سیکل دوام می‌آورد.

این نمودار کاربرد ویژه‌ای برای مهندسین طراح دارد و به کمک آن می‌توان بهینه ترین حالت برای قطعهٔ در حال ساخت را بدست آورد.

این نمودار با تغییر شرایط محیطی مانند دما و خوردگی تغییر می‌کند.

نرخ رشد ترک[ویرایش]

نمودار معمول نرخ رشد ترک بر حسب ضریب تمرکز تنش

نرخ رشد ترک (da/dN) برای مواد به کار رفته در قطعات مختلف اهمیت قابل توجهی دارد. نمودارهایی برای بررسی این مشخصه وجود دارد. این نمودارها رابطهٔ نرخ رشد ترک را با ضریب تمرکز تنش (ΔK) بیان می‌کند.

بر این اساس رابطهٔ پاریس به صورت زیر بیان می‌شود:[۴]

[۵]

که در آن m عددی بین ۱ تا ۶ است و بسته به ماده تغییر می‌کند. این رابطه به قانون پاریس(Paris' Law) مشهور است.

در نمودار سه مرحلهٔ جوانه زنی ترک، رشد ترک و شکست به خوبی نمایان است.

منابع[ویرایش]

  1. «خستگی مواد و فلزات و تحلیل مراحل و نحوه وقوع خستگی و آزمون‌های خستگی». mechassis.com. بازبینی‌شده در 2016-12-27. 
  2. Metal fatigue in engineering. Wiley، 2001-01-01. شابک ‎۰۴۷۱۵۱۰۵۹۹. 
  3. Bathias, C. (1999). "There is no infinite fatigue life in metallic materials". Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 22 (7): 559–565. doi:10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x.. 
  4. P. C. Paris, M. P. Gomez and W. E. Anderson. A rational analytic theory of fatigue. The Trend in Engineering (1961). 13, 9-14.. 
  5. «Fatigue Action Types». 
  • Alfred Buck, Fatigue properties of pure metals, International Journal of Fracture, Vol. 3, pp. 145–152, 1967. doi:10.1007/BF00182692
  • G. V. Karpenko and M. I. Chaevskii, Destruction of metals by fatigue, Metal Science and Heat Treatment, Vol. 6, pp. 461–462, 1964. doi:10.1007/BF00655368

منابعی برای مطالعه بیشتر[ویرایش]

  • B. Tomkins and W. D. Biggs, Low endurance fatigue in metals and polymers, Journal of Materials Science, Vol. 4, pp. 544–553, 1969. doi:10.1007/BF00550216
  • C. Laird and A. R. Krause, A theory of crack nucleation in high strain fatigue, International Journal of Fracture, Vol. 4, pp. 219–231, 1968, doi:10.1007/BF00185258
  • Ralph I. Stephens, Ali Fatemi, Robert R. Stephens, Henry O. Fuchs, Metal Fatigue in Engineering, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 2000. ISBN: 978-0-471-51059-8

جستارهای وابسته[ویرایش]