آیا واقعاً مقاومت خستگی مواد فلزی را درک می کنید؟

 

I. پدیده ها و ویژگی های خستگی فلزات

 

1. پدیده خستگی فلز

تشکیل ترک: مواد فلزی تحت تنش متناوب یا کرنش چرخه‌ای، به تدریج ترک‌های ریز را در نواحی با تنش زیاد محلی ایجاد می‌کنند.

انتشار ترک: این ترک های ریز به تدریج در طول زمان تحت فشار مداوم گسترش می یابند.

شکستگی: هنگامی که ترک ها تا حد معینی منتشر می شوند، مواد باقی مانده دیگر نمی توانند بار را تحمل کنند و منجر به شکستگی کامل جزء فلزی می شود.

 

 

 

▲شکل 1 استرس های چرخه ای رایج

 

2. ویژگی های خستگی فلز

ناگهانی: شکست خستگی فلز اغلب به طور ناگهانی در طول زمان رخ می دهد و به راحتی از قبل تشخیص داده نمی شود.

محل: شکست معمولاً در مناطقی با تنش زیاد محلی، با مکان‌های نسبتاً متمرکز رخ ​​می‌دهد.

حساسیت: خستگی فلز به عوامل و عیوب محیطی حساس است. به عنوان مثال، زبری سطح، درجه اکسیداسیون و شرایط خوردگی قطعات می توانند بر استحکام خستگی تأثیر بگذارند.

وابستگی به چرخه: خستگی فلز به طور مستقیم با سطح تنش بارهای چرخه ای و تعداد چرخه ها مرتبط است. حتی اگر سطح تنش کمتر از قدرت تسلیم ماده باشد، بارگذاری چرخه ای طولانی مدت همچنان می تواند منجر به شکست خستگی شود.

ماهیت آماری: طبق آمار، حدود 80%-90% خرابی‌های سازه مهندسی ناشی از خستگی فلز است.

 

 

 

▲انواع مختلف مورفولوژی شکستگی ناشی از خستگی

 

 

طبقه بندی II خستگی فلز

 

1. طبقه بندی بر اساس تعداد بارهای چرخه ای

خستگی چرخه بالا: به خستگی تحت تنش کم (تنش کاری زیر حد تسلیم ماده و حتی زیر حد الاستیک) با چرخه‌های تنش بیش از 100 اطلاق می‌شود.{2}}. این شایع ترین نوع شکست خستگی است که به عنوان خستگی استرس نیز شناخته می شود. عملکرد خستگی در چرخه بالا با منحنی SN (منحنی استرس-عمر) توصیف می شود که نشان می دهد برای یک نسبت تنش معین، هر چه تنش کمتر باشد، عمر طولانی تر است.

خستگی چرخه کم: به خستگی تحت تنش زیاد (تنش کاری نزدیک به حد تسلیم ماده) یا شرایط کرنش بالا با چرخه های تنش زیر 10،{2}} تا 100،000 اشاره دارد. از آنجایی که کرنش متناوب پلاستیک نقش عمده ای در این نوع شکست خستگی دارد، به آن خستگی پلاستیک یا خستگی کرنش نیز می گویند.

 

2. طبقه بندی بر اساس شکل شکست خستگی

خستگی حرارتی: شکست خستگی ناشی از تنش حرارتی مکرر در اثر تغییرات دما.

خستگی ناشی از خوردگی: شکست خستگی قطعات ماشین تحت اثر ترکیبی بارهای متناوب و محیط های خورنده (مانند اسیدها، قلیاها، آب دریا، گازهای فعال و غیره).

خستگی تماسی: به شکست خستگی سطوح تماس قطعات ماشین اشاره دارد، جایی که سوراخ شدن یا خرد شدن و لایه برداری سطح تحت فشار تماس مکرر رخ می دهد که منجر به خرابی قطعه می شود.

 

 

III. منحنی خستگی

 

 

 

▲منحنی خستگی مواد فلزی

 

 

▲ منحنی SN

 

نمودار بالا رابطه بین استرس خستگی و عمر خستگی را نشان می دهد که به منحنی SN معروف است که برای تعیین حد خستگی و ایجاد مبنای معیارهای استرس خستگی استفاده می شود.

حد خستگی: به نشانگر قدرت توانایی یک ماده برای تحمل بی نهایت چرخه تنش بدون شکست اشاره دارد. حد خستگی مشروط به نشانگر قدرت توانایی یک ماده برای تحمل تعداد محدودی از چرخه های تنش بدون شکست اشاره دارد. هر دو در مجموع به عنوان قدرت خستگی نامیده می شوند. هر چه استحکام کششی بیشتر باشد، حد خستگی بیشتر است.

 

 

IV. عوامل موثر بر استحکام خستگی مواد فلزی

 

1. شکل و اندازه جزء

قطعات مکانیکی واقعی ناگزیر دارای اشکال مختلف بریدگی هستند، مانند پله‌ها، راه‌های کلید، رزوه‌ها و سوراخ‌های روغن که باعث تمرکز تنش می‌شوند و بر استحکام خستگی تأثیر می‌گذارند.

اثر اندازه قطعات نیز یک ملاحظه مهم است. قطعات بزرگتر در مقایسه با نمونه های کوچکتر ممکن است غلظت تنش و گرادیان تنش بیشتری داشته باشند که بر عملکرد خستگی تأثیر می گذارد.

2. سطح پایان

سطح پایین می تواند باعث تمرکز تنش بر روی سطح مواد شود و در نتیجه استحکام خستگی مواد را کاهش دهد. به عنوان مثال، ماشینکاری خشن (تراشکاری خشن) در مقایسه با پرداخت ریز طولی می تواند حد خستگی را 10 تا 20 درصد یا بیشتر کاهش دهد.

3. شرایط خدمات

محیط کار، مانند وجود رسانه های خورنده، می تواند به ریزترک ها نفوذ کند و باعث خرابی خستگی قطعات شود.

مواد هوافضا مورد استفاده در شرایط آب و هوایی پیچیده مانند دمای بالا، رطوبت بالا و دمای پایین نیز می توانند بر عملکرد خستگی آنها تأثیر بگذارند.

4. ترکیب مواد

ترکیب مواد فلزی به طور مستقیم بر عملکرد خستگی آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، افزایش محتوای کربن استحکام شکست مارتنزیت را کاهش می دهد و تمایل به خاموش کردن ترک ها را افزایش می دهد.

5. دولت سازمانی

ریزساختار مواد فلزی تاثیر بسزایی در استحکام خستگی آنها دارد. ساختار به دست آمده پس از خاموش کردن و تمپر کردن می تواند قدرت خستگی را بیشتر بهبود بخشد.

6. خلوص

نقایصی مانند آخال در مواد می تواند به منبع خستگی تبدیل شود و قدرت خستگی را کاهش دهد.

7. استرس پسماند

وجود تنش پسماند نیز می تواند بر عملکرد خستگی مواد تأثیر بگذارد.

8. استحکام و پلاستیک مواد

هرچه استحکام و انعطاف پذیری مواد فلزی بهتر باشد، توانایی آن در مقاومت در برابر شکست خستگی بالاتر است.

9. دامنه استرس

بزرگی دامنه تنش مستقیماً بر عمر خستگی فلز تأثیر می گذارد.

10. استرس متوسط

مقدار و ماهیت (کششی یا فشاری) تنش متوسط ​​نیز بر عملکرد خستگی فلز تأثیر می گذارد.

11. تعداد چرخه ها

شکست خستگی فلز معمولاً پس از تعداد مشخصی از چرخه ها رخ می دهد.

12. اثر تمرکز استرس

تغییرات ناگهانی در کانتور قطعه یا ناپیوستگی‌های داخلی (مانند منافذ، آخال‌ها، ترک‌ها و غیره) می‌توانند به منابع تمرکز تنش تبدیل شوند و روند شکست خستگی را تسریع کنند.

 

 

روش های V برای تعیین منحنی های خستگی

روش تعیین منحنی‌های خستگی، به‌ویژه منحنی SN، یک رویکرد حیاتی برای ارزیابی عملکرد خستگی مواد تحت تنش یا کرنش چرخه‌ای است.

 

1. تعیین هدف و شرایط آزمون

نوع ماده مورد آزمایش، محدوده سطوح تنش، فرکانس و سایر پارامترها را به وضوح تعریف کنید.

تجهیزات تست مناسب مانند دستگاه تست خستگی را انتخاب کنید و آن را مطابق با الزامات تست تنظیم و کالیبره کنید.

2. آماده سازی نمونه ها

بر اساس استانداردهای مربوطه و الزامات آزمایش، نمونه هایی را تهیه کنید که الزامات را برآورده کنند.

ابعاد، وزن و سایر پارامترهای نمونه ها را به دقت اندازه گیری و ثبت کنید.

3. نصب نمونه ها

نمونه را روی دستگاه تست خستگی نصب کنید و از تراز بین محور نمونه و محور بارگیری اطمینان حاصل کنید.

برای آزمایش‌هایی که نیاز به وسایل یا دستگاه‌های خاص دارند، آنها را بر اساس نیاز نصب و تنظیم کنید.

4. تنظیم پارامترهای تست

بر اساس هدف و شرایط آزمایش، شکل موج بارگذاری (مثلاً موج سینوسی، موج مربع)، سطح بار، فرکانس و سایر پارامترها را تنظیم کنید.

برای آزمایش هایی که نیاز به شبیه سازی شرایط کاری واقعی دارند، پارامترهای محیطی مربوطه مانند دما و رطوبت را تنظیم کنید.

5. شروع تست و ثبت داده ها

دستگاه تست را راه اندازی کنید و بارگذاری چرخه ای را شروع کنید.

در طول آزمایش، داده هایی مانند بار، جابجایی و زمان را برای هر چرخه ثبت کنید.

تغییر شکل و شکست نمونه را کنترل کنید و تعداد و اشکال خرابی های خستگی را به موقع ثبت کنید.

6. رسم منحنی SN

بر اساس داده های آزمون، منحنی SN را با سطح تنش (S) به عنوان محور افقی و لگاریتم عمر خستگی (N، یعنی تعداد چرخه ها) به عنوان محور عمودی رسم کنید.

منحنی SN به طور معمول از سه بخش تشکیل شده است: منطقه خستگی چرخه پایین، منطقه خستگی با عمر محدود و منطقه خستگی چرخه بالا. این بخش ها را می توان با توجه به داده های آزمون تقسیم و برچسب گذاری کرد.

7. تجزیه و تحلیل داده ها و تفسیر

تجزیه و تحلیل داده های منحنی SN، از جمله محاسبات و مقایسه پارامترهایی مانند شیب و قطع.

عملکرد خستگی و ویژگی های عمر مواد را بر اساس شکل و پارامترهای منحنی SN تفسیر کنید.

اطلاعات مربوط به ریزساختار و ترکیب شیمیایی مواد را برای تجزیه و تحلیل مکانیسم ها و عوامل موثر بر شکست خستگی ترکیب کنید.