[FONT="]مقدمه[/FONT][FONT="]:[/FONT]
[FONT="]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.[/FONT][FONT="]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،توربين 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 [/FONT][FONT="]خستگي باشد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]تئوري شكست:[/FONT]
[FONT="]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 ،[/FONT][FONT="]بدون هيچگونه تغيير شكل نا خالص در شكست نتيجه ميشود.[/FONT][FONT="]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.[/FONT]
[FONT="]سه عامل عمده براي وقوع شكست خستگي ضروري هستند.اين عوامل عبارتند از:[/FONT]
[FONT="]1[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]تنش كششي حداكثري به مقدار بسيار زياد[/FONT]
[FONT="]2[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]تغييرات به حد كافي زياد يا نوساني در تنش وارده[/FONT]
[FONT="]3[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]زياد بودن چرخه هاي تنش وارده. [/FONT]
[FONT="]علاوه[/FONT][FONT="]بر 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[/FONT][FONT="]. [/FONT]
[FONT="]خصوصيات ساختاري خستگي:[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="]:[/FONT]
[FONT="]1-[/FONT][FONT="]شروع ترك[/FONT][FONT="]: [/FONT][FONT="]شامل ايجاد اوليه عيب خستگي كه با عمليات تابانيدن مناسب برطرف مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]2- [/FONT][FONT="]رشد ترك نوار لغزش[/FONT][FONT="]:[/FONT][FONT="]عبارت است از عميق شدن ترك اوليه روي صفحات با تنش برشي زياد، اين مرحله غالبا رشد ترك مرحله 1 ناميده مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]3-[/FONT][FONT="]شكست ترك روي صفحاتي با تنش كششي زياد: [/FONT][FONT="]عبارت است از رشد يك ترك معين در جهت عمد بر تنش كششي حداكثر . اين مرحله معمولا رشد ترك مرحله 2 ناميده مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]4-[/FONT][FONT="]شكست نرم نهايي:[/FONT][FONT="] هنگامي رخ مي دهد كه طول ترك به اندازه كافي برسد، طوري كه سطح مقطع باقيمانده نتواند بار وارده را تحمل كند[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 [/FONT][FONT="]10[/FONT][FONT="]درصد 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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 فلز[/FONT][FONT="]اصلي ،بايد وجود داشته باشد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]اثر سطح و خستگي :[/FONT]
[FONT="]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 تقسيم[/FONT][FONT="]مي شوند:[/FONT]
[FONT="] 1= نا همواري سطح يا منابع تنش سطحي[/FONT]
[FONT="]2= تغيير استحكام خستگي فلز سطحي[/FONT]
[FONT="]3= تغييرات شرايط تنش باقيمانده در سطح[/FONT]
[FONT="] علاوه بر اين ،سطح فلز در معرض اكسايش و خوردگي نيز قرار دارد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]اثر متغيرهاي متالورژيكي بر خستگي[/FONT][FONT="]:[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 [/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 ترك[/FONT][FONT="]مرحله [/FONT][FONT="]1[/FONT][FONT="]را 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[/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]www.saipaonline.com[/FONT]
[FONT="]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.[/FONT][FONT="]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،توربين 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 [/FONT][FONT="]خستگي باشد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]تئوري شكست:[/FONT]
[FONT="]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 ،[/FONT][FONT="]بدون هيچگونه تغيير شكل نا خالص در شكست نتيجه ميشود.[/FONT][FONT="]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.[/FONT]
[FONT="]سه عامل عمده براي وقوع شكست خستگي ضروري هستند.اين عوامل عبارتند از:[/FONT]
[FONT="]1[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]تنش كششي حداكثري به مقدار بسيار زياد[/FONT]
[FONT="]2[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]تغييرات به حد كافي زياد يا نوساني در تنش وارده[/FONT]
[FONT="]3[/FONT][FONT="]-[/FONT][FONT="]زياد بودن چرخه هاي تنش وارده. [/FONT]
[FONT="]علاوه[/FONT][FONT="]بر 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[/FONT][FONT="]. [/FONT]
[FONT="]خصوصيات ساختاري خستگي:[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="]:[/FONT]
[FONT="]1-[/FONT][FONT="]شروع ترك[/FONT][FONT="]: [/FONT][FONT="]شامل ايجاد اوليه عيب خستگي كه با عمليات تابانيدن مناسب برطرف مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]2- [/FONT][FONT="]رشد ترك نوار لغزش[/FONT][FONT="]:[/FONT][FONT="]عبارت است از عميق شدن ترك اوليه روي صفحات با تنش برشي زياد، اين مرحله غالبا رشد ترك مرحله 1 ناميده مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]3-[/FONT][FONT="]شكست ترك روي صفحاتي با تنش كششي زياد: [/FONT][FONT="]عبارت است از رشد يك ترك معين در جهت عمد بر تنش كششي حداكثر . اين مرحله معمولا رشد ترك مرحله 2 ناميده مي شود[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]4-[/FONT][FONT="]شكست نرم نهايي:[/FONT][FONT="] هنگامي رخ مي دهد كه طول ترك به اندازه كافي برسد، طوري كه سطح مقطع باقيمانده نتواند بار وارده را تحمل كند[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 [/FONT][FONT="]10[/FONT][FONT="]درصد 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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 فلز[/FONT][FONT="]اصلي ،بايد وجود داشته باشد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]اثر سطح و خستگي :[/FONT]
[FONT="]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 تقسيم[/FONT][FONT="]مي شوند:[/FONT]
[FONT="] 1= نا همواري سطح يا منابع تنش سطحي[/FONT]
[FONT="]2= تغيير استحكام خستگي فلز سطحي[/FONT]
[FONT="]3= تغييرات شرايط تنش باقيمانده در سطح[/FONT]
[FONT="] علاوه بر اين ،سطح فلز در معرض اكسايش و خوردگي نيز قرار دارد[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]اثر متغيرهاي متالورژيكي بر خستگي[/FONT][FONT="]:[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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[/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 [/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]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 ترك[/FONT][FONT="]مرحله [/FONT][FONT="]1[/FONT][FONT="]را 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[/FONT][FONT="]. [/FONT][FONT="]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[/FONT][FONT="].[/FONT]
[FONT="]www.saipaonline.com[/FONT]