آزمون خستگی
مقدمه
بعد از سال 1830 دانشمندان و مهندسان فهمیدند که وقتی مواد تحت بار های سیکلی و تکرار شونده قرار می گیرند در تنشی پایین تر از حد تسلیم دچار شکست می شوند. شکست سازه ها تحت بارهای داینامیکی را شکست تحت خستگی می نامند. بدلیل ساخت تجهیزات و ماشین آلاتی مانند اتومبیل، هواپیما، کمپرسورها، پمپ ها، توربین ها و ... بحث بحث شکست در اثر خستگی خیلی مطرح می باشد و دلیل این امر این است که بیشتر ماشین آلات صنعتی از جمله آنهایی که بیان گردید تحت بارهای داینامیکی و سیکلی قرار می گیرند. و امروزه بیش از 90 درصد شکست در سازه ها در اثر پدیده خستگی رخ می دهد.
شکست در اثر خستگی خیلی سریع و بدون هشدار قبلی اتفاق می افتد و سطح مقطع شکست در این حالت شبیه شکست ترد و بدون کمترین تغییر شکل پلاستیکی در آن می باشد و در مقیاس ماکروسکوپی سطح شکست عمود بر راستای تنش کششی اصلی می باشد.
شکست در اثر خستگی را می توان براحتی از روی سطح مقطع شکست تشخیص داد به گونه ای که سطح مقطع این نوع شکست از دو قسمت تشکیل شده باشد ، یکی منطقه صاف که ترک در آن منطقه انتشار یافته است. صاف شدن این منطقه بر اثر حرکت نسبی دو سطح ترک (سایش) و تناوب زیاد بارگذاری است. سرانجام وقتی که ترک به اندازه ای رشد پیدا کرد که جسم تحمل بارگذاری را نداشته باشد، شکست به سرعت در قسمت باقیمانده سطح گسترش میابد و در این مرحله شکست سطح معمولا دارای ظاهری بلورین مانند شکست اجسام ترد است، بنابراین به راحتی می توان شکست در اثر خستگی را از دیگر انواع شکست ها، تشخیص داد.
سه فاکتور اساسی برای وقوع شکست در اثر پدیده خستگی مورد نیاز است:
1- تنش کششی اعمالی به اندازه کافی بالا باشد
2- اختلاف بین تنش های ماکزیمم و می نیمم اعمالی به اندازه کافی زیاد باشد
3- تعداد سیکل های بارگذاری به اندازه کافی زیاد باشد تا شکست خستگی رخ دهد
علاوه بر موارد گفته شده یک سری عوامل دیگر در این نوع شکست دخالت دارند که در ضریب تمرکز تنش، خوردگی، دما، ساختار متالورژیکی ماده و تنش های پسماند از جمله این موارد می باشد.
عوامل تاثیرگذار بر خستگی
عوامل بسیار زیادی وجود دارد که بر رفتار ماده یا قطعه در شرایطی که منجر به شکست خستگی می شوند، موثرند:
نوع و چرخه های بارگذاری، شرایط سطحی، طرح قطعه و شرایط محیطی از این جمله اند.
الف) نوع تنش
استحکام خستگی جسمی که تحت تاثیر چرخه های تنش پیچشی قرار دارد از استحکام خستگی همان جسم که تحت تنش نرمال قرار دارد، کمتر خواهد بود علاوه بر آن وقتی که یک ترک خستگی بوجود می آید، آهنگ گسترش آن از تنش های کششی و تنش های فشاری تاثیر می پذیرد. کشش تمایل به باز کردن دهانه ترک، و فشار تمایل به کاهش رشد آن دارد.
ب) آهنگ بارگذاری
در بسیاری از موارد آهنگ بارگذاری تاثیری بر عمر خستگی ندارد ( حداقل تا بسامد های 150 هرتز چنین تاثیری وجود ندارد ) . در بسامد های بالاتر ، استحکام خستگی به مقدار کمی افزایش نشان می دهد، ولی برای بسامد های بسیار بالا ( تا 15000 هرتز)، افزایش استحکامی تا حدود 10 درصد بدست آمده است.
ج) شرایط سطح و عیب های سطحی
شرایط سطح یک قطعه تاثیر زیادی بر عمر خستگی آن دارد. زبری سطح یا وجود خراش هایی بر روی آن، می توانند کانون هایی برای تمرکز تنش باشند و خستگی حساسیت زیادی به افزایش تنش دارد به گونه ای که هر افزایشی در تنش، شروع ترک خستگی را تسریع می بخشد. اثر خراش های سطحی یا هر عیب دیگر، برای تمام موارد یکسان نیست. فلزات نرم تر در مقایسه با فلزات ترد، حساسیت کمتری نسبت به اینگونه عیب های سطحی دارند. در فلزات نرم، تغییر شکل پلاستیکی در پای یک خراش ممکن است شعاع بن آن خراش را افزایش داده و اثر بالا رفتن تنش در نوک ترک را کاهش دهد.
عمر خستگی یک قطعه را می توان با کوبیدن سطح آن افزایش داد. که این عمل نوعی تنش های پسماند فشاری در لایه های سطحی ایجاد کرده و از ایجاد ترک های خستگی جلوگیری می کند یا آن را به تاخیر می اندازد. عملیات سطحی دیگری که با ایجاد تنش های فشاری در لایه های سطحی عمر خستگی را افزایش می دهند، عملیات سخت کردن سطحی مانند کربن دهی، نیتروژن دهی و یا ایجاد بعضی پوشش های الکتریکی بر روی سطح است.
د) آثار محیط
اگر شرایط لازم برای ایجاد خردگی وجود داشته باشد، نه تنها مقاومت خستگی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد بلکه آهنگ خوردگی نیز افزایش خواهد یافت. بعضی از مواد از جمله پاره ای از فولاد ها در محیط های خورنده حد استحکام خستگی ندارند، و حتی هنگامی که سطح تنش بسیار پایین است امکان دارد شکست به طور ناگهانی اتفاق بیفتد.
فرایند شکست خستگی منحصر به فلزات نیست، موادی مانند بتن و پلیمر نیز در اثر خستگی از کار می افتند. مانند فلزات، تعداد چرخه های تنشی که منجر به شکست قطعه می شود با کاهش تنش بیشینه بارگذاری، افزایش می یابد، ولی این مواد حد خستگی مشخصی نشان نمی دهند. آزمون خستگی پلیمرها با مشکلات ویژه ای همراه است، زیرا به علت کوچک بودن ضریب میرایی این مواد، دمای قطعه ضمن انجام آزمایش افزایش می یابد و مشکلاتی را در اندازه گیری بوجود می آورد.منبع: asqc.ir