خستگی Fatigue
خستگی نوعی ازتخریب است که هنگامی مشاهده میشود که نیروی اعمالی دینامیک است و مقادیر بردار نیروی(مقدار وجهت و راستا) اعمالی با گذشت زمان عوض می شود.
در این حالت تخریب مکانیزم خاص خود را دارد و قواعد و معادلات خاصی بر ان حاکم است.
مثال : Aircraft, air planes, wind….
در حالتی که ژدیده خستگی انفاق می افتد تخریب قطعه در تنش هایی کمتر از تنش تسلیم و استحکام کششی ( و گاهی بسیار کمتر) می شکند.
اصطلاح خستگی به این خاطر استفاده می شود که در این حالت تخریب بعد از تعدادنوسانات طولانی (یا نسبتا طولانی) نیروی اعمالی صورت می گیرد و بناراین ممکن است مدت زمانی طول بکشد تا قطعه بشکند. (با گذشت زمان قطعه خسته شده و می شکند.)
خستگی مهم ترین عامل تخریب مواد مهندسی و به خصوص فلزات است. در حدود 90 درصد تخریب فلزات از طریق خستگی اتفاق می افتد.
شکست از طریق پدیده خستگی مانند شکست ترد است وقطعه قبل از شکست تغییر شکل قابل مشاهده زیادی نشان نمی دهد و شکست از طریق خستگی با جوانه زنی و رشد ترک همراه است و سطح مقطع شکست عم بر تنش اعمالی است.
مشخصات تنش های اعمالی در خستگی
تنش اعمالی می تواند به صورت کشش- خمش یا پیچش یا مجمو عه ای از انهاست. اما مقدار تنش اعمالی(مقدار-جهت و راستا) با گذشت زمان تغییر می کند وتنش ها به صورت سیکل های تکرا شونده (مرتب یا نامنظم) بر جسم اعمال می شود.
برای مشخص کردن تنش اعمالی و به کنظور ارائه فرمول های مربوطه از یک سری تعاریف اولیه استفاده می کنیم.
تنش متوسط(Mean stress)
طیف تنش (range of stress)
دامنه تنش
نسبت تنش Stress ratio
بعد از معرفی ازمایش خستگی خواهیم دید که چگونه از این پارامتر ها می توان جهت به دست اوردن روابط مربوط به خستگی استفاده کرد.
آزمایش خستگی Fatigue test
هدف از انجام آزمایش : تعیین رفتار ماده تحت تنش هایی است که به صورت متناوب(طی سیکل های تکرار شونده) بر جسم اعمال می شود ومقدار ان باگذشت زمان تغییر می کند.
برای بررسی خواص مواد تحت شرایطی که تنش طی سیکل های تکرار شونده بر جسم اعمال می شود ازمایش خستگی طراحی شده است.
نحوه انجام آزمایش خستگی
در این ازمایش تنش ها سیکلی متغیر با مقادیر مختلف تنش ماکزیمم به قطعه اعمال می شود و تعداد سیکل اعمالی تا شکست اندازه گیری می شود.
نوع تنش اعمالی و مقادیر ان طوری انتخاب می شود که بتوان شرایط واقعی را با شرایط ازمایشگاهی تطبیق داده شده و از داده های ازمایشگاهی بتوان به منظور استفاده در شرایط عملی استفاده کرد
به عنوان مثال
تنش اعمالی می تواند به صورت کشش- کشش یا فشار- فشار یا خم و راست کردن (Bend) و… باشد.
نحوه ارئه داده ها
در این آزمایش تنش دامنه مختلف هرسیکل در برابر تعداد سیکل تا شکست رسم می شود.
مفهوم نمودار و داده ها
این نمودار بیان می کند که
1- در یک تنش دامنه اعمالی خاص طی چند سیکل می شکند.
2- در یک تعداد سیکل خاص حداکثر تنشی به قطعه می تواند اعمال شود تا قطعه نشکند.
با افزایش تنش اعمالی تعداد دور تا شکست کاهش می یابد.
انواع معمول رفتار های خستگی
نوع اول : همان طور که قبلا گفته شد با افزایش تنش اعمالی تعداد دور تا شکست کاهش می یابد اما
در بعضی از مواد مثل الیاژ های تیتانیوم و الیاژ های اهنی با کم شدن تنش اعمالی از یک حد خاص منحنی S-N به صورت خط افقی در می آیدواین پدیده به این معنی است که
اگر تنش از حد خاصی کمتر شود تعداد درو تا شکست بی نهایت یا تعداد دور تا شکست ماده خیلی زیاد می شود. به این تنش خاص حد خستگی (Fatigue limit=Endurance limit) گفته می شود.
تعریف حد خستگی Fatigue limit=Endurance limit
تنشی حدی است که در تنش های کمتر از ان تخریب از طریق خستگی اتفاق نمی افتد به عبارت دیگر حدی از تنش که در مقادیر تنش کمتر ازآن قطعه در تعداد دورهای زیاد(مثلا 106 ) قطعه دچار شکست نمی شود.
نوع رفتار دوم :
در سایر مواد مانند الیاژ های مس و آلومینیم در منحنی S-N حد خستگی مشا هده نمی شود و در این مواد با افزایش تنش اعمالی به قطعه تنش لازم برای شکست کاهش می یابد.
خلاصه
در کل نوع رفتار کلی در خستگی مواد مشاهده می شود
1- موادی که از خود حد خستگی نشان می دهند مثل آلیاژ های آهنی.
2- موادی که از خود حد خستگی نشان نمی دهند
آلیاژ های غیر آهنی
نکته
موادی که در تئوری به داشتن حد خستگی مشهور هستند در واقع بعد از یک تنش مشخص شیب منحنی S-N بسیار کم می شود ولی صفر نیست. در عمل تنشی که قطعه حدود (106 ) دور یا بیشتر بزند به عنوان حد خستگی مطرح می شود.
دو تعریف
1- استحکام خستگیFatigue Strength
تنشی که در یک تعداد دور مشخص باعث شکست قطعه از طریق خستگی می شود
2- عمر خستگی : fatigue Life
تعداد دوری که قطعه در یک تنش مشخص می زند تا از طریق خستگی دچار تخریب شود.
داده های حاصل از ازمایش خستگی پراکنده گی زیادی دارد و به علاوه داده ها تحت تاثیر عوامل زیادی مانند ریزساختار- هندسه قطعه- شرایط سطحی قطعه-فرکانس بارگذاری و… می باشد لذا هنگام طراحی بر اساس خستگی باید این عوامل را در نظر داشت.
تقسیم بندی خستگی با توجه به عمر قطعه
اگر تنش ماکزیمم اعمالی به قطعه بیش از تنش تسلیم باشد عمر خستگی کوتاه است (104- 105 ( سیکل است که به این حالت Low cycle fatigue می گویند.
اما اگر تنش ماکزیمم اعمالی کمتر از تنش تسلیم قطعه باشد در این حالت عمر خستگی زیاد شده و به ان High cycle fatigue گفته می شود.
مکانیزم خستگی
مکانیزم خستگی شامل دو مرحله است
1- جوانه زنی ترک
2- رشد ترک
جوانه زنی ترک از مکان های تمرکز تنش نظیر سوراخ ها – گوشه های تیز- ترک های سطحی و مانند انها شروع می شود. در صورت عدم وجود این عوامل ترک های اولیه حین اعمال بار های سیکلی به وجود می آید.
مکانیزم جوانه زنی ترک در این جا مورد بحث نیست اما طبیعت تکرار شونده بار های اعمالی باعث می شود تغییرات (مثلا تغییر شکل پلاستیک) در مکان هایی خاص (مثلا نز دیک ناخالصی های درونی) متمرکز شود و با تجمع تغییرات در این نواحی ترک اولیه ایجاد می شود.
این ترک اولیه در هر سیکل مقداری رشد می کند و در نهایت پس از رسیدن به طول بحرانی ترک رشد می کند.
سطح مقطع شکست خستگی
عوامل موثر برعمر خستگی
1- تنش متوسط اعمالی
افزایش تنش متوسط اعمالی یاعث کاهش عمر خستگی می شود.
2- عوامل طراحی
وجود نقاطی که باعث تمرکز تنش شود عمر خستگی را کاهش می دهد.
3- عملیات سطحی
در سطح قطعه معمولا ترک وجود دارد که می تواند به علل گوناگون باشد مثل ترک های حاصل از برش- ماشین کاری – خراش ایجاد شده در اثر تماس با محیط و….
ترک هایی که روی سطح ایجاد می شود باعث کاهش عمر خستگی می شود.
انجام پالیش روی سطح باعث افرایش عمر خستگی می شود.
2- ایجاد تنش های فشاری بر روی سطح باعث می شود که از پیش روی ترک های روی سطح جلوگیری شده و عمر خستگی را زیاد می کند. یکی از راه های ایجاد تنش فشاری در سطح قطعه پرتاب گلوله به سطح است. برخورد گلوله به سطح باعث تغییر شکل پلاستیک در نواحی نزدیک سطح می شود. این تنش های فشاری باعث جلو گیری از پیش روی سطح شده و عمر خستگی را زیاد می کند. به این عملیات Shot peen گفته می شود