منظور از خستگی فلز چیست؟ | مراحل خستگی فلز
یکی از خطرناک‌ترین انواع آسیب های فلزی، خستگی فلز می باشد. در واقع به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم خستگی فلزات گفته می شود. خستگی فلزات زمانی رخ می دهد که ماده تحت تنش های تکراری یا نوسانی قرار می گیرد که منجر به شکست نهایی قطعه می گردد.
مقدمه
خستگی فلزات یکی از مهم‌ترین عوامل خرابی قطعات مکانیکی محسوب می‌شود و بیش از ۹۰ درصد شکست‌های مهندسی به دلیل این پدیده رخ می‌دهد. این نوع خرابی به علت اعمال بارهای چرخه‌ای روی ماده ایجاد شده و می‌تواند منجر به شکست ناگهانی قطعه شود. در این مقاله، به بررسی جامع پدیده خستگی فلزات، انواع آن، عوامل مؤثر، روش‌های تشخیص و راهکارهای افزایش مقاومت در برابر خستگی پرداخته خواهد شد.
خستگی فلزات چیست؟
در علم متالورژی و مکانیک، خستگی فلزات به‌عنوان تغییر شکل پلاستیک و شکست تدریجی قطعات تحت بارهای متناوب و طولانی‌مدت تعریف می‌شود. ویژگی خطرناک این پدیده، نامرئی بودن ترک‌های اولیه تا لحظه‌ی شکست نهایی است. زمانی که تنش‌های سیکلی در فلز تکرار می‌شوند، ترک‌های ریز در نواحی پرتنش ایجاد شده و با رشد تدریجی، نهایتاً باعث شکست ناگهانی قطعه خواهند شد.
یکی از خطرناک‌ترین انواع آسیب های فلزی، خستگی فلز می باشد. در واقع به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم خستگی فلزات گفته می شود. خستگی فلزات زمانی رخ می دهد که ماده تحت تنش های تکراری یا نوسانی قرار می گیرد که منجر به شکست نهایی قطعه می گردد.
به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب، کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم، خستگی فلزات (Metal fatigue) گفته می‌شود. این پدیده یکی از خطرناک‌ترین انواع آسیب‌های فلزی که عدم توجه به آن می‌تواند عواقب بسیار بدی به همراه داشته باشد.
انواع خستگی فلزات
خستگی فلزات را می‌توان از دو منظر بررسی کرد:
۱. انواع خستگی از نظر ماهیت:
خستگی حرارتی: این نوع خستگی به دلیل تغییرات مکرر دما در قطعات اتفاق می‌افتد و معمولاً در محیط‌های صنعتی و نیروگاهی دیده می‌شود.
خستگی خوردگی: حضور عوامل خورنده در کنار تنش‌های سیکلی، باعث تسریع رشد ترک‌های خستگی شده و عمر قطعه را کاهش می‌دهد.
خستگی ارتعاشی: قطعاتی که در معرض ارتعاشات مداوم قرار دارند، مستعد ایجاد ترک‌های خستگی ارتعاشی هستند. نمونه‌های رایج شامل پره‌های توربین و قطعات خودرو هستند.
نقص مکانیکی: برخی نقص‌های تولید یا عملیات حرارتی نامناسب می‌توانند باعث کاهش مقاومت خستگی فلز شده و خرابی زودرس ایجاد کنند.
۲. انواع خستگی از نظر تعداد سیکل:
خستگی کم چرخه (Low Cycle Fatigue - LCF): این نوع خستگی زمانی رخ می‌دهد که مقدار تنش اعمالی بالا باشد و باعث تغییر شکل پلاستیک شود. معمولاً در کمتر از ۱۰,۰۰۰ سیکل، قطعه دچار شکست می‌شود.
خستگی پر چرخه (High Cycle Fatigue - HCF): زمانی که تنش‌های اعمالی در محدوده الاستیک باقی بمانند، قطعه می‌تواند میلیون‌ها سیکل را تحمل کند، اما پس از یک دوره طولانی، شکست اتفاق می‌افتد.
عوامل مؤثر در خستگی فلزات
چندین عامل می‌توانند بر نرخ رشد ترک‌های خستگی و عمر قطعات تأثیر بگذارند:
تمرکز تنش: حفرات، بریدگی‌ها و تغییرات ناگهانی در مقطع قطعه، تمرکز تنش را افزایش داده و احتمال شکست را بیشتر می‌کنند.
سختی و استحکام کششی: مواد با استحکام کششی و سختی بالاتر، معمولاً مقاومت بیشتری در برابر خستگی دارند.
شرایط سطحی: سطح صاف و پرداخت‌شده باعث کاهش تمرکز تنش و افزایش عمر خستگی می‌شود.
محیط‌های خورنده و دمای بالا: خوردگی و تنش‌های حرارتی، رشد ترک‌های خستگی را تسریع می‌کنند.
قطعاتی که در معرض خستگی قرار دارند
قطعات مکانیکی که تحت بارهای متناوب و ارتعاشات قرار دارند، مستعد خستگی هستند. برخی از این قطعات عبارتند از:
پره‌های توربین و موتور جت
اعضای سازه‌ای هواپیما
شفت‌ها، چرخ‌دنده‌ها و فن‌ها
پل‌های فلزی و سیستم‌های تعلیق خودرو
روش‌های تشخیص خستگی فلزات
تشخیص زودهنگام ترک‌های خستگی می‌تواند از شکست ناگهانی جلوگیری کند. برخی روش‌های رایج شامل:
بازرسی چشمی: بررسی دوره‌ای ترک‌های سطحی و تغییرات ظاهری قطعه
تست اولتراسونیک و اشعه ایکس: تشخیص ترک‌های داخلی با روش‌های غیرمخرب
رنگ‌های فلورسنت و ذرات مغناطیسی: بررسی وجود ترک‌های ریز در قطعات آهنی
تحلیل نویز و ارتعاشات: تشخیص تغییرات ساختاری از طریق بررسی سیگنال‌های صوتی و ارتعاشی
روش‌های افزایش مقاومت در برابر خستگی
برای بهبود عمر خستگی قطعات، می‌توان از راهکارهای زیر استفاده کرد:
طراحی مناسب: استفاده از گوشه‌های گرد و حذف نواحی با تمرکز تنش بالا
پرداخت سطحی مناسب: کاهش زبری سطح برای جلوگیری از تمرکز تنش
اصلاح فرآیندهای تولید: کنترل دقیق عملیات جوشکاری، فورج و عملیات حرارتی
ریزدانگی ساختار فلز: افزایش استحکام خستگی از طریق بهینه‌سازی ساختار متالورژیکی
محافظت در برابر خوردگی: استفاده از پوشش‌های مقاوم و شرایط محیطی کنترل‌شده
خستگی در سه مرحله رخ می دهد:
گام اول
در گام اول پس از گذراندن یک دوره ای ترک های بروی سطح فلز رخ می دهد و این ترک ها اغلب بروی سطح فلز نمایان می شود.
گام دوم
در این گام، ریز ترک ها تحت تنش های حاصل از بارگذاری های دوره ای هستند و این موضوع، باعث افزایش ریزترک ها می شود. ترک هایی که در جسم جوانه میزند، یکی از آنها در امتداد صفحه لغزش فعال رشد میکند، تا اینکه طول ترک به حد مشخصی برسد و بعد از آن ترک در جهت عمود بر تنش اعمالی به پیشروی خود ادامه می دهد، تا زمانی که شکست اتفاق بیفتد. هرچقدر میزان تنش اعمالی کمتر باشد، طول ترک در لحظه ی انتقال از مرحله ابتدایی به مرحله ثانویه بزرگتر خواهد بود.
گام سوم
سرانجام در این مرحله، ریزترک ها، به اندازه ای بزرگ می شوند که تنش ها باعث انتشار سریع ترک ها و همچنین آسیب به فلز می شوند. سطح ترک خورده از نظر ظاهری، بسته به نوع فلز و مقاومت کششی فلز، متفاوت است. در حقیقت، در این مرحله ماده دچار پارگی می شود و شکست ترد رخ می دهد.
عوامل مختلفی در آسب زدن به فلزات دخلی هستند، از فشارهای کششی و ضربه ای گرفته تا برش بیش از حد. اغما در اصل خستگی فلز نوعی آسیب است که می تواند مدت ها بدون اینکه کسی متوجه آن بشود به کار خود ادامه دهد تا جایی که دیگر برای رفع آسیب، خیلی دیر می شود.
حد خستگی فلزات
به بالاترین استرسی که یک ماده می تواند برای یک تعداد سیکل بدون شکست تحمل کند، حد خستگی یا استحکام خستگی می گویند. در واقع حداکثر تنشی که می تواند برای تعداد معینی از سیکل کاری، بدون شکستگی اعمال کرد را استحکم خستگی می نامند.
مقاومت خستگی فلزات
مقاومت خستگی فلز از طروق های مختلفی قابل اندازه گیری می باشد. آزمون خستگی بروی نمونه های انجام می گردد.
در انجام این فرآیند گرافی حاصل می شود که نشان دهنده این است که، فلز مورد نظر در آن سطح از تنش، چه تعداد دوره را بدون ترک خوردن، تحمل کرده است. آگاهش داشتن از مقاومت به خستگی یک فلز برای جلوگیری از اسیب های ناشی از خستگی، بسیار مهم است.
خطرات تهدید کننده فلزات جهت خستگی
در همه ی مصارف، فلزات دچار خستگی می شوند که باید به این خستگی فلز توجهاتی شود. این موارد عبارتند از:
- پل ها
- اسباب منزل
- تجهیزات مربوط به قالب زنی فلزی
- قطعات با لرزش بالا
- تجهیزات مربوط به قالب زنی فلزات
- قطعات بدنه‌ی هواپیما
تست خستگی فلزات
برای تشخیص خستگی فلزات، تست های مختلفی انجام می گیرد که معمول ترین استاندارد تست خستگی بر فلزات، استاندارد آمریکای شمالی ASTM می باشد؛ که از دیگر روش های تست خستگی به کار برده شده می توان به Rotating bending test و Servo-hydraulic machines اشاره کرد.
نیتجه این تست ها در قالب نمودار های تنش – سیکل s-n نمایان می شود. در این نمودار محور عمودی تنش و محور افقی سیکل می باشد. با استفاده از این نمودار می توان میتوجه شد که با تنش اعمال شده، ماده مورد نظر چند سیکل دوام می آورد.
جمع‌بندی
خستگی فلزات یکی از خطرناک‌ترین انواع شکست‌های مهندسی است که به دلیل ماهیت نامرئی ترک‌های اولیه، می‌تواند منجر به خرابی ناگهانی و فاجعه‌بار شود. این پدیده تحت تأثیر عوامل متعددی مانند تنش‌های سیکلی، تمرکز تنش، شرایط سطحی و محیط‌های خورنده قرار دارد. با استفاده از روش‌های تشخیص زودهنگام و اعمال راهکارهای مهندسی مناسب، می‌توان از وقوع شکست خستگی در قطعات جلوگیری کرده و عمر مفید آنها را افزایش داد.
