تئوری شکست خستگی در فلزات

تئوری شکست خستگی در فلزات

اسلاید 1: تئوری شکستدلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخ می دهد.خستگی به صورت شکستی با ظاهر ترد ،بدون هیچگونه تغییر شکل نا خالص در شکست نتیجه میشود.معمولاسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است.معمولا سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده میشود،که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترک در مقطع (قسمت بالای شکل 1) و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ،در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود

اسلاید 2: غالبا پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می شود،که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند.شکل 1مشخصه دیگری از خستگی را نیز نشان میدهد و آن اینست که معمولا شکست در نقطه وجود تمرکز تنش ، مانند یک گوشه تیز یا شیار ،یا در یک تمرکز تنش متالورژیکی مانند ناخالصی ،رخ می دهد

اسلاید 3: سه عامل عمده برای وقوع شکست خستگی ضروری هستند.این عوامل عبارتند از:(1)تنش کششی حداکثری به مقدار بسیار زیاد، (2)تغییرات به حد کافی زیاد یا نوسانی در تنش وارده،و(3)زیاد بودن چرخه های تنش وارده. علاوه بر این متغیرهای دیگری مانندتمرکز تنش ،خوردگی،دما،بار اضافی ،ساختار متالورژیکی،تنشهای باقیمانده و تنشهای مرکب هم وجود دارند که شرایط را برای ایجاد خستگی تقویت می کنند.

اسلاید 4: چون هنوز مفهومی کلی از علت بروز خستگی در فلزات به دست نیاورده ایم ،لازم است بعضی از این عوامل را از دیدگاهع اساسا تجربی مورد بحث قرار دهیم.به علت زیاد بودن حجم اطلاعاتی از این قبیل ،فقط تشریح نکات برجسته ممکن خواهد بود.

اسلاید 5: چرخه های تنش ابتدا تعریف مختصری از انواع کلی تنشهای نوسانی که باعثی خستگی می شوند،بیان می کنیم شکل2 چرخه های نمونه ای تنش خستگی را نشان می دهد.شکل 2(الف) چرخه کاملا معکوس تنش سینوسی شکلی را نشان می دهد. این چرخه یک حالت آرمانی است که توسط دستگاه خستگی محور چرخان مور تو.لید شده و در عمل از چرخش محوری با سرعت ثابت و بدون اضافه بار به دست می آید.در این نوع چرخه تنش، تنشهای حداقل و حداکثر برابرند. تنش حداقل همان کمترین تنش جبری در چرخه است . تنش کششی مثبت در نظر گرفته میشود و تنش فشاری منفی است.

اسلاید 6: شکل 2(ب) یک چرخه تنش تکراری را نشان می دهد که در آن تنش حداکثر و تنش حداقل برابر نیستند. در این نمودار هر دو تنش کششی اند. ولی یک چرخه تنش تکراری می تواند شامل تنشهای حداقل و حداکثر با علامت مخالف یا هر دو در فشار نیز باشد.شکل 2(پ) چرخه تنش مرکبی را نشان می دهد که در قطعه ای مانند بال هواپیما و در اثر تند بادها تحت بارهای اضافی دوره ای غیر قابل پیش بینی قرار می گیرد

اسلاید 7: خصوصیات ساختاری خستگی1.       شروع ترک : شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.2.     رشد ترک نوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تنش برشی زیاد، این مرحله غالبا رشد ترک مرحله 1 نامیده می شود.3.    شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششی زیاد: عبارت است از رشد یک ترک معین در جهت عمد بر تنش کششی حداکثر . این مرحله معمولا رشد ترک مرحله 2 نامیده می شود.4.     شکست نرم نهایی: هنگامی رخ می دهد که طول ترک به اندازه کافی برسد، طوری که سطح مقطع باقیمانده نتواند بار وارده را تحمل کند.

اسلاید 8: سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه های مسبب شکست به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. اما کاملا مشخص شده است که یک ترک خستگی می تواند قبل از اینکه 10درصد عمر کل نمونه منقضی شود، شکیل شود.البته در تصمیم گیری در مورد زمانی که یک نوتر لغزش عمیق شده می تواند ترک نامیده شود، ابهام زیادی وجود دارد . به طور کلی ،سهم بیشتری از کل چرخه های مسبب شکست به اشاعه ترکهای مرحله2 در خستگی کم چرخه تعلق دارد تا خستگی پر چرخه، در صورتی که رشد ترک در مرحله 1 برای خستگی پرچرخه و تنش کمن ،بیشتر است . اگر تنش کششی زیاد باشد، مانند خستگی در نمونه های با شیار تیز ، رشد ترک مرحله 1 به هسچ وجه قابل مشاهده نیست.

اسلاید 9: بررسی ساختاری دقیق خستگی این واقعیت را نشان می دهد که معمولا ترکهای خستگی در یک سطح آزاد شروع می شوند . در موارد نادری که ترکهای خستگی از قسمت داخلی شروع می شوند، همیشه مرزی ، مانند حد فاصلیک لایه سطحی کربوره شده و فلز اصلی ،باید وجود داشته باشد.

اسلاید 10: اثر سطح و خستگی عملا تمام شکستهای خستگی از سطح شروع می شوند. در بسیاری از انواع متداول بارگذاری ،مانند خمش و پیچش،تنش حداکثر در سطح رخ می دهد ،طوری که شروع شکست از آن مکان منطقی جلوه می کند . اما در بارگذاری محوری، شکست خستگی تقریبا همیشه از سطح شروع می شود. مدارک فراوانی حاکی از اینکه خواص خستگی به شرایط سطحی بسیار حساس هستند در دست است. عواملی که در سطح یک نمونه خستگی تاثیر می گذارند عمدتا به سه دسته تقسیم می شوند:(1) نا همواری سطح یا منابع تنش سطحی،(2) تغییر استحکام خستگی فلز سطحی، و (3) تغییرات شرایط تنش باقیمانده در سطح، علاوه بر این ،سطح فلز در معرض اکسایش و خوردگی نیز قرار دارد.

اسلاید 11: اثر متغیرهای متالورژیکی بر خستگیخواص خستگی فلزات کاملا به ساختار حساس است.اما در حال حاضر،روشهای محدودی وجود داردکه توسط آنها می توان خواص خستگی را از طرق متالورژیکی بهبود بخشید.تغییرات طراحی به نحوی که تمرکز تنش کم شود و استفاده صحیح از تنش باقیمانده فشاری مفید به جای تغییر جنس از کارهای عمده ای است که در خواص خستگی بهبود ایجاد می کند.با اینحال عوامل متالورژیکی ویژه ای وجود دارند که برای اطمینان از بهترین کارایی در اندازه گیری یک فلز یا آلیاژ خاص باید در نظر گرفته شوند

اسلاید 12: اثر دما بر خستگی آزمایشهای خستگی فلزات در دماهای کمتر از دمای اتاق نشان می دهد که استحکام خستگی با کاهش دما زیاد می شود. با اینکه فولادها در حالت خستگی در دمای کم به شیار حساستر می شوند،هیچ دلیلی برای نشان دادن وقوع هر گونه تغییر ناگهانی در خواص خستگی در دما های کمتر از دمای انتقال تردی به نرمی وجود ندارد . این واقعیت که با کاهش دما استحکام خستگی نسبتا بیشتر از استحکام کششی افزایش می یابد، با نشان دادن شکست خستگی در دمای اتاق که با تشکیل و تمرکز جای خالی همراه است، توجیه می شود.

اسلاید 13: به طور کلی ، هرچه استحکام خزش ماده ای بیشتر باشد ،استحکام خستگی آن ماده در دمای زیاد بیشتر است. اما آن عملیات متالورژیکی که باعث ایجاد بهترین خواص خستگی در دمای بالا می شود لزوما به ایجاد بهترین مشخصات پارگی در خزش منجر نخواهد شد. این مطلب از سوی تولین و ماچل و با آزمایشهایی که در دمای زیاد بر تعدادی ابر آلیاژ انجام شد ،نشان داده شده است . در دمای کمتر ریز بودن اندازه دانه خواص خستگی بین مواد درشت دانه و ریز دانه کم می شود تا در دماهای زیاد،که خزش مسلط است،مواد درشت دانه استحکام بیشتری دارند. به طور کلی ، گرچه اغلب قطعات ریختگی به خزش مقاومترند، ولی آلیاژهایی که بر آنها کار انجام شده باشد ،مقاومت به خستگی بهتری نشان می دهند .امکان دارد روشهایی که در کاهش شکستهای خستگی در دمای اتاق مفیدند ،برای خستگی در دمای بالا مفید نباشند.

اسلاید 14: تنشهایی که باعث ایجاد شکست خستگی در دمای بالا می شوند ،لزوما نباید از منابع مکانیکی ناشی شده باشند. شکست خستگی می تواند در شرایطی که هیچ تنشی به دلایل مکانیکی تولید نمی شود،توسط تنشهای گرمایی نوسانی به وجود آید .تنشهای گرمایی وقتی به وجود می آیند که توسط قیدی از تغییر ابعاد یک قطعه به علت تغییر دما جلوگیری شود.

اسلاید 15: اگر شکست در اثر اعمال تنش گرمایی رخ دهد ، شرایط به شوک گرمایی موسوم است . اما اگر شکست پس از اعمال مکرر تنش گرمایی رخ دهد ، این حالت خستگی حرارتی نامیده میشود. غالبا در وسایلی که در دمای بالا کار می کنند ،شرایط ایجاد شکست در اثر خستگی گرمایی وجود دارد. فولاد زنگ نزن آستنیتی از فلزاتی است که خصوصا به دلیل هدایت گرمایی کم و انبساط گرمایی کم و انبساط گرمایی زیاد خود نسبت به این پدیده حساس است. از مطالعات انجام شده درباره خستگی گرمایی در این ماده مقالات منتشر شده زیادی موجود است.

اسلاید 16: خستگی خوردگی کنش همزمان تنش چرخه ای و حمله شیمیایی به خستگی خوردگی موسوم است. حمله خورنده بدون حضور تنش غالبا در سطوح فلزی حفره ایجاد می کند . حفره ها مانند شیار عمل کرده و استحکام خستگی را کاهش می دهند. اما وقتی حمله خورنده همزمان با بار گذاری خستگی رخ دهد ، کاهش آشکاری در خواص خستگی نتیجه می شود که از کاهش خواصی که در اثر خوردگی قبلی سطح به وجود می آید ،بیشتر است . هنگامی که خوردگی و خستگی همزمان واقع شوند ،حمله شیمیایی سرعت اشاعه ترک خستگی را به شدت تسریع می کند.

اسلاید 17: برای به حداقل رساندن خسارت خستگی خوردگی چند روش وجود دارد. به طور کلی ،انتخاب هر ماده ای برای این نوع عملکرد به جای اینکه مبتنی بر خواص قراردادی خستگی باشد ، باید بر خواص مقاومت به خوردگی متکی باشد . بنابراین فولاد زنگ نزن ،برنز یا آلیاژ مس _ بریلیم، احتمالا بهتر از فولاد عملیات حرارتی عمل خواهند کرد. حفاظت از فلز در برابر تماس با محیط خورنده توسط روکشهای فلزی و غیر فلزی موثر است، به شرط آنکه روکش در اثر کرنش چرخه ای پاره نشود. روکشهای روی و کادمیم بر فولادو روکشهای آلومینیوم آلکلاد در بسیاری کاربردهای خستگی موثر هستند، حتی اگر این پوششها باعث شوند هنگام آزمایش در هوا استحکام خستگی کم شود . تشکیل تنشهای باقیمانده فشاری سطح از باز شدن شیارهای سطحی و وارد شدن ماده خورنده جلو گیری می کنند .

اسلاید 18: به ویژه نیتریده کردن در مبارزه با خستگی موثر است و ساچمه زنی در شرایط خاص با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است . در سیستمهای بسته امکان کاهش حمله خوردگی با افزودن یک ممانعت کننده خوردگی وجود دارد . و بالاخره حذف تمرکزدهنده های تنش توسط طراحی دقیق در جایی که خستگی خوردگی باید در نظر گرفته شود،بسیار مهم است.

اسلاید 19: آزمونهای خستگی آزمون خستگی ، آزمونی دینامیکی است که رفتار نسبی مواد را تحت نیرو های تکرار شونه یا کم و زیاد شونده تعیین می کند . در این آزمون شرایطی مشابه شرایط کارکرد برای اجزای ماشین که تحت نیروهای لرزشی یا نوسانی قرار دارند به وجود می آید . مقدار تنش (کشش ،فشار ،خمش یا پیچش) با دستگاه و بسته یه نمونه ی مورد آزمون تعیین می شود . نیروی اعمال شده بر نمونه طی آزمون مرتبا بین دو مقدار تغییر می کند ، که حداکثر نیرو معمولا کمتر از استحکام تسلیم ماده است . چرخه های تنش تا شکست نمونه یا رسیدن به تعداد چرخه ی معین ادامه می یابد.

اسلاید 20: در آزمایش خستگی ، معمولا حد تحمل آهن و فولاد10000000سیکل است ولی برای آلیاژهای غیر آهنی این مقدار ممکن است 500000000دور باشد.

اسلاید 21: سه آزمایش خستگی معروف عبارتند از :آزمایش میله ی چرخان ،آزمایش با میله ی ارتعاشی و آزمایش خستگی کشش فشارقطعات اصلی یک ماشین آزمایش خستگی عبارتند از:1)    یک محرک مکانیکی ،هیدرولیکی یا مغناطیسی برای وارد کردن سیکلهای تکراری تنش به نمونه2)    یک وسیله اندازه گیری تنشهای ماکزیمم و مینیمم وارد شده در جریان یک دور3)    یک شمارنده برای نشان دادن تعداد دورهای تنشی وارد شده بر نمونه4)    یک وسیله ی توقف خودکار ماشین آزمایش ، وقتی که نمونه می شکند.

اسلاید 22: - تاثیر درصد Zn و Mg روی تافنس شكست از آلیاژ AlZnMgCu

اسلاید 23: تنش stress عبارت است از «مقدار نیروى وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسیم نیروى وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مىآید. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همانطور که دقت کردهاید، در اینجا شرط عمود بودن مؤلفهی نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.

اسلاید 24: خستگى fatigue گاهی در قطعهای از یک ماشین کارخانه، شکستگیهایی به وجود میآید. ولی پس از بررسی مشخص میشود که میزان تنش وارد بر قطعه، از حد مجاز کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت این پدیده آن است که بطور پیوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد میشود. یعنی مقدار تنش خاصی، بهدفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگیها، «گسیختگی خستگی» میگویند.

اسلاید 25: کُرنش strain به طور کلى، تمام مواد بر اثر نیرویی هرچند ناچیز، دچار تغییر شکل (تغییر ابعاد) مىشوند. به تغییر ابعاد یا اندازههای جسم، بر اثر تنش «کُرنش» مىگویند؛ مثل فنری که به واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.

اسلاید 26: تعریفهای ذکر شده، اصلی ترین مفاهیمِ خواص مکانیکی اند. گروهی دیگر از اصطلاحات هستند که از این تعریفها ناشی میشوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» میگویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشیدن، ساییدگی، بُرادهبرداری و بُرش را «سختی» می نامند.

اسلاید 27: منابع: [1]- Tiesler, N., and U. Engel, ‘‘Microforming—Effects of Minaturization,’’Metal Forming 2000, Balkema, Rotterdam, pp. 355–360, 2000. [2]- Geiger, M., M. Kleiner, R. Eckstein, N. Tiesler, and U. Engel, ‘‘Microforming,’’CIRP Ann., 50(2), pp. 445–462, 2001. [3]- Cao, Jian et al, “Microforming: Experimental Investigation of the Extrusion Process for Micropinsand its Numerical Simulation Using RKEM” Transactions of the ASME, Journal of Manufacturing Science and Engineering, p642-652, Vol. 126, NOVEMBER 2004. [4]- McLaughlin, James, Metallurgy and Materials, pp,2000.

اسلاید 28: [5]- Hosford, William F. and Robert, M.,Caddell, Metal Forming, Second Edition , Prentice Hall,1993. [6]- Kannangaro, K., M. Simmons, B. Raguse, M. Wilson, and G. Smith, Nanotechnology: Basic Science and Emerging Technologies, 2002.

اسلاید 29: 7شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقياس‌ نانو (با نگاهى‌ بر فناورى‌ نانو)، پايان‌نامه‌ کارشناسى، دانشکده‌ فنى‌ ـ دانشگاه تهران، فاضل‌ انصارى‌، تهران‌ ـ سال ۱۳۸۴. 8- شکل دهی در مقياس مادون ريز (نانوفرمينگ)، مقاله، دکتر کارن ابری نيا، مهندس فاضل انصاری،دانشکده مهندسی مکانيک، پرديس دانشکده های فني دانشگاه تهران، سومین کنفرانس شکلدهی مواد و فلزات ایران، سال ۱۳۸۵ .