تئوری شکست خستگی در فلزات

صفحه 1:
مرو شیک ” ۰ دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است ‎AS‏ بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخ می دهد.خستگی به صورت شکستی با ظاهر ترد بدون هیچگونه تغییر شکل نا خالص در شكست نتيجه میشود.معمولاسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است.معمولا سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داده میشودهکه از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سايش با اشاعه ترك در مقطع (قسمت بالای شکل 4) و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع »در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود 

صفحه 2:
۰ غالبا بيشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می شود.که از نقطه شربوع شکست به طرف داخل پیشرفت می کند.شکل مشخصه دیگری از خستگی را نیز نشان میدهد و آن اینست که معمولا شکست در نقطه وجود تمرکز تنش ۰ مانند یک گوشه تیز یا شیار .یا در یک تمرکز تتش متالورژیکی مانند ناخالصی .رخ می دهد 

صفحه 3:
۰ سه عامل عمده بربای وقوع شکست خستگی ضروری هستند.اين عوامل عبارتند از:()تتش کششی حداکثری به مقدار بسیار زیاد. (©)تغييرات به حد كافى زياد يا نوسائى در تنش وارده»و(0)زیاد بودن چرخه های تتش وارده. علاوه بر این متغیرهای دیگری مانندتمرکز تنش “خوردكىءدماءبار اضافی »ساختار متالورييكى:تنشهاى باقيمانده و تنشهاى مركب هم وجود دارند كه شرايط را براى ايجاد خستكى تقويت مى كنند. 

صفحه 4:
۰ چون هنوز مفهومی کلی از علت بروز خستگی در فلزات به دست نياورده ايم »لازم است بعضى از اين عوامل ريا از ديدكاهع اساسا تجربى مورد بحث قرار دهيم.به علت زياد بودن حجم اطلاعاتى از اين قبيل »فقط تشريح نكات برجسته ممكن خواهد بود. 

صفحه 5:
چرخه ‎gla‏ تنش * ابتدا تعریف مختصری از انواع کلی تنشهای نوسانی که باعثی خستگی می شوند؛بیان می کنیم شکل6 چرخه های نمونه ای تتش خستگی را نشان می دهد.شکل (الف) چرخه کاملا معکوس تنش سینوسی شکلی را نشان می دهد. اين 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 اضاقه بار به دست می آید.در اين نوع چرخه تنش» تنشهای حداقل و حداکثر برابرند. تنش حداقل همان کمترین تتش جبری در چرخه است . تنش کششی مثبت در نظر گرفته میشود و تتش فشاری منفی است. 

صفحه 6:
‎٠‏ شکل 2(ب) یک چرخه تتش تکراری را نشان می دهد كه در آن تتش حداکثر و تنش حداقل برابر نیستند. در ‎Cal‏ ‏نمودار. هر دو تنش کششی اند. ولی یک چرخه تتش تکرباری می تواند شامل تنشهای حداقل و حداکثر با علامت مخالف یا هر دو در فشار نیز باشد.شکل 9(پ) چرخه تنش مرکبی را نشان می دهد که در قطعه ای مانند بال هوابيما و در اثر تند بادها تحت بار‌های اضافی دوره ای غير قابل بيش بينى قرار مى كيرد 

صفحه 7:
خصوصیات ساختاری خستگی 0 شروع ترک : شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود. © رشد ترک نوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تتش برشی زیاد» اين مرحله غالبا رشد ترک مرحله 0 نامیده می شود. ©. شكست ترك روى صفحاتى ‎Si ly‏ تنش كششى زياد: عبارت است از رشد يك ترك معين در جهت عمد بر تنش حداكثر , اين مرحله معمولا رشد ترك مرحله © ناميده م شود. ‎LP‏ شکست نرم نهایی: هنگامی رخ مى دهد كه طول ترك به اندازه كافي برسدء ملورى كه لح مقلع بافيمانده نتوائد بار وارده ر 

صفحه 8:
۰ سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه های مسبب شکست به شرايط آزمایش و ماده بستگی دارد. آما کاملا مشخص شده است که یک ترک خستگی می تواند قبل از اینکه 0)درصد عمر کل نمونه منقضى شودء شكيل شود.البته در تصميم كيرى در مورد زمانى كه یک نوتر لغزش عمیق شده می تواند ترک نامیده شود؛ ابهام زيادى وجود دارد . به طور کلی »سهم بیشتری از کل چرخه های مسبب شکست به اشاعه ترکهای مرحلهج در خستگی کم چرخه تعلق دارد تا خستگی پر چرخه؛ در صورتی که رشد ترك در مرحله 0 برای خستكى برجرخه و تنش كمن »بيشتر است . اگر تنش كششى زياد باشدء مانئد خستكى در نمونه هاى با شيار تيز » رشد ترك مرحله 0 به هسج وجه قابل مشاهده نيست. 

صفحه 9:
‎٠‏ بررسی ساختاری دقیق خستگی اين 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 هميشه مرزی » مانند حد فاصلیک لایه سطحی کربوره شده و فلز اصلی ‎tube‏ وجود داشته ‏باشد. 

صفحه 10:
اثر سطح و خستگی ‎٠‏ عملا تمام شکستهای خستگی از سطح شروع می شوند. در بسیاری از انواع متداول بارگذاری »مانند خمش و پیچشءتنش حداکثر در سطح رخ می دهد ؛طوری که شروع شکست از آن مکان منطقی جلوه می کند . اما در بارگذاری محوری» شکست خستگی تقریبا هميشه 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:(0) نا همواری سطح یا منابع تنش سطحی»(9) تغییر استحکام خستگی فلز سطحىء و (9) تغییرات شرایط تتش باقیمانده در سطح» علاوه بر اين ۰سطح فلز در معرض اکسایش و خوردگی نیز قرار دارد. 

صفحه 11:
اثر متغیرهای متالورژیکی بر خستگی ‎٠‏ خواص خستگی فلزات کاملا به ساختار حساس است.اما در حال حاضرءروشهای محدودی وجود داردکه توسط آنها می توان خواص خستگی را از طرق متالورژیکی بهبود بخشید. ‏۰ تغییرات طراحی به نحوی که تمرکز تتش کم شود و استفاده صحیح از تنش باقيمانده فشارى مفيد 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 

صفحه 12:
اثر دما بر خستگی ۰ آزمایشهای خستگی فلزات در دماهای کمتر از دمای اتاق نشان می دهد که استحکام خستگی با کاهش دما زیاد می شود. با اينکه 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 . اين 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. 

صفحه 13:
۰ 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 ‎sla‏ زیاد بر تعدادی ابر آلیاژ انجام شد ءنشان داده شده است . در دمای کمتر ریز بودن اندازه دانه خواص خستگی بين 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 آلباژهایی 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. 

صفحه 14:
+ تنشهایی که باعث ایجاد شکست خستگی در دمای ‎cot WE‏ شوند ».لزوما نباید از منابع مکانیکی ناشی شده باشند. شکست خستگی می تواند در شرايطى كه هيج تنشى به دلايل مكانيكى توليد نمی شود.توسط تتشهای 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. 

صفحه 15:
‎٠‏ اكر شكست درٍ اثر اعمال تنش گرمایی ریخ دهد » شرایط به شوک گرمایی موسوم است . اما اگر شکست پس از اعمال مکرر تتش گرمایی رخ دهد » این حالت خستگی حرارتی نامیده ميشود. غالبا در وسایلی که در دمای بالا کار می كنند »شرايط ايجاد 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 كرمايى زياد خود نسبت به اين يديده حساس است. از مطالعات انجام شده درباره خستگی گرمایی در اين ماده مقالات منتشر شده زیادی موجود است. 

صفحه 16:
خستگی خوردگی ‎٠‏ کنش همزمان تتش چرخه ای و حمله شیمیایی به خستگی خوردگی موسوم است. حمله خورنده بدون حضور تتش غالبا در سطوح فلزی حفره ایجاد می کند . حفره ها مانن شيار 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 آثر خویدگی قبلی سطح به وجود می آید .بیشتر است . هنگامی که خوردگی و خست همزمان واقع شوند »حمله شیمیایی سرعت اشاعه ترک خستگی را به شدت تسریع می کند. 

صفحه 17:
۰ برای به حداقل رساندن خسارت خستگی خوردگی چند روش وجود دارد. به طور کلی »انتخاب هر ماده اى براى اين نوع عملكرد به جای اينکه 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 . 

صفحه 18:
۰ 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. 

صفحه 19:
آزمونهای خستگی ‎٠‏ آزمون خستگی ۰ 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 تتش (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 تتش تا شکست نمونه یا رسیدن به تعداد چرخه ی معین ادامه می یاید. 

صفحه 20:
‎٠‏ در آزمایش خستگی » معمولا حد تحمل آهن و فولاد0)0000000)00))سیکل است ولی برای آلیاژهای غير آهنى اين مقدار ممکن است 0)() ور باشد. 

صفحه 21:
سه آزمایش خستگی معروف عبارتند از : آزمایش میله ی چرخان »آزمایش با مله ی ارتعاشی و آزمایش خستگی کش ار قطعات اصلی یک ماشین آزمایش خستگی عبارتند از: 0) یک محرک مکانیکی .هیدرولیکی یا مغناطیسی برای وارد کردن سیکلهای تکراری تنش به نمونه ©) یک وسیله اندازه گیری تتشهای ماکزیمم و مینیمم وارد شده در جریان یک دور 6 یک شمارنده برای نشان دادن تعداد دورهای تتشی وارد شده بر نمونه ‎ )6‏ یک وسیله ی توقف خودکار ماشین آزمایش » وقتی که نمونه می شکند. 

صفحه 22:
= تاثبر درصد بر" و ب() روی تافنس شکست از آلیاژ 6۲0 چم ‎LARD‏ ‏> 44 LRRD. SOOKE 2 SSNS ee SRR ‏ه28‎ 0007 a ee 5 — 

صفحه 23:
siress ‏تنش‎ ۰ عبارت است از «مقدار نیروی وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسيم نیروی وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مدآيد. شايد فكر كنيد اين تعريف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است. اما همانطور که دقت کردهاید» در اینجا شرط عمود بودن مولفهی نیرروی وارد بر سطح؛ وجود ندارد. 

صفحه 24:
خستگی صبه۳ ۰ گاهی در قطعهای از یک ماشین کارخانه. شکستگیهایی به وجود ميآيد. ولى بس ان برررسی مشخص میشود که میزیان تنش وارد بر قطعه» از حد مجاز, کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت اين پدیده آن است که بطور پیوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد ميشود. یعنی مقدار تنش خاصی. بهدفعات بر آن وارد شده است. به این كسيختكيهاء «گسیختگی خستگی» میگویند. 

صفحه 25:
گرنش ۰ به طور کلی تمام مواد بر اثر نیرویی هرچند ناچیز» دچار تغییر شکل (تغییر. ابعاد) مشوند. به تغییر ابعاد یا اندازههای جسم؛ بر اثر تتش «گُرنش» مدگویند؛ مثل فنری که به واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می ۳ شود. 

صفحه 26:
۰ تعریفهای ذکر شده» اصلی ترین مفاهیم خواص مکانیکی د . گروهی دیگر از اصطلاحات هستند كه از اين تعريفها اشى ميشوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغيير شكل «استعکام» میگویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشيدن» ساییدگی» پُرادهبرداری و برش را «سختی» می نامند. 

صفحه 27:
منابع: ۴ [0]- هه( راوج ‎Tester, O., vad O.‏ ۲ 0۳۲() رسمه( ,900000 پا 2( رمتسم ۰ ,999-490 .7۳7 [C]- Gerer, O., O. Kerer, R. Cokes, D. Mevkr, and O. ‎Bum, SO), pe. PES‏ 0/100 وی جرب( ‎666, ‎[Ok Can, ‏موه اس سوت تپ ةس(" رد اك مدال‎ OP te @xinsica @rovess Por Oieropicsacd ts Ducvericd Groutiica Ostay RKEO” Trecsurtow vP the 60860008, ‏و لول‎ DaaPacturicy Grieue ord Guyarericey, POPC- 966, Onl. 4989, DOOEOGER COOF. ‎AP]- Ocboughta, caves, Detdhury ond Dutertb, pp, 0 

صفحه 28:
۰ ]0[- WosPord, Dia P. aed Robert, .,Cuddel, Detad Porwiny, Geovad Cdiios , Orevice Wi, O99. ]9[- Kaccangary, K., 0. Grower, ۰ Reaper, O. Dibva, ud 6. ‏لا‎ ‎QOuwtevkwlh wy: Cusic Grtewse wad over yi Veckwhbyes, ۰ 

صفحه 29:
۰ شکل‌دهی فلزات در مقیاس نانو (با نگاهی بر فناوری نانو)» پایان‌نامه کارشناسی. دانشکده فنی - دانشگاه تهران؛ فاضل انصاری» تهران - سال ۱۳۸۴۰ ۵ شکل دهی در مقیاس مادون ریز (نانوفرمینگ)» مقاله. دكتر كارن ابرى نياء مهندس فاضل انصاریدانشکده مهندسی مکانیک» پردیس دانشکده های فني دانشگاه تهربان» سومین کنفرانس شکلدهی مواد و فلزات ایران» سال . ۳۸۵ 

تئوری شکست • دلیل 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.معموالسطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی بر جهت تنش کششی اصلی عمود است.معموال 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 باالی شکل )1و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ،در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود • 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 معموال شکست در نقطه وجود تمرکز تنش ،مانند یک گوشه تیز یا شیار ،یا در یک تمرکز تنش متالورژیکی مانند ناخالصی ،رخ می دهد • 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()3زیاد بودن چرخه های تنش وارده. عالوه 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. • چون هنوز مفهومی کلی از علت بروز خستگی در فلزات به دست نیاورده ایم ،الزم است بعضی از این عوامل را از دیدگاهع اساسا تجربی مورد بحث قرار دهیم.به علت زیاد بودن حجم اطالعاتی از این قبیل ،فقط تشریح نکات برجسته ممکن خواهد بود. چرخه های تنش • ابتدا تعریف مختصری از انواع کلی تنشهای نوسانی که باعثی خستگی می شوند،بیان می کنیم شکل 2چرخه های نمونه ای تنش خستگی را نشان می دهد.شکل (2الف) چرخه کامال 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. • شکل ( 2ب) 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 عالمت مخالف یا هر دو در فشار نیز باشد.شکل (2پ) 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 خصوصیات ساختاری خستگی • • • • شروع ترک :شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات .1 تابانیدن مناسب برطرف می شود. .2رشد ترک نوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تنش برشی زیاد ،این مرحله غالبا رشد ترک مرحله 1نامیده می شود. .3شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششی زیاد :عبارت است از رشد یک ترک معین در جهت عمد بر تنش کششی حداکثر . این مرحله معموال رشد ترک مرحله 2نامیده می شود. .4شکست نرم نهایی :هنگامی رخ می دهد که طول ترک به اندازه کافی برسد ،طوری که سطح مقطع باقیمانده نتواند بار وارده را تحمل کند. • سهم نسبی هر مرحله از کل چرخه های مسبب شکست به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد .اما کامال 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 مرحله 2در خستگی کم چرخه تعلق دارد تا خستگی پر چرخه ،در صورتی که رشد ترک در مرحله 1برای 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. • بررسی ساختاری دقیق خستگی این واقعیت را نشان می دهد که معموال 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 الیه سطحی کربوره شده و فلز اصلی ،باید وجود داشته باشد. اثر سطح و خستگی • عمال 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 می شوند )1(:نا همواری سطح یا عمدتا به سه دسته تقسیم منابع تنش سطحی )2(،تغییر استحکام خستگی فلز سطحی ،و ()3 تغییرات شرایط تنش باقیمانده در سطح ،عالوه بر این ،سطح فلز در معرض اکسایش و خوردگی نیز قرار دارد. اثر متغیرهای متالورژیکی بر خستگی • خواص خستگی فلزات کامال 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 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 فوالدها 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. • 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 باال 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 باال مفید نباشند. • تنشهایی که باعث ایجاد شکست خستگی در دمای باال می شوند ،لزوما نباید از منابع مکانیکی ناشی شده باشند. شکست خستگی می تواند در شرایطی که هیچ تنشی به دالیل 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. • 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 باال کار می کنند ،شرایط ایجاد شکست در اثر خستگی گرمایی وجود دارد .فوالد 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 مقاالت منتشر شده زیادی موجود است. 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. • 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 فوالد زنگ نزن ،برنز یا آلیاژ مس _ بریلیم ،احتماال بهتر از فوالد 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 فوالدو روکشهای آلومینیوم آلکالد 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 . • 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 باالخره حذف تمرکزدهنده های تنش توسط طراحی دقیق در جایی که خستگی خوردگی باید در نظر گرفته شود،بسیار مهم است. 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 معموال کمتر از استحکام تسلیم ماده است .چرخه های تنش تا شکست نمونه یا رسیدن به تعداد چرخه ی معین ادامه می یابد. • در آزمایش خستگی ،معموال حد تحمل آهن و فوالد10000000سیکل است ولی برای آلیاژهای غیر آهنی این مقدار ممکن است 500000000دور باشد. • • • • • • • سه آزمایش خستگی معروف عبارتند از : آزمایش میله ی چرخان ،آزمایش با میله ی ارتعاشی و آزمایش خستگی کشش فشار قطعات اصلی یک ماشین آزمایش خستگی عبارتند از: )1یک محرک مکانیکی ،هیدرولیکی یا مغناطیسی برای وارد کردن سیکلهای تکراری تنش به نمونه )2یک وسیله اندازه گیری تنشهای ماکزیمم و مینیمم وارد شده در جریان یک دور )3یک شمارنده برای نشان دادن تعداد دورهای تنشی وارد شده بر نمونه )4یک وسیله ی توقف خودکار ماشین آزمایش ،وقتی که نمونه می شکند.  تاثیر درصد Znو Mgروی تافنس شكست ازآلیاژ AlZnMgCu 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. 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. ُک رنش 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 «ُک رنش» مىگویند؛ مثل فنری که به واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود. • تعریفهای ذکر شده ،اصلی ترین مفاهیِم خواص مکانیکی اند .گروهی دیگر از اصطالحات هستند که از این تعریفها ناشی میشوند .مثًال به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» میگویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشیدن، ساییدگیُ ،برادهبرداری و ُبرش را «سختی» می نامند. :منابع Tiesler, N., and U. Engel, ‘‘Microforming—Effects of -]1[ • 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, p642652, Vol. 126, NOVEMBER 2004. .[4]- McLaughlin, James, Metallurgy and Materials, pp,2000 • [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. • 7شکل‌دهى‌ فلزات‌ در مقياس‌ نانو (با نگاهى‌ بر فناورى‌ نانو) ،پايان‌نامه‌ کارشناسى ،دانشکده‌ فنى‌ ـ دانشگاه تهران، فاضل‌ انصارى‌ ،تهران‌ ـ سال ۱۳۸۴. -8شکل 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 .