مقدمه
از سال 1850معلوم شده است که فلز تحت تنش تکراری با نوسانی،در تنشی به مراتب کمتر از تنش لازم لازم برای شکست در اثر یک مرتبه اعمال بار ، خواهد شکست.شکستهایی که در شرایط بارگذاری دینامیک رخ می دهند شکست های خستگی نامیده میشوند. که این نامگذاری احتمالا مبتنی بر این دلیل است که به طور کلی مشاهده می شود شکستها فقط پس از یک دوره کار زیاد رخ می دهند.هیچگونه تغییر واضحی در ساختار فلزی که به علت خستگی می شکند وجود نداردتا بتوان به عنوان مدرکی برای شناخت دلایل شکست خستگی از آن استفاده کرد. با پیشرفت صنعت و افزایش تعداد وسایلی از قبیل خودرو ، هواپیما،کمپرسور،پمپ،توربین و غیره که تحت بارگذاری تکراری و ارتعاشی هستند،خستگی بیشتر متداول شده و اکنون چنین برداشت می شود که عامل حداقل 90درصد شکستهای ناشی از دلایل مکانیکی حین کار خستگی باشد.
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.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 و 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 معمولا 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(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.
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.
چرخه های تنش
ابتدا تعریف مختصری از انواع کلی تنش های نوسانی که باعثی خستگی می شوند،بیان می کنیم ) 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.
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.
خصوصیات ساختاری خستگی
در مطالعات تغییرات ساختاری اصلی در فلزی که به آن تنش چرخه ای اعمال می شود، فرایند خستگی برای سهولت درک به مراحل زیر تقسیم شده است:
1. 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.
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.
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.
خستگی شباهتهایی با جریان مومسان و شکست تحت تغییرشکل تک جهتی یا ایستا دارد. بررسیهای گوف نشان داده است که فلز تحت کرنش چرخه ای توسط لغزش بر صفحات اتمی مشابه و در همان جهات بلور شناسی کرنش تک جهتی تغییرشکل می دهد. در حالی که لغزش در تغییر شکل تک جهتی معمولا در تمام دانه ها منتشر می شود، در خستگی فقط در بعضی دانه ها خطوط لغزش مشاهده می شود و در دانه های دیگر هیچ اثری از لغزش وجود ندارد. به طور کلی خطوط لغزش هنگام چند هزار چرخه اول تنش تشکیل می شوند.چرخه های پی در پی خطوط لغزش اضافی تولید می کنند، ولی تعداد خطوط لغزش مستقیما با تعداد چرخه های تنش مناسب نیست. لغزش قابل رویت در بسیاری از فلزات خیلی زود به مقدار اشباع می رسد، که این امر به صورت نواحی پیچیده ای از لغزش سنگین موازی با آنچه به طور طبیعی یک نوار لغزش بود، مشاهده می شود. نوترهای لغزش حین خستگی به معنای تشکیل ترک نخواهد بود.
یک جنبه مهم ساختاری که به نظر می رسد منحصر به تغییر شکل خستگی باشد،تشکیل سطحی از برآمدگی و شیار است که فرورفتگیهای نوارلغزش و بر آمدگیهای نوار لغزش نامیده می شود.انجام عملیات فلز نگاری خیلی دقیق بر قسمتهای مخروطی سطح نمونه نشان داده است که ترکهای خستگی در مکانهای فرورفتگی و بر آمدگی شروع می شوند.تجربیات زیادی نشان می دهند که لغزش متقاطع در فرایند ایجاد بر آمدگی اهمیت زیادی دارد.مثلا تولید شکست خستگی در بلورهای یونی ویژه ای که به سادگی لغزش متقاطع نمیکنندمشکل بوده و تولید شکست خستگی در بلورهای روی که طوری جهتدار می شوند تا فقط به صورت لغزش آسان تغییر شکل دهند نیز خیلی مشکل است . از طرف دیگر در آلومینیوم خالص ،که لغزش متقا طع آن بینهایت ساده است، برآمدگی نوار لغزش ایجاد نمی شود (بر خلاف بیشتر آلیاژهای آلومینیم).
هال و کاترل مکانیزمی برای تشکیل برآمدگیها و فرورفتگیها پیشنهادکرده اند. شکل 3 نشان می دهد که این مکانیزم به انجام لغزش پی در پی عمل می کنند تا دو پله سطحی تولید شود{شکل 3 (ب و پ)}. هنگامی که تنش فشاری می شود، روی اولین سیستمی که شروع به کار می کند فرورفتگی توسط لغزش تشکیل می شودو هنگامی که سایر سیستمهای لغزش به کار می افتند،برآمدگی تشکیل می شود
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.
اثر متغیرهای متالورژیکی بر خستگی
خواص 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.آن آزمایشهای خستگی که برای خستگی طراحی شده اند، معمولا با نمونه های صاف پرداخت شده و در شرایط تنش کاملا معکوس انجام می شوند. عموما فرض می شود هرگونه تغییری در خواص خستگی به علت عوامل متالورژیکی، مشابه همان مقدار تغییری است که در شرایط خستگی مرکب ، مانند نمونه های شیار دار تحت تنشهای مرکب ، رخ می دهد،البته این نکته همیشه یا شرایطی که در مورد نتایج حساسیت به شیار مطابقت ندارد.