مقاله بررسی پدیده خستگی مواد و فلزات

بررسی پدیده خستگی مواد و فلزات

بررسی پدیده خستگی

مقدمه :

تعریف خستگی : به شكست مواد ، در نتیجه بارگذاری متناوب ، خستگی گفته می‌شود. آشنایی با پدیده خستگی و بررسی آن از اهمیت خاصی برخوردار است چرا كه قطعات زیادی در ماشین‌آلات و سازه‌های مختلف استفاده می‌شود كه تحت بارگذاری متغیر قرار دارند. با اینكه این بارهای متناوب از حد تحمل قطعات كمترند و در ظاهر نباید آسیبی به قطعه وارد شود اما با گذشت قطعه زمان بسیاری از آنها مستحلك شده و می‌شكنند. (به عنوان مثال می‌توان به مته‌های ابزار ، محور چرخ اتومبیل و پل‌ها اشاره كرد كه در تمام این موارد ، قطعات تحت بارگذاری متغیر قرار می‌گیرند).

در واقع ما برای استفاده از مواد مختلف در طراحی یك ماشین یا سازه كه تحت بار تناوبی قرار می‌گیرد فقط نمی‌توانیم به حد مجاز تنش‌ها در آن ماده اكتفا كنیم و باید عمر خستگی مواد را نیز در نظر بگیریم.

با توجه به مطالب فوق می‌توانید ضرورت بررسی پدیده خستگی را دریابید.

تئوری آزمایش :

هنگامی یك جسم دچار خستگی می‌شود كه تحت بارگذاری متغیر قرار گرفته باشد. نكته قابل توجه در این پدیده این است كه جسم در شرایطی خسته شده است كه ممكن است تنش ماكزیمم وارد بر آن ، از حد تسلیم یا حد تناسب جنس نمونه كمتر باشد.

در پدیده خستگی ، شكست از تنش كششی روی یك ترك (بزرگ یا كوچك) شروع می‌شود. توجه داشته باشید كه در لبه‌های ترك ، تمركز تنش وجود دارد. (به عبارتی ترك‌‌ها به عنوان عامل افزایش تنش محلی ، عمل می‌كنند) و نتیجه این امر بزرگ شدن ترك است و جسم تا زمانی در برابر بار اعمالی مقاومت می‌كند (خسته نمی‌شود) كه سطح مقطع باقیمانده از جسم (سطح مقطع كل منهای سطح ترك) توان تحمل بار اعمالی را داشته باشد.

خستگی در همه موارد می‌تواند رخ دهد اما رویداد این پدیده در آنها متفاوت است ، به عنوان مثال فولاد دارای حدی است به نام ” حدتحمل” كه اگر بار اعمالی بر ماده كمتر از این حد باشد ، خستگی در آن اتفاق نمی‌افتد ، در صورتی كه برای آلیاژهای آلومینیوم چنین حدی وجود ندارد (به عبارتی آلیاژهای آلومینیوم تحت هر بارگذاری ـ هر چند كم ـ در نهایت دچار خستگی خواهند شد).

نتیجه این تفاوت در مواد ، دو روش طراحی متفاوت است ، در روش اول برای موادی مثل فولاد می‌توان رنج تنش وارده به قطعه را كمتر از حد تحمل نگه داشت تا خسته نشود ، در روش دیگر طراحی ، ـ بیشتر برای موادی مثل آلومینیوم ـ می‌توان قطعه را برای تحمل رنج خاصی از تغییرات تنش طراحی نمود ، البته در این حالت ، قطعه باید در مرحله‌ای تعویض شود. (اینكه یك قطعه را در چه زمانی باید تعویض نمود از مراحل مهم این روش طراحی می‌باشد). روش اخیر یك روش طراحی كاملا رایج ، برای پرنده‌ها (هواپیماها و …) می‌باشد چرا كه استفاده از آلومینیوم در آنها در طیف وسیعی انجام می‌گردد.

در همین‌جا شایسته است به تفاوتی كه در طراحی وسایل نقلیه زمینی (نظیر خودروها) و هوایی (مثل هواپیماها) وجود دارد اشاره كنیم : همانطوركه می‌دانید وسایل هوایی باید از امنیت بیشتری نسبت به وسایل زمینی برخوردار باشند ، كه نتیجه این امر طراحی متفاوت آنهاست.

قطعات خودرو ، پس از شكسته شدن (خرا ب شدن) تعویض می‌گردند (نظیر شكستن رینگ‌های پیستون موتور خودرو ، اكسل خودرو ، چهارشاخ گاردان و … كه زیاد اتفاق افتاده است) این قطعات كه عموما از مواد معمولی ساخته می‌شوند ، پس از ایجاد ترك تا خسته شدن – كه نسبتا مدت زمان كمی است – بر روی ماشین نصب هستند. اما قطعات هواپیما به گونه‌ای طراحی می‌شوند – معمولا از سوپرآلیاژها – كه پس از ایجاد ترك تا زمانی كه طول ترك ، به طول بحرانی (و در نتیجه خستگی) برسد – كه در مقایسه با حالت قبل مدت زمان بیشتری طول می‌كشد – ، روی هواپیما نصب هستند و زمانی كه به طول بحرانی رسید باید آن قطعه را تعویض نمود.