خستگی (Fatigue) و رفتار مواد در بارگذاری های تکراری:
شرایط بارگذاری دینامیک با بارگذاری استاتیک متفاوت است. این نوع بارگذاری انواع مختلفی دارد. در برخی از موارد، اعمال بار و توقف آن به صورت ناگهانی صورت می گیرد.
به بارهای اعمال شده در این شرایط، «بارهای ضربه ای» (Impact Loads) گفته می شود. بارهای ضربه ای در هنگام برخورد دوشی به یکدیگر یا اصابت یکشی در حال سقوط به یک سازه ایجاد می شوند.
در موارد دیگر بارگذاری دینامیک، اعمال بار برای دوره های طولانی مدت صورت می گیرد و شدت آن به طور پیوسته تغییر می کند.
به بارهای اعمال شد در این شرایط، «بارهای متناوب» (Fluctuating Loads) گفته می شود.
بارهای متناوب توسط ماشین آلات چرخشی، ترافیک، تندباد، امواج آب، زلزله و فرآیندهای تولید قطعات به وجود می آیند.
در این مقاله، به معرفی یکی از انواع بارهای متناوب به نام «بارهای تکراری» (Repeated Loads)، منحنی S-N و پدیده خستگی خواهیم پرداخت.
انواع بارهای تکراری:
در شکل زیر، برخی از الگوهای متداول بارگذاری تکراری نمایش داده شده است. نمودار الف، بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد در یک جهت ثابت همیشگی را نمایش می دهد.
در نمودار ب، نوع دیگری از بارگذاری تکراری به تصویر کشیده است که در آن، جهت اعمال بار پس از هر چرخه تغییر می کند (بارگذاری معکوس یا متغیر). نمودار ج، یک بارگذاری متناوب را نشان می دهد.
در این نوع بارگذاری، مقدار بار اعمال شده حول یک مقدار میانگین به طول متناوب کاهش و افزایش می یابد.
انواع بارهای تکراری:
الف) اعمال بار در یک جهت ثابت.
ب) اعمال بار معکوس یا متغیر.
ج) اعمال بار متناوب حول یک مقدار میانگین.
سازه هایی نظیر ماشین آلات، موتورها، توربین ها، ژنراتورها، شفت ها، پروانه ها، قطعات هواپیما، قطعات اتومبیل و غیره به طور معمول با بارهای تکراری سر و کار دارند.
حضور بارهای تکراری در این موارد به قدری متداول است که برخی از این سازه ها در طول عمر عملیاتی خود چند میلیون یا حتی چند میلیارد چرخه بارگذاری را تجربه می کنند.
خستگی:
احتمال شکست سازه ها در شرایط بارگذاری دینامیک در مقایسه با شرایط بارگذاری استاتیک بیشتر است. اگر فرآیند بارگذاری دینامیک در چرخه های زیاد تکرار شود، احتمال شکست افزایش خواهد یافت.
در این موارد، شکستگی معمولاً بر اثر «خستگی» (Fatigue) یا «ترک پیشرونده» (Progressive Fracture) رخ می دهد.
به عنوان مثال، باز و بسته کردن مداوم یک گیره کاغذ، در نهایت باعث ایجاد شکست ناشی از خستگی در آن می شود.
در صورتی که گیره تنها یک مرتبه باز شود، شکستی نمی دهد اما اگر جهت اعمال بار تغییر کند و چرخه بارگذاری (باز و بسته کردن گیره) چندین بار تکرار شود، گیره سرانجام می شکند.
یکی دیگر از مثال های معروف در این زمینه، شکست در چرخ های قطار و ریل های راه آهن بر اثر قرارگیری در معرض بارگذاری های تکراری است.
خستگی را می توان به عنوان زوال ماده در حین تکرار چرخه های بارگذاری، ایجاد ترک های پیشرونده و در نهایت رخ دادن شکست تعریف کرد.
در شکست ناشی از خستگی، معمولاً یک ترک میکروسکوپی در نقطه ای با تنش بالا (ناحیه تمرکز تنش) ایجاد می شود. سپس طول این ترک با تکرار چرخه های بارگذاری به طور تدریجی افزایش می یابد.
با ادامه این روند، طول ترک به اندازه ای می رسد که ماده دیگر توان مقاومت در برابر بارهای اعمال شده را ندارد.
در این لحظه، یک شکست ناگهانی درون ماده رخ می دهد (مانند تصویر زیر). زمان رخ دادن شکست خستگی به ماهیت ماده بستگی دارد و تعداد چرخه های مورد نیاز برای رخ دادن شکست از چند چرخه تا چند صد میلیون چرخه تغییر می کند.
منحنی S-N:
مقدار بار مورد نیاز برای ایجاد شکست ناشی از خستگی کمتر از ظرفیت باربری استاتیک ماده است. میزان بار شکست معمولاً از طریق اجرای آزمایش بر روی ماده تعیین می شود. در بارگذاری تکراری، نمونه در چندین سطح تنش مورد آزمایش قرار می گیرد.
سپس، تعداد چرخه های مورد نیاز برای رخ دادن شکست در هر سطح تنش ثبت می شود. به عنوان مثال، فرض کنید که پس از قرار یک نمونه درون دستگاه آزمایش خستگی، اعمال بارهای تکراری تا سطح تنشی مانند σ1 صورت می گیرد.
در این حالت، بارگذاری تا لحظه رخ دادن شکست در چرخه n ام ادامه می یابد. این آزمایش برای یک نمونه دیگر تا سطح تنش σ2 تکرار می شود. اگر σ2 بزرگ تر از σ1 باشد، تعداد چرخه های مورد نیاز برای رخ دادن شکست کاهش خواهد یافت.
در صورتی که σ2 کوچک تر از σ1 باشد، تعداد چرخه های مورد نیاز برای رخ دادن شکست بیشتر خواهد شد. در نهایت، با جمع آوری اطلاعات کافی، «منحنی دوام» (Endurance Curve) یا «منحنی S-N» ماده رسم می شود.
حرف S بیانگر تنش شکست و حرف N نمایش دهنده تعداد بارگذاری های مورد نیاز برای رخ دادن شکست است. محور عمودی این منحنی معمولاً با مقیاس خطی و محور افقی آن با مقیاس لگاریتمی نمایش داده می شود.
بر اساس منحنی نمایش داد شده در شکل زیر، هر چه میزان تنش کوچک تر باشد، تعداد چرخه مورد نیاز برای ایجاد شکست افزایش می یابد.
در برخی از مواد، این منحنی دارای یک مجانب افقی به نام «حد خستگی» (Fatigue Limit) یا «حد دوام» (Endurance Limit) است. در صورت اعمال بارهای تکراری با مقادیر پایین تر از حد خستگی، هیچ گونه شکستی درون ماده رخ نخواهد داد.
شکل دقیق منحنی S-N به عوامل متعددی نظیر خصوصیات ماد، هندسه نمونه مورد آزمایش، سرعت انجام آزمایش، الگوی بارگذاری و وضعیت سطح نمونه بستگی دارد.
منحنی S-N فولاد و آلومینیوم:
در شکل زیر، منحنی های S-N برای فولاد و آلومینیوم نمایش داده شده است. محور عمودی این نمودار، تنش شکست را به صورت درصدِ تنش نهایی ماده و محور افقی آن، تعداد چرخه های مورد نیاز برای ایجاد شکست را نمایش می دهد.
توجه داشته باشید که محور افقی بر اساس مقیاس لگاریتمی رسم شده است. منحنی مربوط به فولاد در نزدیکی 107 چرخه به صورت افقی درمی آید.
از این رو می توان حد خستگی فولاد را حدود 50 درصد تنش نهایی در شرایط بارگذاری استاتیک در نظر گرفت.
مقدار حد خستگی آلومینیوم در منحنی نمایش داده شده به خوبی منحنی فولاد مشخص نیست. با این وجود، حد خستگی آلومینیوم معمولاً برابر با تنش در حدود 5x108 چرخه یا 25 درصد تنش نهایی است.
شکست خستگی معمولاً با ایجاد ترک های میکروسکوپی در نقاطی با تنش های بالا شروع می شود (نواحی تمرکز تنش).
به همین دلیل، در هنگام اعمال بارگذاری های دینامیک، وضعیت سطح ماده اهمیت بسیار بالایی برخوردار خواهد داشت.
سطوح زبر مانند حفره ها و شیارها به عنوان محل تمرکز تنش شناخته می شوند و حد دوام ماده را به طور قابل توجهی کاهش می دهند. علاوه بر این موارد، خوردگی نیز باعث ایجاد عیب و نقص های کوچک بر روی سطح ماده می شود.
تأثیر این عامل بر روی حد دوام ماده مشابه تأثیر نواحی تمرکز تنش است. وجود خوردگی بر روی سطح فولاد می تواند حد خستگی آن را بیش از 50 درصد کاهش دهد.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
