شناخته شده است که مواد تحت تنش های مکرر که بسیار کمتر از استحکام کششی آنها است، در خدمت شکست می خورند. تخمین زده می شود که حدود 90 درصد از خرابی های مکانیکی مواد در حال سرویس ناشی از خستگی است یا حداقل به دلیل آن نقش دارد. بنابراین، خستگی یک پارامتر مهم برای در نظر گرفتن اجزای مکانیکی متحرک است که انتظار می رود برای مدت طولانی دوام بیاورند. [1].

خستگی از اوایل دهه 1800 به عنوان یک مشکل شناخته شد، جایی که خرابی‌های فاجعه‌بار در اجزای فلزی ماشین‌ها، زیرساخت‌ها و سازه‌ها، عمدتاً پل‌ها و راه‌آهن‌ها ثبت شد. با این حال، درک درستی از مکانیسم شکست ناشی از خستگی تا 20 سالگی درک نشده بود^هفتم قرن، با بسیاری از مهندسان و دانشمندان بر اساس مشاهدات و آزمایشات قبلی مهندس راه آهن آگوست وولر.

مطالعه و کاربرد امروزی قدرت خستگی گسترده است، زیرا تحمل شکست کوچکتر می شود و معیارهای طراحی دقیق تر می شوند. داده‌های مقاومت خستگی بیشتری از طریق تجزیه و تحلیل خستگی برای مواد بیشتر تولید می‌شود و این یک جزء مهم در محاسبه طول عمر یا عمر خستگی یک محصول یا ساختار است. دانش قدرت خستگی برای کاربردهای امروزی حیاتی است هوافضا، پزشکی و ورزش ها، در میان دیگران.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• چه قدرت خستگی است
• اندازه گیری قدرت خستگی
• مناطق کاربردی که در آن قدرت خستگی مهم است

قدرت خستگی چیست؟

انواع مختلفی از خستگی وجود دارد، یعنی [2]:

• خستگی مکانیکی: از تنش ها و کرنش های نوسان
• خستگی خزشی: در نتیجه تنش های چرخه ای در دماهای بالا
• خستگی حرارتی: از تغییرات مکرر دما
• خستگی حرارتی مکانیکی: ترکیبی از خستگی حرارتی و مکانیکی
• خستگی آزاردهنده: خستگی ناشی از سایش اصطکاکی
• خستگی ناشی از خوردگی: ناشی از تنش های چرخه ای در شرایط خورنده

با این حال، استحکام خستگی به طور کلی به خستگی مکانیکی اطلاق می شود و به این صورت تعریف می شود سطح استرسی که در زیر آن هیچ شکست خستگی وجود نخواهد داشت حتی اگر تعداد زیادی از چرخه های تنش به یک ماده اعمال شود. این تنش مکانیکی می تواند تنش محوری، تنش پیچشی یا تنش خمشی باشد. قدرت خستگی اغلب به جای یکدیگر استفاده می شود حد خستگی یا حد استقامت، اما آنها کاملاً یکسان نیستند.

حد خستگی یک سطح تنش است که کمتر از آن، بدون توجه به تعداد چرخه‌های بارگذاری که مواد تحت آن قرار می‌گیرند، شکست خستگی وجود نخواهد داشت. اما از آنجایی که آزمایش یک ماده برای تعداد بی نهایت چرخه غیرممکن است، حد خستگی فرضی است که از نتایج آزمایش استنتاج می شود. لازم به ذکر است که برخی از مواد مانند آلومینیوم و مس محدودیت استقامتی ندارند زیرا همیشه در صورت قرار گرفتن در معرض تعداد معینی از بارگذاری چرخه ای بدون در نظر گرفتن میزان بار، در نهایت در اثر خستگی از بین می روند. بنابراین، استحکام خستگی چنین موادی معمولاً به عنوان سطوح تنشی محاسبه می‌شود که می‌توانند بدون شکست در تعداد زیادی از چرخه‌ها، معمولاً 5×10 تحمل کنند.⁸ چرخه ها [1].

ماده ای که تحت بارهای چرخه ای کمتر از قدرت خستگی خود کار می کند، انتظار می رود که هرگز در نتیجه خستگی به تنهایی برای تعداد معینی از چرخه های بارگذاری مشخص شکست نخورد.

اندازه گیری قدرت خستگی

قدرت خستگی به صورت تجربی از طریق چندین روش محاسبه می‌شود، و گاهی اوقات از طریق تحلیل‌های خستگی عددی بر اساس داده‌های تجربی موجود برون‌یابی می‌شود. در S-N نمودار پرکاربردترین مفهوم هنگام محاسبه قدرت خستگی است. این نموداری است که تنش چرخه ای ثابت دامنه را ترسیم می کند اس بر روی یک نمونه ماده در برابر تعداد چرخه های بارگذاری اعمال می شود ن نمونه می تواند قبل از اینکه در نهایت شکست بخورد مقاومت کند. تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای شکست اغلب به میلیون‌ها چرخه می‌رسد، مخصوصاً در سطوح بار پایین، و بنابراین محور x معمولاً به صورت لگاریتمی ترسیم می‌شود. [3].

شکل 1. منحنی های S-N برای آلومینیوم و فولاد کم کربن [1].

تفاوت قابل توجهی در نتایج آزمایش وجود دارد. به همین دلیل است که تا آنجا که ممکن است آزمایشات انجام می شود و S-N نمودار نمایشی از میانگین داده های چندین آزمون است. سطح تنشی که در زیر آن ماده شکست نمی‌خورد و می‌توان از نظر تئوری بی‌نهایت چرخید، به عنوان حد استقامت شناخته می‌شود و به عنوان سطح تنشی تعیین می‌شود که در آن منحنی به یک خط افقی تبدیل می‌شود. با این حال، برای برخی از مواد، محدودیت های استقامت به وضوح تعریف نشده است، و تعداد معینی از چرخه های بارگذاری که برای طول عمر مواد کافی در نظر گرفته می شوند، مشخص و ترسیم شده است. سطح تنش در آن تعداد چرخه، معمولاً بین 1×10 است8 و 5*108، مقاومت خستگی برای آن ماده در نظر گرفته می شود.

در زیر برخی از پارامترهای مهمی که برای رسم an استفاده می شود آورده شده است SN نموداری که از آن می توان قدرت خستگی را تعیین کرد. آنها همچنین برای محاسبات قدرت خستگی توسط تحلیل های عددی [4].

نسبت استرس: `R=frac{sigma_{min}}{sigma_{max}}`

میانگین استرس: `sigma_{m}=frac{sigma_{min}+sigma_{max}}{2}`

محدوده تنش: `Deltasigma=sigma_{max}-sigma_{min}`

دامنه تنش: `sigma_{a}=frac{Deltasigma}{2}`

نسبت دامنه: `A=frac{sigma_{a}}{sigma_{m}}=frac{1-R}{1+R}`

جایی که σ_دقیقه حداقل استرس است. σ_حداکثر حداکثر استرس است.

قدرت خستگی در ن چرخه با نشان داده می شود σ_ن و با پارامترهای فوق با چند فرمول مانند فرمول گودمن، گربر و سودربرگ قابل محاسبه است. [1].

کاربردهای قدرت خستگی

کاربرد اصلی استحکام خستگی در طراحی است. طراحی مهندسی نیاز به محدودیت های تنش دارد تا اطمینان حاصل شود که خرابی خستگی قبل از رسیدن به طول عمر مواد مورد استفاده اتفاق نمی افتد. تعیین فاکتورهای ایمنی در برابر خرابی خستگی یک کار پیچیده است زیرا عوامل زیادی در بازی وجود دارند که بر یک ماده در طول سرویس آن تأثیر می گذارند. این عوامل عبارتند از ترکیب، ریزساختار، پردازش، دما، ابعاد فیزیکی، محدوده تنش و نوع بارگذاری [5].

میز 1. استحکام خستگی برخی از مواد تجاری

 

چندین روش یا “فلسفه” وجود دارد که تحمل شکست خستگی در طراحی را هدایت می کند. [1].

طراحی با عمر بی نهایت قدیمی ترین و محافظه کارانه ترین روش است و تضمین می کند که ماده در طول عمر خود فقط تنش هایی را بسیار کمتر از استحکام خستگی خود تحمل می کند.

طراحی ایمن تغییر شکل پلاستیک را به جای شکست به عنوان معیار شکست آن در نظر می گیرد. طراحی به گونه ای است که یک قطعه برای مدت زمان محدودی از سرویس در نظر گرفته شده است و پس از آن باید تعویض شود.

طراحی بی خطر فرض بر این است که ترک های ناشی از خستگی قبل از وقوع شکست کشف و اصلاح می شوند. طراحی به گونه ای است که هیچ یک از اجزاء حتی در صورت خرابی نمی تواند باعث خرابی فاجعه بار کل سازه شود. این روش در صنعت هوانوردی توسعه یافته است و به بازرسی های کامل (تست های غیر مخرب) و گواهینامه ها وابسته است.

طراحی مقاوم در برابر آسیب روش شناسی حداقل محافظه کارانه است و مبتنی بر درک گسترده ای از تشکیل و انتشار ترک است. این بستگی به دانستن زمان انتشار ترک به نقطه بحرانی دارد که منجر به شکستگی خستگی می شود و اطمینان از اینکه مواد به آن نقطه نمی رسد.

[1] F.C. کمپبل، «خستگی»، در عناصر متالورژی و آلیاژهای مهندسی، اف سی کمبل، اد. ASM International، 2008، صفحات 243-264. [Online]. در دسترس: https://www.asminternational.org/documents/10192/1849770/05224G_Chapter14.pdf. [Accessed May 27, 2020].

[2] V. Kazymyrovych، “خستگی چرخه بسیار بالا مواد مهندسی”، گزارش پژوهشی، دانشکده فناوری و علوم، مهندسی مواد، دانشگاه کارلستاد، کارلستاد، سوئد، 2009. [Online]. در دسترس: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:210661/FULLTEXT02.pdf [Accessed May 27, 2020].

[3] D. Roylance، “خستگی”، گروه علوم و مهندسی مواد

موسسه فناوری ماساچوست، کمبریج، MA، 2001. [Online]. در دسترس: http://web.mit.edu/course/3/3.11/www/modules/fatigue.pdf [Accessed May 27, 2020].

[4] T. Aldeeb و M. Abduelmula، “استحکام خستگی فولاد ملایم S275 تحت بارگذاری چرخه ای،” بین المللی J. Min. ملاقات کرد. ماتر.، جلد. 12، 10، صفحات 564-570، اکتبر 2018.

[5] A. Nyilas، گردآوری داده های خستگی و ارزیابی خستگی در طراحی. Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH، کارلسروهه، آلمان.، 1985. [Online]. در دسترس: https://publikationen.bibliothek.kit.edu/270021434/3812910 [Accessed May 27, 2020].