همه چیز در مورد خزش و خستگی فلز

<p><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="تفاوت خزش و خستگی فلز چیست" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1622550792683.jpg" alt="تفاوت خزش و خستگی فلز چیست" /></p> <h2>خزش چیست؟</h2> <p>مطالعه خزش در کاربردهای مختلف مهندسی، به ویژه مواردی که دمای بالا و تنش درگیر است، بسیار مهم می باشد. دیسک و پره ها در توربین، بدنه های سفینه فضایی و خطوط بخار، چند نمونه از مواردی است که احتمال دارد درگیر اثرات خزش شوند.</p> <p><strong>آنچه در این مقاله خواهید خواند:</strong></p> <ul> <li><a title="حد خزش چیست؟" href="#donkey-limit">حد خزش چیست؟</a></li> <li><a title="خزش فلز چیست؟" href="#Metal-grinding">خزش فلز چیست؟</a></li> <li><a title="&nbsp;سرعت تغییر فلز به چه چیزی بستگی دارد؟" href="#speed">&nbsp;سرعت تغییر فلز به چه چیزی بستگی دارد؟</a></li> <li><a title="مراحل خزش فلز" href="#method">مراحل خزش فلز</a></li> <li><a title="خستگی فلز چیست؟" href="#Metal-fatigue">خستگی فلز چیست؟</a></li> <li><span id="donkey-limit"></span>چ<a title="سازه هایی بیشتر در معرض خستگی فلز قرار می&zwnj;گیرند؟" href="#Structure">ه سازه هایی بیشتر در معرض خستگی فلز قرار می&zwnj;گیرند؟</a></li> <li><a title="چگونه از خستگی فلز جلوگیری کنیم؟" href="#How">چگونه از خستگی فلز جلوگیری کنیم؟</a></li> <li><a title="&nbsp;حد خستگی" href="#Fatigue">&nbsp;حد خستگی</a></li> <li><a title="کدام عوامل بر روی عمر خستگی موثر هستند؟" href="#Which">کدام عوامل بر روی عمر خستگی موثر هستند؟</a></li> <li><a title="چگونگی انجام تست خستگی" href="#test">چگونگی انجام تست خستگی</a></li> </ul> <h2 id="Metal-grinding"></span>حد خزش چیست؟</h2> <p>اندازه مقاومت مواد در برابر خزش را حد خزش می&zwnj;نامند. حد خزش، به طور کلی یعنی بالاترین تنشی که برای مدت زمان طولانی در یک درجه حرارت معینی برای یک ماده می تواند اعمال شود در صورتی که سرعت خزش از یک مقدار مشخصی عبور نکند.</p> <h2>خزش فلز چیست؟</h2> <p>همانطور که اشاره شد، خزش نوعی تغییر شکل است که در فشار های کمتر از قدرت تسلیم فلز و دماهای زیاد رخ می&zwnj;دهد. منظور از قدرت تسلیم، حداکثر فشاری است که فلز قبل از تغییر شکل، می&zwnj;تواند تحمل کند. پدیده ای که باعث کشش فلزات قبل از رسیدن به نقطه ی تسلیم می&zwnj;شود را خزش فلز می نامند. در واقع می&zwnj;توان گفت، خزش نشان دهنده تمایل یک ماده برای تغییر شکل دائمی است. این پدیده در شرایطی بیشتر می&zwnj;شود که مواد به طور مداوم تحت حرارت قرار گیرند. یکی دیگر از دلایل خزش، فشار های زیادی است که قدرت تسلیم فلز را به چالش می&zwnj;کشد.</p> <p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="خزش فلز چیست" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1622550383857.jpg" alt="خزش فلز چیست" /><span id="speed"></span>تصویر شماره 1 - خزش فلز چیست</p> <h2>سرعت تغییر فلز به چه چیزی بستگی دارد؟</h2> <p><strong>سرعت تغییر شکل فلزات به عوامل زیر بستگی دارد:</strong></p> <ul> <li>ویژگی های ساختاری فلز</li> <li>&nbsp;مدت زمان مواجه با عامل تغییر دهنده</li> <li><span id="method"></span>&nbsp;دما و&nbsp; بار ساختاری فلز</li> <li>&nbsp;میزان و مدت زمان فشار وارد شده به فلز (هرچه فشار وارد آمده بر فلز بیشتر باشد، تغییر شکل بیشتر است و تا حدی این تغییر شکل پیشروی می&zwnj;کند که دیگر قادر به استفاده از فلز نمی&zwnj;باشیم.)</li> </ul> <p>به طور کلی خزش فلز، یک مکانیسم تغییر شکل است که احتمال دارد شکست فلز اتفاق نیفتد و یا حتی در برخی موارد شاهد تغییر شکل جزئی فلز باشیم.</p> <h2>مراحل خزش فلز</h2> <p><strong>فرآیند خزش فلز، در ۳ مرحله صورت میگیرد که در زیر مراحل آن را بررسی می کنیم.</strong></p> <p><strong>خزش اولیه</strong></p> <p>در مرحله خزش اولیه، یا خزش گذرا، میزان کرنش نسبتاً زیاد است، اما با افزایش زمان، کرنش کاهش می یابد به دلیل اینکه مواد در حال افزایش مقاوم به خزش یا سخت شدن کرنش هستند. در این مرحله، تغییر شکل پلاستیکی آغاز می &zwnj;شود و به دنبال آن خزش ثانویه (یا حالت پایدار) در مرحله ثانویه، رخ می دهد، درست زمانی که سرعت خزش کم است و فشار با گذشت زمان بسیار آهسته افزایش می یابد.</p> <p><strong>خزش ثانویه</strong></p> <p>برای خزش ثانویه، که گاهی اوقات خزش حالت پایدار نامیده می شود، نرخ ثابت است، یعنی طرح تقریباً خطی می شود. سرعت کرنش با شروع مرحله ثانویه به حداقل می رسد و تقریباً ثابت می شود. این امر به دلیل تعادل بین سخت شدن کار و آنیل (نرم شدن حرارتی) است.</p> <p><strong><span id="Metal-fatigue"></span>خزش سوم</strong></p> <p>&nbsp;در خزش سوم، سرعت و احتمالاً خرابی نهایی وجود دارد. سرعت کرنش به دلیل پدیده های گردن یا ترک های داخلی، به طور تصاعدی افزایش می یابد، که منجر به کاهش سطح مقطع موثر و افزایش سرعت کرنش می شود در حالی که شکل مواد برای همیشه تغییر می کند. مقاومت فلز در این مرحله به سرعت از بین می رود.</p> <blockquote> <p>بیشتر بخوانید:&nbsp;<a title="علل ایجاد خزش فلزات" href="https://www.modiranahan.com/article/210/%D8%AE%D8%B2%D8%B4-%D9%81%D9%84%D8%B2-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA-%D8%B9%D9%84%D9%84-%D8%A7%DB%8C%D8%AC%D8%A7%D8%AF-%D8%AE%D8%B2%D8%B4-%D9%81%D9%84%D8%B2%D8%A7%D8%AA" target="_blank" rel="nofollow">علل ایجاد خزش فلزات</a></p> </blockquote> <h2>خستگی فلز چیست؟</h2> <p><strong>خستگی فلز هنگامی رخ می دهد که قطعات فلزی به دلیل تنش های مکرر ضعیف می شوند. فرآیند خستگی فلزات سه مرحله دارد:</strong></p> <p><strong>مرحله یک:</strong> پس از مقدار مشخصی از چرخه های بار، در طی فرایند خستگی فلز، میکرو ترک بر روی فلز ایجاد می شود. ترک های میکرو تمایل دارند در اطراف تنش متمرکز شوند. تنش مورد نیاز برای ایجاد این میکرو ترک ها در واقع می تواند کمتر از مقاومت کششی نهایی و مقاومت کششی فلز باشد.</p> <p><strong>مرحله دو:</strong> این بار میکرو ترک ها همچنان تحت فشار قرار می گیرند و باعث افزایش اندازه آنها می شوند.</p> <p><strong>مرحله سه:</strong> در نهایت، میکرو ترک های بزرگ شده به اندازه ای می رسند که تنش ها برای انتشار سریع ترک، به شکستگی فلز کافی باشد. بسته به نوع فلز و مقاومت کششی آن، سطح ترک متفاوت خواهد بود.</p> <p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="خستگی فلز" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1622550456563.jpg" alt="خستگی فلز" /><span id="Structure"></span>تصویر شماره 2 - خستگی فلز</p> <blockquote> <p>بیشتر بخوانید:&nbsp;<a title="مراحل خستگی فلز" href="https://www.modiranahan.com/article/207/%D8%AE%D8%B3%D8%AA%DA%AF%DB%8C-%D9%81%D9%84%D8%B2-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA-%D9%85%D8%B1%D8%A7%D8%AD%D9%84-%D8%AE%D8%B3%D8%AA%DA%AF%DB%8C-%D9%81%D9%84%D8%B2" target="_blank" rel="nofollow">مراحل خستگی فلز</a></p> </blockquote> <h2 id="h_272347977361622550242051">چه سازه هایی بیشتر در معرض خستگی فلز قرار می&zwnj;گیرند؟</h2> <p>چندین سازه وجود دارد که به طور ویژه در معرض خطر از بین رفتن ناشی از خستگی فلزات هستند. به برخی از این موارد را در ذیل اشاره کردیم.</p> <ul> <li>پل ها</li> <li>تجهیزات تعلیق خودرو</li> <li>تجهیزات مهر زنی فلزی</li> <li>اعضای بدن هواپیما</li> <li>قطعات دارای لرزش بالا</li> <li>مبلمان</li> </ul> <h2 id="h_695334275181622550228010">چگونه از خستگی فلز جلوگیری کنیم؟</h2> <p><span id="Fatigue"></span>خستگی فلز پدیده ای است که می توان با ملاحظات مهندسی مناسب، از آن کاسته یا به طور کلی از آن اجتناب کرد. یکی از روش های کلیدی برای جلوگیری از خستگی فلزات، اجرای تجزیه و تحلیل نرم افزاری، بر روی طراحی قطعات و سازه است. با اجرای آنالیز و تکرار فرایند طراحی در هر بار، می توان از خرابی فلز جلوگیری کرد. به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل نرم افزار می تواند منطقه ای را که تحت بار خستگی قابل توجهی قرار دارد، نشان دهد. همچنین با استفاده از این تجزیه تحلیل می توان تنش ها را به ناحیه ای متمرکز کرد که کمتر دچار خستگی فلز شود. لازم به ذکر است مواد مختلف مقاومت خستگی متفاوتی دارند. به عنوان مثال، فولاد به طور معمول می تواند مقادیر بیشتری از چرخه های تنش را از آلومینیوم تحمل کند. با تعیین و ارزیابی مقاومت در برابر خستگی یک ماده، می توان از شکست خستگی فلز جلوگیری کرد.</p> <h2>حد خستگی</h2> <p>حد&nbsp;خستگی&nbsp;یا&nbsp;استحکام&nbsp;خستگی، بیشترین استرسی است که یک&nbsp;ماده&nbsp;می تواند برای یک تعداد سیکل مشخص، بدون شکستگی تحمل کند. بعضی از فلزات مانند آلیاژهای آهنی و آلیاژهای تیتانیوم حد مشخصی دارند، در حالی که برخی دیگر مانند آلومینیوم و مس حتی از دامنه های تنش کوچک نیز از بین نمی روند و در نهایت شکست خواهند خورد. در مواردی که مواد محدودیت مشخصی ندارند، از اصطلاح مقاومت خستگی یا مقاومت استقامتی استفاده می شود و به عنوان حداکثر مقدار تنش خمشی کاملاً معکوس تعریف می شود که ماده می تواند برای تعداد مشخصی از چرخه ها بدون شکست خستگی، مقاومت کند. برای یک ماده معین محدودیت خستگی بسته به پایان سطح، اندازه، نوع بارگذاری، دما، خورنده و سایر محیط های تهاجمی، تنش های متوسط، تنش های باقیمانده و غلظت می&zwnj;باشد.</p> <p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="حد خستگی فلز" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1622550765076.jpg" alt="حد خستگی فلز" /><span id="Which"></span>تصویر شماره 3 - حد خستگی فلز</p> <h2>کدام عوامل بر روی عمر خستگی موثر هستند؟</h2> <p><strong>عوامل بسیاری بر روی عمر خستگی موثرند که می&zwnj;توان به موارد زیر اشاره کرد:</strong></p> <ul> <li>خاصیت ماده</li> <li>شرایط سطحی قطعه مثل زبری و صافی</li> <li>شرایط سطحی ماده مثل زبر یا صاف بودن آن</li> <li>تنش های سطحی ماده</li> <li>روش بارگذاری</li> <li><span id="test"></span>تنش های حرارتی دما</li> <li>خوردگی عیوب ماده</li> </ul> <p>با وجود اینکه تغییر در خواص یک ماده می&zwnj;تواند بر روی رفتار آن ماده تأثیر گذار باشد، ولی تغییر در سطح ماده، می&zwnj;تواند تأثیر بیشتری بر روی رفتار خستگی ماده بگذارد آن هم به دلیل این که خستگی یک ماده، از سطح آن آغاز می&zwnj;شود یعنی هرچه سطح صاف تر باشد، مکان های تمرکز تنش کمتر و حد تحمل خستگی بالاتر می&zwnj;شود.</p> <h2>چگونگی انجام تست خستگی</h2> <p>برای انجام تست خستگی متغیرهای زیادی دخالت دارند. در انجام این آزمایش سعی می شود تمام نمونه&zwnj; ها یکسان انتخاب شوند و عوامل موثر در آزمایش با دقت زیادی اندازه گیری شوند. با این حال مانند همه آزمایشات، نتایج آزمون خستگی نیز ممکن است دارای پراکندگی قابل ملاحظه&zwnj; ای باشند.</p> <p>معمولا آزمایش خستگی، به دو صورت خمشی و موازی انجام می&zwnj;گیرد که در این نوشته به طور خلاصه به شرح این دو روش می&zwnj;پردازیم.</p> <h3>تست خستگی خمشی</h3> <p>در روش تست خستگی خمشی، ابتدا نیروها به صورت خمشی به نمونه های موجود در دستگاه وارد می&zwnj;شوند؛ بلافاصله بعد از آن در سطح بالایی نمونه، تنش کششی و در سطح زیرین نمونه، تنش فشاری ایجاد می&zwnj;شود سپس نمونه موجود در دستگاه، 180 درجه می چرخد و محلی که در نمونه تحت تنش فشاری قرار گرفته بود، این بار تحت تنش کششی قرار می&zwnj;گیرد با این روند به صورت تناوبی تنش نقاط مختلف نمونه موجود، تست می&zwnj;شود.</p> <h3>تست خستگی محوری یا مستقیم</h3> <p>تست خستگی محوری، به تست مستقیم یا بارگذاری محوری هم معروف است. در این روش، تنش در یک محور ایجاد سپس هم کشش و هم فشار به نمونه موجود در دستگاه وارد می شود. لازم است که بارگذاری روی نمونه، کاملا تک محوری انجام شود. در این روش آزمایش، نگه دارنده های نمونه درون راهنماهای ثابتی قرار می&zwnj;گیرند تا بارگذاری، هم در کشش و هم در فشار به صورت محوری انجام گیرد. مزیت تست مستقیم نسبت به تست خمشی این است که چرخه بارگذاری را می&zwnj;توان طوری تعیین و کنترل کرد که تنش متوسط، به صفر نرسد.</p>