رییسی مهرزاد

Strength of Materials Laboratory

Mr. Ramin Masoudi

خستگي در

فلزات

Fatigue Test

2

عنوان : خستگي در فلزات

هدف آزمایش : بررسي تاثیر بارگذاري متناوب در كاهش ممدار خستگي و منحني تنش بر حسب

تناوب بارگذاري به روش تئوري و عملي

تئوري آزمایش :

تكراري یا نوساني در تنشي به مراتب كمتر معلوم شده است كه فلزات تحت تنش 0881از سال

از تنش الزم براي شكست بر اثر اعمال یكباره بار ، خواهد شكست . شكستهایي كه در شرایط

بارگذاري دینامیكي رخ میدهند شكستهاي خستگي نامیده میشوند ، كه این نامگذاري احتماال بر این

فمط پس از ین دوره كار طوالني رخ اساس مبتني است كه به طوري كه مشاهده میشود شكست

پدید نمیآید تا بتوان به میدهد . هیچ گونه تغیر واضحي در ساختار فلزي كه به علت خستگي میشكند

عنوان مدركي براي شناخت دالیل شكست خستگي ار آن استفاده كرد .

توربین و ... با پیشرفت صنعت و افزایش وسایلي از لبیل خودرو ، هواپیما ، كمپرسور ، پمپ ،

كه تحت بارگذاري طوالني و ارتعاشي هستند ، خستگي بیشتر متداول شده است و اكنو گفته میشود

شكستهاي ناشي از علل مكانیكي حین كار خستگي میباد. 91كه عامل حدالل %

دلیل اصلي خطرنان بودن شكست ناشي از خستگي این است كه بدون هشدار رخ میدهد معموال

ر ممیاس ماكروسكوپي بر جهت تنش كششي اصلي عمود است . معموال شكست سطح شكست د

خستگي از ظاهر سطح شكست تشخیص داده میشود ، كه از ین ناحیه هموار حاصل از عمل

از عهده تحمل سایش با اشاعه ترن در ممطع و ین ناحیه نا هموار كه در آن ، هنگامي كه دیگر

است تشكیل میشود. غالبا پیشرفت شكست با ین دسته حلمه بار برنیامده رخ شكست نرم رخ داده

نشان داده میشود كه از نمطه شروع شكست به طرف داخل پیشرفت میكند.

تنش كششي حداكثر – 0سه عامل مهم براي ولوع شكست خستگي موثرند. این عوامل عبارتند از

زیاد بودن چرخه هاي -8اعمالي تغیرات به حد كافي زیاد نوساني در تنش -2به ممدار بسیار زیاد

تنش اعمالي . عالوه بر این پارامتر هاي دیگري مانند تمركز تنش ، خوردگي ، دما ، بار اضافي ،

ساختار متالوژیكي ، تنشهاي بالي مانده و تنشهاي مركب هم وجود دارند كه شرایط را براي ولوع

خستگي فراهم میكنند.

خصوصیات ساختاري خستگي :

8

عات تغیرات ساختاري پایه در فلزي كه به آن تنش چرخه اي اعمال میود فرایند خستگي در مطال

براي سهولت درن به مراحل زیر تمسیم شده است :

شروع ترن شامل ایجاد اولیه عیب خستگي كه با عملیات تابكاري مناسب بر طرف میشود. – 0

ه روي صفحات با تنش برشي عبارت است از عمیك شدن ترن اولی –رشد ترن نوار لغزش – 2

نامیده میشود. 0این مرحله غالبا رشد ترن مرحله –زیاد

عبارت است از رشد ین ترن معین در جهت –با تنش كششي زیاد رشد ترن روي صفحاتي -8

نامیده میشود. 2این مرحله معموال رشد ترن مرحله –عمود بر تنش كششي حد اكثر

رد هنگامي رخ میدهد كه طول ترن به اندازه كافي برسد ، طوري شكست نرم نهایي با ظاهر ت – 4

كه سطح ممطع بالیمانده نتواند بار وارد شده را تحمل كند.

سهم نسبي هر مرحله از كل چرخه هاي سبب شكست به شرایط آزمون داده ما بستگي دارد. اما

عمر كل نمونه 01 كامال مشخص شده است كه ترن خستگي میتواند لبل از سپري شدن حدالل %

تشكیل شود. البته تصمیم گیري در مورد زماني كه نوار لغزش عمیك شده را میتوان ترن نامید با

ابهام زیادي همراه است . به طور كلي ، سهم بیشتري ز كل چرخه هاي سبب شكست به اشاعه ي

كه رشد در خستگي كم چرخه تعلك دارد تا خستگي پر چرخه ، در صورتي 2ترن هاي مرحله

براي خستگي پر چرخه و تنش كم بیشتر است. اگر تنش كششي زیاد باشد مانند 0ترن در مرحله

به هیچ وجه لابل مشاهده نیست. 0خستگي در نمونه هاي با شیار تیز رشد ترن مرحله

بررسي ساختارهاي دلیك خستگي این والعیت را نشان میدهد كه معموال تركهاي خستگي در ین

شروع میشوند. در موارد نادري كه تركهاي خستگي از از لسمت داخلي شروع میشوند سطح آزاد

همیشه مرزي مانند حد فاصل ین الیه سطحي كربن دهي شده و فلز اصلي باید وجود داشته باشد.

خستگي شباهتهایي با موسان و شكست تحت تغییر شكل تن جهتي یا ایستا نیز دارد. بررسیهاي

ت كه فلز تحت كرنش چرخه اي از طریك لغزش بر صفحات اتمي مشابه در گوف نشان داده اس

همان جهت بلور شناختي كرنش تن جهتي تغییر شكل میدهد. در حالي كه لغزش در تغییر شكل تن

جهتي معموال در تمام دانه ها منتشر میشود. در خستگي فمط در بعضي دانه ها خطوط لغزش

هیچ اثري از لغزش وجود ندارد. مشاهده میشود و در دانه هاي دیگر

مطالعه تشكیل ترن با لطع آزمون خستگي و برداشتن سطح تغیر شكل یافته از طریك پرداختكاري

الكترولیتي تسهیل میشود. معموال چند نوار لغزش وجود دارد كه از بمیه مماومترند و هنگامي كه

4

ن نوارهاي لابل مشاهده بالي میمانند . سایر نوارهاي لغزش بر اثر پرداختكاري از بین میروند ای

از كل عمر نمونه مشاهده شده اند . این نوارهاي لغزش 5این نوارهاي لغزش پس از گذشت %

مماوم ،

ه تركهاي تركهاي خستگي اولیه هستند . چون بر اثر وارد شدن كرنشهاي كششي كوچن باز شده ب

بتدا تمایل دارند كه در امتداد صفحات لغزش پهني تبدیل میشوند . تركهاي خستگي پس از تشكیل ا

اشاعه پیدا كنند ولي بعدا جهتي عمود بر تنش كششي حداكثر پیدا میكنند . اشاعه ترن خستگي به

طور طبیعي به صورت ورا دانه اي است.

، تشكیل یكي از جنبه هاي مهم ساختاري كه به نظر میرسد منحصر به تغییر شكل خستگي باشد

امدگي ها و شیار است كه فرورفتگي هاي نوار لغزش و برامدگیهاي نوارلغزش نامیده سطحي با بر

میشوند.

انجام عملیات فلز نگاري خیلي دلیك بر روي لسمتهاي مخروطي سطح نمونه نشان داده شده است

كه تركهاي خستگي در مكانهاي فرورفتگي و برامدگي شروع میشوند.

5

یزي كه باعث تشكیل ترن خستگي میشود الف ( تغییر شكل ایستا منظور و.ا..وود از تغییر شكل ر

ب ( تغیر شكل خستگي كه باعث ایجاد شیار سطحي میشود) فرورفتگي( ج ( تغییر شكل خستگي

كه باعث برامدگي نوار لغزش میشود.

و.ا.وود كه سهم عمده اي ر معرفي مكانیزم خستگي داشته است مكانیزمي براي ایجاد برامدگیها و

فرورفتگي ها خط لغزش پیشنهاد كرده است . او مشاهدات میكروسكوپي لغزش حاصل از خستگي

تا 011را با نشان دادن این مطلب كه نوارهاي لغزش به جاي اینكه به صورت پله كاني با اندازه

نانومتر ماند نوارهاي لغزش ایستا باشند به طور منظم از حركات لغزشي ظریفي به اندازه 0111

نانومتر تولید میشود تعبیر كرد. به نظر میرسد كه چنین مكانیزمي براي ایجاد كرنش كل بزرگ 0

سختي زیاد مجاز باشد. -بدون ایجاد كرنش

در نوارهاي لغزش پایدار به درن بهتر مفاهیم مطالعات ساختاري وسیع در مورد استمرار نابجایي

فرایند شكست خستگي منجر شده است.

ني بر اینكه تغییر شكل چرخه اي در ممایسه با كار سرد از طریك تغییر شكل ین شواهد زیادي مب

بعدي باعث بروز تمركز بیشتر تهجاییها میشود در دست است. اختالف در رها شدن انرژي ذخیره

شده بین مس كار سرد شد و مس خسته شده با آنچه كه از تمركز شدید عیوب نمطه اي انتظار

ي كه ابتدا بر آن كار سرد انجانم شده در نتیجه خستگي نرمتر میشود . زیرا میرودتطابك دارد. مس

ایجاد عیوب نمطه اي این امكان را فراهم میآورند تا لسمتي از فلز توسط صعود نابجا ییها از

صفحه ي لغزش بازیابي شود. آلیژهاي آلومینیوم پیر سخت شده در شرایط سخت گرداني رسوبي با

در دماي اتاق فرتوت میشوند. این نتیجه نشان میدهد كه تهجاییهاي تولید شده از تغییر شكل خستگي

طریك خستگي براي انجام پخش الزم به منظور ولوع فرایند فرتوت سازي موجودند. عالوه بر این

در آن حركت تهیجاي لابل چشمپوشي است. استحكام خستگي به كه – 091به 21با تغییر دما از

درجه كلوین رخ دهد میتوان كفت كه 41وضوح زیاد میشوند. اما چون شكست خستگي میتواند در

براي ولوع شكست خستگي ، فرایند فعهال شده بر اثر گرما ماند پخش تهیجاییها ضروري نیست.

آثار سطحي و خستگي :

اي خستگي از سطح شروع میشوند. در بسیاري از انواع متداول بارگذاري عمال تمامي شكسته

مانند خمش ، پیچش تنش حداكثر در سطح رخ میدهد. به طوري كه شروع شكست از آن مكان

منطمي جلوه میكند. اما در بارگذاري محوري شكست خستگي تمریبا همیشه از سطح شروع میشود.

6

ص خستگي به شرایط سطح بسیار حساس هستند در دستاست. مدارن فراواني حاكي از اینكه خوا

دسته تمسیم میشوند. 8عواملي كه در سطح نمونه تاثیر میگدارند عمدتا به

ناهمواري هاي سطح یا منابع تنش سطحي

تغییر استحكام خستگي فلز سطحي

تغییرات وضعیت تنش بالیمانده در سطح.

وردگي نیز لرار دارد.عالوه بر این سطح فلز در معرض اكسایش م خ

زبري سطح :

نجستین روزهاي تحمیك در مورد خستگي ، مشخص شده است كه صافي سطخهاي متفاوتي كه از

در روشهاي مختاف ماشینكاري حاصل میشود میتواند تاثیر زیادي بر بروز خستگي داشته باشد.

جهت تنش كششي اصلي نمونه هایي كه صافي سطح آنها باالست و خراشهاي ظریف آنها موازي

لرار دارد بهترین نتایج را در آزمونهاي خستگي نشان میدهند. معموال این نمونه ها كه به دلت

پرداخت شده اند در آزمونهاي خستگي در آزمایشگاه به كار میروند و به میله هاي پار معروف

سر آن در گیر است هستند. جدول زیر نحوه تغیر عمر خستگي نمونه هایي به شكل تیر را كه ین

و به سر دیگر بار وارد میشود بر حسب نوع پرداخت سطح نشان میدهد.

جدول :

655حین آزمون در تنش كامال معكوس در SAE 8081عمر خستگي نمونه هایي از جنس فوالد

مگا پاسكال.

µmزبري سطح عمر خستگي ميانگين چرخه نوع پرداخت

تراشیده شده 2.67 2400

تمریبا پرداخت شده با دست 0.15 91000

پرداخت شده با دست 0.13 137000

سنگ زده شده 0.18 217000

7

سنگ زده شده و پرداخت شده 0.05 234000

پرداخت دلیك 0.18 212000

اثر دما بر خستگي :

خستگي در دماي كم ن آزمونهاي خستگي فلزات در دماهاي كمتر از دماي اتاق نشان میدهد كه

خستگي با كاهش دما زیاد میشود. باا ینكه فوالدها در حالت خستگي در دماي كم به شیار استحكام

حساستر میشوند. هیچ گونه نشانه اي از تغییر ناگهاني خواص خستگي در دماهاي كمتر از دماي

اتاق گذار تردي به نرمي وجودندارد. این والعیت كه با كاهش دما استحكام خستگي نسبتا بیشتر از

تحكام كششي افزایش میابد ، با نشان دادن شكسن خستگي در دماي اتاق كه با تشكیل و از بین اس

رفتن تهیجاي همراه است توجي میشود.

خستگي در دماي زیاد :

به طور كلي استحكام خستگي فلزات با افزایش دما نسبت به دماي محیط كم میشود. فمط فوالد نرم

درجه سلسیوس استحكام خستگي آن حداكثر است. 811تا 211استثناست كه در دماي

همین كه دما به حد مطلوبي فراتر از دماي اتاق برسد خزش اهمیت پیدا میكندو در دماي زیاد یعني

دمایي بیش از نیم نمطه ذوب خزش عامل اصلي شكست است. انتمال از شكست خستگي به شكست

خستگي ورابلوري متداول به شكست خزشي با زیاد شدن دما به تغییر نوع شكست از شكست

خزش مرزبلوري منجر میشود. اكساي موضعي مرزدانه میتواند سهم عمده اي در ایجاد ترن داشته

باشد. در هر دماي معین ممدار خزش با افزایش تنش میانگین زیاد خواهد شد.

ون در دماهاي مواد آهني كه معموال در آزمون در دماي اتاق حد خستگي دلیمي دارند هنگام آزم

همچنین آزمونهاي خستگي در درجه سلسیوس دیگر حد خستگي نشان نمیدهند. 481بیش از حدود

دماي زیاد به بسامد اعمال تنش بستگي دارد در هنگام تهیه گزارش شكست ناشي از خستگي

د.مرسوم است كه عالوه بر ذكر تعداد چرخه هاي منجر به شكست زمان كل آزمون را نیز ذكر كنن

به طور كلي هر چه استحكام خزش ماده اي بیشتر باشد استحكام خستگي آن ماده دردماي باال

بیشتر است. اما آن عملیات متالوژیكي كه باعث ایجاد بهترین خواص خستگي در دماي باال میشود

تنش در خزش منجر نخواهد شد. در دماي كمتر -لزوما به ایجاد بهترین مشخصات گسیختگي

ودن اندازهدانه خواص خستگي بهتري ایجاد میكند. با زیاد شدن دماي آزمون ، اختالف ریز ب

8

خواص خستگي بین مواد درشت دانه و ریز دانه كم میشود تا در دماي زیاد كه خزش مسلط است

مواد درشت دانه استحكام بیشتري دارند.

یدند براي خستگي در شكستگیهاي خستگي در دماي آتاق مفممكن است روشهایي كه در كاهش

دماي باال مفید نباشند. مثال ممكن است لبل از اینكه لطعه به دماي عمل برسد ، تنشهاي بالي مانده

فشاري بر اثر تابكاري حذف میشوند.

9

شرح آزمایش :

056696ابتدا مطابك شكل زیر نمونه را به دستگاه متصل مینمائیم . ممدار نیروي اولیه كه برابر

بر لطعه اعمال مینمائیم.در اثر اعمال نیرو لطعه در بحراني ترین نمطه خود دچار نیوتن را

شكست خواهد شد.

01

اولین لطعه مورد آزمایش آلومینیوم میباشد . براي آلومینیوم میزان لنگر خمشي را محاسبه میكنیم :

M = P.e → 156.96 * 20.2 = 3170.592 N.mm = 3.170 N.m

ودن ممطع لطعه حداكثر تنش كششي به صورت زیر محاسبه میگردد :با توجه به دایره ب

σ = 32M/лD3 = 32 * 3.170 / 3.14(0.0064)3 = 123.23 Mpa

لطر در محاسبات فوق میزان لطر ممطع بحراني بود.

اگر یكي از تارهاي كناري ممطه را ئر نظر بگیریم با چرخش نمونه تابه تنش كششي در آن به

هد بود . بنابر این نوع بارگذاري در این آزمایش ، به صورت كشش و فشار صورت سینوسي خوا

ممطع از طریك لنگر هاي معكوس متوالي بوجود ساده است و این كشش و فشار ، در تار كناری

كیلوگرم بر سانتیمتر مربع 6111و 2011میآید. با توجه به این كه ممدار حداكثر تنش اعمالي بین

یجه میتوان تعداد دفعات بارگذاري الزم را براي گسیختگي نمونه از رابطه لرار میگیرد در نت

σp/σq = (Nq/Np)k

00

بدست آورد. به این ترتیب كه ابتدا مختصات یكي از نماط معلوم نمودار را در معادله لرار میدهیم

یم.و سپس با لرار دادن ممدار تنش اعمالي در معادله تعداد دفعات بارگذاري را بدست میآور

دور بر دلیمه تنظیم میكنیم. 602در لسمت اول آزمایش ابتدا براي شروع دور موتور را برابر

نیوتن دچار 056696كیلوگرم یا همان 06دور در بارگذاري 0405لطعه آلومینیومي پس از

شكست شد.

لوگرم یا كی 04در لسمت دوم لطعه فوالدي را در دستگاه لرار میدهیم. این بار بارگذاري را به

دور در دلیمه تغییر میدهیم. 451نیوتن و دور موتور را 087684

خواهیم داشت :

M= 137.34*20.7 = 2842.938 N.mm = 2.84 N.m

σ = 32 * 2.84 / 3.14(0.00625)3 = 118.54 Mpa

دور دچار شكست شد. 01252لطعه فوالدي در این مولعیت پس از

02

آمدن شكست در اثر خستگي میتوان به وجود دما اشاره كرد كه از عوامل بسیار موثر بر بوجود

میتوان یكي از مهمترین راهاي كاهش شكست در اثر خستگي سرد كردن دماي لطعه دانست. اما

دماي اتاق كه در آن آزمایش صورت گرفته است تاثیر خیلي موثري بر شكست خستگي این

كیبات شیمیایي لطعه هاي مورد آزمایش اشاره آزمایش ندارد.از عوامل دیگر شكست میتوان به تر

كرد و یا طریمه تراش لطعات كه سطوح لطعات مورد آزمایش لطعا داراي تركهاي بسیار ریزي

میباشند كه حتي با چشم مسلح هم لابل مشاهده نمیباشند .

metal : P σMax N motor N f

AL 16Kg 1416 kg/cm2 612 rpm 1415 r

St 14Kg 1144 Kg/cm2 450rpm 10252r

08