خستگی حرارتی

خستگی حرارتی

خستگی به انواع گوناگونی مانند خستگی حرارتی یا خستگی در دمای ثابت تقسیم می شود. خستگی در مواد اتفاق می افتد و به معنای فرایندی است که زمینه ساز شکست ماده موردنظر خواهد شد. به سبب این مسئله که خستگی تأثیر بسیار زیادی در عمر قطعات فلزی دارد، راهکارهای گوناگونی برای سنجش خستگی قطعه ها یا ماده های گوناگون وجود دارد. ما در این مقاله، قصد داریم ابتدا خستگی را تعریف کنیم، سپس به سراغ بیان انواع آن برویم و نکات تکمیلی در مسئله را با بیانی ساده برشمریم.

خستگی چیست؟

خستگی زمانی اتفاق می افتد که ماده ای بر اثر مواجه با نیرویی کمتر از حد تسلیم و استحکام نهایی خود، دچار شکستگی شود. تنش ها یا نیروهای نوسانی و پی در پی، اصلی ترین عوامل در بروز خستگی هستند. خستگی از این جهت بسیار مهم است که تا لحظه ای که منجر به شکستگی ماده شود، هیچ نشانه ای از آن نمایان نیست؛ به بیان دیگر، با بازرسی ظاهری یا چشمی، انواع خستگی قابل تشخیص نیست و این مسئله می تواند موجب ویرانی های ناگهانی در قطعات فلزی یا ماده های بسیار حساس شود. جالب است بدانید که خستگی یکی از بارزترین دلایل شکست و آسیب در انواع قطعه فلزی است؛ این فرایند مخرب، معمولا با جوانه زنی یا ایجاد ترک های نامحسوس در ناحیه تمرکز تنش اتفاق می افتد و به مرور به سایر نواحی حساس قطعه نیز منتقل می شود.

خستگی به چه انواعی تقسیم می شود؟

خستگی مطابق با اینکه براثر چه عواملی اتفاق افتاده است و چگونه به پیش می رود، به سه دسته کلی تقسیم می شود. خستگی به طورکلی، به سه نوع زیر تقسیم بندیمی شود:

• خستگی حرارتی؛
• خستگی در دمای ثابت؛
• خستگی ترمومکانیکی.

جالب است بدانید که برخی از عوامل مانند دما، در همه انواع خستگی دخیل هستند و به یک نوع خاص (مانند خستگی حرارتی) محدود نمی شوند.

خستگی حرارتی چیست؟

خستگی حرارتی به آن نوع از خستگی گفته می شود که در قطعه هایی که صرفا تحت تأثیر سیکل های حرارتی هستند، بروز می کند؛ البته نباید فراموش کنیم که سیکل های مکانیکی هم در بروز خستگی حرارتی تأثیرگذار هستند ولی تأثیر آنها بسیار کمتر از مؤلفه دماست.

خستگی چگونه اتفاق میافتد؟

انواع خستگی، اعم از خستگی حرارتی یا خستگی در دمای ثابت، یک فرایند نسبتا معین را طی می کند، تا جایی که قطعه دچار شکستگی می شود. پیش از آنکه به سراغ بیان مراحل ایجاد خستگی برویم، باید به این مسئله اشاره کنیم که مطابق با نظر بسیاری از متخصصان، فرایند خستگی با بارگذاری سیکلی فشاری و یا کششی آغاز می شود و پس از آن، سایر عوامل مخرب نیز مزید بر علت می شوند. مراحل آغاز خستگی تا ایجاد یک شکستگی در سطح ماده یا قطعه صنعتی، به شرح زیر است:

مرحله جوانه زنی ترک

جوانه زنی ترک ها معمولا با تنش هایی بسیار کمتر از تنش شکست ماده آغاز می شوند؛ گفتنی است که لغزش در ایجاد این تنش ها، نقش برجسته ای دارد. همچنین نباید فراموش کنیم که برخی از این ترک های اولیه حاصل نابجایی در قطعه خواهند بود. جالب است بدانید که دو عامل در فرایند جوانه زنی ترک ها، بسیار تأثیرگذار هستند:

• دامنه بارگذاری

تأثیر عامل دامنه بارگذاری تا جایی است که با افزایش دامنه تنش، مرحله آغاز ترک ها بسیار کوتاه می شود.

• عامل دما

دما در خستگی حرارتی نقش بسیار مهمی دارد. نکته اینجاست که با توجه به علت به وجود آمدن ترک های اولیه، دما نیز تأثیر منفی خود را به جا خواهد گذاشت. اگر ترک ها به سبب لغزش اتفاق افتاده باشند، دما موجب ساده تر شدن لغزش و در نتیجه سریع تر شدن فرایند بروز ترک ها می شود. از طرف دیگر، اگر ترک ها در منطقه آخال ها و یا ذرات مربوط به فاز ثانویه اتفاق افتاده باشد، دما و افزایش آن، نابجایی را شتاب می بخشد. خستگی حرارتی در روش دوم به این شکل است که دما موجب کم شدن تمرکز تنش و سرعت بخشیدن به فرایند شکستگی می شود.

• محیط

با توجه به اینکه محیط بروز ترک ها، خورنده یا غیر خورنده باشد، فرایند جوانه زنی تحت تأثیر قرار می گیرد. اگر محیط خورنده باشد، حفره هایی در سطح ایجاد می شود و تمرکز تنش با توجه به این حفره ها کم خواهد شد؛ در نتیجه، فرایند خستگی حرارتی سریع تر انجام می شود.

• سطح قطعه

عواملی مانند کششی یا فشاری بودن تنش پسماند یا ترکیب شیمیایی لایه های سطحی قطعه، تأثیر زیادی در فرایند خستگی حرارتی دارد.

اگر تنش پسماند به شکل کششی باشد، خستگی را سریع تر می کند ولی فشاری بودن آن، موجب کم شدن میزان تنش می شود.

ترکیب شیمیایی لایه های سطحی قطعه نیز اگر با روش هایی مانند نیتروژن دهی یا کربن دهی حفاظت شده باشد، فرایند خستگی دیرتر اتفاق می افتد اما در غیر این صورت، خستگی به راحتی به جریان می افتد.

مرحله رشد ترک

در این قسمت، ترک های اولیه تا جایی پیش روی کرده اند که قادر هستند با ایجاد تمرکز، یک تنش بزرگ در یک جهت خاص بر سطح ماده یا قطعه ایجاد کنند. جالب است بدانید که مرحله رشد ترک خود به دو مرحله زیرین تقسیم می شود:

ابتدا تنش هایی که در جسم جوانه زده اند، به سرعت در امتداد لغزش فعال به پیش می روند؛

پس از آن، تنش ها در جهت عمود هم بر تنش اعمالی اضافه می شود.

این فرایند تا وقتی ادامه پیدا می کند که یک شکست کلی در قطعه اتفاق بیفتد.

مرحله شکست ماده

همانطور که در انتهای بخش قبلی بیان کردیم، ترک ها تا جایی پیش می روند که یک ترک ترد در سطح قطعه اتفاق می افتد؛ به قول متخصصان، یک تغییر شکل در پلاستیک ماده اتفاق می افتد و ماده یا قطعه دچار پارگی می شود.

تست خستگی چیست و چگونه انجام میشود؟

متخصصان برای آنکه رفتارهای مواد یا قطعات گوناگون را در برابر تنش های سیکلی بررسی کنند، تست هایی را با عنوان تست خستگی اعمال می کنند. در کشورهای گوناگون از تست های متفاوتی برای تشخیص استحکام قطعات در برابر تنش های سیکلی استفاده می شود؛ یکی از این تست های معروف با عنوان تست ASTM آمریکای شمالی مشهور است.

جالب است بدانید که در این تست ها، با تغییر دادن پارامترهایی مانند دما یا سطح خوردگی، نتایج را بر روی نمودارهای گوناگون مندرج می کنند. به طورکلی، سه تست برای تنظیم این نمودارها انجام می شود:

• آزمون خستگی حرارتی؛
• آزمون خستگی در دمای ثابت؛
• آزمون خستگی ترمومکانیکی.

بنا به اینکه هر قطعه در چه صنعت و شرایطی استفاده خواهد شد، یکی از این تست ها یا همه آنها انجام می شود؛ به عنوان نمونه، قطعاتی مانند منطقه احتراق در توربین های گازی یا پره های توربین با تست های حرارتی دقیق سنجیده می شوند. چرا که این قطعات در معرض دمای بسیار بالایی هستند و بروز خستگی حرارتی در آنها محتمل است.

سخن پایانی

این مقاله در قسمت های اول کوشید تا خستگی و انواع آن را بیان کند و تفاوت خستگی حرارتی را با سایر انواع خستگی برشمارد. پس از آن، به سراغ معرفی مراحل گوناگون بروز خستگی رفتیم و از مؤلفه هایی صحبت کردیم که فرایند خستگی را تسریع می کنند. همچنین در پایان، به معرفی روش هایی پرداختیم که به مدد آنها، میزان خستگی در قطعات سنجیده خواهد شد .