شکست خستگی در فلزات چیست و چه عواملی باعث کاهش عمر خستگی قطعات جوش شده میشود؟ 30 ژانویه 2023 | عمر خستگی Technoweld به تعداد چرخههای بارگذاری (تنش یا کرنش) اشاره دارد که یک قطعه میتواند قبل از وقوع خرابی تحمل کند. برای برخی از فلزات، از جمله فولادها، تعداد تئوری چرخه برای یک محدوده تنش معین وجود دارد. اگر تعداد چرخهها کمتر از این مقدار باشد، اطمینان وجود دارد که قطعه دچار خرابی خستگی نخواهد شد. این پدیده به عنوان قدرت خستگی یا محدودیت خستگی/استقامت شناخته میشود. منحنیهای SN (تنش/تعداد چرخهها) برای پیشبینی استحکام خستگی مواد و انواع اتصالات به کار میروند. گزارشها نشان میدهد که بیش از 90٪ از خرابیهای مکانیکی ناشی از حالت خستگی است. این نوع خرابی معمولاً با هشدار بسیار کم یا بدون هشدار پیش میآید و عواقب آن اغلب فاجعهبار است. از پنج حالت شکست اصلی (شکست انعطافپذیر، شکست شکننده، خستگی، خوردگی و خزش)، خستگی دومین مکانیسم خطرناک به شمار میرود (خوردگی در صدر لیست قرار دارد).
یکی از حوادث معروفی که به شکست خستگی نسبت داده میشود، تصادف گرندپری سن مارینو در سال 1994 با آیرتون سنا بود که به طرز غمانگیزی جان خود را از دست داد و در نهایت این حادثه به دلیل خستگی ستون فرمان خودروی مسابقهای ویلیامز-رنو FW16 او رخ داد. پس از بررسی کارشناسان، مشخص شد که خستگی عامل اصلی این حادثه بوده است. سنا گزارش کرده بود که هنگام گرفتن فرمان احساس ناخوشایندی دارد، بنابراین تیم مهندسی یک لوله داخلی را به فرمان جوش داد تا آن را تقویت کند. با این حال، در هنگام اتصال لوله داخلی، ریزترکهایی روی اجزای فرمان ایجاد شد که با گذشت زمان گسترش یافتند و منجر به از کار افتادن ستون فرمان در طول مسابقه شد. سنا نتوانست ماشین را کنترل کند و تصادف در نهایت به مرگ او انجامید. این فاجعه باعث تغییراتی در مقررات ایمنی فرمول یک شد و توجه بیشتری به طراحی خودرو و مواد مورد استفاده برای جلوگیری از چنین حوادثی در آینده معطوف کرد.
ترکهای خستگی تحت بارهای نوسانی مکرر آغاز و گسترش مییابند. شکست خستگی به عنوان پیشرفت مداوم ترک رخ میدهد تا زمانی که سطح مقطع باقیمانده قطعه نتواند بار را تحمل کند و به حالت شکست نهایی یا یک شکست شکلپذیر یا شکننده منجر شود. خستگی میتواند در مقادیر حداکثر تنش اسمی بسیار پایینتر از مقاومت کششی نهایی و استحکام تسلیم برای مواد خاص رخ دهد. به عبارت دیگر، تنشهای چرخهای کمتر از استحکام کششی ماده ممکن است باعث شروع ترک و گسترش آن در ماده شود. تنها اوج استرس نیست که باید در نظر گرفته شود، بلکه دامنه استرس نیز اهمیت دارد – هر چه دامنه استرس گستردهتر باشد، خطر بالاتر و عمر خستگی کمتری انتظار میرود.
علاوه بر محدوده تنش، نوع تنش، کششی یا فشاری نیز عاملی مؤثر است. اگر محدوده تنش شامل تنشهای فشاری و کششی باشد، عمر خستگی قطعه به طور قابل توجهی کاهش مییابد. در حالی که قطعات جوشنشده ممکن است به دلیل خستگی خراب شوند، دلایل متعددی وجود دارد که قطعات جوشداده شده عمر خستگی کمتری دارند و اکثریت قریب به اتفاق خرابیهای خستگی را تشکیل میدهند. لازم به ذکر است که عمر خستگی با افزایش استحکام فولاد افزایش نمییابد. از هر نوع فولادی که در ساخت و سازهای جوشداده شده استفاده شود، عملکرد خستگی تقریباً یکسان خواهد بود و برخی نشان میدهند که فولادهای درجه پایینتر عملکرد بهتری دارند زیرا نمیتوانند تنش پسماند زیادی را حفظ کنند.
شکست خستگی تحت تأثیر جهتگیری غلظت تنش به بار است. به طور گستردهای شناخته شده است که جهتگیری تمرکز تنش به بار تأثیر قابل توجهی دارد. در تصویر زیر اگر در نوک جوش یک آندرکات وجود داشته باشد و بار به صورت طولی باشد، عملکرد خستگی بسیار بهتری خواهد داشت. هنگامی که بار به صورت عرضی نسبت به غلظت تنش باشد، خطر شکست خستگی به طور قابل توجهی افزایش مییابد. به همین دلیل است که پیشنهاد میشود علائم سنگزنی و سنبادهزنی موازی با جهت بارگذاری باشد نه عرضی. پرداخت سطح عاملی در عملکرد خستگی است زیرا علائم سنگزنی و سنباده غلظت تنش ایجاد میکنند، بنابراین همیشه ترجیح داده میشود که با استفاده از یک دیسک شن ریز سنبادهزنی انجام شود و در صورت امکان اطمینان حاصل شود که علائم سنباده به صورت طولی/موازی با بارگذاری هستند، نه عرضی.
در مقالات بعدی به تکنیکهای بهبود عمر خستگی خواهیم پرداخت. تنش پسماند ناشی از گرمایش و سرد شدن ناهموار مواد در طول فرآیند جوشکاری است. تنش پسماند میتواند به طور قابل توجهی بر عملکرد خستگی سازههای جوشی تأثیر بگذارد و منجر به شکست زودرس سازه به دلیل ترک خوردگی ناشی از خستگی شود. هنگام محاسبه عملکرد خستگی سازه جوشداده شده، تنش پسماند بخشی از محدوده تنش کل در نظر گرفته میشود. کل محدوده تنش شامل تنش اعمال شده و تنش پسماند است. تنش پسماند جوشکاری کششی ناشی از فرآیند جوشکاری است، جایی که گرمای جوشکاری باعث انبساط و خنک شدن ماده میشود و باعث انقباض آن میشود. انقباض مواد باعث ایجاد تنشهای داخلی میشود که پس از اتمام فرآیند جوشکاری در ماده باقی میماند. تنش پسماند کششی به طور مستقیم با استحکام تسلیم مواد مرتبط است. استحکام تسلیم تنشی است که در آن یک ماده به طور دائم تغییر شکل میدهد. به عبارت دیگر، استحکام تسلیم نقطهای است که در آن ماده پس از تغییر شکل دیگر نمیتواند به شکل اولیه خود بازگردد. اغلب تنشهای پسماند به ترتیب قدرت تسلیم ماده است. میزان تنش پسماند را میتوان تحت تأثیر فرآیند جوشکاری و خواص مواد قرار داد. عواملی مانند سرعت جوشکاری، اندازه و شکل جوش و نوع ماده همگی میتوانند بر میزان تنش پسماند تأثیر بگذارند. تنش پسماند کششی بالا تأثیر قابل توجهی بر خستگی دارد. تنش باقیمانده در جزء به تنش متوسط اضافه میشود و دامنه تنش میتواند بسیار مهمتر شود. محدوده تنش (محدوده تنشی که در آن نوسان میکند) یکی دیگر از عوامل کلیدی تعیینکننده عمر خستگی است. به همین دلیل است که بسیاری از اجزای بارگذاری شده به صورت دینامیکی پس از جوشکاری (کاهش تنش) برای کاهش تنش باقیمانده انجام میشوند تا میانگین تنش و محدوده تنش را افزایش ندهند. در حالی که بسیاری از مقامات فنی پیشنهاد کردهاند که PWHT تمام تنشهای پسماند را حذف نمیکند، اما آن را تا حدود 30٪ کاهش میدهد. به گفته DNV، در صورت کاهش استرس، عمر خستگی افزایش نمییابد.
غلطت تنش به طور قابل توجهی بر عمر خستگی قطعات تأثیر میگذارد؛ به محض اینکه قطعه جوش داده میشود، دسته خستگی آن کاهش مییابد. غلظت تنش میتواند اشکال مختلفی داشته باشد. آنها میتوانند زیر برش، عدم همجوشی، مشخصات جوش، شکل پنجه جوش، یا سایر عیوب جوش باشند. یک واقعیت کمتر شناخته شده این است که جوش قوس الکتریکی به طور اجتنابناپذیری باعث ایجاد نفوذهای میکرو در طول انجماد در انگشتان جوش میشود. غلظت تنش به مناطقی در یک جزء ساختاری اشاره دارد که تنش به طور قابل توجهی بیشتر از مناطق اطراف است. در یک جزء جوش داده شده، غلظت تنش میتواند در لبههای جوش رخ دهد، جایی که هندسه جزء به طور ناگهانی تغییر میکند. این نواحی معمولاً در معرض سطوح تنش بالاتری هستند و احتمال خرابی در زیر بار بیشتر است. غلظت تنش همچنین میتواند به دلیل نقص در جوش، مانند تخلخل یا عدم ذوب، رخ دهد. برای به حداقل رساندن غلظت تنش در یک جزء جوش داده شده، استفاده از تکنیکهای جوشکاری مناسب و بازرسی جوشها برای عیوب ضروری است. شکل و هندسه انگشت جوش (که نقطهای است که جوش با مواد پایه برخورد میکند) میتواند به طور قابل توجهی بر غلظت تنش در یک جزء جوش داده شده تأثیر بگذارد. یک انگشت جوشی صاف و گرد نسبت به انگشت تیز و زاویهدار غلظت تنش کمتری دارد. این به این دلیل است که یک گوشه یا لبه تیز، تمرکز تنش را در آن نقطه ایجاد میکند و باعث میشود که قطعه بیشتر مستعد خرابی باشد. علاوه بر این، یک جوش فیلهای با اندازه بزرگتر نیز غلظت تنش کمتری نسبت به جوش فیله کوچکتر خواهد داشت زیرا تنش در یک منطقه بزرگتر توزیع میشود. همین امر در مورد عمق گلوگاه جوش فیله نیز صدق میکند. یک گلوی عمیقتر، غلظت استرس کمتری خواهد داشت. برای کاهش غلظت تنش در انگشت جوش، استفاده از تکنیکهای جوشکاری مناسب برای اطمینان از صاف و گرد بودن انگشت بسیار ضروری است. فرآیند جوشکاری باید طوری طراحی شود که یک انتقال صاف بین جوش و ماده پایه ایجاد کند. پارامترهای جوشکاری باید به دقت کنترل شوند تا از عیوب مانند تخلخل یا عدم ذوب جلوگیری شود.
محل تمرکز تنش به عیوب یا نقصهای موجود در یا نزدیک سطح یک ماده، مانند ترکها، عدم همجوشی، آخالها یا تخلخل اشاره دارد. این عیوب میتوانند به طور قابل توجهی بر استحکام و عمر خستگی یک جزء جوش داده شده تأثیر بگذارند. ضریب K پارامتری است که در مکانیک شکست برای توصیف شدت تنش در نوک ترک استفاده میشود. این پارامتر به عنوان نسبت تنش اعمال شده به ریشه دوم اندازه ترک تعریف میشود. عیوب سطح شکن، مانند ترکها یا بریدگیها، دارای ضریب K بالاتری نسبت به عیوب زیرسطحی هستند، زیرا شدت تنش در نوک یک نقص سطح شکن بیشتر است. عیوب شکستگی سطحی به احتمال زیاد به گونهای بارگذاری میشوند که باعث میشود نوک ترک تحت تنش کششی قرار گیرد و ضریب K افزایش یابد. عیوب زیرسطحی معمولاً به گونهای بسته میشوند که نوک ترک را مجبور میکند تحت تنش فشاری قرار گیرد که باعث کاهش ضریب K میشود. عدم همجوشی در نوک جوش، زیر بریدگی، نفوذهای ریز ناشی از جوش قوس الکتریکی و سایر عیوب همگی در سطح ماده وجود دارند، بنابراین بیشترین تأثیر را بر عملکرد خستگی دارند. به طور خلاصه، شکستهای خستگی در تنشهای بسیار کمتر از مقاومت کششی مواد به دلیل بارهای نوسان رخ میدهد. عمر خستگی در درجه اول تحت تأثیر غلظت تنش، به ویژه عیوب جوش شکستن سطحی مانند زیر برش و عدم همجوشی است. هندسه نوک جوش، پروفیل جوش، تنش پسماند، و نفوذهای ریز ناشی از جوش قوس الکتریکی، غلظتهای تنشی هستند که باعث شکست خستگی میشوند.
بهبود عمر خستگی به معنای افزایش عمر خستگی یک جزء است. Technoweld در افزایش و بهبود عمر خستگی با تجربه است و چندین راه شناخته شده و برخی نه چندان شناخته شده برای کاهش و بهبود عملکرد خستگی اجزای جوش داده شده وجود دارد. Technoweld دانش و مهارتهایی را برای افزایش عمر خستگی قطعات جوش داده شده توسعه داده است تا خطر خرابی زودرس داراییهای شما را کاهش دهد. در مقالات بعدی به این روشها، اثربخشی آنها و عواملی که در به کارگیری آنها باید در نظر گرفته شود، خواهیم پرداخت. در عین حال، برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد اینکه چگونه تیم ما میتواند به شما در بهبود عمر خستگی کمک کند، با ما با شماره 1300 00 WELD تماس بگیرید یا از technoweld.com.au دیدن کنید.