مقاومت در برابر خستگی چیست؟

مقاومت در برابر خستگی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر چرخه های تنش مکرر بدون شکستگی یا ترک خوردن است. حدود 90٪ از خرابی قطعات ماشین به دلیل ایجاد ترک خستگی است، که این ویژگی را برای هر قطعه ای که بار چرخه ای را تجربه می کند ضروری است-از بال هواپیما تا اجزای موتور.

این اصطلاح در چندین زمینه کاربرد دارد. در مهندسی مواد، تعیین می کند که قطعات فلزی تا چه مدت تحت بارهای متناوب زنده می مانند. در فرآیندهای تولیدی مانندقالب گیری تزریق فلزمقاومت در برابر خستگی مستقیماً بر طول عمر و قابلیت اطمینان بخش در برنامه های کاربردی تأثیر می گذارد.

درک خستگی مواد

خستگی مواد زمانی رخ می دهد که بارگذاری مکرر آسیب میکروسکوپی ایجاد می کند که در طول زمان انباشته می شود. برخلاف شکست استاتیکی که در حداکثر ظرفیت بار اتفاق می افتد، شکست خستگی در سطوح تنش بسیار کمتر از مقاومت کششی نهایی یک ماده ایجاد می شود.

هر چرخه بار{0}}چه کششی، چه فشاری یا خمشی-مناطق کوچکی از کرنش موضعی ایجاد می‌کند. این تنش ها در عیوب داخلی، عیوب سطحی یا ناپیوستگی های هندسی متمرکز می شوند. در طی هزاران یا میلیون‌ها چرخه، این آسیب انباشته باعث ایجاد ترک‌هایی می‌شود که تا زمانی که شکست ناگهانی رخ می‌دهد، در مواد منتشر می‌شوند.

این فرآیند در سه مرحله آشکار می‌شود: شروع ترک در نقاط تمرکز تنش، انتشار آهسته ترک در ساختار ماده، و شکست نهایی سریع هنگامی که بخش{0}} باقیمانده دیگر نمی‌تواند بار اعمال شده را تحمل کند.

عوامل کلیدی موثر بر مقاومت در برابر خستگی

دامنه استرس و میانگین استرس

بزرگی تغییرات تنش بیش از مقادیر تنش مطلق اهمیت دارد. وقتی استرس زیر حد خستگی باقی می ماند، مواد می توانند چرخه های نامحدودی را تحمل کنند و معمولاً بیش از 10 میلیون چرخه زنده می مانند و به طور بالقوه به 500 میلیون می رسند. دامنه استرس بالاتر به شدت عمر خستگی را کاهش می دهد.

استرس متوسط-تنش متوسط ​​در طول یک چرخه-بر عملکرد نیز تأثیر می‌گذارد. تنش‌های متوسط ​​کششی عمر خستگی را کاهش می‌دهند، در حالی که تنش‌های فشاری متوسط ​​می‌توانند آن را افزایش دهند. این رابطه که توسط رابطه گودمن{4}}سودربرگ توضیح داده شده است، به مهندسان کمک می کند تا شکست را در شرایط پیچیده بارگذاری پیش بینی کنند.

خواص مواد و ریزساختار

افزایش استحکام از طریق عناصر آلیاژی، کار سرد یا عملیات حرارتی می تواند تعداد چرخه های قبل از تشکیل ترک را افزایش دهد. با این حال، تعادلی برای ایجاد وجود دارد. استحکام بسیار بالا گاهی اوقات چقرمگی شکست را کاهش می دهد و مواد را شکننده تر می کند.

ویژگی های ریزساختاری نقش مهمی دارند. اندازه دانه بر مقاومت در برابر انتشار ترک تأثیر می‌گذارد-دانه‌های ریزتر معمولاً عملکرد خستگی را بهبود می‌بخشند. آخال ها، که ذرات غیرفلزی حاصل از فرآیندهای ذوب و ریختن هستند، به عنوان متمرکز کننده تنش و محل شروع ترک عمل می کنند. مواد درجه یک از پردازش ویژه برای به حداقل رساندن این عیوب استفاده می کنند.

وضعیت سطح

زبری سطح باعث ایجاد غلظت‌های تنش می‌شود که چرخه‌های شروع ترک را در مقایسه با سطوح صاف کاهش می‌دهد-هر چه سطح ناهموارتر باشد، مقاومت در برابر خستگی بدتر است. روش های ساخت ویژگی های سطحی متفاوتی را به جا می گذارند. سطوح ماشینکاری شده از نظر زبری و الگوهای تنش پسماند با سطوح ریخته‌گری شده یا قالب‌گیری شده متفاوت هستند.

درمان های سطحی می تواند به طور چشمگیری عمر خستگی را بهبود بخشد. لایه برداری شات، نیترید کردن، و کربوریزه کردن، تنش های پسماند فشاری ایجاد می کند که از شروع ترک جلوگیری می کند. این فرآیندها بدون تغییر ماده پایه، محدودیت های خستگی را بالاتر می برند.

عوامل محیطی

دما به شدت بر رفتار خستگی تأثیر می گذارد. دماهای بالا باعث از بین رفتن خواص مواد می شود، با حداکثر دمای جزء تأثیر بیشتری بر عمر خستگی حرارتی نسبت به محدوده دما دارد. دمای سرد می تواند مواد را شکننده کند و حالت های خرابی را تغییر دهد.

محیط های خورنده آسیب خستگی را از طریق ترک خوردگی ناشی از استرس تسریع می کنند. ترکیبی از استرس مکانیکی و حمله شیمیایی باعث ایجاد خرابی در سطوح تنش کمتر و بازه‌های زمانی کوتاه‌تر از هر یک از عوامل به تنهایی می‌شود.

اندازه گیری مقاومت در برابر خستگی

مهندسان از روش‌های تست استاندارد برای تعیین کمیت مقاومت در برابر خستگی و تولید داده‌های طراحی قابل اعتماد استفاده می‌کنند.

تست منحنی S{0}N

منحنی عمر خستگی S-N حداکثر تنش خستگی را در برابر تعداد چرخه های بار تا شکست ترسیم می کند، با تنش به عنوان مقیاس خطی و چرخه به عنوان مقیاس ورود. نمونه های آزمایشی برای اندازه گیری نقاط شکست تحت بارگذاری چرخه ای در سطوح تنش مختلف قرار می گیرند.

برای هر سطح تنش، چندین نمونه آزمایش می‌شوند تا تغییرات طبیعی را در نظر بگیرند. منحنی به دست آمده نشان می دهد که چگونه کاهش تنش باعث افزایش طول عمر قطعه می شود. برخی از مواد، به ویژه فولادها، حد خستگی مشخصی را نشان می‌دهند-سطح تنشی که زیر آن ماده از نظر تئوری در چرخه‌های بی‌نهایت زنده می‌ماند.

آلیاژهای آلومینیوم رفتار متفاوتی دارند و محدودیت خستگی مشخصی نشان نمی‌دهند زیرا منحنی‌های S-N با افزایش چرخه‌ها به کاهش خود ادامه می‌دهند. این بدان معناست که قطعات آلومینیومی در نهایت بدون توجه به سطح تنش، فقط در تعداد چرخه های بالاتر برای تنش های کمتر، از بین می روند.

تست نرخ رشد کرک

آزمایش رشد ترک خستگی سرعت انتشار ترک‌ها را تحت بارگذاری چرخه‌ای نظارت می‌کند که معمولاً میلیون‌ها چرخه بار را اندازه‌گیری می‌کند. نمونه‌های کششی فشرده با بریدگی‌های اولیه امکان اندازه‌گیری دقیق پیشرفت ترک را در هر چرخه فراهم می‌کنند.

رابطه بین نرخ رشد ترک (da/dN) و محدوده فاکتور شدت تنش (ΔK) از الگوهای قابل پیش بینی شرح داده شده توسط قانون پاریس پیروی می کند. این داده‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا پس از شناسایی ترک‌ها در طول بازرسی، عمر باقی‌مانده قطعه را پیش‌بینی کنند.

آزمایش در سروو{0}}ماشین‌های هیدرولیک با قابلیت کنترل دقیق بار انجام می‌شود. فرکانس‌های بار پایین می‌مانند، معمولاً 1-20 هرتز، تا از گرم شدن نمونه که می‌تواند بر نتایج تأثیر بگذارد، جلوگیری کند. محفظه های محیطی دما، رطوبت و شرایط جوی را در طول آزمایش کنترل می کنند.

کرنش-تست زندگی

خستگی چرخه کم کمتر از 10000 چرخه را شامل می شود اما تنش های بالاتر باعث تغییر شکل پلاستیک می شود. آزمایش کنترل‌شده کرنش{4}}این رفتار را اندازه‌گیری می‌کند زیرا محاسبات تنش الاستیک تحت کرنش پلاستیک نامعتبر می‌شود.

منحنی‌های عمر{0}}کرنش، دامنه کرنش را در برابر چرخه‌های شکست ترسیم می‌کنند. این رویکرد برای کاربردهایی مانند مخازن تحت فشار یا اجزای توربین که تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی را در طول سرویس تجربه می کنند مناسب است.

مواد-عملکرد خستگی خاص

مواد مهندسی مختلف ویژگی‌های خستگی متمایز را نشان می‌دهند که بر انتخاب کاربرد تأثیر می‌گذارد.

فولاد

فولادها دارای خواص خستگی عالی با محدودیت‌های استقامتی واضح هستند. مقادیر مقاومت خستگی معمولی برای فولاد باعث می شود که طراحی در مورد مفاهیم عمر بی نهایت در هنگام کار در زیر حد خستگی طراحی شود. انواع فولاد کربنی، فولاد آلیاژی، و فولاد ضد زنگ هرکدام نسبت‌های متفاوتی را برای استحکام-خوردگی- ارائه می‌دهند.

عملیات حرارتی به طور قابل توجهی بر عملکرد خستگی فولاد تأثیر می گذارد. کوئنچ و تمپر باعث افزایش استحکام و مقاومت در برابر خستگی می شود. سخت شدن سطح از طریق کربورسازی یا نیترید کردن، تنش های فشاری مطلوبی را در سطوح مستعد ترک- ایجاد می کند.

آلیاژهای آلومینیوم

نسبت استحکام{0}به وزن عالی آلومینیوم باعث شده است که در کاربردهای هوافضا و خودرو رایج باشد. آلیاژ آلومینیوم 2024 استحکام خستگی 138-207 مگاپاسکال را در 100 میلیون سیکل نشان می دهد و آن را برای سازه های هواپیما که به عملکرد خستگی بالا نیاز دارند مناسب می کند.

فقدان حد خستگی واقعی به این معنی است که اجزای آلومینیومی به مدیریت دقیق چرخه عمر- نیاز دارند. مهندسان فواصل بازرسی و برنامه های بازنشستگی را بر اساس رشد پیش بینی شده ترک مشخص می کنند. استحکام خستگی بین آلیاژهای آلومینیوم بسته به ترکیب، عملیات حرارتی و پردازش به طور قابل توجهی متفاوت است، با مقادیر معمولی از 85 تا 135 مگاپاسکال برای 10 میلیون سیکل.

آلیاژهای تیتانیوم

تیتانیوم و آلیاژهای آن در کاربردهای زیست پزشکی به دلیل مدول یانگ کم، مقاومت در برابر خستگی قوی، و بی اثری شیمیایی{0}در کارکرد بهتر از فولاد ضد زنگ و آلیاژهای کبالت در کاشت‌های بلندمدت- برتری دارند. Ti-6Al-4V، رایج ترین آلیاژ تیتانیوم، معمولاً مقاومت خستگی 450-590 مگاپاسکال را در 10 میلیون سیکل نشان می دهد.

مقاومت ذاتی تیتانیوم در برابر شروع و انتشار ترک، همراه با مقاومت در برابر خوردگی عالی، هزینه بالاتر آن را در کاربردهای حیاتی توجیه می کند. اجزای هوافضا، ایمپلنت های پزشکی و سخت افزارهای دریایی از این ویژگی ها بهره می برند.

مواد کامپوزیت

کامپوزیت ها دارای مقاومت خستگی عالی با چقرمگی شکست خوب هستند که برخلاف فلزات با استحکام افزایش می یابد. پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف از طریق مکانیسم‌های متفاوتی نسبت به لایه‌برداری-فلزات و شکستن الیاف به جای انتشار ترک در برابر خستگی مقاومت می‌کنند.

اندازه آسیب بحرانی در کامپوزیت ها از فلزات بیشتر است و تحمل آسیب بیشتری را فراهم می کند. تیغه های روتور هلیکوپتر به طور فزاینده ای از کامپوزیت ها به جای فلز استفاده می کنند، دقیقاً به دلیل خواص خستگی برتر همراه با کاهش وزن.

مقاومت در برابر خستگی در قالب گیری تزریقی فلز

قالب‌گیری تزریقی فلز، اجزای{0}}شکل پیچیده‌ای را با خواص نزدیک به مواد فرفورژه تولید می‌کند، اما عملکرد خستگی مستلزم بررسی دقیق است.

تاثیر فرآیند MIM بر ویژگی های خستگی

فولاد ضد زنگ MIM 17-4 PH به دلیل اندازه دانه بزرگتر و تخلخل باقیمانده ناشی از تف جوشی، استحکام خستگی 500 مگاپاسکال را در 10 میلیون سیکل بدست می آورد که کمی کمتر از نسخه های ریخته گری یا فرفورژه است. فرآیند متالورژی پودر ذاتاً مقداری تخلخل ایجاد می کند که معمولاً به چگالی نظری 92-98٪ دست می یابد.

قطعات MIM که تقریباً به 98٪ چگالی می رسند، مقاومت در برابر خستگی، سختی و دوام را از طریق ساختار با چگالی بالا- خود نشان می دهند. کنترل فرآیند مناسب در طول اختلاط مواد اولیه، قالب‌گیری تزریقی، جداسازی و تف جوشی مستقیماً بر چگالی نهایی و عملکرد خستگی ناشی از آن تأثیر می‌گذارد.

منافذ داخلی، حتی در حجم 2{3}}8٪، مانند مواد آخالی در فلزات ریخته‌گری شده، به عنوان متمرکز کننده تنش عمل می‌کنند. این عیوب عمر خستگی را در مقایسه با مواد فرفورژه کاملاً متراکم کاهش می دهد. با این حال، ساخت MIM در جایی که چگالی تقریباً کامل، چقرمگی ضربه بالا، چقرمگی شکست و مقاومت در برابر خستگی مورد نیاز است، برتر است.

مزایای خستگی-برنامه های حیاتی

محصولات MIM به چگالی نسبی 92 تا 98 درصد با خواص مکانیکی بالا از جمله استحکام، سختی، ازدیاد طول، مقاومت در برابر سایش خوب، مقاومت در برابر خستگی و ساختار یکنواخت دست می‌یابند. این فرآیند را قادر می سازد:

هندسه های پیچیده بدون ماشین کاری

تولید سنتی زبری سطح و علائم ابزار را معرفی می کند که به محل شروع ترک تبدیل می شوند. MIM اجزای نزدیک به-شبکه-شکل با سطح کنترل شده، به طور بالقوه 32 RMS یا بهتر تولید می‌کند. حذف عملیات ماشینکاری ثانویه خستگی را کاهش می‌دهد-عیب‌های سطحی را تخریب می‌کند.

طراحی آزادی برای توزیع استرس

مهندسان می‌توانند ویژگی‌هایی را طراحی کنند که توزیع تنش{0}}شعاع‌های سخاوتمندانه در انتقال، حذف گوشه‌های تیز، و قرار دادن مواد استراتژیک را بهینه می‌کنند. این بهینه سازی ها با ماشینکاری معمولی بسیار گران یا غیرممکن خواهد بود.

انعطاف پذیری مواد

در حالی که انتخاب گسترده مواد MIM سودمند است، این فرآیند اجزای بسیار بادوام و مقاوم{0}}در برابر خستگی ایجاد می‌کند، به‌ویژه زمانی که از ترکیبات مواد قوی مانند کاربیدهای سیمانی و سرمت‌هایی استفاده می‌شود که در برابر شکستگی در شرایط شدید مقاومت می‌کنند. فرمول های آلیاژی سفارشی می توانند نیازهای خستگی خاصی را هدف قرار دهند.

ملاحظات طراحی

قوام ضخامت دیوار در MIM بیشتر از قالب تزریق پلاستیک اهمیت دارد. دیوارهای یکنواخت باعث افزایش یکنواخت تف جوشی شده و تنش های پسماند را که می تواند عمر خستگی را کاهش دهد به حداقل می رساند. گوشه های تیز و تغییرات مقطعی ناگهانی-تغییر مقطع باعث ایجاد غلظت استرس-شعاع سخاوتمندانه می شود که به حفظ عملکرد خستگی کمک می کند.

پردازش پست می‌تواند ویژگی‌های خستگی MIM را بهبود بخشد. عملیات حرارتی ریزساختار را تنظیم می کند و تنش های پسماند را کاهش می دهد. پرداخت سطحی مانند غلت زدن، پولیش کردن، یا شات‌زنی وضعیت سطح را بهبود می‌بخشد و تنش‌های فشاری مفیدی را ایجاد می‌کند.

فناوری MIM قطعاتی را تولید می‌کند که تقریباً به 90 درصد استحکام مواد آهنگری می‌رسند و آن را برای بسیاری از برنامه‌های حساس به خستگی مناسب می‌سازد که در آن فاصله عملکرد 10 درصد با توجه به مزایای پیچیدگی هندسی MIM و اثربخشی هزینه{3} در تولید حجم قابل قبول است.

بهبود مقاومت در برابر خستگی در طراحی

مهندسان از استراتژی های متعددی برای افزایش عمر خستگی اجزا فراتر از انتخاب مواد به تنهایی استفاده می کنند.

کاهش استرس

مقاومت در برابر خستگی با تنش وارده نسبت معکوس دارد-گاهی اوقات ساده‌ترین بهبود از کاهش بار یا افزایش مقطع- حاصل می‌شود. طراحی مجدد قطعات اغلب نتایج بهتری نسبت به مواد عجیب و غریب ارائه می دهد.

تجزیه و تحلیل مسیر بار، مناطق پر استرس-را شناسایی می کند. توزیع مجدد مواد از-مناطق با استرس کم به مناطق-با استرس زیاد، عمر خستگی را بدون اضافه کردن وزن بهبود می‌بخشد. تجزیه و تحلیل اجزای محدود غلظت تنش را در مراحل اولیه طراحی مشخص می کند و اجازه می دهد هندسه قبل از نمونه سازی اولیه اصلاح شود.

از بین بردن عوامل استرس زا

بریدگی‌ها، سوراخ‌ها، تغییرات مقطع-و علائم سطحی استرس را متمرکز می‌کنند و عمر خستگی را کاهش می‌دهند. دستورالعمل های طراحی عبارتند از:

شعاعهای سخاوتمندانه فیله در انتقال{0}}شعاعهای بزرگتر تنش را در مناطق وسیع تری توزیع می کنند. شعاع فیله باید حداقل 10-20٪ از ابعاد مقطع مجاور در صورت امکان باشد.

اجتناب از گوشه های داخلی تیز در حفره ها یا جیب ها. حتی شعاع های کوچک (0.5-1 میلی متر) به طور قابل توجهی غلظت تنش را در مقایسه با گوشه های تیز کاهش می دهد.

قرار دادن سوراخ‌ها و برش‌ها به دور از مناطق{0}}پر استرس. هنگامی که سوراخ‌ها در نواحی بارگذاری شده ضروری هستند، افزودن آرماتور یا استفاده از سوراخ‌های بیضوی هم‌تراز با جریان تنش، تمرکز را کاهش می‌دهد.

علائم شناسایی سطحی باید از حکاکی شیمیایی یا مهر زنی ملایم استفاده کنند تا اینکه از خط‌کشی عمیق که محل شروع ترک ایجاد می‌کند استفاده شود.

انتخاب مواد و پردازش

انتخاب موادی با خواص خستگی مطلوب برای سطوح تنش و محیط کاربرد، پایه ای را برای مقاومت در برابر خستگی فراهم می کند. اما پردازش تعیین می کند که آیا مواد به عملکرد بالقوه خود می رسند یا خیر.

کنترل گنجاندن در حین ذوب و ریخته گری، محل های نقص را از بین می برد. مواد درجه برتر{1}}حداکثر محتوا و اندازه گنجاندن را مشخص می‌کنند. ذوب خلاء یا فرآیندهای تصفیه ویژه ناخالصی ها را کاهش می دهد.

عملیات حرارتی ریزساختار را برای مقاومت در برابر خستگی بهینه می کند. ساختار دانه ریز و یکنواخت به طور کلی عملکرد را بهبود می بخشد. سخت شدن بارندگی در آلیاژهایی مانند فولاد ضد زنگ 17-4 PH یا آلومینیوم 7075 استحکام را بدون شکنندگی بیش از حد ایجاد می کند.

ارتقاء سطح

درمان های سطحی تنش های پسماند فشاری ایجاد می کنند که باید قبل از اینکه تنش های کششی باعث ایجاد ترک شوند، بر آنها غلبه کرد. شات پینینگ سطوح را با محیط های کروی کوچک بمباران می کند،-لایه سطح را سخت می کند. شدت ریزش و پوشش بر عمق و بزرگی تنش فشاری تأثیر می گذارد.

نیترید کردن یا کربوریزه کردن نیتروژن یا کربن را در سطوح فولادی پخش می کند و لایه های سخت و مقاوم در برابر سایش ایجاد می کند. این درمان‌ها به طور همزمان تنش‌های فشاری مفیدی را ایجاد می‌کنند و سختی سطح را در برابر سایش فرسایشی{2}}یکی دیگر از مکانیسم‌های خستگی افزایش می‌دهند.

پرداخت زبری سطح زیر علائم ماشینکاری را کاهش می دهد. در حالی که برای مناطق بزرگ گران است، پولیش استراتژیک در مکان‌های حساس{1}}با استرس بالا، بهبود خستگی مؤثر را با هزینه- ارائه می‌کند.

برنامه‌ها و خطاهای واقعی-جهانی

درک مقاومت در برابر خستگی زمانی که شکست‌ها باعث عواقب فاجعه‌بار می‌شوند، از دانشگاهی به مرحله بحرانی می‌رود.

کاربردهای هوافضا

اجزای هواپیما تنش‌های دوره‌ای ناشی از برخاستن، فرود و بارهای پروازی را تجربه می‌کنند که در ابتدا مواد را تغییر شکل نمی‌دهند، اما در نهایت باعث تضعیف میکروسکوپی و سپس ماکروسکوپی می‌شوند. استانداردهای قابلیت پرواز، آزمایش خستگی در مقیاس کامل را قبل از صدور گواهینامه هواپیما الزامی می کند.

هواپیماهای تجاری در طول طراحی تحت تجزیه و تحلیل خستگی دقیق قرار می گیرند. تاریخچه بار مورد انتظار هر جزء در طول عمر هواپیما مدل سازی می شود. سازه‌های بحرانی دارای چندین مسیر بار هستند، بنابراین خرابی یک مؤلفه باعث فروپاشی فاجعه‌بار نمی‌شود.

برنامه های تعمیر و نگهداری از محاسبات عمر خستگی ناشی می شود. بازرسی ها ترک ها را قبل از رسیدن به اندازه بحرانی تشخیص می دهند. شکست های تاریخی مانند سقوط هواپیمای رئیس جمهور فیلیپین Magsaysay در سال 1957 به دلیل خرابی موتور در اثر خستگی فلز، از دست دادن تیغه روتور اصلی در سال 1968 به دلیل خرابی خستگی و جداسازی موتور پرواز 191 خطوط هوایی آمریکا در سال 1979 که به آسیب خستگی شدید در ساختار دکل نسبت داده شد، نشان دهنده آسیب خستگی شدید در ساختار دکل است.

قطعات خودرو

میل‌لنگ‌ها نمونه‌ای از خستگی-قطعات حیاتی خودرو هستند. میل لنگ در ژنراتورهای دیزلی، موتورهای دریایی، موتورهای وسایل نقلیه و کمپرسورهای رفت و برگشتی با بارگذاری چرخه‌ای جدی مواجه است که طراحی غیراستاندارد دلیل اصلی آسیب شفت است. نورد فیله میل لنگ با وارد کردن تنش های فشاری در انتقال فیله بحرانی-به{4}}عمر خستگی را بهبود می بخشد.

اجزای سیستم تعلیق تحت بارگذاری دامنه متغیر ناشی از بی نظمی جاده ها قرار می گیرند. طراحی باید بارهای شدید را در حالی که میلیون ها چرخه بار کوچکتر زنده می ماند، در خود جای دهد. بازوهای تعلیق آلومینیومی ریخته‌گری، فنرهای فولادی مهر و موم شده، و بند انگشت‌های فرمان فولادی آهنگری، هر کدام ترکیب‌های متفاوتی از مواد{2}}را نشان می‌دهند که برای عملکرد خستگی و هزینه بهینه شده‌اند.

دستگاه های زیست پزشکی

آلیاژهای تیتانیوم برای کاشت‌های بلندمدت از آلیاژهای فولاد ضد زنگ و کبالت بهتر عمل می‌کنند زیرا مدول یانگ پایین، مقاومت در برابر خستگی قوی و بی‌اثری شیمیایی است. ایمپلنت های هیپ و زانو باید چندین دهه از بارگذاری چرخه ای ناشی از پیاده روی، دویدن و فعالیت های روزانه جان سالم به در ببرند.

ساقه های پروتز هیپ بارهای خمشی را در هر مرحله تجربه می کنند. رابط کاشت استخوان{1}}در جایی که ساقه وارد استخوان می‌شود تمرکز استرس ایجاد می‌کند. درمان های سطحی و طراحی دقیق هندسه ساقه، این تنش ها را برای جلوگیری از شکست خستگی که نیاز به جراحی تجدید نظر دارد، توزیع می کند.

ایمپلنت های دندانی صدها بار در روز تحت نیروهای جویدن چرخه می شوند. پروتکل‌های تست خستگی سال‌های خدمت را در آزمایش‌های آزمایشگاهی تسریع شده شبیه‌سازی می‌کنند و میلیون‌ها چرخه بار را برای اعتبارسنجی طرح‌ها قبل از استفاده بالینی اعمال می‌کنند.

سوالات متداول

مقاومت در برابر خستگی چه تفاوتی با مقاومت کششی دارد؟

استحکام کششی مقاومت یک ماده را در برابر شکستن تحت یک بار افزایش پیوسته اندازه گیری می کند. مقاومت در برابر خستگی اندازه‌گیری می‌کند که یک ماده چه مدت از بارگذاری مکرر در سطوح تنش کمتر از مقاومت کششی خود زنده می‌ماند. اگر ریزساختار آن اجازه انتشار ترک تحت بارگذاری چرخه ای را بدهد، ممکن است یک ماده دارای استحکام کششی بالا اما مقاومت در برابر خستگی ضعیف باشد.

چه چیزی باعث می شود برخی از مواد مقاومت خستگی بهتری نسبت به سایرین داشته باشند؟

عوامل متعددی مقاومت در برابر خستگی را تعیین می کنند. مواد با ساختار دانه ریز و یکنواخت بهتر از مواد درشت{1}}در برابر انتشار ترک مقاومت می کنند. مواد انعطاف پذیر که می توانند به صورت موضعی تغییر شکل دهند و نوک ترک را صاف کنند، عملکرد خستگی بالاتری را در مقایسه با مواد شکننده نشان می دهند. رهایی از درگیری ها، حفره ها و سایر عیوب، محل های شروع ترک را از بین می برد. توانایی تشکیل لایه‌های اکسید محافظ، مانند تیتانیوم، می‌تواند رشد ترک را در محیط‌های خورنده کند کند.

آیا مقاومت در برابر خستگی پس از ساخت قطعه قابل بهبود است؟

بله، چندین درمان بعد از{0}}ساخت، مقاومت در برابر خستگی را افزایش می‌دهند. شات پینینگ، شوک لیزری یا درمان ضربه اولتراسونیک باعث ایجاد تنش های فشاری سطحی می شود. عملیات حرارتی می تواند تنش های پسماند مضر را کاهش داده و ریزساختار را بهینه کند. سخت شدن سطح از طریق نیترید کردن یا کربوریزه کردن، لایه‌های مقاوم در برابر سایش با تنش‌های پسماند مفید ایجاد می‌کند. حتی پرداخت دقیق نواحی{6}}با تنش شدید می‌تواند با از بین بردن عیوب سطح، عمر خستگی را افزایش دهد.

مهندسان چگونه مقاومت در برابر خستگی را آزمایش می کنند؟

تست خستگی استاندارد از دستگاه‌های سروو{0}هیدرولیک یا الکترومغناطیسی برای اعمال بارهای چرخه‌ای برای آزمایش نمونه‌ها استفاده می‌کند. تست استرس-زندگی (S{3}}N) سطوح تنش متفاوتی را برای گروه‌هایی از نمونه‌ها اعمال می‌کند و چرخه‌های شکست را ثبت می‌کند و منحنی‌هایی را ایجاد می‌کند که عملکرد را پیش‌بینی می‌کنند. آزمایش رشد ترک سرعت گسترش ترک‌های- موجود را تحت بارگذاری چرخه‌ای نظارت می‌کند و داده‌هایی را برای تجزیه و تحلیل تحمل آسیب ارائه می‌کند. آزمایش مولفه در مقیاس کامل، قبل از عرضه محصولات به سرویس، طرح ها را تحت توالی بارگذاری واقعی تأیید می کند.

درک مقاومت در برابر خستگی، انتخاب مواد، بهینه سازی طراحی و برنامه ریزی تعمیر و نگهداری را در سراسر صنایع هدایت می کند. در حالی که ایمنی کامل در برابر خستگی غیرممکن است، استفاده متفکرانه از اصول علم مواد، فرآیندهای تولید مانند قالب‌گیری تزریقی فلز و تکنیک‌های طراحی، اجزایی را ایجاد می‌کند که با خیال راحت به چرخه عمر مورد نظر آنها خدمت می‌کنند. 90 درصد خرابی‌های ماشینی که به خستگی نسبت داده می‌شوند، نشان می‌دهد که چرا این ویژگی مستحق توجه دقیق مهندسان، تولیدکنندگان و پرسنل تعمیر و نگهداری است.