نگاهی به حالت های شکست طولانی مدت در فلزات

بارزترین دلایل شکست شامل بارگذاری بیش از حد یک ماده در گذشته از تنش تسلیم آن است، مانند قرار دادن بار بسیار سنگین روی یک تیر. سایر حالت‌های شکست معمول شامل برخورد سریع با یک ماده، ایجاد نرخ کرنش بالا، در نتیجه باعث شکستن مواد می‌شود. در هر دوی این موارد، تنش تسلیم بیش از حد است.

با این حال، حالت های شکست دیگری وجود دارد که شامل تجاوز از تنش تسلیم مواد نمی شود، یا بهتر است بگوییم، به نظر می رسد که تنش اعمال شده کمتر از مقدار متنی تنش تسلیم است. در واقع، با توجه به شرایط، تنش تسلیم برای مواد بیشتر شده است، اما چرا این مقدار بسیار کمتر از ارزش کتاب درسی است؟ این موضوع بحث حالت های خرابی طولانی مدت را مطرح می کند.

خستگی

شکست خستگی زمانی است که یک ماده به طور مکرر تحت فشار قرار گرفته باشد و بسیار کمتر از تنش تسلیم شکست بخورد. اغلب، زمانی که بخشی از قطعه "فرسوده می شود"، می توان آن را به شکست خستگی نسبت داد، زیرا قطعه به طور مکرر به مقداری کمتر از تنش تسلیم تحت فشار قرار می گیرد، اما در نهایت به هر حال از کار می افتد.

یکی از روش‌های تعیین مدت زمان ماندگاری یک ماده تحت بارگذاری مکرر، انجام آزمایش خستگی است، که در آن یک ماده با سرعت بالا و در شرایط بارگذاری متفاوت می‌چرخد تا زمانی که شکست بخورد. این آزمایش‌ها بر روی یک "تنش/تعداد چرخه" یا "منحنی S-n" ترسیم می‌شوند، جایی که، همانطور که انتظار می‌رود، تنش‌های بالاتر باعث می‌شود قطعات با تعداد چرخه‌های کمتری از کار بیفتند.

چیزی که نمی توان انتظار داشت مفهوم «محدودیت استقامت» یا «محدودیت خستگی» است. برخی از مواد تحت بارگذاری های مکرر شکست نخواهند خورد مگر اینکه تنش بالاتر از حد استقامت باشد. در نمودار بالا، توجه کنید که تا زمانی که تنش زیر 30 ksi نگه داشته شود، نمونه فولاد بدون توجه به تعداد چرخه هایی که تجربه می کند، به دلیل شکست خستگی از بین نمی رود. نمونه آلومینیوم در نهایت بدون توجه به تنش شکست خواهد خورد. از نظر تئوری اگر کسی به اندازه کافی با انگشت خود به آرامی به آن ضربه بزند (بیش از 10^9 بار) شکست می خورد.

حد استقامت راهی عالی برای طراحی مقاومت در برابر خستگی می شود، اما نمی تواند تنها معیار باشد. آلیاژهای فولاد به طور کلی نسبت به آلیاژهای آلومینیوم برای خستگی بهتر عمل می‌کنند، اما ممکن است در محیط‌های خاصی مانند محیط‌هایی که به فولاد خورنده هستند، عملکرد خوبی نداشته باشند، اما برای آلومینیوم، مانند قرار گرفتن در معرض شرایط جوی یا آب شیرین، خورنده نباشند.

در نگاه اول، عمر خستگی 10،000،000 چرخه زیاد به نظر می رسد. به نظر می رسد که این موضوع برای اکثر برنامه ها نگران کننده نیست و برای برخی از برنامه ها نگران کننده نیست. با این حال، میل لنگ را در موتور خودرو در نظر بگیرید. اگر این موتور در دور 1000 دور در دقیقه کار کند، می توان انتظار داشت که میل لنگ در 10000 دقیقه یا کمتر از 167 ساعت از کار بیفتد. با توجه به اینکه بسیاری از آمریکایی‌ها حدود یک ساعت در روز را صرف رفت و آمد به محل کار خود می‌کنند، این بدان معناست که یک خودروی کاملاً جدید که فقط با سرعت در حال حرکت است، تنها 167 روز کاری دوام می‌آورد.

خزیدن

خزش به طور خاص یک حالت خرابی در دمای بالا است. درک این نکته مهم است که خزش به این دلیل رخ نمی دهد که مواد ذوب شده اند، بلکه به این دلیل است که مواد تحت بار در طول زمان تغییر شکل می دهند. لوله های انتقال بخار اغلب دچار شکست خزشی می شوند، زیرا برای مدت طولانی تحت بار و دمای بالا قرار می گیرند. هنگامی که آنها کمی خزش می کنند، آب بندی را متوقف می کنند و باعث نشت بخار می شوند و نیاز به تعویض دارند.

به طور کلی، زمانی که دمای فلز از حدود یک سوم دمای ذوب آن فراتر رود، خزش مشکل ساز می شود. از آنجا، هر چه دما بالاتر باشد، خرابی خزش سریعتر رخ خواهد داد. در حالی که خزش می تواند در زیر این دما اتفاق بیفتد، معمولاً نیروی محرکه شکست نیست، فقط یک عامل کمک کننده است.

از نظر مکانیکی، بارگذاری بر جهت حرکت عموماً تصادفی اتم‌ها در فلز تأثیر می‌گذارد. به جای حرکت کاملا تصادفی، اتم ها تمایل دارند جهت خاصی را ترجیح دهند تا اندکی تنش را کاهش دهند. با گذشت زمان، اتم های کافی این حرکت را انجام می دهند به طوری که فلز شروع به تغییر شکل در این جهت می کند. برای مثال، لوله‌های بخار تمایل به کشش به سمت پایین دارند، هم تحت بارگذاری فشار بخار و هم تحت تأثیر نیروهای گرانشی که بر روی آنها می‌کشند.

جلوگیری از خزش به معنای کاهش بار یا دمای عملیاتی است. برخی از افزودنی ها مانند کروم، کبالت، نیکل، مولیبدن و چند ماده دیگر می توانند به بهبود قدرت خزش کمک کنند. همچنین، عملیات حرارتی خاص می تواند قدرت خزش را نیز بهبود بخشد.

خوردگی

وقتی اکثر مردم به خوردگی فکر می کنند، به ماشین های زنگ زده فکر می کنند. با این حال، انواع مختلفی از خوردگی وجود دارد و خوردگی بیشتر از فولاد را تحت تأثیر قرار می دهد. با تعریف ضعیف، خوردگی شامل هرگونه آسیبی است که به دلیل شرایط محیطی از جمله قرار گرفتن در معرض رطوبت، مواد شیمیایی رایج، نور و غیره رخ می دهد.

از آنجایی که انواع مختلفی از خوردگی وجود دارد، صحبت در مورد همه آنها به طور کلی دشوار است. با این حال، خوردگی را می توان به عنوان یک افزایش دهنده تنش در نظر گرفت که به دلیل شرایط محیطی، اجزا را ضعیف تر از آنچه در غیر این صورت بود، می کند. تکنیک های کاهش نیز به نوع خاصی از خوردگی که با آن مواجه می شود بستگی دارد. به عنوان مثال، یک کشتی کانتینری که در آب نمک غوطه ور است، احتمالاً دارای آندهای قربانی است که به طور انتخابی بر روی بدنه کشتی مورد حمله قرار می گیرند. پوشش ها می توانند به جلوگیری از زنگ زدن برج آب شهر کمک کنند و غیره.

خوردگی تمایل دارد به اجزایی که قبلاً تحت فشار هستند حمله کند. منبع: حوزه عمومی

نتیجه گیری

در حالی که هر یک از این موضوعات به صورت جداگانه مورد بحث قرار گرفته است، واقعیت این است که شکست یک جزء به ترکیبی از علل نسبت داده می شود. حتی خرابی‌های به ظاهر ساده ممکن است چندین منبع استرس داشته باشند که عمر یک قطعه را کوتاه می‌کند. شفت موتوری که از کار می افتد ممکن است به دلیل خستگی نسبت داده شود، اما همچنین به دلیل هوای مرطوب در یک کارخانه تولیدی در مقابل کارخانه دیگر، ترک خوردگی ناشی از استرس را تجربه کرده است. با بررسی هر یک از حالت‌های خرابی، مهندسان می‌توانند از این که چه نوع محیط‌هایی طول عمر یک قطعه را کوتاه می‌کنند، بیشتر آگاه شوند و می‌توانند بر اساس آن برنامه‌ریزی کنند.