پدیده خستگی چیست؟

بار های تکرار شونده

اگر تنش بیشینه در نمونه ای از یک ماده از حد الاستیک یا ارتجاعی آن ماده فراتر نرود، پس از آن که بار اعمالی از روی نمونه برداشته می شود، نمونه به شرایط اولیه خود قبل از بار گذاری باز می گردد. ممکن است این نتیجه گیری انجام شود که اگر بارگذاری بارها تکرار شود بازهم تنش در بازه الاستیک باقی می ماند. این نتیجه گیری هنگامی که بار گذاری ده ها بار یا صد ها بار تکرار شود صحیح است. اگر چه هنگامی که بار گذاری هزاران بار یا میلیون ها بار تکرار شود این نتیجه گیری صحیح نمی باشد. در این شرایط، گسیختگی در تنشی کمتر از مقاومت شکست استاتیکی رخ می دهد. از این مسئله می توان به عنوان خستگی یاfatigue  یاد کرد. شکست ناشی از خستگی، حتی برای موادی که به صورت طبیعی شکل پذیر هستند، ماهیت ترد دارد.

پدیده خستگی می بایست در طراحی تمامی سازه ها یی که تحت اثر بار های تکرار شونده و رفت  برگشتی قرار دارند لحاظ گردد.
تعداد سیکل های بار گذاری که ممکن است در طول مفید المان ها سازه ای اتفاق بیافتد متغیر است. به طور مثال تیری که حکم یک تکیه گاه جرثقیل صنعتی را دارد ممکن است در طول 25 سال دو میلیون بار بار گذاری شود.(حدود 300 بارگذاری در طول هفته) و یا هر تیغه توربین ممکن است چند صد میلیارد بار در طول عمر خود بار گذاری شود.
بعضی از بار ها طبیعت نوسانی دارند. به طور مثال عبور ترافیک بر روی یک پل منجر به سطوح تنشی می شود که بین سطح تنش ناشی از وزن پل نوسان می کند. شرایط بد تر هنگامی است که برگشت کاملی از بار اتفاق می افتد.

تعداد نوسان های بارگذاری که منجر به گسیختگی نمونه در بار های متوالی تکرار شونده و و رفت و برگشتی می شود برای هر بیشینه سطح تنش مشخص به صورت آزمایشگاهی مشخص می شود. اگر مجموعه ای از آزمایشات با استفاده از سطوح بیشینه تنش مختلف انجام شود، نتایج بدست آمده می تواند در نمودار (تنش-تعداد سیکل) مشخص شود. برای هر آزمایش تنش بیشینه در محور عمودی و تعداد سیکل های بار گذاری در محور افقی ترسیم می شود. به علت تعداد زیاد سیکل های بار گذاری مورد نیاز برای گسیختگی، تعداد سیکل ها یا n  در مقیاس لوگاریتمی کشیده شده است. 

یک نمودار معمول (تنش-تعداد سیکل) برای فولاد در شکل زیر نشان داده شده است. دقت شود که اگر تنش اعمالی بیشینه زیاد باشد تقریبا با تعداد اندکی از سیکل های بارگذاری گسیختگی اتفاق می افتد. همان طورکه مقدار بیشینه تنش کاهش می یابد، تعداد سیکل های بارگذاری که منجر به شکست می شود افزایش می یابد تا زمانی که تنش به مقدار مشخصی به نام حد استقامت (Endurance Limit)  می رسد. حد استقامت تنشی است که در آن تنش، حتی برای تعداد نا محدودی از بارگذاری ها  شکست اتفاق نمی افتد. برای فولاد کم کربن، چم چون فولاد سازه ای حد استقامت تقریبا نیمی از مقاومت نهایی فولاد است.

برای فلزات بدون آهن همچون آلومینیوم و مس، یک نمودار معمول sigma-n  (مطابق شکل بالا) نشان می دهد که تنش گسیختگی شدن با افزایش تعداد سیکل های بارگذاری کاهش می یابد. برای چنین فلزاتی حد استقامت با در نظر  گرفتن تنش متناظر جاری شدن تعداد مشخصی از سیکل های بارگذاری به طور مثال 500 میلیون مشخص می شود.

آزمایشاتی  که بر روی سازه هایی که در اثر خستگی گسیخته شده اند نشان می دهد که گسیختگی از یک ترک میکروسکوپی یا یک نقص مشابه دیگری آغاز شده است. در هر بار گذاری ترک به مقداری بسیار کمی بزرگ تر شده است. در هنگام بارگذاری های متوالی ترک در ماده انتشار یافته است تا زمانی که مقداری از ماده که بدون آسیب باقی مانده است برای باربری کافی نبوده و یک شکست ترد ناگهانی رخ می دهد. با توجه به آنکه شکست ناشی از خستگی ممکن است از هر ترک یا نقص شروع شود شرایط سطحی المان سازه ای تاثیر مهمی بر روی حد استقامت بدست آمده از بارگذاری دارد. حد استقامت برای نمونه های ماشینی وجلا داده شده بالاتر از نمونه های نورد شده و ریخته گری شده و یا نمونه های خورده شده است. در کاربرد هایی نزدیک به آب دریا ویا هر جایی که احتمال خوردگی وجود داشته باشد، کاهش 50 درصدی حد استقامت را می توان انتظار داشت.

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا