منظور از خستگی فلز چیست؟

خستگی فلز می تواند بدون هشدار باعث خرابی های فاجعه بار شود، مانند جدا شدن تیغه فن از موتور جت، باعث آسیب یا حتی مرگ شود. برای درک و جلوگیری از خستگی فلزات، ابتدا باید چیزی در مورد تنش در فلزات بدانیم.

استرس را می توان به روش های مختلفی اعمال کرد. به عنوان مثال، تنش کششی در شعاع بیرونی یک قطعه خم شده از سیم فلزی ایجاد می شود. در همان زمان، تنش فشاری در شعاع داخلی خم رخ می دهد. معکوس کردن خم، تنش های فشاری و کششی را معکوس می کند.

وقتی بارها و بارها تکرار شود، غلظت‌های تنش مانند این باعث ایجاد ریزترک‌ها می‌شود. اگر تنش ها ادامه یابد، ترک ها رشد خواهند کرد. و از آنجایی که شکاف ها کوچک هستند، ممکن است هشدار کمی وجود داشته باشد یا اصلاً وجود نداشته باشد. نتیجه می تواند شکست غیرقابل پیش بینی خستگی فلز باشد.

عواملی که باعث خستگی فلز می شوند

علاوه بر تنش های خمشی یا شعاعی، انواع دیگر تنش ها می توانند باعث خستگی فلز شوند. ممکن است نقصی ناشی از فرآیند تولید یا درون خود ماده باشد. افزایش خستگی فلز همچنین می تواند به دلیل خوردگی، چرخش قطعه، دما، سایش یا طراحی ساختاری رخ دهد. برای مثال، لبه‌های سوراخ‌ها تمایل به تمرکز تنش دارند، اما سوراخ را می‌توان در جای دیگری قرار داد و باعث می‌شود که قطعه کمتر مستعد خستگی شود.

تنش هایی که باعث خستگی فلز می شوند معمولا کمتر از مقاومت کششی نهایی مواد هستند. مهندسانی که یک قطعه را طراحی می کنند باید بفهمند که قطعه چقدر می تواند فشار مکرر را تحمل کند و این تا حدی به مقاومت خستگی فلز بستگی دارد.

اشکال شکست خستگی مواد

شکست خستگی فلز می تواند در اشکال مختلف خستگی منعکس شود، از جمله:

شکست خستگی حرارتی. این نوع خستگی فلز در اثر تغییرات دما اتفاق می افتد. این تغییرات می تواند ناشی از عوامل محیطی و همچنین نوسانات دما از خاموش و روشن شدن برنامه ها باشد.
شکست خستگی ناشی از خوردگی معمولاً به دلیل محیط های خورنده که به فلز آسیب می رساند. خوردگی در ابتدا می تواند باعث ایجاد ترک شود که می تواند باعث آسیب مکانیکی و خستگی شود.
شکست خستگی ناشی از ارتعاش. همانطور که از نام آن پیداست، خستگی ناشی از ارتعاش ناشی از آسیب ارتعاشی است که منجر به ایجاد ترک و تنش در هنگام کارکرد تجهیزات در سطوحی خارج از استانداردهای عملیاتی می شود.
نقص مکانیکی. این نوع از خستگی فلز به دلیل تنش های ایجاد شده در طول زمان است و شامل شکست خوردگی و خستگی ناشی از ارتعاش است.

ملاحظات طراحی برای تعیین استحکام خستگی فلز

مواد مختلف استحکام خستگی متفاوتی دارند. برای تعیین استحکام خستگی یک ماده، مهندسان چندین نمونه یکسان را تحت بارهای چرخه ای مختلف آزمایش می کنند تا زمانی که شکسته شوند. سپس بسیاری از چنین نقاط داده ای را می توان بر روی یک نمودار رسم کرد تا حد خستگی ماده را تعیین کند.

با استفاده از این مقدار شناخته شده، مهندسان سازه می توانند تحلیل خستگی نرم افزاری طراحی قطعه را انجام دهند. در صورت نیاز، می توانند قطعه را برای به حداقل رساندن تنش های داخلی دوباره طراحی کنند. یا می توانند ماده متفاوتی را مشخص کنند که در برابر استرس خستگی مقاوم تر باشد.

طرح های مهندسی که در آن خستگی فلز در اثر تنش های مکرر می تواند مشکلاتی ایجاد کند عبارتند از:

توربوفن های موتور جت با ملخ های چرخان
اعضای بدن هواپیما
دوچرخه های آفرود
پل هایی با ترافیک و ارتعاش باد
سیستم تعلیق خودرو
تجهیزات تولیدی
هر جزء تحت تنش ارتعاشی

خستگی فلزات هوانوردی

خستگی فلزات در هواپیما به دلیل ماهیت چرخه ای فشار و تنش بر روی قطعات و اجزای هواپیما یک اتفاق رایج است. با گذشت زمان ترک‌های کوچک می‌توانند در اندازه و وسعت افزایش پیدا کنند، جایی که خستگی فلز می‌تواند به یک عامل مؤثر در شکست مکانیکی و ساختاری تبدیل شود.

فشار، قرار گرفتن در معرض اتمسفر، و شرایط کلی پرواز می تواند قطعات آلومینیوم، فولاد کربن و فولاد ضد زنگ هواپیما را تضعیف کند. مناطق اصلی که در آن خستگی فلز در هواپیما رخ می دهد:

نواحی خارجی مانند پوست هایی که تحت فشار ساختاری عمل می کنند
مناطق داخلی که در آن اجزای باربر در معرض محیط های تنش بالا هستند

تعمیر و نگهداری و بازرسی معمول می تواند به جبران خستگی فلزات هوانوردی کمک کند، در حالی که صیقل دادن سطوح فلزی هواپیما نیز می تواند به کاهش اثرات ترک ها و خستگی کمک کند.