نام و موضوع این مطلب ممکن است برای بسیاری از افراد عجیب به نظر برسد. خستگی فلز! یکی از بزرگ‌ترین آسیب‌هایی که ممکن است به یک فلز وارد شود، خستگی فلز است و از آنجایی که این موضوع از دید افراد پنهان است، بی‌توجهی به آن می‌تواند عواقب بسیار بدی برای شما به همراه داشته باشد.
در سال 1842، در نزدیکی ورسای، یک قطار مسافربری شلوغ که حامل افرادی بود که از جشن در کاخ بازمی‌گشتند، به دلیل شکسته شدن محور لوکوموتیو از ریل خارج شد و آتش گرفت. پس از این حادثه دانشمندان، مهندسان و متالوژیست‌ها به بررسی عمیق این مشکل پرداختند و با پدیده‌ای با نام خستگی فلز مواجه شدند. بارزترین نمود خستگی فلز را احتمالاً در اخبار کشورهای مختلف و در رابطه با خراب کردن پل‌ها نیز شنیده‌اید. شاید برای بسیاری عجیب به نظر برسد که برای چه باید یک پل خراب شده و با صرف کلی هزینه، دوباره یکی جایگزین آن ساخته شود. یکی از دلایلی که باعث می‌شود که تصمیم به خرابی یک پل گرفته شود، همین خستگی فلز است. سالیان طولانی و فشار زیادی که به دلیل عبور خودروها از روی پل بوده، باعث ایجاد این خستگی و فرسودگی شده و برای حفظ جان انسان‌ها، بهترین تصمیم این است که بر اساس پارامترهای مشخص، طول عمر پل تعیین شده و بعد از گذشت آن اقدام به خراب نمودنش نمود. خستگی فلز یکی از ظریف‌ترین انواع خرابی فلزات و یکی از خطرناک‌ترین آنها است. اما خستگی فلز چیست و چه دلایلی باعث ایجاد این پدیده می‌شود؟ در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به سوالات شما پاسخ دهیم.
فهرست مطالب
خستگی فلز چیست؟
به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب، کمتر از استحکام نهایی و کمتر از حد تسلیم، خستگی فلزات (Metal fatigue) گفته می‌شود. این پدیده یکی از خطرناک‌ترین انواع آسیب‌های فلزی که عدم توجه به آن می‌تواند عواقب بسیار بدی به همراه داشته باشد. این خستگی زمانی رخ می‌دهد که ماده تحت تنش‌های تکراری یا نوسانی قرار گرفته که در نتیجۀ آن منجر به شکست نهایی فلز می‌گردد.
اساساً یک تئوری در این زمینه وجود دارد که می‌گوید که آرایش اتمی در کریستال‌های یک فلز ناقص است و حاوی اتم‌های گمشده متعددی است. اتم‌های از دست رفته شکاف‌هایی ایجاد می‌کنند که باعث افزایش فشارهای عظیم می‌شوند. هنگامی که فلز تحت بار قرار می‌گیرد، شکاف‌های افزایش دهنده تنش راه خود را از طریق دانه‌های کریستال برش داده و با هم جمع می‌شوند. هنگامی که شکاف‌های اتمی کافی در کنار هم جمع شوند، یک ترک میکروسکوپی تشکیل می‌شود. اگر بار افزایش یابد، ترک اولیه باز می‌شود. اگر بار از حداقل به حداکثر نزدیک به حد تحمل بار فلز در نوسان باشد، ترک‌های میکروسکوپی جدید از محل اولین ترک ریز گسترش می‌یابند و به رشد خود ادامه می‌دهد تا زمانی که فلز باقیمانده دیگر نتواند بار را تحمل کند و ناگهان از کار بیفتد.
خستگی فلز زمانی رخ می‌دهد که قطعات فلزی در اثر تنش‌های مکرر ضعیف شوند. سه مرحله برای خستگی فلز وجود دارد که عبارتند از:
مرحله‌ی 1: پس از گذراندن میزان معینی از دوره‌های بارگذاری، ترک‌های ریزی شروع به ایجاد شدن روی فلز می‌کنند. این ترک‌های ریز، بیشتر در نواحی هندسی که تنش در آنها متمرکز می‌شود، پدید می‌آیند. تنش مورد نیاز برای ایجاد این ریزترک‌ها، از مقاومت کششی نهایی و مقاومت کششی تسلیم فلز، کمتر است.
مرحله‌ی 2: در این مرحله، ریزترک‌ها همچنان تحت تنش‌های حاصل از بارگذاری‌های دوره‌ای هستند و این امر، باعث افزایش سایز ریزترک‌ها می‌شود.
مرحله‌ی 3: ریزترک‌ها در نهایت در این مرحله، به اندازه‌ای بزرگ می‌شوند که تنش‌ها باعث انتشار سریع ترک‌ها و همچنین آسیب به فلز می‌شوند. سطح ترک‌خورده از نظر ظاهری، بسته به نوع فلز و مقاومت کششی فلز، متفاوت است.
روش‌های جلوگیری از خستگی فلز
سوالی که پیش می‌آید این است که آیا می‌توان مانع خستگی فلز شد و یا آیا می‌توان با روش‌هایی، زمان آن را عقب‌تر انداخت؟ در پاسخ باید گفت که با در نظرگیری ملاحظات مهندسی مناسب، بله، می‌توان از اثرات نامطلوب خستگی فلز، جلوگیری کرد. خستگی فلز به‌طور مستقیم با تعداد چرخه‌های تنش متحمل شده توسط یک قطعه و سطح تنش وارد شده به قطعه ارتباط دارد. مطالعات نشان داده‌اند که عمر بی‌نهایت برای یک قطعه فلزی ممکن است، اما اگر تنش‌های موضعی در قطعه زیر محدوده‌های کاملاً تعریف شده حفظ شود. یک روش کلیدی برای جلوگیری از خستگی فلزات، نصب نرم‌افزار تجزیه و تحلیل خستگی روی طراحی سازه یا قطعۀ مورد نظر است. با انجام و تکرار آنالیزها، از وقوع این پدیده می‌توان جلوگیری کرد. برای نمونه، تجزیه و تحلیل نرم‌افزاری می‌تواند ناحیه‌ای از فلز را که در معرض خستگی قابل توجهی قرار دارد، به ما نمایش دهد. اگر این ناحیه نزدیک به یک ویژگی هندسی، مثلاً یک حفره باشد، می‌توان این حفره را به جای دیگری منتقل کرد. روشی دوم برای جلوگیری از پدیده خستگی فلز، انتخاب مواد مناسب است. مواد مختلف، مقاومت به خستگی متفاوتی دارند. برای مثال، فولاد می‌تواند دوره‌های تنش بالاتری را نسبت به آلومینیوم تحمل کند.
تعدادی از این روش‌ها به صورت لیست‌وار در زیر آمده‌اند:
- از مواد قوی‌تر و توانمندتر استفاده کنید.
- موادی را در نظر بگیرید که برای چالش‌های اصلی محیط‌های کاری مناسب هستند، مانند مقاومت در برابر خوردگی، هدایت حرارتی بهتر/بدتر.
- حاشیه خطا در مونتاژ و ساخت را کاهش دهید.
- در طراحی از گوشه‌های تیز خودداری کنید. از شعاع‌های سخاوتمندانه برای کاهش سطح تمرکز استرس استفاده کنید.
- سطوح ماشینکاری شده را تا حد امکان صاف کنید.
- در صورت امکان الزامات سخت‌گیرانه‌تری را مشخص کنید.
- از تغییر هندسه یا منافذ زیاد در ناحیه تنش اجتناب کنید.
- تقارن و سادگی طراحی بسیار ایده‌آل است.
- پرچ‌ها به نگهداری کمتری نیاز دارند اما به اندازه پیچ و مهره‌ها دوام ندارند.
- تغییرات شدید یا مکرر دما را کنترل کنید. موادی را با عدم تطابق کمتر ضرایب انبساط حرارتی برای قطعات جفت انتخاب کنید.
- قطعات را در برابر اشعه ماوراء بنفش یا سایر منابع مضر محافظت کنید.
- برای تعمیر و نگهداری مرتب، برنامه‌ریزی کنید.
نحوه تشخیص خستگی فلزات
اگرچه خستگی یکی از ویژگی‌های ذاتی فلزات است، اما امروزه، این پدیده به ندرت اتفاق می‌افتد. این به این دلیل است که قوانین خستگی به خوبی مطالعه شده و در طراحی‌ها به کار برده می‌شوند. به این ترتیب، ما می‌توانیم با خستگی به صورت سازمان یافته، از نظر ساختاری، تکنولوژیکی و متالورژیکی مقابله کنیم. چندین روش برای تعیین اینکه یک فلز شروع به خستگی می‌کند وجود دارد:
- بازرسی بصری. تشخیص ترک یا سایر تغییر شکل‌ها.
- تجزیه و تحلیل نویز. فلز آسیب دیده صدای تق تق خاصی ایجاد می‌کند.
- بررسی اولتراسونیک و اشعه ایکس. تشخیص بدن انسان و سازه فولادی در این زمینه اشتراکات زیادی دارند.
- رنگ‌های فلورسنت، ترک‌ها را نمایان می‌کنند.
- استفاده از پودرهای مغناطیسی
قابل ذکر است، هنگامی که فلز در معرض یک محیط خورنده قرار می‌گیرد، رفتار کاملاً متفاوتی دارد. خوردگی انتشار ترک خستگی را تا حد زیادی تسهیل می‌کند و می‌تواند باعث شود که ترک در تنش‌های کمتر شروع شود و ترک‌ها سریع‌تر، عمیق شوند. به این خستگی ناشی از خوردگی می‌گویند. پوشش‌های مختلف سطح – از رنگ آمیزی تا گالوانیزه – از خستگی ناشی از خوردگی محافظت می‌کند.
پرسش و پاسخ
فلز خراب یعنی چه؟
مفهوم “فلز خراب” به وجود آمدن شکستگی و خرابی در ساختار فلز اشاره دارد. وقتی فلز به شکل قابل توجهی دچار تغییرات ناپیوسته در ساختار و خواص مکانیکی خود می‌شود، به عنوان فلز خراب شناخته می‌شود. این شکستگی‌ها ممکن است در نتیجه تغییر شکل پلاستیک، کشش بیش از حد، ضربه، خستگی مکانیکی و یا تغییرات دما و رطوبت رخ دهند.
فلزات خراب ممکن است در شکل شکست یا ترک خوردگی ظاهر شوند. شکست در فلزات می‌تواند به صورت ترک‌های مشخصی که به طول فلز حرکت می‌کنند و یا در قالب ترک‌های ریزتر و پراکنده‌ای در سطح فلز بروز کند.
در حالت خرابی، خواص مکانیکی فلزات نیز تحت تأثیر قرار می‌گیرند. مثلاً مقاومت فلز به کشش، سختی و انعطاف‌پذیری آن کاهش می‌یابد. به طور کلی، فلز خراب دارای خواص مکانیکی نامطلوب است که می‌تواند منجر به عملکرد ضعیف‌تر و حتی شکست فلز شود.
برای جلوگیری از فلز خراب، مراقبت‌هایی مانند استفاده از روش‌های مهندسی صنعتی مناسب برای پردازش و تولید فلزات، طراحی قطعات بهینه، استفاده از ترکیبات فلزی مناسب، اعمال فرآیندهای حرارتی صحیح و کنترل مناسب فرآیندها و شرایط محیطی لازم است.
عمومی, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 22 آبان 1402
