مقاله ي شماره 11 : بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت خستگی بال پین پراید ( بخش 1 )

bi metal

عضو جدید
« فـهـرست مطالـب »

1-مقدمه
2-بال پین چیست؟
3- پاسخ تنش – کرنش چرخه ای
4- خستگی نرمی
5- جوانه زنی ترک خستگی
6-محل های جوانه زنی ترک
7- خسارت خستگی
8- مکانیزم های جوانه زنی ترک
9- مدل های پیشروی ترک
10-نتیجه ی تست خستگی نمونه های بدون عملیات
11- نتیجه ی تست خستگی نمونه های با صافی سطح بالا
12- نتیجه ی تست خستگی نمونه های عملیات حرارتی شده

بال پین چیست؟
بال پین یا سیبک یکی از قطعات فوق حساس در سیستم جلوبندی خودرو میباشد که شکست پیش از موقع آن ممکن است خسارت جانی در پی داشته باشد.
جنس آن از فولاد 37Cr4 با شماره 1.7034 می باشد و عناصر آلیاژی آن شامل :
C=0.34-0.41%
Si<%0.4 =
Mn=0.6-0.9%
%Cr=0.9-0.1






شکل1 جلوبندی یک خودرو مشاهده میشود که یکی از بال پین ها با پیکان نمایش داده شده


در شکل2نیز بال پین پراید مشخص شده است :




شکل 2


مقدمه
اصطلاح " خستگی فلزات " ظاهرا با واژگان فنی دقیق جور در نمی آید . اما به هر حال یک شباهتی میان خستگی و خستگی فلزات وجود دارد.وقتی قطعه ای از یک دستگاه یا یک سازه کامل در معرض نیروهای خارجی چرخه ای قرار می گیرد ممکن است که شکست کامل رخ بدهد ، اگرچه در اثر چرخه های بار گذاری آسیب محسوسی دیده نمی شود .به علاوه ، نیروهای خارجی ممکن است آنقدر کوچک باشند که یک بار کاربرد آنها اصلا خسارت قابل تشخیصی ایجاد نکند . قبل از وقوع شکست تغییرات ریز میکروسکوپیک در ساختار فلز به وجود می آید که از نوع افزایشی اند و برگشت ناپذیرند .
از لحاظ سابقه تاریخی شکست ناشی از خستگی اولین بار در اجزایی مثل محور های چرخ قطار و قطعات ماشین بخار مشاهده شد که به آنها نیروهای خارجی چرخه ای وارد می شد . در اواسط قرن گذشته شکست قطعات در حین کار باعث تسریع آزمایش هایی شد که هدف آنها تعیین مشخصه های مکانیکی مناسب برای طراحی ایمن قطعاتی بود که تحت نیروهای چرخه ای قرار می گیرند . اولین آزمایش های سیستماتیک را آگوست ولر در سال های 1852 تا 1870 انجام داد . از آن موقع به بعد ، یکی از مشخصه های اصلی خستگی فلزات منحنی ولر بوده است ، که به آن منحنی S/N هم می گویند .این منحنی ارتباط میان دامنه تنش aσ (برای یک تنش میانگین مفروض ) و تعداد چرخه های لازم برای شکست کامل یا Nfرا نشان می دهد (شکل 1.1). دامنه تنشی را که به ازای آن ، حتی پس از اعمال تعداد بسیار زیادی چرخه ( در حد 107 ) هم ، شکست رخ ندهد از زمان ولر حد خستگی نامیده اند .
در نیمه اول قرن حاضر یک تحقیق تجربی انجام شد و در پی آن انبوهی از داده های مفید درباره اثر تنش میانگین ، فاقها ، محیط ، و پرداخت سطح و غیره بر منحنی S/N به دست آمد . تمام این داده ها، که صرفا بر مبنای تنش بدست آمده اند ، در عمل کمک زیادی به طراحی برای مقاومت در مقابل خستگی کرده اند . متاسفانه ف تجربی بودن این داده ها کاربرد آنها را به شرط بارگذاری خاص و مواد خاص محدود کرده است و قطعا نمی شود آنها را تعمیم داد .

در آغاز دهه 1950 تقریبا برای همه معلو شده بود که بدون درک اساسی فرایند خستگی در سطح زیر میکروسکوپیک ، و بدون مطالعه سیستماتیک ماهیت کل فرایند خستگی و مراحل وقوع آن ، پیشرفت بیشتر در زمینه طراحی ایمن در مقابل خستگی ممکن نیست . مسئله قابلیت اعتماد و دوام بیشتر ماشین ها و سازه ها هم که پیچیدگیشان هر روز افزوده می شد این روند را تقویت کرد .این تحقیق مقدماتی ، که اخیرا در حوزه وسیعتری انجام شده ، نتایج چشم گیری به بار آورده است .


دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخمی دهد.


حالا دیگر می دانیم که فرایند خستگی بر اثر تغییر شکل مومسان چرخه ای به وجود می آید . در واقع بدون تغییر شکل مومسان تکراری خستگی ایجاد نمی شود . مثلا دامنه کرنش مومسان همه مواد ، در حد خستگی از مرتبه 5- 10 است . اگر این کرنش مومسان فقط یکبار اعمال شود تغییر چشمگیری در ساختار ماده ایجاد نمی کند ، اما همین کرنش مومسان بسیار کم ، در صورت تکرار زیاد منجر به آسیب دیدگی افزایشی و در نهایت شکست ماده می شود . تغییر شکل کشسان کاملا برگشت پذیر است و بنابراین نمی تواند منجر به آسیب دیدگی شود . اما تغییر شکل مومسان منجر به تغییرات بازگشت ناپذیر در ریز ساختار ماده ، و بخصوص در ریز ساختار نابجایی ها ، می شود و بنابر این فقط تغییر شکل مومسان چرخه ای را به عنوان پدیده تعیین کننده در فرایند خستگی بررسی خواهیم کرد . بر خلاف نظریه اصلی ولر و رهیافت تجربی متعاقب آن ، برای توصیف کمی فرایند خستگی و مراحل وقوع ان از داده های مبتنی بر تنش و همچنین ف عمدتا ، مبتنی بر کرنش ، و رابطه بین تنش و کرنش استفاده خواهیم کرد .
کل فرایند خستگی را می شود بر مبنای تغییرات برگشت ناپذیری که بر اثر تغییر شکل مومسان بوجود می آیند به سه مرحله متوالی و تا اندازه ای همپوشان تقسیم کرد :
الف ) مرحله سخت و یا نرم شدن بر اثر خستگی که بستگی به حالت اولیه ماده و به دامنه تنش یا کرنش دارد . این مرحله را تغییرات حاصل در ریز ساختار کل حجم فلز باگذاری شده مشخص می کند .
ب ) مرحله جوانه زنی ترک های ریز که در حجم کمی از نمونه ، یعنی در سطح نمونه ، رخ می دهد . وجه اشتراک انواع جوانه زنی تمرکز تنش در لایه سطحی است .
ج ) پیشروی ترک که در نهایت منجر به شکست نمونه می شود . عاملی که پیشروی ترک را کنترل می کند تمرکز تغییر شکل مومسان چرخه ای در منطقه مومسان راس ترک است .
در شکل 2.1 ترتیب وقایعی را که در حین بارگذاری چرخه ای رخ می دهد به طور طرحوار نشان داده ایم . منحنی عمر – خستگی ( مثلا S/N برای بار گزاری چرخه ای با دامنه تنش ثابت ) نماینده پایان مرحله پیشروی ترک ئ همزمان پایان فرایند خستگی است . دو منحنی دیگر هم به ترتیب پایان جوانه زنی و پایان مرحله سخت یا نرم شده را نشان می دهند . لازم است تاکید کنم که بین این مراحل مرز مشخصی وجود ندارد . مثلا ، انتخاب حداقل طول ترک برای متمایز کردن مرحله جوانه زنی از مرحله پیشروی ، کاری کم و بیش قراردادی است . تعداد چرخه های لازم برای هر کدام از این مراحل قویا بستگی به ماده ، شکل هندسی جسم بار گذاری شده و نیروهای خارجی ، شرایط بارگذاری ، و محیط و غیره دارد .
در مطالعات تغییرات ساختاری اصلی در فلزی که به آن تنش چرخه ای اعمال می شود،فرایند خستگی برای سهولت درک به مراحل زیر تقسیم شده است:
(1. شروع ترک : شاملایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.
(2. رشد ترکنوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تنش برشی زیاد، این مرحلهغالبا رشد ترک مرحله 1 نامیده می شود.
(3. شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششیزیاد: عبارت است از رشد یک ترک معین در جهت عمد بر تنش کششی حداکثر . این مرحلهمعمولا رشد ترک مرحله 2 نامیده می شود.
(4. شکست نرم نهایی: هنگامی رخ می دهد کهطول ترک به اندازه کافی برسد، طوری که سطح مقطع باقیمانده نتواند بار وارده را تحملکند.

منبع
http://edris.mihanblog.com
 

bi metal

عضو جدید
بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت خستگی بال پین پراید ( بخش 2 )

بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت خستگی بال پین پراید ( بخش 2 )

پاسخ تنش – کرنش چرخه ای

خواص مکانیکی
1- سخت شدن و نرم شدن
بارگذاری چرخه ای فلزات و آلیاژها منجر به تغییرات ساختار آنها می شود . این تغییرات در خواص ( قابل اندازگیری ) مکانیکی ، الکتریکی ، مغناطیسی و سایر خواص ماده بروز می کنند . نتایج تجربی نشان می دهند که این تغییرات نوعا ماهیت اشباعی دارند . به این ترتیب که در شروع بارگذاری چرخه ای تغییرات خیلی شدیدند ، اما با افزایش تعداد چرخه ها از شدت آنها کاسته می شود و پس از تعداد نسبتا کمی چرخه ( در مقایسه با تعداد کل چرخه ها تا وقوع شکست ) معمولا کمیت اندازگیری شده به حد اشباع می رسد . در شکل 3 ، این نحوه تغییر برای نمو مقاومت ویژه (Þ∆ ) نشان داده شده است . می بینیم که مقاومت ویژه سیم های مسی در شروع بارگذاری چرخه ای افزایش می یابد و خیلی زود به حد اشباع می رسد و عملا در بقیه عمر خستگی ثابت می ماند . سایر پارامتر های فیزیکی هم ، که به خواص حجمی جسم بارگذاری شده مربوط می شوند ، رفتار مشابهی نشان می دهند .
از میان تغییراتی که ذکر کردیم ، تغییرات خواص مکانیکی از همه مهمترند . اصطلاح خواص مکانیکی طیف بسیار وسیعی دارد .
شکل3
در این مقوله خواصی را در نظر می گیریم که مشخصه پاسخ کل جسم به نیروهای خارجی اند . خواص مکانیکی عموما شامل رابطه تنش – کرنش در شرایط آزمایش است . نه تنها منحنی کشش معمولی (یعنی تغییرات آن پس از بارگذاری چرخه ای ، و بستگی تنش تسلیم یا تنش سیلان به تعداد چرخه ها و غیره ) و اندازگیری های اصطکاک داخلی ، به این مقوله تعلق دارد . بلکه اطلاعاتی هم که مستقیما با اندازگیری تنش و کرنش درحین بارگذاری چرخه ای به دست می آیند از همین مقوله اند . با این روش می توان ویژگی های حلقه پس ماند ، و بستگی دامنه تنش یا کرنش به تعداد چرخه ها ، یا وابستگی متقابل دامنه تنش کرنش در حین اعمال بار چرخه ای را تعیین می کنیم .
اولین گام را در این زمینه بیرستو برداشت . و به بررسی تغییرات << حد کشسانی >> آهن و فولاد تحت تنش های چرخه ای متفاوت پرداخت . اولین تحقیق سیستماتیک در سال های 1920 و 1930 مطرح شد . در این دوره روش اندازگیری اصطکاک داخلی پیدا شد . این روش همچنان به عنوان یکی از روش های غیر مخرب به کار می رود . و حتی در ارتعاشات کم دامنه هم حساسیت کافی دارد .منحنی لگاریتمی کاهش v بر حسب تعداد چرخه ها در شکل 4 نشان داده شده است .


شکل4 نمودار کاهش لگاریتمی v بر حسب تعداد چرخه ها

در این مورد کاهش لگاریتمی در تمام مدت در بسامد تشدید نمونه ای از جنس فولاد کم کربن ، بعد از تعداد معینی چرخه بار گذاری ، اندازگیری شده است . این کاهش بعد از تعداد نسبتا کمی چرخه ، به حد اشباع می رسد . افزایش شدت کاهش لگاریتمی V در انتهای عمر خستگی را می شود مربوط به تغییر شکل هندسی نمونه دانست که ناشی از انتشار ترک های ماکروسکپیک است . شکل 5، نمونه ای از تاثیر بارگذاری چرخه ای بر نمودار کشش را نشان می دهد . در این مورد نمونه ای از جنس برنج α ، در دامنه تنش ثابت ، تحت بارگذاری چرخه ای کشش – فشار قرار گرفته است . بارگذاری چرخه ای بعد از تعداد معینی چرخه متوقف شده و داده های منحنی کشش در کرنش های خیلی کم اندازگیری شده است . بنابراین در شکل 5 فقط کرنش مومسان بر روی محور افقی رسم شده است . با افزایش تعداد چرخه های بارگذاری ، منحنی کشش به تنش های بالاتری منتقل شده است . به عبارت دیگر ، در این مورد با افزایش تعداد چرخه ها مقاومت ماده در مقابل نیروهای خارجی افزایش یافته است ، زیرا برای رسیدن به یک کرنش مومسان معین ، تنش های بیشتر و بیشتری لازم است . آهنگ این تغییر ( یعنی ، نمو تنش به اضای یک کرنش معین ) با افزایش تعداد چرخه ها کاهش یافته و پس از تقریبا 5 10 چرخه ، که نماینده حدود 10 در صد کل چرخه ها تا شکست است ، به اشباع رسیده است .
بهترین و مفید ترین روش آشکار سازی سخت و یا نرم شدن ماده اندازگیری پیوسته حلقه پسماند در حین بارگذاری چرخه ای است . حلقه پس ماند را در شکل 6 نشان داده ایم .
شکل 5
شکل 6

a σ دامنه تنش ، apε دامنه کرنش مومسان و εae دامنه کرنش کشسان است . امروزه با استفاده از دستگاه های جدید آزمایش خستگی معمولا می توان دامنه تنش ، یا دامنه کرنش کل یا حتی ، در بعضی موارد ، دامنه کرنش مومسان را هم در حین بارگذاری چرخه ای ثابت نگه داشت . در بارگذاری چرخه ای با تنش ثابت ، فقط دامنه کرنش می تواند تغییر کند . وقتی دامنه کرنش ( کل یا مومسان ) با افزایش تعداد چرخه ها کم می شود ، می توانیم درباره سخت شدن چرخه ای یا خستگی سختی صحبت کنیم ( شکل 5.2 الف ) . در این مورد نرم شدن در اثر خستگی با افزایش دامنه کرنش مشخص است ( شکل 5.2 ب ) . در مورد آزمایش با کرنش کنترل شده ( که دامنه کرنش کل یا کرنش مومسان صابت می ماند ) . تعریف های سخت و یا نرم شدن روشنترند . خستگی سختی توام با افزایش دامنه تنش است . یعنی ، تنش لازم برای رسیدن به یک کرنش معین افزایش می یابد ( شکل 5.2 ج ) . به عکس ، خستگی نرمی توام با کاهش دامنه تنش است یعنی ، تنش لازم برای رسیدن به یک کرنش معین کاهش می یابد ( شکل 5.2 د ).



شکل 7

داده های تجربی بسیاری نشان می دهند که منحنی های سخت یا نرم شدن تقریبا همیشه حد اشباع دارند . حتی در مواردی هم که اشباع خیلی آشکار نیست ، شیب منحنی ها با افزایش تعداد چرخه ها به سرعت کاهش می یابد و تغییرات بعدی خیلی مسخص نیستند .غالبا در انتهای عمر خستگی در منحنی های سخت شدن یا نرم شدن تغییرات سریع بیشتری را می توان دید – این تغییرات ناشی از پیشروی ترک های ماکروسکوپیک اند و ربطی به خواص کل جسم ندارند .
در حین بارگذاری چرخه ای شکل و مساحت حلقه پسماند هم تغییر می کند ، اما اینها اصلا مشخصه های مناسبی برای فرایند سخت شدن یا نرم شدن نیستند . مثلا ، در آزمایش خستگی تحت تنش ثابت ، سخت شدن با کاهش دامنه کرنش مشخص می شود ، اما تحت کرنش کنترل شده ، در افزایش دامنه تنش بروز می کند . مساحت حلقه پسماند در حالت اول افزایش و در حالت دوم کاهش می یابد .
داده های تجربی ای که عمدتا در بیست سال اخیر درباره فرایند سخت یا نرم شدن بر اثر خستگی تحت شرایط بارگذاری مختلف به دست آمده اند متفاوت اند . در نتیجه می توان نکات مهم را بر حسب نوع ماده دسته بندی کرد :


منبع :
http://edris.mihanblog.com/
 

Similar threads

بالا