عمران , مکانیک , مهندسی 317 بازدید

رفتار یک سازه در هنگام بارگذاری نه تنها به طبیعت مواد تشکیل‌دهنده بلکه به ویژگی‌های بارهای اعمال شده نیز بستگی دارد. یکی از معیارهای تشخیص نوع بارگذاری، ثابت یا متغیر بودن بار در طی زمان است. به طور کلی، نحوه اعمال بار به مواد مختلف را می‌توان به دو گروه «بارگذاری استاتیک» (Static Loading) و «بارگذاری دینامیک» (Dynamic Loading) تقسیم‌بندی کرد. در بارگذاری استاتیک، بار به آرامی بر روی سازه اعمال می‌شود و هیچ لرزشی درون سیستم رخ نمی‌دهد. در این شرایط، میزان بار به تدریج از 0 تا حداکثر مقدار مورد نظر افزایش می‌یابد و سپس در همان مقدار حداکثری ثابت باقی می‌ماند.

شرایط بارگذاری دینامیک با بارگذاری استاتیک متفاوت است. این نوع بارگذاری انواع مختلفی دارد. در برخی از موارد، اعمال بار و توقف آن به صورت ناگهانی صورت می‌گیرد. به بارهای اعمال شده در این شرایط، «بارهای ضربه‌ای» (Impact Loads) گفته می‌شود. بارهای ضربه‌ای در هنگام برخورد دوشی به یکدیگر یا اصابت یکشی در حال سقوط به یک سازه ایجاد می‌شوند.در موارد دیگر بارگذاری دینامیک، اعمال بار برای دوره‌های طولانی‌مدت صورت می‌گیرد و شدت آن به طور پیوسته تغییر می‌کند. به بارهای اعمال شد در این شرایط، «بارهای متناوب» (Fluctuating Loads) گفته می‌شود. بارهای متناوب توسط ماشین‌آلات چرخشی، ترافیک، تندباد، امواج آب، زلزله و فرآیندهای تولید قطعات به وجود می‌آیند. در این مقاله، به معرفی یکی از انواع بارهای متناوب به نام «بارهای تکراری» (Repeated Loadsمنحنی S-N و پدیده خستگی خواهیم پرداخت.

انواع بارهای تکراری

در شکل زیر، برخی از الگوهای متداول بارگذاری تکراری نمایش داده شده است. نمودار الف، بارگذاری، باربرداری و بارگذاری مجدد در یک جهت ثابت همیشگی را نمایش می‌دهد. در نمودار ب، نوع دیگری از بارگذاری تکراری به تصویر کشیده است که در آن، جهت اعمال بار پس از هر چرخه تغییر می‌کند (بارگذاری معکوس یا متغیر). نمودار ج، یک بارگذاری متناوب را نشان می‌دهد. در این نوع بارگذاری، مقدار بار اعمال شده حول یک مقدار میانگین به طول متناوب کاهش و افزایش می‌یابد.

انواع بارهای تکراری: الف) اعمال بار در یک جهت ثابت؛ ب) اعمال بار معکوس یا متغیر؛ ج) اعمال بار متناوب حول یک مقدار میانگین

سازه‌هایی نظیر ماشین‌آلات، موتورها، توربین‌ها، ژنراتورها، شفت‌ها، پروانه‌ها، قطعات هواپیما، قطعات اتومبیل و غیره به طور معمول با بارهای تکراری سر و کار دارند. حضور بارهای تکراری در این موارد به قدری متداول است که برخی از این سازه‌ها در طول عمر عملیاتی خود چند میلیون یا حتی چند میلیارد چرخه بارگذاری را تجربه می‌کنند.

خستگی

احتمال شکست سازه‌ها در شرایط بارگذاری دینامیک در مقایسه با شرایط بارگذاری استاتیک بیشتر است. اگر فرآیند بارگذاری دینامیک در چرخه‌های زیاد تکرار شود، احتمال شکست افزایش خواهد یافت. در این موارد، شکستگی معمولاً بر اثر «خستگی» (Fatigue) یا «ترک پیشرونده» (Progressive Fracture) رخ می‌دهد. به عنوان مثال، باز و بسته کردن مداوم یک گیره کاغذ، در نهایت باعث ایجاد شکست ناشی از خستگی در آن می‌شود. در صورتی که گیره تنها یک مرتبه باز شود، شکستی نمی‌دهد اما اگر جهت اعمال بار تغییر کند و چرخه بارگذاری (باز و بسته کردن گیره) چندین بار تکرار شود، گیره سرانجام می‌شکند. یکی دیگر از مثال‌های معروف در این زمینه، شکست در چرخ‌های قطار و ریل‌های راه‌آهن بر اثر قرارگیری در معرض بارگذاری‌های تکراری است.

گیره کاغذ
گیره کاغذ

خستگی را می‌توان به عنوان زوال ماده در حین تکرار چرخه‌های بارگذاری، ایجاد ترک‌های پیشرونده و در نهایت رخ دادن شکست تعریف کرد. در شکست ناشی از خستگی، معمولاً یک ترک میکروسکوپی در نقطه‌ای با تنش بالا (ناحیه تمرکز تنش) ایجاد می‌شود. سپس طول این ترک با تکرار چرخه‌های بارگذاری به طور تدریجی افزایش می‌یابد. با ادامه این روند، طول ترک به اندازه‌ای می‌رسد که ماده دیگر توان مقاومت در برابر بارهای اعمال شده را ندارد. در این لحظه، یک شکست ناگهانی درون ماده رخ می‌دهد (مانند تصویر زیر). زمان رخ دادن شکست خستگی به ماهیت ماده بستگی دارد و تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست از چند چرخه تا چند صد میلیون چرخه تغییر می‌کند.

رخ دادن شکست خستگی در یک میله تحت بارگذاری تکراری (از نوع کششی).
رخ دادن شکست خستگی در یک میله تحت بارگذاری تکراری (از نوع کششی). ترک به تدریج بر روی سطح مقطع نمونه گسترش یافته و باعث شکست ناگهانی آن شده است.

منحنی S-N

مقدار بار مورد نیاز برای ایجاد شکست ناشی از خستگی کمتر از ظرفیت باربری استاتیک ماده است. میزان بار شکست معمولاً از طریق اجرای آزمایش بر روی ماده تعیین می‌شود. در بارگذاری تکراری، نمونه در چندین سطح تنش مورد آزمایش قرار می‌گیرد. سپس، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست در هر سطح تنش ثبت می‌شود. به عنوان مثال، فرض کنید که پس از قرار یک نمونه درون دستگاه آزمایش خستگی، اعمال بارهای تکراری تا سطح تنشی مانند σ1 صورت می‌گیرد. در این حالت، بارگذاری تا لحظه رخ دادن شکست در چرخه n ام ادامه می‌یابد. این آزمایش برای یک نمونه دیگر تا سطح تنش σ2 تکرار می‌شود. اگر σ2 بزرگ‌تر از σ1 باشد، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست کاهش خواهد یافت. در صورتی که σ2 کوچک‌تر از σ1 باشد، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست بیشتر خواهد شد. در نهایت، با جمع‌آوری اطلاعات کافی، «منحنی دوام» (Endurance Curve) یا «منحنی S-N» ماده رسم می‌شود. حرف S بیانگر تنش شکست و حرف N نمایش‌دهنده تعداد بارگذاری‌های مورد نیاز برای رخ دادن شکست است. محور عمودی این منحنی معمولاً با مقیاس خطی و محور افقی آن با مقیاس لگاریتمی نمایش داده می‌شود.

بر اساس منحنی نمایش داد شده در شکل زیر، هر چه میزان تنش کوچک‌تر باشد، تعداد چرخه مورد نیاز برای ایجاد شکست افزایش می‌یابد. در برخی از مواد، این منحنی دارای یک مجانب افقی به نام «حد خستگی» (Fatigue Limit) یا «حد دوام» (Endurance Limit) است. در صورت اعمال بارهای تکراری با مقادیر پایین‌تر از حد خستگی، هیچ‌گونه شکستی درون ماده رخ نخواهد داد. شکل دقیق منحنی S-N به عوامل متعددی نظیر خصوصیات ماد، هندسه نمونه مورد آزمایش، سرعت انجام آزمایش، الگوی بارگذاری و وضعیت سطح نمونه بستگی دارد.

یک منحنی S-N که حد خستگی در آن مشخص شده است.
یک منحنی S-N که حد خستگی در آن مشخص شده است.

منحنی S-N فولاد و آلومینیوم

در شکل زیر، منحنی‌های S-N برای فولاد و آلومینیوم نمایش داده شده است. محور عمودی این نمودار، تنش شکست را به صورت درصدِ تنش نهایی ماده و محور افقی آن، تعداد چرخه‌های مورد نیاز برای ایجاد شکست را نمایش می‌دهد. توجه داشته باشید که محور افقی بر اساس مقیاس لگاریتمی رسم شده است. منحنی مربوط به فولاد در نزدیکی 107 چرخه به صورت افقی درمی‌آید. از این‌رو می‌توان حد خستگی فولاد را حدود 50 درصد تنش نهایی در شرایط بارگذاری استاتیک در نظر گرفت. مقدار حد خستگی آلومینیوم در منحنی نمایش داده شده به خوبی منحنی فولاد مشخص نیست. با این وجود، حد خستگی آلومینیوم معمولاً برابر با تنش در حدود 5x108 چرخه یا 25 درصد تنش نهایی است.

نمونه‌ای از منحنی‌های S-N برای فولاد و آلومینیوم در شرایط بارگذاری متغیر
نمونه‌ای از منحنی‌های S-N برای فولاد و آلومینیوم در شرایط بارگذاری متغیر

شکست خستگی معمولاً با ایجاد ترک‌های میکروسکوپی در نقاطی با تنش‌های بالا شروع می‌شود (نواحی تمرکز تنش). به همین دلیل، در هنگام اعمال بارگذاری‌های دینامیک، وضعیت سطح ماده اهمیت بسیار بالایی برخوردار خواهد داشت. سطوح زبر مانند حفره‌ها و شیارها به عنوان محل تمرکز تنش شناخته می‌شوند و حد دوام ماده را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند. علاوه بر این موارد، خوردگی نیز باعث ایجاد عیب و نقص‌های کوچک بر روی سطح ماده می‌شود. تأثیر این عامل بر روی حد دوام ماده مشابه تأثیر نواحی تمرکز تنش است. وجود خوردگی بر روی سطح فولاد می‌تواند حد خستگی آن را بیش از 50 درصد کاهش دهد.

امیدواریم این مقاله برایتان مفید واقع شده باشد. اگر به فراگیری موضوعات مشابه علاقه‌مند هستید، آموزش‌های زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

^^

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *