مقدمه:

از سال 1850معلوم شده است كه فلز تحت تنش تكراری با نوسانی،در تنشی به مراتب كمتر از تنش لازم برای شكست در اثر یك مرتبه اعمال بار ، خواهد شكست.شكستهایی كه در شرایط بارگذاری دینامیك رخ می دهند شكستهای خستگی نامیده میشوند. كه این نامگذاری احتمالا مبتنی بر این دلیل است كه به طور كلی مشاهده می شود شكستها فقط پس از یك دوره كار زیاد رخ می دهند.هیچگونه تغییر واضحی در ساختار فلزی كه به علت خستگی می شكند وجود نداردتا بتوان به عنوان مدركی برای شناخت دلایل شكست خستگی از آن استفاده كرد. با پیشرفت صنعت و افزایش تعداد وسایلی از قبیل خودرو ، هواپیما،كمپرسور،پمپ،توربین و غیره كه تحت بارگذاری تكراری و ارتعاشی هستند،خستگی بیشتر متداول شده و اكنون چنین برداشت می شود كه عامل حداقل 90درصد شكستهای ناشی از دلایل مكانیكی حین كار خستگی باشد.

تئوری شكست:

دلیل عمده خطرناك بودن شكست خستگی این است كه بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن رخ می دهد.خستگی به صورت شكستی با ظاهر ترد ، بدون هیچگونه تغییر شكل نا خالص در شكست نتیجه میشود. معمولاسطح شكست در مقیاس ماكروسكوپی بر جهت تنش كششی اصلی عمود است.معمولا سطح شكست خستگی از ظاهر سطح شكست تشخیص داده میشود،كه از یك ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترك در مقطع و یك ناحیه ناهموار كه در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ،در قطعه به صورت نرم شكسته شده است تشكیل می شود.غالبا پیشرفت شكست توسط یك دسته حلقه نشان داده می شود،كه از نقطه شروع شكست به طرف داخل پیشرفت می كند.

سه عامل عمده برای وقوع شكست خستگی ضروری هستند.این عوامل عبارتند از:

1-تنش كششی حداكثری به مقدار بسیار زیاد

2-تغییرات به حد كافی زیاد یا نوسانی در تنش وارده

3-زیاد بودن چرخه های تنش وارده.

علاوه بر این متغیرهای دیگری مانندتمركز تنش ،خوردگی،دما،بار اضافی ،ساختار متالورژیكی،تنشهای باقیمانده و تنشهای مركب هم وجود دارند كه شرایط را برای ایجاد خستگی تقویت می كنند.

 خصوصیات ساختاری خستگی:

 در مطالعات تغییرات ساختاری اصلی در فلزی كه به آن تنش چرخه ای اعمال می شود، فرایند خستگی برای سهولت درك به مراحل زیر تقسیم شده است:

1-   شروع ترك : شامل ایجاد اولیه عیب خستگی كه با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.

2-  رشد ترك نوار لغزش :عبارت است از عمیق شدن ترك اولیه روی صفحات با تنش برشی زیاد، این مرحله غالبا رشد ترك مرحله 1 نامیده می شود.

3-    شكست ترك روی صفحاتی با تنش كششی زیاد: عبارت است از رشد یك ترك معین در جهت عمد بر تنش كششی حداكثر . این مرحله معمولا رشد ترك مرحله 2 نامیده می شود.

4-     شكست نرم نهایی: هنگامی رخ می دهد كه طول ترك به اندازه كافی برسد، طوری كه سطح مقطع باقیمانده نتواند بار وارده را تحمل كند.

سهم نسبی هر مرحله از كل چرخه های مسبب شكست به شرایط آزمایش و ماده بستگی دارد. اما كاملا مشخص شده است كه یك ترك خستگی می تواند قبل از اینكه 10درصد عمر كل نمونه منقضی شود، تشكیل شود.البته در تصمیم گیری در مورد زمانی كه یك نوار لغزش عمیق شده می تواند ترك نامیده شود، ابهام زیادی وجود دارد . به طور كلی ،سهم بیشتری از كل چرخه های مسبب شكست به اشاعه تركهای مرحله2 در خستگی كم چرخه تعلق دارد تا خستگی پر چرخه، در صورتی كه رشد ترك در مرحله 1 برای خستگی پرچرخه و تنش كمتر ،بیشتر است . اگر تنش كششی زیاد باشد، مانند خستگی در نمونه های با شیار تیز ، رشد ترك مرحله 1 به هسچ وجه قابل مشاهده نیست.

بررسی ساختاری دقیق خستگی این واقعیت را نشان می دهد كه معمولا تركهای خستگی در یك سطح آزاد شروع می شوند . در موارد نادری كه تركهای خستگی از قسمت داخلی شروع می شوند، همیشه مرزی ، مانند حد فاصلیك لایه سطحی كربوره شده و فلز  اصلی ،باید وجود داشته باشد.

اثر سطح و خستگی :

عملا تمام شكستهای خستگی از سطح شروع می شوند. در بسیاری از انواع متداول بارگذاری ،مانند خمش و پیچش،تنش حداكثر در سطح رخ می دهد ،طوری كه شروع شكست از آن مكان منطقی جلوه می كند . اما در بارگذاری محوری، شكست خستگی تقریبا همیشه از سطح شروع می شود. مدارك فراوانی حاكی از اینكه خواص خستگی به شرایط سطحی بسیار حساس هستند در دست است. عواملی كه در سطح یك نمونه خستگی تاثیر می گذارند عمدتا به سه دسته تقسیم           می شوند:

 1= نا همواری سطح یا منابع تنش سطحی

2= تغییر استحكام خستگی فلز سطحی

3= تغییرات شرایط تنش باقیمانده در سطح

 علاوه بر این ،سطح فلز در معرض اكسایش و خوردگی نیز قرار دارد.

اثر متغیرهای متالورژیكی بر خستگی:

خواص خستگی فلزات كاملا به ساختار حساس است.اما در حال حاضر،روشهای محدودی وجود داردكه توسط آنها می توان خواص خستگی را از طرق متالورژیكی بهبود بخشید.

تغییرات طراحی به نحوی كه تمركز تنش كم شود و استفاده صحیح از تنش باقیمانده فشاری مفید به جای تغییر جنس از كارهای عمده ای است كه در خواص خستگی بهبود ایجاد می كند.با اینحال عوامل متالورژیكی ویژه ای وجود دارند كه برای اطمینان از بهترین كارایی در اندازه گیری یك فلز یا آلیاژ خاص باید در نظر گرفته شوند.آن آزمایشهای خستگی كه برای خستگی طراحی شده اند، معمولا با نمونه های صاف پرداخت شده و در شرایط تنش كاملا معكوس انجام می شوند. عموما فرض می شود هرگونه تغییری در خواص خستگی به علت عوامل متالورژیكی، مشابه همان مقدار تغییری است كه در شرایط خستگی مركب ، مانند نمونه های شیار دار تحت تنشهای مركب ، رخ می دهد،البته این نكته همیشه یا شرایطی كه در مورد نتایج حساسیت به شیار مطابقت ندارد.

غالبا خواص خستگی به خواص كششی وابسته اند. به طور كلی حد خستگی فولادهای ریخته شده و كار شده تقریبا 50 درصد استحكام نهایی كشش است .نسبت حد خستگی به استحكام كششی نسبت خستگی نامیده می شود. نسبت خستگی فلزات غیر آهنی مانند نیكل ،مس و منیزیم در حدود 35درصدخواهد بود. اما با زیاد شدن استحكام تسلیم توسط مكانیزم های استحكام دهی مختلف ، معمولا حد خستگی به طور متناسب با آن زیاد نمی شود. اكثر مواد با استحكام زیاد، در برابر خستگی با محدودیت مواجه اند.

رابطه عمر خستگی با اندازه دانه نیز به شیوه تغییر شكل بستگی دارد. بیشترین تاثیر اندازه دانه بر عمر خستگی در شرایط چرخه زیاد و تنش كم است كه در آن ایجاد ترك مرحله 1 مسلط است. در موادی با انرژی خطای انباشتگی زیاد(مانند آلومینیوم و مس) ساختارهای سلولی به سادگی به وجود آمده و اشاعه ترك مرحله 1را كنترل می كند را كنترل می كند. بنابراین ساختار سلول نابجایی ، اثر اندازه دانه را می پوشاند و عمرخستگی در تنش ثابت به اندازه حساس نیست. اما در ماده ای با انرژی خطای انباشتگی كم (مانند برنج آلفا)، عدم وجود ساختار سلولی به دلیل لغزش مسطح باعث می شود مرزهای دانه آهنگ ایجاد ترك را كنترل كنند. در این حالت، عمرخستگی با 2/قطر دانه متناسب است.

اثر دما بر خستگی   :

آزمایشهای خستگی فلزات در دماهای كمتر از دمای اتاق نشان می دهد كه استحكام خستگی با كاهش دما زیاد می شود. با اینكه فولادها در حالت خستگی در دمای كم به شیار حساستر می شوند،هیچ دلیلی برای نشان دادن وقوع هر گونه تغییر ناگهانی در خواص خستگی در دما های كمتر از دمای انتقال تردی به نرمی وجود ندارد . این واقعیت كه با كاهش دما استحكام خستگی نسبتا بیشتر از استحكام كششی افزایش می یابد، با نشان دادن شكست خستگی در دمای اتاق كه با تشكیل و تمركز جای خالی همراه است، توجیه می شود.

به طور كلی ، هرچه استحكام خزش ماده ای بیشتر باشد ،استحكام خستگی آن ماده در دمای زیاد بیشتر است. اما آن عملیات متالورژیكی كه باعث ایجاد بهترین خواص خستگی در دمای بالا می شود ل