تست خستگی

تست خستگی (Fatigue Test) به عنوان یک تست مخرب و یکی از انواع آزمون های مکانیکی برای آنالیز قطعات شناخته می شود. از آن جایی قطعات مختلفی که در سازه ها و ماشین آلات استفاده می شوند، تحت بارگذاری متغیر قرار می گیرند، بعد از گذشت مدت زمانی دچار خستگی شده و می شکنند. درنتیجه برای بررسی این قطعات از لحاظ استحکام و مقاومت خستگی و بررسی دوام آن ها لازم است از ازمایش خستگی استفاده شود. در واقع علت شکست قطعات در اثر پديده خستگي ، ایجاد تنش های سیکلی در قطعه است. درواقع بارهای متناوبی که اعمال می شوند، از حد تحمل قطعه کمتر می باشند اما چون به صورت سیکلی و متناوب اعمال می شوند، حد خستگی قطعه را رد کرده و باعث آسیب به آن و یا درنهایت شکست قطعه می شود.

مکانیزم خستگی فلزات

از آنجایی که پدیده خستگی و شکست، بدون آگاهی قبلی و بدون نشانه اتفاق می افتد، خطرناک و آسیب رسان است. معمولا شکست قطعات در اثر پدیده خستگی به دلیل تمرکز تنش، برای مثال در گوشه های تیز یا شیارها و یا در اثر عوامل متالورژیکی مانند وجود ناخالصی یا پدیده خوردگی اتفاق می افتد. مکانیزم پديده خستگي و ایجاد شکست در قطعات به ترتیب به صورت شروع ترک، رشد ترک و در نهایت شکست ترک روی صفحاتی که تنش کششی زیادی دارند اتفاق می افتد.

تصویر قطعه ای شکسته شده بعد از تست خستگی و نواحی خستگی

شروع ترک به دلیل وجود عیوب در قطعه است که این مورد با انجام عملیات حرارتی مناسب تا حد زیادی برطرف می شود. رشد ترک به صورت ترویج و عمیق شدن ترک اولیه تعریف می شود. رشد ترک ایجاد شده در جهت عمود بر تنش کششی حداکثر باعث شکست این صفحات می شود. درنهایت وقتی طول ترک به اندازه کافی برسد، بطوریکه سطح نتواند بار وارده را تحمل کند، شکست نرم نهایی در اثر پدیده خستگی اتفاق می افتد.

دستگاه تست خستگی

از لحاظ متالورژیکی، تست خستگي بررسی ماده از زمان شروع ترک تا رسیدن به شکست برای تعیین حد خستگی آن است. در واقع بیشترین تنشی که یک ماده بدون ایجاد شکست در تعداد دور معینی می تواند تحمل کند، حد خستگی یا استحکام خستگی گفته می شود. نمودار تست خستگی فلزاتی مانند فولادهای نرم، آلیاژهای منیزیم و تیتانیوم و برخی از آلیاژهای آلومینیوم به حد خستگی خود می رسد اما حد خستگی فلزات غیرآهنی مانند آلیاژهای مس، برخی از آلیاژهای منیزیم و آلومینیوم در نمودار ازمون خستگی کاملا مشخص نیست.

شماتیک مکانیزم خستگی و شکست قطعه

در اینگونه مواد، کاهش پیوسته تنش به ازای افزایش دوره تناوب مشاهده می شود به همین دلیل حد خستگی در این مواد به سادگی تعیین نخواهد شد. درنتیجه، تنشی که به ازای آن، قطعه بتواند حدود 100 میلیون دور تناوب را تحمل کرده و نشکند را در صنعت حد خستگی در نظر می گیرند.

نحوه انجام تست خستگی

نمونه در آزمایش خستگي ، تحت تنش های کششی و فشاری متناوب قرار می گیرد. بارگذاری به شکل سیکلی بوده و به صورت تناوبی، تکراری و یا نوسانی اعمال می شود. ایجاد تنش های سیکلی در نقاط تمرکز تنش باعث می شود این تنش ها از حد کشسان فراتر رفته و در دو مرحله شروع ترک و رشد ترک، قطعه در اثر وقوع پديده خستگي دچار شکست می شود. در مرحله بعد، سطح شکست قطعه بررسی شده و نقاط شروع و رشد ترک مشاهده می شوند. تست خستگي در تنش و فرکانس های نوسان مختلفی انجام می شود و در نهایت نمودار تنش برای تعداد سیکل های انجام شده رسم می شود.

شماتیک نحوه انجام آزمایش خستگی توسط دستگاه تست خستگی

انواع تست خستگی

تنش متناوب ایجاد شده در تست خستگی خمشی با توجه به هدف تست، می تواند سه حالت داشته باشد. در حالت اول تغییر بارگذاری به گونه ای انجام می شود که، تغییر تنش اعمالی بین دو مقدار تنش کششی و تنش فشاری بوده و میانگین این دو به عنوان تنش متوسط درنظر گرفته می شود. در حالت دوم، تغییر تنش به صورتی است که حداکثر تنش در موقعیت فشاری کمتر از حداکثر تنش در موقعیت کششی است. حالت سوم تست خستگی خمشی نیز به این صورت است که، بارگذاری به شکلی انجام شود که مقدار تنش بین حداکثر و حداقل در موقعیت کششی یا فشاری تغییر کند. اما انواع آزمون خستگی از نظر نحوه وارد کردن تنش های کششی و فشاری به دو دسته تست خستگی خمشی و تست خستگي محوری تقسیم بندی می شوند که در ادامه هر کدام توضیح داده خواهند شد.

تست خستگی خمشی چرخشی

نمونه با سطح مقطع دایره ای، طی این آزمون، تحت ممان چرخشی قرار می گیرد و در طی چرخش به آن نیروی عمودی وارد می شود. تحت این نیرو و در حال چرخش، نمونه به تناوب شرایط تنش کششی، تنش صفر و تنش فشاری را تجربه می کند. در نهایت این چرخه تنشی (میانگین آن در این آزمون همواره صفر می باشد) موجب شکست نمونه می شود. این آزمون به دلیل هزینه پایین تجهیزات و سهولت ساخت نمونه پرکاربردترین آزمون تست خستگی می باشد.

دستگاه تست خستگی خمشی

تست خستگی محوری

تست خستگی محوری یا مستقیم به این صورت است که، اعمال کشش و فشار به نمونه، در یک محور انجام می شود. بارگذاری روی نمونه در این تست به صورت کاملا تک محوری می باشد. نگهدارنده های نمونه در دستگاه تست خستگي محوری درون راهنماهای ثابتی قرار می گیرند تا بارگذاری در کشش و فشار به صورت کاملا محوری باشد. بر خلاف تست خستگی خمشی چرخشی، در این نوع تست خستگی، میزان تنش کششی و فشاری قابل تعیین بوده و لزوما صفر نیست.

تصویر دستگاه تست خستگی

آماده سازی نمونه برای انجام آزمایش خستگی

برای انجام این آزمون باید نمونه هایی از ماده مورد نظر تهیه شوند و به صورت استاندارد شده دارای شکل یکسان، سطح مقطع دایره ای، ابعاد مشخص و بدون عیب باشند. سطح نمونه مورد استفاده برای تست خستگی ، باید صیقل کاری شده و توسط ماشین کاری و پرداخت سطحی به شکل و اندازه مورد نظر برسد. در مرحله صیقل دادن و سنباده زدن باید دقت شود که جهت سنباده زدن در امتداد طول قطعه باشد.

دستگاه تست خستگی

ویژگی هایی که یک دستگاه تست خستگی باید داشته باشد شامل توانایی انجام تست کششی و فشاری به صورت دینامیک، انجام تست های خستگی با سیکل های مختلف و اعمال بار بر اساس کنترل تغییر مکان و کنترل نیرو می باشد.

تجهیزات مربوط به دستگاه تست خستگی

دستگاه تست خستگی در هر صنعتی که نیازمند بررسی رفتار خستگی مواد و قطعات اعم از به دست آوردن مقاومت به ترک، رشد ترک، طول عمر قطعه و عملکرد قطعه می باشند، کاربرد دارد. هم چنین دستگاه تست خستگي می تواند تست های مختلف خستگی مانند خمشی و دورانی و یا محوری را تحت شرایط دمای خاص جهت تست های ترمومکانیکال انجام دهد.

نتایج تست خستگی

بعد از اعمال تعداد سیکل معینی، در نمونه شکست ایجاد می شود. نتایج این تست به صورت نمودار S-logN به دست می آید. مواردی مانند روش اعمال تنش، نوع دستگاه تست خستگی ، اندازه نمونه های مورد استفاده و بسامد سیکل نیز به همراه نتایج تست خستگی باید گزارش شوند. نقاط به دست آمده از ازمون خستگي ممکن است همگی بر روی یک منحنی قرار نگیرند و اکثرا در محدوده ای کم یا زیاد می شوند. به همین دلیل منحنی را با مقدار متوسط مقادیر مشخص شده رسم می کنند.

نمودار حاصل از چند آزمون خستگی با دستگاه خستگی خمشی چرخشی

کاربرد آزمون خستگی

از آن جایی علت 90 درصد از خرابی و از کارافتادگی قطعات ناشی از علل مکانیکی و بارگذاری سیکلی در حین سرویس دهی است، تست خستگی  و نتایج آن از اهمیت ویژه ای برخوردارند. بارگذاری سیکلی و ایجاد تنش متناوب اغلب در قطعات مورد استفاده در هواپیما، توربین های بادی، کشتی ها، پل ها، قطعات خودرو، کمپرسور، پمپ و بسیاری از قطعات مورد استفاده دیگر رخ می دهد، به همین دلیل در این گونه صنایع آزمون خستگي کاربرد زیادی دارد. در نتیجه استفاده از آزمون خستگی و تحلیل رفتار خستگی مواد و قطعات برای صنایعی مانند هوا-فضا، خودروسازی، نیروگاهی، دفاعی و مهندسی پزشکی بسیار ضروری است چرا که عدم توجه به این بخش می تواند هزینه و خسارات جبران ناپذیری وارد کند.

تصویر دستگاه تست خستگی

 حتی در برخی موارد بجای یک یا چند قطعه، نمونه کامل تحت آزمایش و بررسی پدیده خستگی قرار می گیرد. برای مثال در ساخت هواپیماها به منظور دریافت مجوز صلاحیت پرواز، یک نمونه کامل تا حد انهدام باید تحت تست خستگی قرار گیرد.

هزینه آزمایش خستگی

اگر بخواهیم هزینه آزمایش خستگی را با یک دید کلی بررسی کنیم، می توانیم به عواملی مانند تعداد نمونه های مورد نظر برای انجام تست، آماده سازی و تهیه نمونه ها قبل از انجام آزمون خستگی و مواردی از این قبیل اشاره کنیم. از سویی دیگر از آنجایی که این تست در صنایع بزرگی مانند هواپیما سازی اهمیت زیادی دارد و در برخی موارد قبل از ساخت قطعه، ماشین یا خودروی اصلی باید قطعات مختلف آن و یا حتی کل قطعه (مانند هواپیما) تحت آزمایش قرار گیرند و بررسی شوند، هزینه ازمایش خستگي از این نظر برای سازنده قطعه افزایش خواهد یافت. اما می توان از این دید نیز به این مقوله نگاه کرد که نتایج حاصل از این تست و بررسی های قبل از ساخت قطعه، از آسیب ها و هزینه های ناشی از خرابی قطعه و تلفات انسانی جلوگیری خواهد کرد به همین دلیل هزینه آزمایش خستگی در مقابل این هزینه ها ناچیز به حساب می آید.

اپراتوری در حال انجام آزمون خستگی

هزینه آزمایش خستگی را از منظر دستگاه تست خستگی نیز می توان بررسی کرد. برخی امکانات و تجهیزات مانند کنترل کامپیوتری، وجود نرم افزارهایی با قابلیت طراحی مطابق استانداردهای بین المللی ماشین های دینامیک و اعمال نیرو و تنش به صورت دیجیتال در دستگاه تست خستگی باعث می شود هزینه آزمایش خستگی برای کاربر افزایش یابد.

خدمات آزمایش خستگی

مراکز مختلفی خدمات آزمایش خستگی از قبیل تحویل نمونه ها، آماده سازی نمونه ها، انجام تست خستگی مطابق با نیاز متقاضی و کاربرد قطعه و تحویل نتایج به کاربر را انجام می دهند. این مراکز علاوه بر خدمات آزمایش خستگی ، خدماتی مانند تست فشار ، تست پیچش ، تست خمش ، تست سختی ، آزمون نانوسختی یا تست میکروسختی و غیره را نیز ارائه می دهند. اگر نیاز به تحلیل نتایج تست خستگی خود دارید برخی از موسسات ارائه دهنده این تست، کارشناسانی دارند که تحلیل این تست را انجام داده و این کار نیز به عنوان خدمات ازمایش خستگی این مراکز در صورت نیاز ارائه خواهد شد.