خستگی مکانیکی در بولت و مهره ها

[rkiahoseyni]

مقدمه:
انسان ها تصور می کنند که خستگی فلز، به نوعی به دلیل ماهیت متالورژیکی مواد در حال تغییر است. به عبارتی در حین سیکل تنش های مکانیکی فلز ضعیف‌تر شده، خسته می شود و زمانی که تحت بارگذاری متناوب قرار می گیرد، پیش از موعد می شکند. برای دویست سال گذشته، این یک مشکل شناخته شده بوده است و علت بسیاری از خرابی های محصول از جمله برخی از آنها از دست دادن پرخه عمر فلز بوده است. امروزه، به دنبال تحقیقات فراوان، مشخص شده است که خستگی ناشی از پیشرفت یک یا چند ترک در یک ماده است.

 

تاثیر ترک بر خستگی بولت و مهره:
ترک می‌تواند از برخی عیب‌های موجود شروع شود، مثلاً در یک فلز، یا در نقطه‌ای که تنش زیاد است، مانند یک بریدگی، و به آرامی در هر بارگذاری طول آن افزایش یابد. ممکن است میلیون ها بارگیری و تخلیه (معروف به چرخه های بار یا تنش) طول بکشد تا ترک واقعاً قابل تشخیص باشد. با افزایش طول ترک، مواد باقی مانده تحت تنش فزاینده ای قرار می گیرند زیرا سطح کمتری برای تحمل بارگذاری وجود دارد. هنگامی که ترک در واقع به طول بحرانی می رسد، در تمام طول مواد پیشرفت می کند و منجر به شکست کامل می شود.
اصطلاح آسیب خستگی اغلب برای توصیف آسیب به بخشی که در نتیجه بارگذاری متحمل شده است استفاده می شود. چنین آسیب خستگی امروزه برابر با طول ترک است. در برخی از کاربردهای حیاتی این الزام وجود دارد که پیچ‌ها به طور دوره‌ای با استفاده از رنگ نافذ یا حتی با اشعه ایکس شناسایی شوند تا از عدم وجود ترک قابل تشخیص اطمینان حاصل شود. ترک ها ممکن است در مقیاس میکروسکوپی، یعنی زیر آستانه تشخیص تکنیک اندازه گیری وجود داشته باشند. هدف این مقاله ارائه چند نمونه از روش هایی است که طراحی و ساخت پیچ ها می تواند بر عملکرد خستگی آنها تأثیر بگذارد. شکست خستگی مهره ها عملاً ناشناخته است زیرا ترک های خستگی در نتیجه تنش کششی نوسانی منتشر می شوند. مهره ها تحت تنش فشاری قرار دارند و بنابراین هرگونه ترک از قبل موجود تمایل به انتشار ندارد.

عوامل موثر بر رشد ترک خستگی:
1. کیفیت پرداخت سطح رزوه ها به عنوان تأثیر بر عمر خستگی شناخته شده است: هر چه سطح صاف تر باشد، عمر خستگی بالاتر است. از این رو به طور کلی، رزوه هایی که نورد می شوند عمر خستگی بالاتری نسبت به نخ هایی دارند که بریده شده اند.
2. ترک‌های خستگی معمولاً در ریشه‌های رزوه‌ها شروع می‌شوند، این به دلیل فشار زیاد این ناحیه به دلیل تغییر موضعی در مقطع است (به اصطلاح تمرکز تنش). نورد نخ پس از عملیات حرارتی باعث ایجاد تنش های فشاری موضعی در ریشه های نخ می شود. این تنش های فشاری به جلوگیری از شروع ترک و در نتیجه بهبود عمر خستگی کمک می کند. غلتاندن رزوه ها قبل از عملیات حرارتی مزیت مشابهی ندارد زیرا تنش های فشاری با عملیات حرارتی از بین می روند. نورد پس از عملیات حرارتی می تواند بهبود قابل توجهی را ارائه دهد. پیچ و مهره هایی که پس از عملیات حرارتی نورد شده اند می توانند مقاومت خستگی دو برابری نسبت به رزوه های زمینی داشته باشند. اگرچه نورد پس از عملیات حرارتی می تواند پیشرفت های قابل توجهی از جنبه طراحی داشته باشد، اما از نقطه نظر هزینه ساخت بسیار وخیم است. سختی بیشتر رزوه ها به طور قابل توجهی سایش رول ها را افزایش می دهد و در نتیجه عمر مفید کمتری دارد. این امر به طور موثر باعث می شود که تولید پیچ و مهره هایی با رزوه های نورد شده پس از عملیات حرارتی گران تر باشد. (در رزوه های با قطر زیاد، ایجاد تنش های فشاری در ریشه های نخ برای بهبود استحکام خستگی به وسیله ساچمه زنی.)
3. آزمایشات نشان داده است که نزدیک بودن سطح مهره به ناحیه رزوه خارج شده نخ می تواند منجر به شکست زودرس شود. ناحیه ریزش نخ معمولاً بد شکل می‌گیرد و از این رو منطقه تمرکز تنش است. رزوه ای که بیشترین تنش را دارد، اولین نخی است که در مهره قرار دارد. قرار گرفتن این ناحیه در مجاورت رزوه، منجر به کاهش استحکام خستگی می شود. داشتن فاصله دو یا چند گام نخ از سطح مهره تا خروجی نخ این اثر را از بین می برد.
4. با افزایش اندازه شعاع ریشه، غلظت تنش کاهش می یابد و قدرت خستگی بهبود می یابد. پروفیل‌های نخی که شعاع ریشه بزرگ‌تری نسبت به حالت عادی دارند (مانند نخ‌های MJ استفاده شده در کاربردهای هوافضا) استفاده می‌شوند که مقاومت در برابر خستگی بسیار مهم است. رزوه های MJ دارای حداقل شعاع ریشه p 15/0 (که p گام نخ است) در مقایسه با p 125/0 برای نخ های متریک استاندارد است. (افزایش شعاع بالای p 18/0  حداکثر برای پروفیل MJ می تواند منجر به تداخل با مشخصات رزوه مهره شود.)

5. با خستگی یک اثر اندازه وجود دارد، هر چه قطعه بزرگتر باشد با توجه به تنش های مشابه، قدرت خستگی کمتر است. این در مورد رزوه های پیچ و مهره صدق می کند.
6. ترک های خستگی معمولاً از ریشه های نخ شروع می شوند، اما می توانند در زیر سر پیچ نیز ایجاد شوند. غالباً خرابی در این مکان نتیجه ناکافی بودن شعاع زیر سر (در نتیجه غلظت تنش بالا) یا نصب پیچ بر روی سطح شیبدار است. یک زاویه کوچک مفصل (مانند دو درجه) می تواند تأثیر بدی بر قدرت خستگی داشته باشد. این اثر در گذشته باعث ایجاد مشکلات بسیاری در خدمات شده است. یک مشکل نسبتا رایج در هنگام پیچ و مهره سازه های جوش داده شده به یکدیگر.
7. توزیع بار در یک مهره یکنواخت نیست، اکثریت بار توسط رزوه های اول گرفته می شود. در نتیجه، اکثر خرابی های خستگی در بست ها در رزوه درست زیر مهره رخ می دهد. هر گونه تغییری که بتوان برای ایجاد توزیع بار یکنواخت تر در مهره ایجاد کرد، استحکام خستگی را بهبود می بخشد.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی