خستگی و شکست

شبیه سازی و آزمون مکانیکی خستگی و شکست انواع مواد فلزی ، کامپوزیتی ، هایپرالاستیک و ساختمانی

تمام مواد و تجهیزات در شرایط واقعی تحت تاثیر نوسانات و ارتعاشات مختلف می باشند. رفتار خستگی عموما به سه شکل می باشد: خستگی پرچرخه (High Cycle Fatigue) ، خستگی کم چرخه (Low Cycle Fatigue) و خستگی ترمومکانیکی (Thermo Mechanical Fatigue). تفاوت عمده بین خستگی پر چرخه (HCF) و خستگی کم چرخه (LCF) این است که در خستگی پر چرخه بارگذاری با دامنه کم و فرکانس بالا می باشد که منجر به کرنش های الاستیک می شود اما در خستگی کم چرخه بارگذاری با دامنه زیاد و فرکانس کم می باشد که منجر به کرنش های پلاستیک می شود.

خستگی کم چرخه

خستگی کم چرخه (LCF) نوعی از خستگی است که عمر متریال کمتر از 10 هزار چرخه است. برای آزمون این خستگی بارگذاری به صورت کنترل کرنش (Strain Control) انجام می شود. بارگذاری در این نوع خستگی با دامنه بالا و فرکانس کم می باشد که منجر به کرنش های پلاستیک در آن می شود. در هنگام آزمون خستگی کم چرخه سه مرحله مدنظر است:

  • جوانه زنی و تشکیل ترک در نمونه
  • رشد ترک در نمونه
  • خرابی نهایی نمونه (نمونه خراب شده می تواند با استفاده از تکنیک SEM برای اطلاعات بیشتر مطالعه شود).

شبیه سازی خستگی کم چرخه امری است که در سال های گذشته رشد چشمگیری داشته است. این نوع خستگی در انواع نرم افزار های اجزاء محدود به خوبی شبیه سازی می شود. پیش بینی آسیب ، رشد ترک و خرابی نهایی با دقت خوبی برای انواع قطعات با هندسه پیچیده و مواد مختلف در این نرم افزارها به خوبی کار شده است.

خستگی پرچرخه

خستگی پرچرخه (HCF) نوعی از خستگی است که تعداد چرخه منجر به شکست قطعه بیش از 10 هزار چرخه می باشد و معمولا تست تا زمان شکست نهایی نمونه ادامه دارد. بارگذاری این نوع خستگی با کنترل تنش (Stress control) انجام می شود. با انجام تعدادی تست و ثبت نتایج آن نمودار S-N تولید می شود. نمودار S-N رابطه ای بین سطح تنش و عمر خستگی ماده در شرایط سرویس ماده می باشد. این شرکت علاوه بر انجام انواع تست های خستگی پرچرخه ، برنامه های اجزاء محدود متعددی جهت پیش بینی عمر قطعات کامپوزیتی و فومی تهیه کرده است. استاندارد ASTM E466 شرایط و ضوابط انجام تست خستگی پرچرخه محری را برای مواد فلزی پوشش می دهد.

شبیه سازی اجزاء محدود خستگی و شکست

شبیه سازی اجزاء محدود (FEA) خستگی و شکست با استفاده از نرم افزارهای اباکوس ، انسیس ، ال اس داینا انجام می شود. اما این نرم افزارها به صورت تخصصی برای شبیه سازی این نوع مسائل تهیه نشده اند و لازم است از نرم افزارهای جانبی و پلاگین های موجود استفاده کرد یا با استفاده از زیربرنامه نویسی و اسکریپت نویسی مساله مورد نظر را مطالعه نمود. برخی برنامه هایی که در زمینه آنالیز خستگی و شکست مواد برتری دارند، در زیر معرفی شده اند.

    • پلاگین هلیوس (Helius PFA): برای مواد پلیمری (کامپوزیت ، مواد گرما سخت و گرما نرم ) می باشد که دارای کتابخانه مواد بسیار خوبی است. امکان اضافه کردن متریال جدید به کتابخانه ی آن و کالیبراسیون آن وجود دارد. این نرم افزار در نرم افزارهای اباکوس و انسیس قابل استفاده است. پیش بینی خرابی با اکثر معیارهای معروف (هاشین ، پاک ، ماکزیمم تنش و …) و رشد آسیب در این پلاگین دیده شده است. برای مدل سازی آسیب خستگی در این نرم افزار از تئوری جنبشی شکست (Kinetic Theory of Fracture) استفاده می کند که برای کامپوزیت های بافته شده (Woven) و تک سویه مورد استفاده است.
    • نرم افزار ام اس سی-فتیگ (MSC-Fatigue): شاید بهترین نرم افزار تخصصی برای خستگی مواد همین نرم افزار باشد. در سال 1991 با مشارکت nCode و MSC به وجود آمد. دارای انواع معیارهای خستگی چند محوره و تصادفی می باشد و  امکان تخمین عمر رشد ترک دارد. همچنین در صنعت به صورت گسترده استفاده می شود و کارپسند می باشد. امکان بهینه سازی عمر خستگی محصول در هنگام طراحی در این نرم افزار وجود دارد. تعیین عمر خستگی جوش و امکان پیش بینی خستگی ناشی از بارگذاری استاتیک ، دینامیک و حرارتی.
    • نرم افزار اف ای-سیف (fe-safe): این نرم افزار بیشتر برای خستگی حرارتی کارا می باشد. امکان انتخاب و تعریف راحت ماده و بارگذاری دارد و آنالیز خستگی خزشی نیز در آن امکان پذیر است. قابل استفاده در نرم افزار های اباکوس، انسیس و نسترن (Nastran) می باشد. آنالیز خستگی الاستومرها توسط fe-safe/Rubber امکان پذیر است. برای انواع اتصالات و جوش امکان مدل سازی خستگی وجود دارد.
    • فرنک (FRANC): رشد ترک به صورت گرافیکی با استفاده از قابلیت ریمشینگ (remeshing) نشان داده می شود.
    • زنکرک (Zencrack): رشد ترک همانند نرم افزار فرنک نمایش داده می شود. قابل استفاده در اباکوس ، انسیس و نسترن می باشد.

آزمون خستگی جهت تعیین حد دوام

برای رسم نمودار S-N ، نمونه در آزمون خستگی تحت بارگذاری با تعداد بیش از 10 میلیون (10.0e+6) چرخه قرار می گیرد تا حد دوام (Endurance limit) یا استحکام خستگی آن تعیین شود. این آزمون ممکن است چند روز یا چند هفته به طول انجامد. به همین منظور اغلب سیکل برگذاری در فرکانس بالاتر اعمال می شود تا زمان تست کاهش یابد. برای مواد فلزی ، استاندارد ASTM E466 فرکانسی بین 0.01 تا 100 هرتز را پیشنهاد می کند. در صورتی که فرکانس بارگذاری زیاد باشد دمای نمونه زیاد می شود و ممکن است تسلیم در ناحیه ای از نمونه رخ دهد که این می تواند نشانه ای برای بیشترین مقدار فرکانس بارگذاری آن ماده باشد. در مقابل پلیمر ها و مواد پلاستیکی ، به دلیل اثرات هیسترزیس (Hysteresis effects) بیشتر متاثر از افزایش دما هستند. این مساله با نقطه ذوب پایین آنها ترکیب شده و استحکام پایین تر خستگی در تست های با فرکانس بالا را حاصل می شود. پلیمر و پلاستیک ها معمولا در فرکانس 5  هرتز تست می شوند.

استاندارد های آزمون خستگی

ASTM E8, E21 E399, E1290, E1820, E466, E606, E647, BS 7448, ISO 12135

  • رشد ترک خستگی (da/dN)
  • آزمون های مکانیک شکست (K1c, J1c, CTOD)
  • تست خمش سه نقطه (3-point Bending)
  • انواع آزمون در شرایط دمای اتاق و دما بالا
  • آزمون کشش/فشار
  • تست خستگی پرچرخه و کم چرخه
  • آزمون رشد ترک در مواد الاستومری

سایر آزمون ها

مکانیک شکست

مدل سازی عددی ترک خوردگی هیدروژنی

×

Hello!

Click one of our representatives below to chat on WhatsApp or send us an email to info@banumusagr.com

سلام، مسئول مربوطه را انتخاب کنید تا هم اکنون در واتساپ شما را راهنمایی کند. یا با شماره 05135424520 تماس بگیرید.

× سلام ، سوالی دارید؟ می تونم بهتون کمک کنم