نحوه اجرای تست خستگی

پدیده خستگی در مواردی که تنش به شکل تناوبی اعمال می‌شود، رخ می‌دهد. با وقوع تنش‌های تناوبی ابتدا ترک خستگی رخ می‌دهد که در نهایت منجر به شکست خستگی می‌شود. خستگی علت شکست زودتر از موعد بسیاری از قطعات صنعتی است. در ویدیو زیر نحوه اجرای تست خستگی نمایش داده شده است.

آزمون خستگی چیست؟

آزمون خستگی یا Fatigue Testing روشی جهت ارزیابی عمر مفید یک ماده تحت بارگذاری چرخه ای یا سیکلی است. این تست یکی از آزمون های مهم در حوزه مهندسی مکانیک و مهندسی مواد به شمار می رود و منجر به شناخت خواص مکانیکی می شود. برای این منظور از تجهیزاتی که بارهای سیکلی را شبیه سازی می کنند، استفاده می شود.

اطلاعات به دست آمده از این آزمون برای تحلیل ویژگی های مکانیکی و رفتاری مواد در شرایط بارگذاری متناوب در صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد.

همچنین بخوانید: منظور از خستگی فلزات چیست

اجرای تست خستگی

تست خستگی یکی از آزمون‌های مخرب کنترل کیفیت است که باعث آسیب به قطعه و در برخی موارد، غیرقابل‌استفاده شدن آن می‌شود. این تست به دلیل تأثیر خستگی بر شکست مواد تحت نیروهای کمتر از استحکام آن‌ها، اهمیت دارد.

آزمون خستگی در دو نوع خمشی و محوری انجام می‌شود. در روش محوری، نمونه به‌صورت متناوب تحت کشش و فشار قرار می‌گیرد و در نهایت با شکل‌گیری ترک، شکست رخ می‌دهد. نمودار تنش-سیکل حاصل از این تست اطلاعات ارزشمندی از حد خستگی ماده ارائه می‌دهد.

فرایند خستگی شامل سه مرحله: شروع ترک، رشد ترک و شکست نهایی است. عوامل مؤثر بر تنش خستگی شامل زبری سطح، دما، خوردگی و طراحی قطعه هستند. خوردگی و زبری سطح با تمرکز تنش، رشد ترک را تسریع کرده و احتمال شکست را افزایش می‌دهند.

بیشتر بخوانید: تست های غیرمخرب

اهمیت انجام تست خستگی

هدف اصلی این آزمون، تعیین عمر یک ماده در معرض بارگذاری چرخه ای است. نتایج این تست می تواند حداکثر استحکام خستگی و مقاومت در برابر ترک ها را نشان دهد. عمر خستگی به تعداد چرخه هایی اشاره دارد که یک ماده می تواند تحت شرایط بارگذاری متناوب تحمل کند.

این آزمون همچنین برای تعیین حداکثر بار مجاز که یک نمونه می تواند برای تعداد مشخصی چرخه تحمل کند، کاربرد دارد. این ویژگی ها در قطعاتی که تحت نیروهای نوسانی قرار می گیرند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

انواع آزمون خستگی

آزمون های خستگی به چندین نوع تقسیم می شوند که بسته به میزان و فرکانس بار اعمالی متفاوت هستند. از انواع آن می توان به آزمون خستگی با بار کنترل شده در سیکل های بالا و آزمون خستگی با کرنش کنترل شده در سیکل های پایین اشاره کرد. همچنین، این آزمون می تواند به دو دسته خمشی و محوری تقسیم شوند، که در ادامه به معرفی آن ها پرداخته شده است.

آزمون خستگی در سیکل های بالا (High-Cycle Fatigue Testing)

این نوع آزمون در تعداد زیادی از چرخه ها با سطح تنش کمتر از استحکام تسلیم مواد انجام می شود. معمولا این آزمون تحت بار کنترل شده صورت می گیرد و ممکن است بیش از یک میلیون چرخه ادامه یابد.

نمونه های مورد نظر در طول این آزمون، فرکانس های مختلفی را تجربه می کنند که به نوع ماده و شرایط محیطی بستگی دارد.

آزمون خستگی در سیکل های پایین (Low-Cycle Fatigue Testing)

در این آزمون، مواد معمولا تحت تنش زیاد و در فرکانس های پایین آزمایش می شوند. سطح تنش اعمالی معمولا بالاتر از تنش تسلیم و در محدوده تغییر شکل پلاستیک صورت می گیرد. این آزمون می تواند تا بیش از ۱۰۰,۰۰۰ چرخه ادامه یابد و فرکانس آن بسته به نوع ماده بین ۰.۲۵ تا ۵ هرتز متغیر است.

تست خستگی خمشی

تست خستگی خمشی رایج ترین نوع تست خستگی بوده که در آن از تیر چرخان استفاده می شود. در این روش، یک نمونه با طول و قطر مشخص به صورت یکسر گیردار در دستگاه قرار گرفته و به چرخش در می آید.

در این حین، نیروی جانبی به نقطه ای مشخص از نمونه وارد می شود، که منجر به ایجاد تنش های کششی و فشاری در نقاط مختلف نمونه می شود. با چرخش نمونه، نقاط تحت تنش کششی به تنش فشاری تبدیل می شوند و این تغییرات به طور متناوب در نمونه اتفاق می افتد تا خستگی را در قطعه نمونه ایجاد کند.

تست خستگی محوری

در این روش، بارگذاری به صورت محوری به نمونه وارد می شود، به طوری که نیروی اعمالی در راستای نمونه است. در این حالت، با تغییر جهت نیرو در راستای محور، هم کشش و هم فشار به نمونه وارد می شود.

این روش به دلیل قابلیت تنظیم آسان تر چرخه بارگذاری و امکان ایجاد تنش متوسط صفر، به عنوان یک روش مناسب برای بررسی رفتار خستگی مواد مختلف شناخته می شود.