התעייפות מקור הסדק בסימנים גלויים לעיין לפני שנגרם שבר סופי (איור 1). 1.1 משטר המאמצים מרבית חלקי המכונות נושאים בעומסים מחזוריים.

Transcript

1 התעייפות התעייפות הי תופעה של התקדמות של סדק תחת עומס מחזורי. מעריכים שתופעה זו חרית לכ- 60% מהכישלונות של רכיים הנדסיים. הי תופעה מסוכנת מכוון שדך כלל ינה מלווה מקור הסדק סימנים גלויים לעיין לפני שנגרם שר סופי (יור 1). יור 1: שני מטים של שר גל מנוע של כלי שיט שנגרם גלל התעייפות-קורוזיה, תחת ממץ מחזורי משול של כפיפה ופיתול:. מט צד,. מט פני השר (כוון המסומן חץ יור '): ניתן להחין גם קווי חוף (מעגליים) וגם קווי רכס (רדיליים) שמעידים על כיווני התקדמות הסדק ממקור צד שמל של היור Handbook).(Metals 1.1 משטר הממצים מרית חלקי המכונות נושים עומסים מחזוריים. מגדירים (יור 2): משרעת ממץ: ממץ ממוצע : ויחס ממצים: 1

2 יור 2: צורות של ספקטרום התעייפות:. ממץ מחזורי. ממצים קריים 1.2 מנגנון עירור והתקדמות סדקי התעייפות מחינים שלושה שלים חיי סדק התעייפות: של עירור הסדק (של I): משרעת ממצים קטנה - ורכו של של זה הו מרית ורך החיים של החלק (כ- 90% מורך החיים). כשממץ פועל על מתכת הו גורם ה להחלקה פלסטית, גם כשמשרעת הממצים קטנה מממץ הכניעה, ז ההחלקה מתרחשת זורים קטנים ומודדים. כשהממץ עולה - מתרחשת החלקה קדימה, כשהממץ מתחלף - מתרחשת החלקה חורה (יור 3 ג-ד). עם הזמן ניתן לצפות התרכזות ההחלקה פסי החלקה מסויימים. ותם פסים חוזרים ומופיעים גם לחר שמלטשים ת פני השטח ליטוש לקטרוליטי, לכן הם נקרים פסי החלקה תמידיים bands) (persistent slip (יור 3 ) והם מסתתר הסוד של תהליך ההתעייפות! מפסים לה הולך ומתפתח סדק. פשר לתר ת התהוותו ופן פשוט כתוצה של י-ההפיכות של הדפורמציה הפלסטית: ההחלקה חורה ינה חיית להתרחש ותו הסדר כמו ההחלקה קדימה. לכן יכולה להיווצר חדירה הדרגתית של פסי החלקה לעומק החומר - שהי תחילתו של סדק (יור 3 ד). כן המנה הופייני לפני השר זור תחילת סדק התעייפות הו מנה של משטחי יקוע - מקילים למישורי ההחלקה הקריסטלוגרפיים (יור 5). ולם התהליך המיתי הו כנרה מורכ יותר כמו שמרות תמונות מיתיות של מנה הנקעים קרת תרי הניטה של סדקי התעייפות (יור 4). הפרטים המיתיים של תהליך עירור הסדק ד ג יור 3: תיור סכמטי של עירור סדק התעייפות:. פסי החלקה תמידיים על פני הגרעינים.. מיקום מישורי ההחלקה דגם מתיחה. ג. החלקה פלסטית על מישורי ההחלקה תחת ממץ מתיחה. ד. החלקה חזרה של הלחיצה, ינה חיית להתרחש ותו הסדר ו התרחשה ההחלקה תחת ממץ מתיחה. יור 4: מנה "סולם" הנקעים סית סדק התעייפות נחושת 2

3 עדיין ל ידועים! יור 5: פני שר זור מקורות סדק התעייפות (של I) התקדמות סדק על פני מישורים קריסטלוגרפיים:. נתך קולט.. נתך ניקל Handbook) (Metals של התקדמות הסדק (של :(II כשהסדק גדול מספיק משתנה כיוון התקדמותו וגם מנגנון התקדמותו: עוד ששל העירור גידול הסדק מתרחש מקיל למישור החלקה פעיל, שנמצ זוית קרוה ל- 45 o לממץ המתיחה, התקדמות הסדק מתרחשת ניצ לממץ המתיחה על ידי פעילות של כמה מערכות החלקה. פעילות זו מתרחשת כדי להקהות ת קצה הסדק ולהקטין ת ריכוז הממצים. הי נרחת יותר משל עירור הסדק ך עדיין זהו תהליך מיקרו- פלסטי! מתכות FCC התקדמות הסדק מלווה יצירת תלמים striations) (fatigue פני השר, דרך כלל כל מחזור ממץ יוצר תלם חד (יור 5). מתכות BCC ל נוצרים תלמים מושלמים. הוצו מנגנונים חדים להסיר ת היווצרותם. חד המנגנונים משוחזר יור 7. הסתכלות מקרוסקופית, ו הגדלות קטנות פני שר התעייפות ניתן להחין שני מפיינים (יור 1 ):. קווי חוף lines) -(beach שהם קווי חזית הסדק. הם נוצרים כנרה גלל "חילת" מחזורי ממץ עלי ותו ופי, כי ניהם ניתן לזהות דרך כלל (מצעות מיקרוסקופ לקטרונים סורק) כמה לפי תלמי התעייפות.. קווי רכס -(ridges) שנוצרים מכוון שהסדק מתפצל מת להרה סדקים זעירים שמתקדמים כוונים מעט שונים ועל פני משטחים שונים. של מסויים הם מתמזגים על ידי חיתוך הרווח ניהם, וחיתוך זה יוצר מדרגות פני השר שהם קווי הרכס. קווי הרכס מסמנים ת כוון התקדמות הסדק ולכן הם ניצים לקווי החוף! דרך כלל מופיעים קווי חוף מתכות BCC וקווי רכס מתכות.FCC שר סופי: כשהסדק התקדם לורך קריטי, החלק ל יכול לשת ממץ המופעל עליו והו נשר שר מהיר (קטסטרופלי). חומר משיך שטח השר שנשר של הסופי הו קטן. חומר פריך - רו שטח הו השר הסופי (יור 8). השר 3 שר סופי של של I II

4 יור 8: שלושת השלים כישלון התעייפות ד ג יור 6: פני שר חוט של גלגל ופניים עשוי נתך לומיניום.. מרה כללי 25X. תקרי זור מקור הסדק המסומן חץ צהו תמונה ג. תקרי מיקרוסקופ לקטרונים סורק של הזור המסומן מלן תמונה ד. תקרי זור המסומן תמונה ג. תלמים יפיפיים כלה יש רק מתכות FCC 5µm 9 11 פני שר 10 קווי חוף פני שטח קווי רכס 1 6 4

5 מישורי החלקה שפעלו: רק של פתיחת הסדק גם של סגירת הסדק סדק סגור יור 7: הסר סכמטי לתהליכים הפלסטיים שמתרחשים חזית סדק התעייפות:. הקהית סדק. יצירת תלם התעייפות חיצים דומים מסמנים ת כווני הממץ החיצוני יור 7: תור סכמטי של מנה שר התעייפות: 1-6 מקורות סדקים מקילים שהחלו פני השטח על פני מישורים שונים, קווי הרכס נוצרים מקריעת הרווח ין הסדקים, 7-10 פיצול של משטחי סדק, התמזגות של משטחי סדק מפיינים הנדסיים עקומת S-N סיכום של תוצות של ניסויי התעייפות חומר נתון על ידי תור הקשר ין ורך החיים תחת עומס מחזורי לין משרעת הממץ המופעל נקר עקומת.S-N כרגיל, ככל שמשרעת הממץ גדלה - ורך החיים קטן. הירידה ורך החיים הי מונוטונית רו המתכות: נחושת, לומיניום, מגנזיום ועוד ופלדות וטיטניום הי נעצרת ממץ מסויים מתחתיו ל מתפתח כשל התעייפות לחר מספר גדול של מחזורים ) מחזורים). ממץ זה נקר גול ההתעייפות limit) (endurance וגודלו פלדות: σ. end =0.5UTS יחס זה מדגים שההתעייפות הי ה"עק כילס" של הדפורמציה הפלסטית: חוזק גוה העמסה מונוטונית נוע מהפרעות להחלקה של הנקעים חומר, הפרעות לה מגילות גם ת התהליכים שמעוררים סדקי התעייפות (יור 9). S יור 9: עקומת S-N סכמטית Fe, Ti Cu, Al, Mg. התעייפות גוהת מחזורים והתעייפות נמוכת מחזורים 5

6 S כשהממצים המחזוריים עורים ת גול הכניעה החומר עור דפורמציה פלסטית מחזורית ומספר המחזורים הם הו יעמוד עד שישר הו קטן. תחום זה נקר תחום ההתעייפות נמוכת מחזור וגוהת ממץ LCF).(Low Cycle Fatigue, כשהממצים המחזוריים קטנים ונמצים תחום הלסטי מספר המחזורים עד לשר גדול יותר, ומספר המחזורים עד לכשל גדל ככל שהממץ קטן. תחום זה נקר תחום ההתעייפות גוהת מחזור ונמוכת ממץ.(High Cycle Fatigue, HCF) הגול ין התחומים ינו מוגדר ופן חד והו נמצ סיות ורך החיים של 1000 מחזורים. תחום ההתעייפות נמוכת המחזור מצו Coffin and Manson קשר כמותי ין משרעת העיור הפלסטי לורך החיים: ε pl ε f = 2 (2 ) N f c LCF HCF כש- ε f הו העיור (המיתי) לשר ניסוי מתיחה רגיל ו- c קוע שערכו כ ~1000. עירור סדק והתקדמות סדק כשהממצים המחזוריים עורים ת גול הכניעה סדקי ההתעייפות נוצרים של מוקדם יחסית של חיי הגוף. כחצי מורך החיים הו הזמן הנדרש לעירור הסדק וכחצי הו הזמן ו הסדק גדל עד לשר הסופי. כשהממצים קטנים הזמן הנדרש לעירור הסדק מתרך והו מהווה ת רו ורך החיים (כ- 90% ). התעייפות גוהת מחזור גידול הסדקים נמשך חלק קטן מורך החיים ולכן יש סיכוי קטן לגלותם לפני שיגרם שר סופי. התקדמות סדק שר סופי S עירור סדק ג. תלות חוזק החומר ניידות הנקעים גוהה חומר על חוזק נמוך. חומר כזה קל לעורר סדקי התעייפות, כי תהליך העירור הו תהליך של דפורמציה מיקרו-פלסטית. ולם חר כך, של התקדמות הסדק, הפלסטיות הי המנגנון העיקרי של התנגדות החומר להתקדמות סדק. מכוון ששל התקדמות הסדק הו רוך יחסית תחום ה- LCF ורך החיים של חומר משיך גדול מורך החיים של חומר קשה. ולהיפך: ממצים נמוכים S ( HCF )עירור הסדק נמשך רו חיי החלק ולכן חומרים עלי ורך חיים גדול הם פלדה קשה פלדה רכה 6

7 חומרים עמידים עירור הסדק, ולה הם חומרים חזקים. ד. תלות צורת מחזורי הממצים ניתן להגדיר פונקציה מחזורית מצעות הממוצע של הגל והמשרעת שלו. התמה, דיגרמת Goodman מציגה ת הגול ין תנים ניסיוניים שגורמים לכישלון התעייפות לחר מספר מסויים של מחזורי ממץ, לתנים הם הדגמים שורדים ת הניסוי לל כשלון. תנים של ניסוי הקורה הסות, יש למחזור הממץ ממוצע פס וגול ההתעייפות σ end מוגדר כמשרעת הממץ ניסוי כזה. הניסוי הקיצוני השני הו ניסוי מתיחה רגיל, ו הממוצע הו החוזק הגול (UTS) והרכי המחזורי הו פס. מכוון ש- 0.5UTS = σ end רור שהתופעה של התעייפות רגישה יותר למשרעת הממצים משר לממץ הממוצע. זו הסיה שחשו להדק רגים כוח, כמתור תדריך "רגים". σ a 2σ a σ end =UTS/2 * דגמים שנכשלו * * * * דגמים ששרדו σ m R=-1/3 σ m = 0; R= -1 UTS דיגרמת Goodman הכוכיות מסמלות דגמים שנשרו. σ m הקו הישר המפריד ין הזורים הו קירו שמרני של הגול S דיגרמת S-N נוהגים לסמן ת הגול ין דגמים שנכשלו ודגמים ששרדו על פי הפרמטר: R1 R2 R3 max R = σ σ min 7

8 התנהגות זו מתימה להסר הידוע למנגנון העירור והגידול של סדקי התעייפות. עירור הסדק הו תוצה של י-ההפיכות של הדפורמציה הפלסטית. י הפיכות זו משמעותית כשכיוון הממץ מתחלף. ופן דומה גם גידול הסדק מתרחש עת שהממץ גדל מערכו הנמוך יותר לערכו הגוה יותר והו ל רגיש לממוצע הממצים. ה. פילוג סטטיסטי עקומות S-N מוצגות כגול ין תנים הם חלקים נכשלים לתנים הם חלקים שורדים ת הניסוי ו השירות, ולם גול זה ינו חד. של כניסויי מתיחה הם ממץ הכניעה ו הממץ הגולי חוזרים על עצמם (הדירים) הפרשים קטנים מדגם לדגם, יש ניסויי התעייפות הדלים גדולים מוד ין דגמים העשויים מותו חומר ונחנים ותם תנים. הדלים לה מגיעים ליותר מ- 25% מגודל הממץ לכישלון ותו מספר מחזורים. לכן דרושים לפחות כ- 10 דגמים להסיק עקומת S-N מינה. S ו. השפעת הגודל יש הדל ורך החיים התעייפות ין חלקים העשויים מותו חומר ונמצים תני ממץ זהים ך נדלים זה מזה גודלם: ורך החיים של חלקים גדולים קצר יותר מורך החיים של חלקים קטנים. הדל זה מיוחס לשטח הפנים הגדול יותר של החלקים הגדולים, כי שטח גדול יש סיכוי גדול יותר למצו פגמים משמעותיים שיכולים לעורר היווצרות של סדקי התעייפות. ז. השפעת חריצים סדקי התעייפות מתחילים זורים הם הממצים המחזוריים הם גדולים יותר. התופעה של ריכוז ממצים זורים הם יש שינויים שטח החתך, חריצים וכ"ו, חרית להרה כישלונות התעייפות. פשר לקוע מצעות ניסוי ו חישו ת "מקדם ריכוז הממצים" העמסה סטטית, שהו היחס ין הממצים זור ריכוז הממצים לממצים הרחוקים מזורים לה. מסתר שדרך כלל קיצור ורך החיים התעייפות פחות חמור מהצפוי על פי גודלו של מקדם ריכוז הממצים סי חריצים חדים. יש הדל רגישות לחריצים ין חומרים קשים ורכים: ההשפעה לקיצור ורך החיים של חומרים קשים על ידי חריץ חמורה יותר. מעניין שחריץ שיוצר ריכוז ממצים גודל k מקצר ת ורך החיים התעייפות פחות מהצפוי לפי ריכוז הממצים התורטי. 8

9 S דגמים לל חריץ דגמים עם חריץ, עקום ניסיוני דגמים עם חריץ, מחושים לפי מקדם ריכוז הממצים התורטי ח. השפעת טי השטח רו המקרים סדקי התעייפות מתחילים שטח החיצוני של החלק ההנדסי. תוצה זו רורה חלקים הנתונים לממצי כפיפה ו פיתול כי הם הממץ מרי פני השטח. ולם כמור רו המקרים פני השטח הם זורי התורפה מכוון שעירור הסדק מוץ על ידי ריכוז הממצים סי חיספוס של פני השטח. ורך החיים התעייפות גדל ככל שטי פני השטח משתפר, כמו שנרה יור. 9 יור 9: השפעת טי השטח על תכונות ההתעייפות של פלדה. ט. שינויים תכונות השטח וממצי לחיצה שרתיים מהסעיף החרון משתמע שניתן להריך ת ורך החיים התעייפות על ידי טיפול פני השטח. מחינים שתי קוצות טיפולים: כלה שיוצרים ממצי לחיצה שרתיים (התזת רסס - ריסוס כדורי פלדה) שגורמים להורדת ממצי המתיחה שהחלק "מרגיש" עת פעולת ממץ החיצוני (יור 10). () כלה שיוצרים פני שטח קשים (פיחמון, חינקון) וכך מקשים על תנועת הנקעים קרו לפני השטח. יור 10: סכום () הממצים החיצוניים מקרה של כפיפה, () ממצי לחיצה שרתיים ג 9

10 פני השטח (המוזנים על ידי ממצי מתיחה שרתיים עומק החומר) מקטין ת הממצים שמורגשים למעשה פני השטח (ג) גורמים מטלורגיים 1. חוזק: הקשר הרור ין חוזק סטטי לחוזק ההתעייפות (גהות מחזור), שתור פרק הקודם מתרר מהידוע על המנגנון של עירור סדקי התעייפות: העירור הו תוצה של החלקה ל הפיכה ולכן הפרעה להחלקה תעכ גם ת העירור של סדקי התעייפות. 2. חידות ההחלקה: עירור סדק התעייפות מתרחש גלל ריכוז החלקה של נקעים פסי החלקה מסויימים. חידות המנה של מתכת מטיחה חידות פיזור ההחלקה ולכן עמידות טוה פני עירור סדקי התעייפות. חידות מנה טוה משיגים על ידי טיפולים תרמומכניים (עיוד פלסטי טמפרטורה גוהה). ולהיפך, זורים של ריכוז ממצים על פני השטח ו תוך נפח החומר מסייעים לריכוז ההחלקה סים ולעירור סדקי התעייפות. חלקיקים של פזה שנייה עלולים לגרום לריכוז החלקה סים. ינקלוזיות (חלקיקים זרים כמו תחמוצות וסולפידים) מורידים ת חוזק ההתעייפות. הקרידים פלדה מהווים דוגמ מעניינת יותר: לוחות הצמנטיט פרליט הם חלקיקים קשים וחדים וריכוז הממצים שהם גורמים גדול יותר מזה שיוצרים חלקיקים כדוריים של צמנטיט פלדה שערה טיפול תרמי של ספרוידיזציה (שהייה טמפרטורה גוהה זמן רוך שגורם להתכדררות הצמנטיט). כשמשווים ת חוזק ההתעייפות של פלדה פרליטית לחוזק ההתעייפות של פלדה ספרוידלית עלות קושי שווה, מוצים שלפלדה הספרוידלית חוזק גוה יותר התעייפות. קרידים כדוריים קטנים מוד מופיעים גם מרטנזיט מורפה וקטנים יותר נוצרים יניט. כשמשווים ת חוזק ההתעייפות של מרטנזיט מורפה ויניט עלי ותו חוזק מוצים שליניט יש חוזק גוה יותר התעייפות. 3. ניזוטרופיה: יש הדל קטן ין חוזק ההתעייפות כשהסדק מתקדם ניצ לכוון הערגול של החומר (חוזק נמוך) ומקיל לכיוון העירגול (חוזק גוה יותר). ג. טו ורע להתעייפות הגורם מטלורגי: חוזק פיזור החלקה תהליכים: טי שטח מנה עמיד התעייפות HCF חוזק גוה מנה חיד טי שטח גוה (שטח חלק) מנה עמיד פחות חוזק נמוך חלקיקי פזות חדים טי שטח ירוד (מחוספס) 10

11 תכנון קושי פני השטח ממצים שרתיים פני שטח מוקשים (פיחמון, חינקון) ממצי לחיצה (התזת רסס, ערגול של פני השטח) הימנעות מריכוזי ממצים פני שטח רכים (דקרוריזציה, לקלד (לומיניום)) ממצי מתיחה שרתיים (עיקות השחזה, חיסום) שינויים חדים שטח החתך, קדחים 2. המיכשור המכונה שתשמש לניסוי הי מסוג,Moor מוססת על עקרון של קורה סות beam) (rotating (יור 11). מכונה שני תי מיסים, שר מרכזם עור גל מסתו המונע על ידי מנוע. הדגם מתנהג כקורה כפיפה רע נקודות. העומס מופעל על ידי משקולות המונחות על מחזיק שתלוי על שתי קצוות הדגם, כך שנוצר מומנט קוע לורך הדגם. פשר לשנות ת משרעת הממץ הפועל על הדגם על ידי שינוי המשקולות. כל סיו של הדגם הו משלים מחזור ממצים חד. משרעת הממץ שנוצר פני השטח של σ a 16WL = 3 π D דגם גלילי שקוטרו D הי: יור :11 machine Moor rotating beam test 3. שלות לדוח מכין 3.1 הגדר ת תופעת התעייפות של חומרים 3.2 הסר ת התהליכים של הדפורמציה שלי עירור סדק התעייפות ושל התקדמות הסדק. 11

12 3.3 ומרים שהתעייפות הי תוצה של י-ההפיכות של הדפורמציה הפלסטית. הסר צייר גל שמשרעתו והממוצע שלו 0. מהו יחס הממצים R=σ min σ/ max. צייר גל שיחס הממצים שלו 0=R. ג. צייר גל שיחס הממצים שלו 1- =R ד. נתח ת הממצים קורה סות. יזו צורת גל "רוה" כל נקודה פני השטח של הדגם. 3.5 הסר מהי דיגרמת, N יך הדיגרמה משתנה עם יחס הממצים,R=σ S _ min σ/ max מהי דיגרמת Goodman 3.6 מהו גול התעייפות, ילו חומרים קיים גול התעייפות. 4. מהלך הניסוי הניסוי יעשה דגמי ם גליליים עשויים מחומרים שונים. הדגמים מועמסים כפיפה מחזורית טהורה, עם יחס ממצים 1 =R. 4.1 מדוד ת מימדי הדגמים. חוז דגם תפסניות. הפעל ת המנוע והמשך ת הניסוי עד לשר. רשום ת מספר המחזורים לשר של כל דגם. 4.2 צע ניסוי מתיחה דגמים זהים. 4.3 חן ת פני השר מיקרוסקופ סטרוסקופי. זהה ת סדק ההתעייפות ות השר הסופי. קע ת מימדי סדק ההתעייפות, חש ת שטחו והשווה לשטח הכולל של השר. יך היחס קשור למשיכות החומרים? 4.4 פני השרים ידקו מיקרוסקופ לקטרונים סורק. זהה ת תלמי ההתעייפות, מדוד תמונות ת צפיפותם לורך קו. הערך ת המספר הכולל של תלמי ההתעייפות פני השר והשווה למספר המחזורים הכללי הם עמד כל דגם. 5. הנחיות לדוח מסכם 5.1 תר ת מהלך הניסוי 5.2 נסה למצו קשר ין המימדים של סדקי ההתעייפות ממץ קוע ולסוג החומר (פרט - להתרכות לשר ולחוזק הגולי שלו) 5.3 סכם ת תצפיותך מנה המקרוסקופי והמיקרוסקופי של פני השרים. כיצד המנה משתנה עם סוג החומר ועם משרעת הממצים. 1. G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill, ch. 12 (1986 edition) 2. Metals Handbook, vols. 12 and ספרות 12