بررسی اثر متقابل خستگی

بررسی اثر متقابل خستگی، ناخالصی و ریزساختار بر رفتار فولاد

فروش فولاد نورد سرد-فروش فولاد نورد گرم-فروش فولاد نسوز-فروش فولاد ضد خوردگی-فروش فولاد کربنی -فروش فولاد زنگ نزن-فروش انواع استیل-(فروشگاه فولاد رسول دلاکان) ((ارتباط با واحد فروش 09122136675-02128423820))

چکیده

در این تحقیق فولادهای آلیاژی با سختی‌های متفاوت مورد آزمایش خستگی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که حد خستگی با افزایش سختی تا 400 ویکرز افزایش و در مقادیر بیش از 400 ویکرز دچار افت می‌گردد. سطح شکست نمونه‌های فوق توسط میکروسکوپ الکترونی و روبشی نشان داد که در اکثر نمونه‌ها، ناخالصی‌های غیر فلزی منشأ شروع شکست خستگی می‌باشند. با پیش‌بینی شدت تنش آستانه Δk_th و مطابقت آن با مشاهدات میکروسکوپ الکترونی روبشی. ناشی از سطح شکست نهایی و مقایسه با حد خستگی فولاد، می‌توان توجیه مناسبی بر تأثیر سختی زمینه. بر رفتار خستگی فولاد و رابطه بین آن دو ارائه کرد.

مقدمه

در تمام فولادهای آلیاژی، حضور ناخالصی‌های غیر فلزی از نگرانی‌های فولادسازان و قطعه‌سازان به شمار می‌رود. این ناخالصی‌ها در فرآیند فولادسازی متشکل است و اکثر آنها دارای ترکیبات اکسیدی و سولفیدی می‌باشند. یکی از عمده‌ترین دلایل تخریب و شکست قطعات صنعتی که در معرض بارگذاری‌های دینامیکی قرار دارند، خستگی است. نظر به اینکه علت تقریباً تمام شکست‌های خستگی جوانه زنی ترک از محل‌های دارای تمرکز تنش می‌باشد.

لذا ناخالصی‌ها که منشأ تمرکز تنش در قطعات هستند. بر روی استحکام خستگی تأثیر چشمگیری دارند. عوامل بسیاری سبب خستگی فلز می‌شوند و ارزیابی رفتار خستگی با استفاده از اطلاعات محدود تقریباً غیر ممکن است. بدست آوری یک روش مناسب برای پیش‌بینی حد خستگی (σ_w) در حضور این ناخالصی‌ها، یک نیاز طولانی مدت برای مهندسین مختلف بوده است. منحنی S-N که ارتباط بین تنش اعمالی و تعداد سیکل‌هایی که منجر به شکست می‌شود را نشان می‌دهد. توسط دیتاهای آزمایشگاهی بدست می‌آید و رفتار خستگی مواد را پیش‌بینی می‌کند. رسم چنین نمودارهایی با وجود اینکه بسیار مفید می‌باشد اما به علت گرانی و زمان بر بودن، در صنعت کاربرد محدودی دارند.

خستگی فلزات، تحت تأثیر پارامترهای مختلفی از جمله ساختار ماده، تنش تسلیم (σ_y)، تنش کششی نهایی (σ_u)، اندازه دانه. ناخالصی‌های فلزی و غیر فلزی، زبری سطح، ترک، سختی ماده و… قرار می‌گیرد [6-1]. در سال‌های گذشته ارتباط‌های تجربی بسیاری میان استحکام کششی نهایی و یا سختی با حد خستگی پیشنهاد شده‌اند. برای مثال، موراکامی دو رابطه یکی برای تخمین حداقل مقدار و دیگری برای تعیین حداکثر مقدار استحکام خستگی پیش‌بینی کرده است. زمانی که فلزات بدون نقص هستند. حداکثر مقدار حد خستگی را می‌توان با معادله (1) برای سختی کمتر از 400 ویکرز (400>H_V) ارزیابی نمود [1].

حداقل استحکام خستگی زمانی است که شکست خستگی ناشی از عیب یا ناخالصی غیر فلزی باشد. موراکامی و همکارانش یک روش مفید و ساده که بر اساس دو کمیت اساسی بنا می‌شود، پیشی‌بینی (σ_w) ارائه کردند. این کمیت‌های اساسی، سختی ویکرز که بیانگر استحکام فولاد و area√. (بزرگترین مساحت تصویر شده عیب عمود بر محور تنش اعمالی) که بیانگر پارامتر هندسی نقص می‌باشد، هستند. پیش‌بینی حداقل حد خستگی توسط معادله پیشنهادی موراکامی را می‌توان چنین بیان نمود [5]:

معادلات (1) و (2) که توسط موراکامی پیشنهاد گردید محدوده‌ای از حد خستگی. از بیشترین مقدار برای قطعه بدون عیب تا کمترین مقدار که برای قطعه دارای نقص است، را به ما می‌دهد. تا کنون روش مشخصی برای برآورد دقیق حد خستگی فولاد با توجه به تأثیر ناخالصی غیرفلزی. به عنوان عوامل اصلی شکست خستگی با استفاده از سختی ویکرز گزارش نشده است. و تنها کاسگراند و همکارانش در سال‌های اخیر در این زمینه کار کردند [6]. آنها نیز از فرمول (2) موراکامی برای پیش‌بینی حد خستگی استفاده کردند.

ولی برای جایگزینی area√ فرمول جدیدی ارائه دادند که در نهایت فاکتورهای حساسیت ریزساختار به ترک، ناخالصی و زبری سطح را در نظر نگرفته‌اند. بنابراین، در این مقاله سعی گردید روش جدید، ساده و نسبتاً دقیق برای تخمین حد خستگی با استفاده از سختی ویکرز. با توجه به تأثیر ناخالصی غیر فلزی و زبری سطح ارائه شود. با توجه به اینکه ناخالصی‌های غیر فلزی عامل اصلی شکست در فولادهای آلیاژی می‌باشند. بنابراین پیدا کردن روشی مناسب برای تعیین اندازه بحرانی ناخالصی برای استفاده در صنعت فولادسازی یکی دیگر از اهداف این تحقیق می‌باشد.

مواد و روش تحقیق

در این تحقیق جهت انجام آزمایشات خستگی، نمونه‌های استاندارد خستگی از چهار نوع فولاد تجاری. DIN 1.1186 , 1.3102 ,1.7176 , 1.7218 مطابق با استاندارد DIN 50113 تهیه شد. هر فولاد به منظور دست‌یابی به سختی‌های مختلف، تحت یک سیکل عملیات حرارتی خاص قرار گرفت. در جدول (1) این سیکل‌ها به صورت خلاصه آورده شده است. نمونه‌های حاصل از سیکل‌های مختلف بعد از عملیات حرارتی، تحت بررسی ریزساختاری و خواص مکانیکی خستگی قرار گرفتند.

فولاد 1.1186: نام دیگر این فولاد CK40 می‌باشد و نوعی فولاد کربنی عملیات حرارت‌پذیر نیز شناخته می شود. این فولاد دارای سختی‌پذیری متوسط، شکل‌پذیری و ماشین‌کاری بسیار خوب است. از این فولاد معمولاً در صنایع ماشین‌سازی، قطعات خودرو، موتورها، پیچ و مهره، محور قطار و شافت‌های صنعتی استفاده می‌شود. دمای پیش‌گرم این فولاد بین 150 تا 200 درجه سانتی‌گراد است. و برای جوشکاری آن از الکترودهایی مانند E9018-G استفاده می‌شود.

فولاد 1.3102: این فولاد با نام فولاد گرم‌کار نیز شناخته می‌شود. یک نوع فولاد آلیاژی است که برای کاربردهای دمای بالا طراحی شده است. این فولاد دارای مقاومت بالا در برابر حرارت، سایش و شوک حرارتی است و معمولاً در ساخت قالب‌های دایکاست، ابزارهای آهنگری و قطعاتی که تحت فشار و دمای بالا کار می‌کنند، استفاده می‌شود.

فولاد 1.7176: یکی از فولادهای آلیاژی 1.7176 می‌باشد که با نام فولاد فنر 55Cr3 نیز شناخته می‌شود. این فولاد دارای ترکیب شیمیایی شامل حدود 0.55 درصد کربن 0.37 درصد سیلیسیم، 0.7 تا 1 درصد منگنز و کروم است. این ویژگی‌های برجسته این فولاد می‌توان به خاصیت الاستیسیته بالا، مقاومت در برابر سایش و خوردگی، و شکل‌پذیری خوب آن اشاره کرد. این فولاد معمولاً در ساخت فنرهای لایه‌ای تخت، فنرهای پیچشی و فنرهای استوانه‌ای برای صنایع خودروسازی و دیگر کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.

فولاد 1.7218: یک نوع فولاد آلیاژی عملیات حرارتی‌پذیر است که با نام‌های AISI 5140 و 41Cr4 نیز شناخته می‌شود. این فولاد به دلیل ترکیب شیمیایی خاص خود شامل 0.45-0.38 درصد کربن، 0.90-0.120 درصد کروم، 0.60-0.90 درصد منگنز و 0.15-0.40 درصد سیلیسیوم، دارای خواص مکانیکی برجسته‌ای مانند مقاومت بالا در برابر تنش‌های مکانیکی، سختی مناسب و مقاومت به سایش است. این فولاد معمولاً در صنایع خودروسازی، ساخت ابزارها و ماشین‌آلات، تجهیزات مهندسی و قطعاتی که نیاز به استحکام و سختی بالا دارند، استفاده می‌شود. همچنین قابلیت عملیات حرارتی مانند کوئنچ و تمپر را دارد. که باعث بهبود خواص مکانیکی آن می‌شود.


برای مشاهده ریزساختار، نمونه‌های متالوگرافی ابتدا با استفاده از تکنیک‌های متداول پولیش، مهیا و مشاهدات ریزساختاری توسط میکروسکوپ نوری انجام شد. کسر حجمی فازهای هر ریزساختار توسط نرم افزار آنالیز تصویر (Clemex) تعیین گردید.

آزمون خستگی با استفاده از دستگاه آزمون خستگی از نوع چرخشی-خمشی با فرکانس 98 هرتز (5800 دور بر دقیقه). و نسبت تنشی R=-1 در دمای محیط انجام گردید. آزمایش‌ها تا زمانی که نمونه بشکند یا 10⁷ سیکل تنش را تحمل کند، ادامه یافتند. حداقل 4 آزمون سختی بر روی نمونه‌های عملیات حرارتی شده در هر گروه انجام شد که مقدار متوسط آن گزارش شده است.
همچنین به منظور تعیین اندازه و محل ناخالصی غیر فلزی، عامل شکست خستگی و نیز برای تعیین چگونگی شکست نهایی. سطوح مختلف شکست بوسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد بررسی قرار گرفتند.

بررسی اثر متقابل خستگی

نتایج و بحث

مشاهدات ریز ساختاری. ساختار میکروسکوپی فولادهای مورد آزمایش در شکل (1) آورده شده است. فولاد 1.1186 ساختار فریتی-پرلیتی نسبتاً ریزی دارد. که مناطق روشن حاوی 40 درصد فاز فریت و بقیه که مناطق تیره می‌باشد، حاوی فاز پرلیت است. فولاد 1.1302 با ساختار فریتی-پرلیتی نسبتاً درشت با مناطق روشن حاوی 30 درصد فاز فریت و بقیه مناطق که تیره رنگ است، پرلیت می‌باشد. فولاد 1.7218 شامل 8 درصد فاز سفید رنگ فریت، 32 درصد فاز تیره رنگ بینیت و بقیه مارتنزیت تمپر شده می‌باشد.

بررسی اثر متقابل خستگی

در نهایت ساختار فولاد 1.7176 کاملاً مارتنزیت تمپر شده است. فولاد 1.1186 و 1.1302 هر دو ساختار فریتی-پرلیتی دارند. اما به دلیل وجود بیشتر فاز نرم فریت در فولاد 1.1186 این فولاد از سختی کمتری برخوردار است. با توجه به نمودار CCT فولاد 1.7218 شکل (2) و با توجه به سرعت بالای سرد کردن در روغن. انتظار می‌رود ساختار این فولاد فاز فریت نداشته باشد. ولی طبق شرایط خاص عملیات حرارتی در این پژوهش، ساختار حاوی فاز فریت نیز هست. زیرا دمای آستنیته استاندارد فولاد 1.7218، 875 درجه سانتی‌گراد می‌باشد.

در صورتیکه در این تحقیق در دمایی زیر دمای آستنیته استاندارد 850 درجه سانتی‌گراد آستنیته کردن فولاد انجام شد. که این باعث می‌شود کاربیدها به صورت حل نشده در ساختار باقی بمانند و ساختار کاملاً آستنیتی نشده. و این موجب می‌شود که نمودار CCT به سمت چپ میل کند. همچنین، نمونه‌ها بلافاصله بعد از بیرون آمدن از کوره کوئنچ نشدند و این از سرعت سرد شدن می‌کاهد. از آنجا که با انجام عملیات حرارتی یکسان، ساختار حاصل برای فولاد 1.7176 کاملاً مارتنزیت تمپر شده می‌باشد. در حالیکه فولاد 1.7218 ساختار سه فازی دارد. لذا فولاد 1.7218 نسبت به فولاد 1.7176 سختی‌پذیری کمتری دارد.

نمودار S-N شکل (3) نمودار S-N حاصل از آزمایشات خستگی تمام نمونه‌های مورد بررسی را نشان می‌دهد. تنشی که در آن نمونه بتواند 10⁷ سیکل را بدون شکست تحمیل نماید. حد خستگی (σ_w) نامیده می‌شود. که در نمودار حاصل بین سیکل‌های 10⁷,10⁶ یک ناحیه افقی حاصل شده است که تعیین حد خستگی را آسان می‌نماید. یکی از مهمترین اهداف آزمون خستگی برای فولادها، تعیین حد خستگی است.

این بدین دلیل است که قطعاتی که تحت تنش خستگی هستند باید طوری طراحی شوند. که در حین کار تحت تنشی کمتر و یا حداکثر برابر با حد خستگی قرار گیرند. حد خستگی فولادهای 1.7176,1.7218,1.1302,1.1186 به ترتیب برابر با 320,410,330,240Mpa می‌باشد.

بررسی اثر متقابل خستگی