تجزیه و تحلیل موردی شکستگی خستگی خمشی معمولی پیچ و مهره های میخ بست

شکست خستگی یکی از رایج ترین حالت های خرابی قطعات مکانیکی است. داده های آماری نشان می دهد که 50٪ تا 80٪ از تمام خرابی های قطعات مکانیکی به آسیب خستگی نسبت داده می شود. قبل از شکستگی ناشی از خستگی، قطعات معمولاً هیچ تغییر شکل پلاستیک آشکار یا علائم پیش از شکست را نشان نمی دهند. با این وجود، شکستگی ناشی از خستگی به طور ناگهانی و مخرب رخ می دهد، که اغلب منجر به خطاهای شدید تجهیزات و حوادث ایمنی می شود. آسیب خستگی از قوانین شروع و انتشار خاصی پیروی می کند و در نهایت به شکستگی کامل خستگی تبدیل می شود.

تعریف خستگی: خستگی فلز به زوال مداوم خواص مکانیکی مواد فلزی تحت اعمال چرخه ای مکرر تنش یا کرنش متناوب اشاره دارد.

تعریف شکستگی خستگی: هنگامی که مواد فلزی تحت تنش و کرنش متناوب چرخه ای طولانی مدت قرار می گیرند، تغییرات ریزساختاری موضعی و انتشار مداوم عیوب داخلی رخ می دهد که منجر به تخریب خواص مکانیکی و در نهایت شکستگی کامل اجزا می شود. این فرآیند شکست به عنوان شکستگی خستگی تعریف می شود. تنشی که باعث شکستگی خستگی می شود به طور کلی بسیار کمتر از حد استحکام استاتیکی ماده است. شکستگی ناشی از خستگی با وقوع ناگهانی، محلی بودن زیاد و حساسیت بالا به عیوب سطحی و داخلی مشخص می شود.

1. تجزیه و تحلیل مورفولوژی ماکروسکوپی سطح شکست

هدف تحقیق در این مورد یک پیچ گل میخ شکسته مورد استفاده در تجهیزات توربین بادی است. مشخصات مورفولوژیکی ماکروسکوپی سطح شکست به شرح زیر تجزیه و تحلیل می شود:

1. سمت چپ و راست پایین سطح شکستگی مورفولوژی های مقعر و محدب نامنظم دارند. سمت چپ یک بریدگی محدب به شکل قوسی را نشان می دهد، در حالی که سمت راست با چندین بریدگی دندانه دار ریز توزیع شده است. قوس پایینی شکستگی یک لبه برش تیز را تشکیل می دهد.

2. یک ناحیه مرکزی بزرگ از شکستگی به عنوان منطقه انتشار ترک عمل می کند، که با علائم ساحلی مشخص پوشیده شده است، که ویژگی های ماکروسکوپی معمول شکستگی خستگی است.

3. آثار زنگ در سطح شکستگی منطقه شروع ترک و منطقه انتشار علامت ساحل مشاهده می شود که در اثر قرار گرفتن طولانی مدت در محیط خارجی ایجاد می شود.

4. منطقه شکست آنی یک لب برشی پهن و ظریف با سطح شکستگی صاف و روشن عاری از زنگ زدگی ارائه می دهد. این نشان می دهد که شکستگی نهایی به سرعت رخ داده است و متعلق به شکست آنی انعطاف پذیر است.

5. ساق پایین گل میخ شکسته دارای یک سطح صاف و روشن با آثار اصطکاک آشکار است، که یک سطح قوس صاف ایجاد شده توسط اصطکاک مکرر طولانی مدت را تشکیل می دهد.

6. هیچ تغییر شکل یا گردن آشکاری در موقعیت شکستگی مشاهده نمی شود که احتمال شکستگی کششی اضافه بار را منتفی می کند.

2. تجزیه و تحلیل مکانیسم شکست ماکروسکوپی

1. ترک در سمت پایین شروع می شودپیچ گل میخ. لبه برش صاف، بریدگی های دندانه دار و شکاف های قوسی شکل در ساقه پایین، مناطق تمرکز تنش را تشکیل می دهند که منابع اصلی شروع ترک هستند.

2. ویژگی های علامت ساحل در منطقه انتشار ترک برجسته است. در مرحله انتشار اولیه، فاصله علائم ساحلی کوچک است که نشان‌دهنده رشد پایدار و کند ترک تحت تنش مماسی چرخه‌ای است. در مرحله انتشار بعدی، فاصله به طور قابل توجهی افزایش می یابد، که نشان دهنده سرعت انتشار ترک و افزایش خطر شکست است.

3. لبه برشی پهن، ریز و روشن در ناحیه شکست آنی، ویژگی‌های شکست انعطاف‌پذیر معمولی را نشان می‌دهد، که ثابت می‌کند که گل میخ دارای استحکام و چقرمگی مناسب با خواص مکانیکی جامع عالی است.

4. سطح قوس صاف در سمت گل میخ یک مورفولوژی اصطکاک معمولی است. این نشان می‌دهد که گل میخ تنش متناوب جانبی طولانی‌مدت را تحمل می‌کند، به طور مداوم در حین کار متقابل می‌شود، و اصطکاک و اکستروژن مکرر را با دیواره سوراخ چرخ دنده ایجاد می‌کند و در نهایت یک سطح صاف صیقلی را تشکیل می‌دهد.

نتیجه گیری ماکروسکوپی: شکستگی گل میخ یک شکستگی خستگی خمشی معمولی است. منطقه شکست آنی ویژگی های شکست انعطاف پذیر مطلوب را بدون ویژگی های شکست شکننده ارائه می دهد.

3. تجزیه و تحلیل مورفولوژی میکروسکوپی

برای روشن شدن بیشتر مکانیسم شکست، تشخیص میکروسکوپی میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بر روی نمونه شکست برای مشاهده ویژگی‌های ریزساختاری نواحی مختلف شکست انجام شد.

1. مشاهدات SEM خطوط خستگی مشخص و منظم را در ناحیه انتشار ترک نشان می‌دهد، که ویژگی‌های میکروسکوپی اصلی شکستگی خستگی فلز هستند و به خوبی با علائم ساحلی ماکروسکوپی مطابقت دارند و شکست خستگی را تأیید می‌کنند.

2. تعداد زیادی فرورفتگی با توزیع یکنواخت در تصاویر SEM مشاهده می شود که تظاهرات میکروسکوپی معمولی چقرمگی مواد عالی هستند. این با لبه برشی پهن در ناحیه شکست ماکروسکوپی مطابقت دارد و هماهنگی منطقی استحکام و انعطاف پذیری گل میخ را تأیید می کند.

3. مورفولوژی شکستگی با ناحیه بزرگ در کل سطح شکستگی یافت نمی شود. فقط مقدار کمی از ویژگی های شبه شکاف در مناطق محلی ظاهر می شود که متناوب با فرورفتگی ها هستند. این نشان می دهد که این ماده دارای شکنندگی کم و تطابق بهینه از استحکام و چقرمگی است.

نتیجه گیری میکروسکوپی: سطح اصلی ازگل میخعلائم ابزار چرخشی را با زبری سطح بالا حفظ می کند و مناطق تمرکز تنش ضعیف را تشکیل می دهد. در طول عملیات تجهیزات، گل میخ متحمل تنش خمشی مماسی متناوب می شود و علائم سطح ابزار با اصطکاک مکرر به یک سطح قوس صاف صیقل داده می شود. تحت خمش، برخورد و اصطکاک رفت و برگشتی طولانی مدت با فرکانس بالا، ریزترک ها ترجیحاً در عیوب سطح ناهموار شروع می شوند و منابع خستگی را تشکیل می دهند. با اعمال مداوم بارهای متناوب، ترک ها به تدریج منتشر می شوند و در نهایت منجر به شکست خستگی خمشی با چرخه بالا می شوند. ویژگی‌های مورفولوژیکی ماکروسکوپی و میکروسکوپی بسیار سازگار هستند و ثابت می‌کنند که شکستگی ناگهانی ناشی از آسیب خستگی خمشی انباشته است.

4. بررسی در محل و تجزیه و تحلیل شرایط کاری

برای بازگرداندن شرایط کار شکست واقعی، دو بررسی در محل در سایت توربین بادی انجام شد. اطلاعات مربوطه شامل مدت زمان عملیات تجهیزات، فرآیند مونتاژ، موقعیت نصب، مورفولوژی شکستگی و سوابق نگهداری برای روشن شدن شرایط خرابی تأیید شد.

بیش از 30 توربین بادی 1.5 مگاواتی بیش از سه سال است که کار می کنند و تنها یک پیچ گل میخ شکسته است که یک مورد شکست فردی است. بازرسی در محل نشان می دهد که گل میخ شکسته با انحراف موقعیت نصب شده است. یک طرف ساق کاملاً بدون هیچ شکافی روی انتهای سوراخ چرخ دنده قرار می گرفت، در حالی که طرف دیگر دارای فاصله مونتاژ زیادی بود. انحراف نصب باعث شد که گل میخ به طور مداوم با عملکرد توربین خم شود و رفت و آمد کند، بارهای جانبی متناوب طولانی مدت ایجاد کند و خطرات بالقوه خرابی خستگی را ایجاد کند.

سمت نزدیک گل میخ بدون شکاف و غیرقابل دسترس برای ابزار بود، که ثابت می کند که این موقعیت تنش مماس چرخه ای بسیار بالایی را تحمل می کند و باعث ایجاد مشکل در جداسازی بعدی می شود. تحت تنش متناوب عمودی محوری پیوسته، سمت گل میخ متصل به دیواره سوراخ، خمش، ضربه و اصطکاک مکرر را با سوراخ چرخ دنده تجربه کرد. علائم چرخش اولیه کاملاً از بین رفتند و یک سطح قوس صاف آینه مانند با ویژگی های اصطکاک آشکار را تشکیل دادند.

توربین بادی با سرعت چرخشی 17 دور در دقیقه به مدت 15 ساعت در روز کار می کند و تقریباً 15300 سیکل در روز تولید می کند. کل چرخه های عملیاتی در عرض نیم سال به 2.8×106 و در عرض سه سال و نیم به 2.0×107 می رسد. گل میخ در دامنه کوچکی در حدود 4 میلی متر با دامنه تنش کم و سطح تنش کلی پایین نوسان می کند، که متعلق به شرایط کاری معمولی با چرخه خستگی بالا با تنش کم است. شکستگی ناشی از خستگی خمشی انباشته طولانی مدت تحت بارهای جانبی متناوب است، که یک مورد معمولی از شکستگی خستگی خمشی پیچ است.

5. خلاصه جامع

1. حالت شکست گل میخ به عنوان شکستگی خستگی خمشی، به جای شکستگی اضافه بار، شکستگی شکننده یا شکستگی ناشی از نقص مواد تأیید شده است.

2. علت اصلی خرابی فرآیند مونتاژ نامناسب است. انحراف موقعیت منجر به اتصال نزدیک یک طرفه گل میخ با سوراخ چرخ دنده می شود که منجر به تنش خمشی مماسی متناوب می شود. آسیب خستگی به طور مداوم در طول عملیات چرخه بالا جمع می شود و در نهایت باعث شکستگی خستگی خمشی می شود.