تحلیل موردی شکستگی خستگی خمشی معمولی پیچ 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 پلاستیکی آشکار یا علائم پیش{4} خرابی را نشان نمی‌دهند. 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 فشار و کرنش متناوب چرخه‌ای طولانی مدت قرار می‌گیرند، تغییرات ریزساختاری محلی و انتشار مداوم عیوب داخلی رخ می‌دهد که منجر به تخریب خواص مکانیکی و در نهایت شکستگی کامل اجزا می‌شود. 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 خستگی با وقوع ناگهانی، محل 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 شکاف محدب به شکل قوس-را نشان می‌دهد، در حالی که سمت راست با چندین بریدگی دندانه‌دار 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 هستند.

3. آثار زنگ در سطح شکستگی ناحیه شروع ترک و ناحیه انتشار علامت ساحل مشاهده می شود که ناشی از قرار گرفتن در معرض{1} طولانی مدت در محیط خارجی است.

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. ساقه پایینی 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 ایجاد می کند.

6. هیچ گونه گردن یا تغییر شکل آشکاری در موقعیت شکست 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 قوس{1} شکل در ساقه پایین، مناطق تمرکز تنش را تشکیل می دهند که منابع اولیه 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، ظریف و روشن در ناحیه شکست آنی، ویژگی‌های شکست شکل‌پذیر معمولی را نشان می‌دهد، و ثابت می‌کند که گل میخ دارای استحکام و چقرمگی با خواص مکانیکی 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، در حین کار به طور پیوسته 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 نمی‌شود. فقط مقدار کمی از شبه{3}}ویژگی‌های شکاف در نواحی محلی ظاهر می‌شوند که با فرورفتگی متناوب هستند. این نشان می دهد که این ماده دارای شکنندگی کم و مطابقت 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 پرداخت می شود. تحت خمش رفت و برگشتی، برخورد و اصطکاک طولانی مدت-فرکانس بالا-، ریزترک ها ترجیحاً در عیوب سطح ناهموار شروع می شوند و منابع خستگی را تشکیل می دهند. با عمل مداوم بارهای متناوب، ترک ها به تدریج منتشر می شوند و در نهایت منجر به شکستگی خمشی 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. در{1}}تحقیق سایت و تجزیه و تحلیل شرایط کاری

برای بازگرداندن شرایط کار شکست واقعی، دو تحقیق در سایت-در سایت توربین بادی انجام شد. اطلاعات مربوطه از جمله 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 برای بیش از سه سال در حال بهره برداری بوده اند و تنها یک پیچ گل میخ شکسته شده است که یک مورد شکست فردی است. بازرسی در سایت نشان می دهد که گل میخ شکسته با انحراف موقعیت نصب شده است. یک طرف ساق به صورت نزدیک به صفحه انتهایی سوراخ چرخ دنده بدون هیچ شکافی منطبق بود، 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 و 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 مشکلات زیادی در جداسازی قطعات 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 آینه ای-مانند سطح قوس صاف 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 میلی‌متر با دامنه تنش کم و سطح تنش کلی پایین حرکت می‌کند، که مربوط به شرایط کاری معمولی{11}}تنش زیاد-خستگی چرخه است. شکستگی ناشی از خستگی خمشی انباشته شده درازمدت تحت بارهای جانبی متناوب است که یک مورد معمول از شکستگی ناشی از خمش پیچ است.

5. خلاصه جامع

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

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 متناوب متناوب می شود. آسیب خستگی به طور مداوم در طول کارکرد تجهیزات با چرخه بالا جمع می شود و در نهایت باعث شکستگی خستگی خمشی می شود.