خستگی فلز یکی از ظریف ترین و در عین حال خطرناک ترین نوع از خرابی فلزات است. فشارهای کششی، ضربه‌ای و بُرشی بیش از حد، از عوامل آسیب‌زننده به فلز هستند؛ اما خستگی فلز اتفاقی است که در بسیاری از فلزات رُخ می‌دهد، بدون این که کسی متوجه شود. در علم مواد، خستگی فرآیندی است که طی آن یک ماده به آرامی و به تدریج (و اغلب به طور دائم) توسط تنش‌ها و کرنش‌هایی که کمتر از تنش‌هایی است که برای جدا کردن مواد لازم است، آسیب می‌بینند.

خستگی فلزی چیست؟

خستگی فلز زمانی رخ می دهد که قطعات فلزی در اثر تنش های مکرر ضعیف شوند. سه مرحله برای خستگی فلز وجود دارد:

مرحله‌ی اول:

پس از گذراندن میزان معینی از دوره‌های بارگذاری، ترک‌های ریزی شروع به ایجاد شدن روی فلز می‌کنند. این ترک‌های ریز، بیشتر در نواحی هندسی که تنش در آن‌ها متمرکز می‌شود، پدید می‌آیند. تنش مورد نیاز برای ایجاد این ریزترک‌ها، از مقاومت کششی نهایی و مقاومت کششی تسلیم فلز، کمتر است.

مرحله‌ی دوم:

در این مرحله، ریزترک‌ها همچنان تحت تنش‌های حاصل از بارگذاری‌های دوره‌ای هستند و این امر، باعث افزایش سایز ریزترک‌ها می‌شود.

مرحله‌ی سوم:

در نهایت در این مرحله، ریزترک‌ها، به اندازه‌ای بزرگ‌ می‌شوند که تنش‌ها باعث انتشار سریع ترک‌ها و همچنین آسیب به فلز می‌شوند. سطح ترک‌خورده از نظر ظاهری، بسته به نوع فلز و مقاومت کششی فلز، متفاوت است.

انواع خستگی فلز

شکست حاصل از خستگی فلز می تواند در اشکال مختلف خستگی منعکس شود، انواع خستگی فلزات عبارتنداز:

• خستگی حرارتی: این نوع خستگی فلز در اثر تغییرات دما اتفاق می افتد. این تغییرات می تواند ناشی از عوامل محیطی و همچنین نوسانات دما از خاموش و روشن شدن ابزارها باشد.
• خستگی خوردگی: خستگی ناشی از خوردگی معمولاً به دلیل محیط های است که خاصیت خورندگی دارند و به فلز آسیب می رساند. خوردگی در ابتدا می تواند باعث ایجاد ترک شود که می تواند باعث آسیب مکانیکی و خستگی شود.
• خستگی ناشی از ارتعاش: همانطور که از نام آن پیداست، خستگی ناشی از ارتعاش ناشی از آسیب ارتعاشی است که منجر به ایجاد ترک و تنش در هنگام کارکردن تجهیزات در سطوحی خارج از استانداردهای عملیاتی می شود.
• خستگی ناشی از نقص مکانیکی: این نوع از خستگی فلز به دلیل تنش های ایجاد شده در طول زمان است و شامل شکست خوردگی و خستگی ناشی از ارتعاش است.

مقاومت به خستگی فلز

آگاهی داشتن از مقاومت به خستگی یک فلز برای جلوگیری از آسیب‌های ناشی از خستگی، بسیار مهم است باید  بدانیم چگونه ویژگی های یک فلز بر توانایی آن در مقاومت در برابر خستگی تاثیر میگذارد. مقاومت به خستگی فلز، از طریق آزمون خستگی، اندازه‌گیری می‌شود آزمون خستگی در واقع گروهی از روش‌های ارزیابی هستند که روی نمونه‌هایی با اندازه و شکل معیّن، از طریق اعمال تنشی خاص انجام می‌شوند.

در نتیجه‌ی این آزمون ها، گرافی به دست‌ می‌آید که نشان می‌دهد، فلز مورد نظر در آن سطح از تنش، چه تعداد دوره را بدون ترک‌خوردن، تحمل کرده است.

 مصارفی که در معرض خطر آسیب ناشی از خستگی قرار‌ دارند

خستگی فلز باید برای همه کاربردها مورد توجه قرار گیرد. با این حال، اجزا و ساختارهای متعددی وجود دارند که بیشتر در معرض خطر خستگی فلز هستند. نمونه هایی از این موارد عبارتند از:

• پل ها
• تجهیزات تعلیق خودرو
• تجهیزات مربوط به قالب زنی فلزات
• قطعات بدنه ی هواپیما
• قطعات با لرزش بالا
• لوازم منزل

چگونه از خستگی فلزات جلوگیری کنیم

خستگی فلزات پدیده‌ای است که با ملاحظات مناسب مهندسی می‌توان آن را کاهش داد یا به طور کلی از آن جلوگیری کرد. یکی از روش‌های کلیدی برای جلوگیری از خستگی فلز، اجرای تحلیل خستگی نرم‌افزاری بر روی طرح‌های اجزا یا ساختار است. با اجرای تجزیه و تحلیل و تکرار فرآیند طراحی در هر بار، می توان از شکست فلز جلوگیری کرد. به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل نرم افزار می تواند ناحیه ای را که در معرض بارهای قابل توجهی قرار دارد، نشان دهد. همچنین، طراحی مجدد می‌تواند تنش‌ها را روی ناحیه‌ای متمرکز کند که کمتر در معرض خرابی خستگی فلز باشد. برای مثال، تجزیه و تحلیل نرم‌افزاری می‌تواند ناحیه‌ای از فلز را که در معرض خستگی قابل ‌توجهی قرار دارد، به ما نشان دهد. اگر این ناحیه نزدیک به یک ویژگی هندسی، مثلاً یک حفره باشد، می‌توان این حفره را به جای دیگری منتقل کرد.

روشی دیگر برای جلوگیری از این پدیده، انتخاب مواد مناسب است. مواد مختلف، مقاومت به خستگی متفاوتی دارند. برای مثال، فولاد می‌تواند دوره‌های تنش بالاتری را نسبت به آلومینیوم تحمل کند.

برای اطلاعات بیشتر از آسیب های احتمالی دیگر، فلزات میتوانید مقاله : خزش فلزات چیست؟ را مطالعه نمایید.