مهندسی تکنولوژی ذوب فلزات ( متالورژی )

نتیجه ی تست خستگی نمونه های بدون عملیات

نمونه ها پس از فرایند های تولید و نیز یک مرحله عملیات تنش گیری در دستگاه تست قرار گرفت که نتایج به صورت زیر

می باشد:

نتیجه ی تست خستگی نمونه های با صافی سطح بالا

نمونه ها از شرکت امیرنیا تبریز که نمونه های آنها از صافی سطح قابل توجهی برخورداربود تهیه شد و در دستگاه تست قرار گرفت که نتایج به صورت زیر می باشد:

 نتیجه ی تست خستگی نمونه های عملیات حرارتی شده

نمونه ها پس از فرایند های تولید و نیز مرحله عملیات تنش گیری ؛ سطح بال پین کربن گیری شد که در نتیجه آن درصد کربن از 0.35 به  0.2 درصد رسید و سپس  در دستگاه تست قرار گرفت که نتایج به صورت زیر می باشد:

در صورتی که از نمونه های بیشتر استفاده می شد  شکل منحنی در مورد فولاد ها به صورت زیر می شد:

نتیجه گیری
وقتی نمونه ای در یک ماشین کشش سنج می شکند ،تنش معین و مشخصی لازم است تا موجب شکستگی قطعه گردد . با این حال ، نمونه ای از همان ماده وقتی در معرض بارهای چرخشی یا متناوبی قرار می گیرد ،تحت تنش بسیار کوچکتری خواهد شکست . بدین طریق ،یک محور ممکن است بعد از ماهها استفاده بشکند، حتی اگر بیشترین بار آن هم افزایش نیافته باشد.فلزها از کریستالهای ریزی تشکیل شده اند که صفحات لغزش آنها در جهات گوناگون قرار دارند. هرگاه تنش به مقدار کافی برسد،عمل لغزش روی صفحات بلورین انفرادی رخ خواهد داد. در مرحله اول ممکن است این لغزش اشکالی ایجاد نکندولی با تکرار عمل لغزش ترکهای ریز تشکیل شده و گسترش پدا می کنند و در نتیجه سطح مقطع یک عضو نیز کاهش یافته بطوری که دیگر نیروی وارد شده را تحمل نخواهد کرد.در قسمت نهایی شکست ساختمان بلورین فلزی با قسمتهای مجاور مدتی ایجاد اصطکاک می کند. گاهی اوقات مقطع نهایی موجب اشتباه شدن نتیجه آزمایش می گردد ،زیرا که قطعه بعلت تبلور مجدد در جریان کار ،دارای دانه درشت شده و می شکند.این شکستها شکستهای خستگی هستند و در طراحی قطعاتی که در معرض تنشهای متغیری قرار دارند حد خستگی یک ماده غالبا مهمتر از مقاومت کششی یا مقاومت تسلیم آن است.

 از عوامل مهم و عمده عمر خستگی بالا می توان پرداخت سطحی خوب ، عاری از خوردگی و کربن گیری را نام برد. استفاده از قطعاتی که به منظورافزایش تنش های فشاری نزدیک سطح نمونه نورد سرد یا ساچمه زده شده اند نیز عمر خستگی را زیاد می کند سطوح زبر شکاف دار یا شیار دار ،اغلب حد خستگی فلزها را کاهش می دهند.
واضح است که خمیدگی ها ،سوراخها ، شکافها و زاویه های مقعر تیز مواضعی برای تنشهای بالا و امکان شکست در قطعات ماشین محسوب می شوند . استفاده از فیلت های زیاد،گرد کردن انتهاهای جا خارها و چاک ها ،صافکاری گوشه ها و شانه ها و اجتناب از اثرات برشی ابزار تیز بنحو قابل ملاحظه ای عوامل بوجود آورنده ی تنش را حذف کرده و عمر خستگی را افزایش می دهند . هر گونه شیارها یا شکافهای تیز می توانند توزیع تنشه را تعییر داده و خواص فیزیکی یک ماده را اصلاح کنند و باعث شوند تا قطعات در برابر نیرو های وارده عکس العمل خوبی از خود نشان دهند.

ایوانوا { 124 } برای ارزیابی شرایط بحرانی جوانه زنی فرض کرد که انرژی لازم برای از بین بردن همدوسی برابر با گرمای ذوب مولکولی باشد . کل انرژی کشسانی نابجایی ها در یک بلور برابر با eU است که ρ چگالی نابجایی ها و U انرژی بر واحد طول است . این انرژِی را می توان با رابطه زیر بیان کرد :

( 1.3 )                                                                             U = G b2 / 2 ( 1-v )

که G مدول برشی و v ضریب پواسان است . چگالی بحرانی نابجایی ها (  ek) ، برای جوانه زنی ترک برابر است با :

( 2.3 )                                                                                               Cp dT   TTm ekU = ∫

که Cp گرمای ویژه ، T دمای فلز بارگذاری شده و Tm نقطه ذوب است . محاسبات نشان می دهد که در مواد حقیقی ek حدود 10 18 m-2 است . حداقل در بارگذاری با دامنه کم ، این تعداد در مقایسه با چگالی تعیین شده ( به وسیله تجربه ) خیلی بالاست ( بخش 1.2.2. را ببینید ) . از طرفی ، کاربرد معیار انرژی برای فرایند جوانه زنی خیلی جالب به نظر می رسد و ارزش مطالعه بیشتری دارد .

( 5 ) جوانه زنی ترک در مرز دانه ها . دو مدل برای جوانه زنی در مرز دانه ها پیشنهاد شده است ، یکی بر مبنای ناپایداری مومسانی است { 125 } و دیگری بر مبنای به حساب آوردن جنبه های بلور شناختی لغزش در دانه های مجاور { 86 } . مدل اول در کل لایه های سطحی میزان کرنش مومسان چرخه ای ، عملا همگن ، را زیاد در نظر می گیرد . از انجا که در مرز ها تغییر شکل مومسان را متوقف می کند ( در مرز تغییر مکان عمود بر سطح ناچیز است ) ، در مقیاس میکروسکوپیک ناپایداری مومسانی می تواند به روشی رخ بدهد که عمق یک چین ( ریز فاق ) در مرز دانه با افزایش ، چرخه ها عمیق تر شود تا حدی که تمرکز کرنش در این چین به اندازه ای بزرگ شود که چین ایجاد ریز ترک کند . مکانیزم دوم فرض می کند که لغزش بلوری به تدریج در مرز دانه حساس پله ایجاد می کند تا اینکه ارتفاع آن به 1.5 μm برسد ، در این مرحله تمرکز تنش در پله برای پیشروی ترک در امتداد مرز در سطح و داخل نمونه کافی است .

هر دو مکانیزم ، برای کرنش های بالا ، یا بارگذاری چرخه ای در دمای بالا ، که فرقی بین ریز فاق های سطحی ( چین یا پله لغزش ) و ریز ترک قائل نیست کاربرد دارد . این مکانیزم ها بر مبنای توصیف تغییرات هندسی سطح است و بنابراین برای در نظر گرفتن جزئیات جوانه زنی نا مناسب اند .

به طور خلاصه ، ارزش و اعتبار همه مکانیزم هایی که ذکر کردیم به سازگاری آنها با نتایج تجربی بستگی دارد . هیچ کدام از آنها به طور کمی کار نشده اند و بنابراین بررسی اثر عوامل خارجی و داخلی بر آهنگ جوانه زنی میسر نیست .

3.1.4 مدل های پیشروی ترک

مدل های توصیفی پیشروی ترک خستگی عمدتا عمدتا مبتنی بر ریز برجستگی های سطح شکست و مشاهده مستقیم رفتار راس ترک در دامنه کرنش بالا ، و بسامد پایین بارگذاری ، هستند . آهنگ رشد ترک ، فاصله خطوط ، و مشخص بودن خطوط در مرحله II خیلی بالاتر از مرحله  I هستند ، به همین دلیل بیشتر نتایج تجربی موجود مربوط به مرحله  II می باشد . بنابراین ابتدا نتایج و مدل های مربوط به مرحله II را  بررسی می کنیم . سپس بعضی از این نتایج را با برون یابی در مرحله I هم بکار خواهیم برد .

وجود خطوط خستگی به عنوان مشخصه معمول خستگی و تناظر یک به یک ( با استثناهایی که ذکر کردیم ) بین خطوط و چرخه های تنش به این معنی است که خستگی یک فرایند تکراری است . بنابراین برای فهم مکانیزم پیشروی ترک ، کافی است که این فرایند را در یک چرخه بارگذاری بفهمیم . لیرد { 148 } برای این منظور به مشاهده مستقیم شکل هندسی راس ترک در فلزات نرم و در مراحل مختلف یک چرخه تنش پرداخت . مکانیزمی که از این مشاهدات برای توصیف پیشروی ارک حاصل شد و به مدل لیرد یا فرایند کند شدن مومسانی معروف است.

شکل الف مربوط به نیروی صفر ، یک ترک کامل در مرحله II است ، سطح شکست خطوط را نشان می دهد . با اعمال تنش کششی ، به علت تمرکز تنش بالا فلز به طور مومسان تسلیم می شود . این تغییر شکل مومسان در مناطق لغزش صفحات با تنش برشی ماکسیمم متمرکز می شود ، یعنی در امتداد صفحاتی که با محور تنش زاویه 45 درجه می سازند .  ( ب ) با افزایش بیشتر نیرو ، مناطق لغزش در راس ترک پهن تر می شود و راس ترک کند می شود و شکل نیم دایره ای به خود می گیرد . بنابراین راس ترک به طور موثری جابجا شده است ( ج ) . اعمال نیروی فشاری جهت لغزش را در این مناطق عکس می کند ، فاصله بین سطوح قابل انطباق کم می شود ، اما سطوح جدیدی که در حین کشش به وجود آمده اند نمی توانند – یا دست کم به طور کامل نمی توانند – با " جوش سرد " ، یعنی با به هم پیوستن اتمی از بین بروند . سطح جدید تا اندازه ای با کمانش به دو فاق در راس ترک تبدیل می شود ( د ) . در نهایت شکل ترک تحت نیروی فشاری ماکزیمم دوباره نوک تیز می شود ، و طول ترک به اندازه t∆ افزایش می یابد که برابر با فاصله میان خطوط است ( ه ) .

این مکانیزم تکرار کند شدن مومسانی راس ترک و تیز شدن مجدد آن معمول ترین مدل توصیفی پیشروی ترک خستگی است .

مدل لیرد نحوه تشکیل خطوط خستگی بر روی سطح شکست را به طور خلاصه نشان می دهد . این مدل هیچ فرضی را درباره مکانیزم نابجایی در راس ترک ، یا ارتباط میان ریزساختار و برجستگی سطح به کار نمی گیرد . این مدل برای پلیمر ها هم ، که در

آنها فرایند تغییر شکل مومسان کاملا متفاوت با فلزات است ، کاربرد دارد . تنها فرض این مدل وجود تغییر شکل مومسان متمرکز شده است ، که در راس ترک کاملا برگشت پذیر نیست . مکانیزم لیرد به علت نداشتن فرض های زیاد برای کاربرد های عمومی جاذبه زیادی دارد . از طرف دیگر ، بدون فرض های کافی این مدل را نمی توان به طور کمی فرمول بندی کرد .

مدل تکرار کند شدن مومسان و تیز شدن مجدد را می توان ، دست کم تا حدی ، پاسخگوی اختلاف مذکور در بالا در مورد ظاهر شکست در هوا و خلا به حساب آورد . در حین اعمال فشار ( شکل 4.4 ج و د ) سطوح جدید می توانند تا اندازه ای به هم جوش بخورند. با اکسید شدن ایه های جدید که به سرعت در سطح تمیز ، فلزی به وجود می آیند از این فرایند جلوگیری می شود – بنابراین در خلا جوش سرد محتمل تر است و در نتیجه خطوط تشکیل شده در خلا نسبت به خطوط هوا کم عمق تر و به هم نزدیک تر ند ، که با داده های ماکروسکوپیک آهنگ پیشروی ترک خستگی در محیط مطابقت دارد همچنین مشخص شده است که همیشه آهنگ رشد ترک در خلا کمتر از آهنگ رشد آن در محیط های گازی یا مایع است  .

مدل های متعدد دیگری هم برای توصیف پیشروی ترک پیشنهاد شده است . مدل هایی که در مقایسه با نتایج تجربی واقعی به نظر می رسند مبتنی بر تغییر شکل مومسان تکراری در راس ترک اند  . اختلاف های این مدل ها با مدل لیرد عمدتا در نحوه لغزش در راس ترک است . این مدل ها چیز تازه ای راجع به پیشروی ترک خستگی در بر دارند .

سطح شکست مربوط به پیشروی ترک مرحله I  اطلاعات کمی راجع به فرایند پیشروی به دست می دهد . فاصله و عمق خطوط ، در صورت وجود – به استثنای بعضی از آلیاژ های نیکل ، آنقدر کوچک است که قابل تشخیص نیست . در فهم مکانیزم پیشروی در مرحله I ، مقاله کاپلان و لیرد از اهمیت خاصی برخوردار است . آنها تک بلور های مس با ترک های مصنوعی مرحله ای  I ( فاق های خیلی تیز واقع در امتداد صفحات با ماکسیمم تنش برشی ) را تحت بارگذاری فشاری نوسانی ( صفر – فشار – صفر ) قرار دادند . ترک ها در این شرایط پیشروی نکردند ، یعنی پیشروی در مرحله I –و همچنین مرحله II – مستلزم یک مولفه تنش کششی است . بنابراین مرحله I  پیشروی ترک را می توان به تغییر شکل مومسان راس ترک مربوط کرد . به علاوه ، اگر وجود خطوط خستگی در مواد با مرحله I طولانی در نظر بگیریم ، می توانیم فرض کنیم که فرایند تکرار کند شدن و تیز شدن مجدد در مرحله I هم کاربرد دارد . این موضوع بخصوص برای مواد با لغزش موجی مصداق دارد که آنها رئوس ترک ها ، به علت لغزش تقاطعی مکرر به آسانی کند می شوند . مکانیزم اصلاح شده کند شدن و تیز شدن مجدد برای مرحله I اشاعه ترک در شکل 5.4 الف آمده است . تنش کنترل کننده در این مورد مولفه برشی کشش است که در صفحه ترک قرار می گیرد . این مدل اصلاح شده برای باز شدن ترک به مولفه عمودی کشش نیاز دارد .

یک مکانیزم دیگر هم که – به جای کند و تیز شدن – مبتنی بر تغییر شکل مومسان تکراری در راس ترک است در شکل 5.4 ب آمده است . در این مورد ، قسمت بالای بلور نسبت به پایین آن در امتداد صفحه ترک ، که با صفحه لغزش فعال یکسان است ، می لغزد . عقیده بر این است که این مکانیزم – که احتیاج به مولفه عمودی تنش ندارد – بخصوص برای مواد با لغزش تقاطعی محدود کاربرد دارد .

تا اینجا ویژگی های اساسی مکانیزم پیشروی ترک را در مواد نرم که خطوط خستگی را نشان می دهند بررسی کردیم . در این مورد ، فرایند تکرار تغییر شکل مومسان راس ترک ، به هر شکل که باشد ، کاربرد دارد . برای مواد ترد تر ، مواد با آخال ها و ناهمگنی ها ، که معمولا خطوط خستگی را نشان نمی دهند ، مکانیزم تکرار تغییر شکل مومسان و تیز شدن مجدد نمی تواند مستقیما تمام مشاهدات تجربی سطح شکست و رفتار ماکروسکوپیک ترک را توضیح بدهد . در مواد با مومسانی چرخه ای محدود این امر منجر به دو مدل متناقض می شود ، مدل اول فرض می کند که تکرار کند و تیز شدن مجدد حکم فرماست ، در حالی که فرایندهای دیگر از قبیل برخورد ترک با آخال ها ، و تشکیل و به هم پیوستن ترک های ثانویه در منطقه مومسان ، و شکست ترد نواحی کوچک و غیره به فرایند اصلی کمک می کنند . در مدل دوم ، فرض می شود که پیشروی ترک یک فرایند اتفاقی است که مبتنی بر تشکیل و غلبه بر موانع راس ترک است . بنابر این مکانیزم این فرایند اتفاقی است که مبتنی بر تشکیل و غلبه بر موانع راس ترک است . بنابراین مکانیزم این فرایند عمدتا تشکیل ترک های ثانویه و به هم پیوستن ناگهانی آنهاست برای اینکه ببینیم کدام یک از این دو دیدگاه موجه تر است به کار های تجربی بیشتر بر روی مواد استحکام بالا نیاز داریم .

برای جوانه زنی ترک ها مدل های زیادی ارائه شده است – از دیدگاه نتایج تجربی موجود واضح است که مکانیزم های ارائه شده ممکن است فقط در محل های جوانه زنی عمل کند ، یعنی در انتهای فرو رفتگی ها در نوارهای لغزش خستگی ، در مجاورت آخال ها یا نزدیک مرز دانه ها . مدل های قدیمی تر را ، که با نتایج تجربی اخیر ناسازگارند ، بررسی نمی کنیم .

یکی از مشکل ترین سوالات این است که آیا اختلاف بین فرو رفتگی های تیز و ریز ترک وجود دارد یا نه ؟ بعضی از این مدل ها فرقی بین فرایند جوانه زنی ترک و تشکیل فرو رفتگی ها قائل نیستند . اما سایر مدل ها آنها را متفاوت می دانند ، و فرایند کیفی مختلفی برای تشکیل ریز ترک و فرو رفتگی ها نیاز داردند . هیچ کدام از مدل های پیشنهادی با شواهد موجود کاملا سازگارنیستند . به همین دلیل ، تمام مدل ها کم و بیش فرضی اند .

مکانیزم های پیشنهادی را می توان به پنج گروه تقسیم کرد :

( 1 ) مدل هایی که فرقی بین ریزترک و فرو رفتگی قائل نیستند . در این مورد ، تشکیل ریز ترک با رشد تدریجی فرو رفتگی ها در عمق بلور مشخص می شود . این کار با تکرار لغزش در یک یا چند سیستم رخ می دهد . نظریه اصلی در مورد لغزش در یک سیستم ، حرکت نسبی لایه های موازی است.

وود { 116 } فرض می کند که فرو رفتگی ایجاد شده مثل یک تمرکز تنش عمل می کند و لغزش بیشتر " در انتهای فاق " را تحریک می کند . می { 117 } به طور نظری نشان داد که با ادامه بار گذاری چرخه ای ، فرو رفتگی های عمیق تر تدریجا از لغزش تصادفی به وجود می آیند ( بر مبنای فرمول بندی آماری ) . لین و ایتو { 118 } حرکت نسبی دو صفحه غیر مجاور را محاسبه کردند . محاسبات انجام شده ( با فرضیات قابل قبول ) نشان داد که کرنش برشی مومسان موضعی در هر دو صفحه ( یکی مثبت و دیگر منفی ) ممکن است در تعداد کمی چرخه به مقدار بالایی برسد . این کرنش مومسان بالا باعث " بیرون آمدن " یا " فرو رفتن " لایه های بین صفحه ای می شود . به عبارت دیگر ، در مورد دوم عمیق شدن مداوم فرو رفتگی ها را داریم . مدل لینچ {119 } ، هم با این فرض که لایه های نرم به هنگام بار گذاری چرخه ای خارج و یا وارد می شوند ، نتایج مشابهی به دست می دهد : ترک های خستگی جوانه می زنند و وقتی لایه های نرم " فرو می روند " با مکانیزم فرو رفتن رشد می کنند . چون تمام این مدل ها با فعال شدن لغزش در یک سیستم مطابقت دارد ، به نظر می رسد که  بیشتر به مواد با لغزش صفحه ای مربوط اند .

نیومان { 112 } برای تشکیل ریز ترک ها به وسیله لغزش درشت در صفحات لغزشی موازی و متوالی مدلی پیشنهاد کرد. در این مدل ، ترک از پله های لغزش درشت شروع می شود : مدل کشش ( الف ) صفحه لغزش 1 فعال می شود ، نابجایی ها هم علامت زیادی صفحه لغزش باقی می مانند . پله لغزش ایجاد شده باعث تمرکز تنش می شود ، که خود به لغزش صفحه 2 در بار گذاری کششی کمک می کند . این امر باعث به وجود آمدن ترکیبی مثل شکل ( ب ) و تعداد زیادی نابجایی هم علامت در صفحه 2 می شود . پس از اعمال فشار ، نابجایی های صفحات 1 و 2 به عقب برمی گردند و شکل ( ج ) را به وجود می آورند . فرض شود که در نقطه A  سطوح به هم " جوش نخوردند " ، یعنی به طور ماکروسکپیک با هم در تماس اند . بنابراین شکل ( ج ) نمایانگر جوانه زنی ترک در A  است . این فرایند در صفحات لغزش بیشتری از همان سیستم لغزش تکرار می شود و در نتیجه طول ریز ترک مدام افزایش می یابد .

جاذبه اصلی مدل های این گروه عمومی بودن آنهاست . مثلا ، هیچ کدام از آنها انواع واکنش های نابجایی ها را در بر نمی گیرند و این امکان را فراهم می کند تا جزئیات بیشتری را در توصیف کلی دخالت بدهیم . مثلا ، مک اویلی و ماچین { 120 } به طور تجربی نشان دادند که برای شکست خستگی بلور های یونی لغزش تقاطعی ضروری است . مدل های پیشنهاد شده نه به لغزش تقاطعی نیاز دارند و نه لغزش تقاطعی را در بر می گیرند .بنابراین ، لغزش تقاطعی را به آسانی می توان وارد این مکانیزم کرد .به عبارت دیگر ، عام بودن این مدل ها به این معنی است که گاهی آنها خیلی کلی و ناواضح اند .

( 2 ) شکست ترد موضعی . این ایده فرو رفتگی ها و ترک ها را کاملا از هم جدا می کند . یک مثال کم اهمیت از این مکانیزم ترک خوردن ذرات ترد فاز دوم در محل های تمرکز تنش ناشی از فاق های سطحی خستگی است . این چنین ترکی سریع به ماده اصلی می رسد . احتمال زیاد وجود دارد که در موارد تک فاز این مکانیزم در انتهای فرو رفتگی ها نیز عمل می کند { 30 } . با یادآوری نتایج تجربی ( بخش 4.3 ) ، می توان دید که ساختار نزدیک سطح و مشخصه برجستگی سطح به دامنه و دشواری لغزش تقاطعی بستگی دارد . با وجود این ، یک چیز همیشه یکسان می ماند : ریز ترک ها از فرو رفتگی های سطحی شروع می شوند و ظاهرشان در عکس های میکروسکوپ الکترونی ( شکل 11.3 را ببینید ) آنها را از فرو رفتگی ها متمایز می کند . بنابراین قابل قبول به نظر می رسد که در بلور های سخت شده جوانه زنی را به این ریز فاق های سطحی تیز مربوط کنیم . یک ریز ترک وقتی تشکیل می شود که تمرکز تنش ( به عمق و تیزی فاق بستگی دارد ) در اطراف فاق نتواند با فرایند لغزش بیشتر کاهش یابد و مقدار آن به اندازه ای باشد که تنش در راس ترک از نیروهای بین اتمی بیشتر شود . بنابراین نقش نابجایی ها در تشکیل ریز ترک ها غیر مستقیم است ، تشکیل برجستگی های سطحی و سخت کردن بلور اطراف فرو رفتگی های سطحی .

( 3 ) تمرکز تهیجا ها { 3 } . تغییر شکل چرخه ای نسبت به تغییر شکل یک جهتی تعداد بیشتری تهیجای ایجاد می کند . این امر ممکن است مربوط به حرکت نابجایی ها به جاگ ها و یا از جاگ ها باشد . از آنجا که نوارهای لغزش پایدار دامنه کرنش مومسان بالاتری را نشان می دهند ، احتمال می رود که تهیجا های به وجود آمده متمرکز شوند و حفره ایجاد کنند و در نتیجه یک ترک جوانه بزند . این مدل قطعا به نفوذ تهیجاها نیاز دارد ، که شدیدا بستگی به دما دارد . بعضی شواهد تجربی { 121 } نشان می دهد که فرایند خستگی ( جوانه زنی و پیشروی ترک ) حتی در دماهایی در محدوده  7K را رخ می دهد ، یعنی دمایی که عملا نفوذ امکان پذیر نیست . این نتایج کاربرد مدل تهیجا را به دماهای بالا محدود می کند جایی که خزش و نفوذ نقش مهمی بازی می کنند .

( 4 ) کاهش همدوسی در صفحه لغزش در اثر تجمع نواقص . ایده اصلی این مدل ها تشکیل ترکیبی از نابجایی ها در مکان های بحرانی است ، که منجر به افزایش موضعی تنش یا انرژی می شود ، این انرژی برای از بین بردن همدوسی بلور در مناطق کوچک کافی است ( در حد نانو متر و کمتر ).

فوجیتا { 122 } به طور نظری نشان داد که نابجایی های دو قطبی که فاصله جدایش دو قطب کم است ممکن است همدیگر را حذف کنند و جوانه ترک تشکیل شود .

در حین بارگذاری چرخه ای ، در دو صفحه لغزش موازی تجمع نابجایی های با علامت مخالف انجام می شود ، فاصله صفحات از هم برابر با h است . محاسبات نشان می دهد که بسته به فاصله  h ممکن است دو حالت پیش بیاید :

( 1 ) برای h > 1 nm ، دو مجموعه نابجایی از همدیگر می گذرند .

( 2 ) h < 1 nm  ، نابجایی های پیشرو با وجود اینکه در یک صفحه نیستند همدیگر را حذف می کنند . با این فرایند در منطقه ای کوچک همدوسی از بین می رود . اگر غیر از نابجایی های پیشرو ، از  هر صفحه n نابجایی همدیگر را حذف کنند ( شکل 15.3 ) ، همدوسی در منطقه ای به طول nb ( b بردار برگرز ) و ارتفاع h از بین می رود . در حقیقت این منطقه یک ریز ترک است . این مکانیزم وقتی عمل می کند که در هر تجمع حداقل ده ها نابجایی باشد . در فلزاتی که بارگذاری چرخه ای شده اند چنین ترکیبی از نابجایی ها هرگز مشاهده نشده است ، و بنابراین مکانیزم به فرم اولیه اش کاربرد ندارد . اما ، اصلاحات پیچیده تر آن کاملا واقعی به نظر می رسد .

آدینگ { 123 } آرایشی از نابجایی ها را طبق شکل 16.3 در نظر می گیرد . محاسبات نشان داد که بیشترین انرژِ کشسان در نقاط b1 و b2 است . مقدار آن برای فواصلی که در شکل 16.3 ( b بردار برگرز ) آمده است نزدیک به گرمای ذوب یک مول است ، که توسط ادینگ فرض شد که گرمای لازم برای از بین بردن همدوسی در نقاط بحرانی است . منطقه ای که همدوسی از بین رفته ، به نوبه خود ، ریزترک است . تشکیل آرایش فرض شده نابجایی ها ( شکل 16.3 ) به تمرکز تنش موضعی زیادی نیاز دارد ، یکی از منابع آن ، همچنین در مدل فوجیتا ، مجموعه ای از تجمع نابجایی ها است ، اما یک ریز شیار سطحی تیز هم می تواند تنش لازم را فراهم کند .

2.3 محل های جوانه زنی ترک

تعداد زیادی از مشاهدات تجربی با میکروسکوپ نوری یا الکترونی نشان می دهد که در مواد همگن ریز ترک ها همیشه از سطوح آزاد جوانه می زنند . فقط یک استثنا وجود دارد و آن هم خستگی تماسی است ، که در آن ترک ها از زیر سطح و در مکان هایی با حداکثر تنش برشی شروع می شوند . همچنین ، در مواد ناهگن ( از نظر ماکروسکوپیک ) در بعضی موارد ترک ها از سطح شروع نمی شوند . بهترین مورد لایه سطحی سخت شده است ، مثلا در فولاد های با لایه کربو – نیترید شده { 84 } . برای دامنه کرنش مومسان ، لایه سطحی نسبت به لایه زمینه نرمتر تنش خیلی بالاتری لازم دارد . به همین علت در این مورد ریز ترک ها از فصل مشترک لایه سخت و زمینه نرم شروع می شوند ، در قطعات مهندسی ترک ها ممکن است از محل نواقص داخلی جوانه بزنند اما در واقع این یک فرایند جوانه زنی نیست ، زیرا نواقص عملا ترک های اولیه اند .

تاکید بر اینکه ریز ترک ها غالبا از سطح جوانه می زنند کافی نیست . لازم است که به پرسش های بیشتری پاسخ بدهیم : محل های جوانه زنی چه هستند ، تحت چه شرایطی جوانه می زنند و چه مکانیزم هایی در تشکیل آنها تعیین کننده است ؟

مشاهدات مستقیم سطح ماده نشان داده است که سه محل جوانه زنی وجود دارد :

1 - نوارهای لغزش خستگی . این شاید معمول ترین روش جوانه زنی باشد که ماهیت آن تمرکز لغزش در دانه ها ست .

2 – مرز دانه ها . جوانه زنی در مرز دانه ها مخصوص خستگی با کرنش بالاست ، مخصوصا در دما های بالا .

3 – آخال های سطحی . این نوع جوانه زنی مخصوص بعضی از آلیاژ های تجاری است که دارای ذرات به اندازه کافی بزرگ باشند .

در هر سه روش جوانه زنی فوق تمرکز کرنش مومسان بر روی سطح یا نزدیک به آن معمول است . نوع اساسی جوانه زنی ، جوانه زنی در نوار های لغزش خستگی است نه به این علت که این روش معمول تر است ، بلکه به این خاطر که لغزش خستگی و تشکیل نوار های لغزش خستگی ممکن است بر جوانه زنی در مرز دانه ها یا در آخال های سطحی پیشی بگیرد . از این دیدگاه ، جوانه زنی در آخال ها را می توان مربوط به تمرکز تنش خستگی ناشی از اثر تمرکز کرنش آخال ها دانست ( جدول 1.3 را ببینید ) ، که یا منجر به جدایش فصل مشترک آخال با زمینه می شود یا به ترک خوردن آخال می انجامد . به طور تجربی هر دو نوع این ریز ترک ها مشاهده شده است { مثلا 85 } . تحقیقات اخیر هم نشان می دهد جوانه زنی از مرز دانه ها هم با فرایند لغزش چرخه ای آغاز می شود . کیم و لیرد { 86 } به این نتیجه رسیدند که مهمترین عامل تعیین کننده محل جوانه زنی ماهیت تغییر شکل به وسیله لغزش تقاطعی در داخل دانه ها و رقابت لغزش در مرز ذانه ها ست . با این همه ، ما بیشتر جوانه زنی از نوار ها لغزش خستگی را بررسی می کنیم .

یک نمونه از تکامل نوار های لغزش خستگی در اثر افزایش تعداد چرخه ها برای مس چند بلوری در شکل 16 آمده است . 

واضح است که هم تعداد و هم شدت نوار های لغزش خستگی افزایش می یابد ، و سطح علائم مشخص تر توپوگرافی یا مان نگاری فاق ها را نشان می دهد . ظاهر کلی نوار های لغزش خستگی بیشتر بستگی به دامنه تنش یا کرنش و به ماهیت لغزش ماده دارد . مواد با لغزش موجی در مقایسه با مواد با لغزش صفحه ای ، دارای تعداد کمتری نوار لغزشی شدید و گاهی دارای نوار های موجی بی نظم اند ، یا به عبارت دیگر تحت شرایط یکسان دارای نعداد بیشتری نوار های لغزش کم شدت و نوار های پر نظم تری واقع در صفحه لغزش هستند . راجع به تغییرات متفاوت سطح در حین خستگی داده های زیادی موجود است . مثلا ، مدارک وسیع و آموزنده ای از مشاهدات فلزنگاری برای طیف وسیعی از مواد را می توان در مقاله کوکاندا { 87 } یافت .

ظاهر شدن اولیه نوار های لغزش خستگی با پایان نرم یا سخت شدن ماکروسکوپیک مطابقت دارد ( مثلا { 393 } ) . بعدا در حین خستگی اولین ریز ترک ها در میان نوار ها مشهودند . شکل 2.3 نوار های لغزش خستگی با ریز ترک های کوتاه در مس را نشان می دهد ، در این تصویر ، که به روش برگردان تهیه شده است ، ریز ترک ها به صورت سایه مشخص شده اند . طول ریز ترک ها در مراحل اولیه تشخیص ، بسته به ماده و روش آزمایش ، نوعا در حد چند دهم تا چند میکرون است .

بنابراین فرایند جوانه زنی پس از به اشباع رسیدن خواص مکانیکی رخ می دهد . همان طور که در فصل قبل ذکر کردیم ، ساختار نابجایی های داخل ماده مورد نظر در این مرحله برگشت پذیر است . تشدید نوار های لغزش خستگی و تشکیل ریز ترک ها در سطح حاکی از این است که تکامل نابجایی ها در لایه سطحی برگشت ناپذیر است . برای درک فرایند جوانه زنی ، اول از همه باید ساختار نابجایی های لایه سطحی را بدانیم . شاید بتوان گفت که بیشترین قسمت دانش کنونی ما ناشی از مشاهده مستقیم ساختار نابجایی ها در لایه سطحی ، با میکروسکوپ الکترونی ، پس از بار گذاری چرخه ای است .

4.4.3 خسارت خستگی

به نظر می رسد که محل دقیق مکان های جوانه زنی ترک در داخل نوار های لغزش خستگی واضح است . ریز ترک ها همیشه از ناحیه فرو رفتگی های سطح جوانه می زنند ، یعنی از ریز فاق هایی که در اثر تغییر شکل مومسان چرخه ای تشکیل می شوند . اما ، اینکه عوامل هندسی خالص در جوانه زنی ترک چقدر مهم اند باید تصمیم گیری شود ، یعنی برآمدگی ها و فرو رفتگی های سطحی ، و سایر عوامل از قبیل انواع واکنش های نابجایی ها که منجر به هسته ریز ترک می شود ، همچنین دانستن اینکه کدام عامل باعث خسارت خستگی پیش از جوانه زنی می شود به همان اندازه مهم است ، یعنی از بین بردن فلز بارگذاری شده پیش از جوانه زنی .

در حال حاضر ، خسارت خستگی را فقط در مرحله پیش روی ترک می توان دقیقا تعریف کرد . در این مرحله ، خسارت خستگی متناسب با طول ترک است . وقتی ریز ترک ها تقریبا تشکیل شدند ، خسارت خستگی از نظر کمی با اندازه و تعداد ترک ها مربوط می شود ، اما برای مرحله قبل از جوانه زنی نمی توان تعریفی ارائه داد .

علاوه بر کار های میکروسکوپ الکترونی عبوری که قبلا خلاصه شد ، می توان اثر تابکاری میانی ، آبکاری الکتریکی سطح و لایه برداری به وسیله صیقل کاری را بر عمر خستگی مطالعه کرد و بیشتر وارد این موضوع شد . معمولا ، تابکاری میانی تاثیر مهمی بر کل عمر خستگی نمونه های فلزی ندارد . مگر اینکه مکررا انجام شود ، به طوری که نمونه در حالت سختی پذیری باقی بماند . مرور مختصری بر تجارب اخیر در این زمینه نوشته شده است. آبکاری الکتریکی متناوب می تواند به طور چجشمگیری عمر خستگی را افزایش دهد . مثلا مک کینان نشان داد که آبکاری لایه های نیکل بر روی سطح نمونه های مسی و در هر 25 % از عمر پیش بینی شده می توان عمر خستگی را به بینهایت برساند . آبکاری الکتریکی فاق های سطحی را پر می کند ، به علاوه ترکیب شیمیایی لایه سطحی را هم تغییر می دهد . تعدادی از نتایج نیز نشان می دهد که برداشتن لایه های سطحی قبل از پیشروی ترک ، به مقدار چشمگیری عمر خستگی را افزایش می دهد . فاکانو و ساندور  نشان دادند که برداشت تمام علائم سطحی در هر 80 % از عمر خستگی طول عمر نمونه مسی را ده برابر افزایش می دهد . صیقل کاری نه تنها ریز ترک ها را ( در صورت وجود ) حذف می کند ، بلکه ، برآمدگی ها و فرو رفتگی ها را نیز از بین می برد . بنابر این نتایجی از این نوع به این نتیجه گیری منجر می شود که لایه سطحی به طور کل و بالا برنده های تنش به طور خاص منابع اصلی خسارت قبل از مرحله جوانه زنی ترک اند .

همانطور که در بخش های قبل نشان داده ایم ، شرط لازم برای تشکیل ریز ترک ها وجود فاق های تیز در زمینه سخت شده است . اهمیت و سهم نسبی این دو عامل مهم ( فاق ها ، و زمینه سخت شده ) بر خسارت خستگی باید بیشتر بررسی شود . به طور تجربی ، امکان برداشتن لایه های سطحی بدون تغییر در ساختار وجود دارد ، این تجربیات افزایش عمر خستگی را نشان می دهند . اما بدون از بین بردن برجستگی سطح برگرداندن ساختار به حالت اولیه ( نسبت به نمونه بدون تغییر شکل ) نا ممکن است . بنابراین ، بررسی کمی ممکن نیست . تمام ساختار ها در تعداد کمی چرخه تکامل پیدا می کنند ، بنابراین به نظر می رسد که ساختار اطراف فرو رفتگی های سطحی در در صد کمی از کل چرخه ها سخت می شوند . از طرف دیگر ، تشکیل فرو رفتگی های سطحی بحرانی و تیز نیاز به تعداد چرخه های بالاتری دارد . بنابراین نتیجه می گیریم مه خسارت خستگی در این مراحل اصولا به تیزی و چگالی فاق های سطحی و ، تا اندازه ای ، به ساختار نابجایی های اطراف مربوط می شود.

برای به حداقل رساندن خسارت خستگی خوردگی چند روش وجود دارد. به طور کلی ،انتخاب هر ماده ای برای این نوع عملکرد به جای اینکه مبتنی بر خواص قراردادی خستگی باشد ، باید بر خواص مقاومت به خوردگی متکی باشد . بنابراین فولاد زنگ نزن ،برنز یا آلیاژ مس _ بریلیم، احتمالا بهتر از فولاد عملیات حرارتی عمل خواهند کرد. حفاظت از فلز در برابر تماس با محیط خورنده توسط روکشهای فلزی و غیر فلزی موثر است، به شرط آنکه روکش در اثر کرنش چرخه ای پاره نشود. روکشهای روی و کادمیم بر فولادو روکشهای آلومینیوم آلکلاد در بسیاری کاربردهای خستگی موثر هستند، حتی اگر این پوششها باعث شوند هنگام آزمایش در هوا استحکام خستگی کم شود . تشکیل تنشهای باقیمانده فشاری سطح از باز شدن شیارهای سطحی و وارد شدن ماده خورنده جلو گیری می کنند . به ویژه نیتریده کردن در مبارزه با خستگی موثر است و ساچمه زنی در شرایط خاص با موفقیت مورد استفاده قرار گرفته است . در سیستمهای بسته امکان کاهش حمله خوردگی با افزودن یک ممانعت کننده خوردگی وجود دارد . و بالاخره حذف تمرکزدهنده های تنش توسط طراحی دقیق در جایی که خستگی خوردگی باید در نظر گرفته شود،بسیار مهم است.
بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت خستگی بال پین پراید ( بخش 4 )

   نوشته شده توسط: ادریس    نوع مطلب :بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت خستگی بال پین پراید ،

ارسال به

نمودار اصلی ساختار اشباع که در شکل 21.2 می بینید فقط برای بارگذاری همگن و مواد تک فاز که می توان انرژی نقص روی هم چینی آنها را اندازه گیری کرد ، معتبر است . این نمودار برای حالت تنش ناهمگن و فلزات پیچیده تر هم می توان بکار برد . در مورد تنش های نا همگن ، دامنه کرنش به موقعیت در جسم بارگذاری شده بستگی دارد . بنابراین ساختار اشباع هم به موقعیت بستگی دارد و با دامنه کرنش موضعی مشخص می شود . برای سایر فلزات ، که انرژی نقص روی هم چینی را نمی توان اندازه گرفت ، اما واکنش متقابل نابجایی ها در مرحله خستگی سختی مقدم است ، به طور کیفی نمودار برقرار است ، مشروط بر اینکه به جای γ اصلاح بسامد لغزش تقاطعی را ( که کمتر تعریف شده است ) به کار ببریم . یک نمونه از این مورد فلزات b.c.c  است ، که اندازگیری γ برای آنها آسان نیست . مواد با لغزش تقاطعی آسان ، به صورت تابعی از دامنه ، ساختاری مشابه با مناطق الف یا ب نشان می دهند { مثلا 31 ، 32 ، 33 ) . برای آهن خالص این ساختار در شکل های 18.2 و 19.2 نشان داده شده است . از طرف دیگر ، در بارگذاری چرخه ای آلیاژ Fe-Si که در آن لغزش تقاطعی دشوار است ساختار اشباعی تشکیل می شود که – مطابق با شکل 21.2 – شامل آرایش صفحه ای نابجایی هاست .

همچنین مشخص شده است که دما بر انواع ساختار اشباع تاثیر دارد . البته در مقایسه با پارامتر های تایین کننده اثر دما ناچیز است {29}.

نمودار شکل 21.2 انواع ساختار را به خوبی توصیف می کند ، اما تغییرات عوامل ریزساختار نابجایی را منعکس نمی کند . در اینجا به توضیح مختصر نتایج اندازه گیری چگالی نابجایی ها و اندازه سلول ها را در حالت اشباع خلاصه می کنیم .

چگالی نابجایی های در حد اشباع عموما با دامنه بارگذاری چرخه ای افزایش می یابد . داده های نسبتا کم تجربی در مورد میزان این وابستگی با هم توافق ندارند . مثلا ، وینگزبو { 34 } با بررسی ورق های نازک با میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داد که چگالی نابجایی ها متناسب با مربع دامنه تنش است . نتایج اندازه گیری های مقاومت به وسیله پولاک { 35 } و اندازه گیری هایی که ویلی و اشمیت { 36 } به وسیله پرتو ایکس انجام دادند نشان می دهد که رابطه میان چگالی نابجایی ها و دامنه تنش خطی است .

داده ها تجربی مربوط به اندازه سلول ها متعدد است ولی متفاوت نیستند . اندازه سلول ، که از دهم میکرون تا چند میکرون متغیر است ، با دامنه تنش نسبت عکس دارد { 388 } .

نتایج ارائه شده در بخش 1.2.1.2 نشان داد که برای مواد با لغزش موجی ( لغزش تقاطعی آسان ) در تقریب اول می توان منحنی تنش – کرنش چرخه ای را نماینده یک معادله حالت مکانیکی چرخه ای در نظر گرفت ، که تنش و دامنه کرنش و دما را به طور منحصر به فردی به هم مربوط می کند ، و به پیشینه ماده بستگی ندارد . از این دیدگاه ارزیابی میزان مستقل بودن ساختار اشباع نابجایی از پیشینه تغییر شکل چرخه ای جالب است . برای فلزات با انرژی نقص روی هم چینی بالا { 18 و 37 } نتایج اصلی را می توان به صورت زیر خلاصه کرد : پس از افزایش ناگهانی دامنه از مقداری که ویژه منطقه ساخار رگه ای است ( منطقه الف ) به مقدار ویژه منطقه سلولی ( منطقه ب ) است ، ساختار نابجایی از ساختار نواری یا رگه ای به ساختار سلولی تغییر می کند . اما پس از کاهش ناگهانی دامنه از مقداری که ویژه منطقه سلولی است به مقداری که ویژه منطقه نواری است ، ساختار سلولی باقی می ماند . به عبارت دیگر ، وقتی ساختار سلولی تشکیل شد با بارگذاری چرخه ای در دامنه پایین تغییر قابل ملاحظه ای نمی کند .

وقتی تغییرات دامنه محدود باشد ، به طوری که مرز بین مناطق الف و ب را قطع نکند ، نوع ساختار عوض نمی شود . حتی نتایج تجربی نشان می دهد که در منطقه سلولی ، اندازه سلول ( 37 و 38 ) و چگالی متوسط نابجایی ها ( 39 ) متناسب با تغییرات دامنه کرنش است – هر دو کمیت مستقل از پیش کرنش چرخه ای اند .

بنابراین نتیجه می گیریم که ساختار نابجایی ها عموما به پیش کرنش چرخه ای بستگی دارد . فقط وقتی که تغییرات دامنه در محدوده یک منطقه باشد (مطابق شکل 21.2 ) ساختار از دامنه کرنش تبعیت می کند . این نتیجه برای تحلیل نظری در درجه اول اهمیت قرار دارد : یک نقطه بر منحنی تنش - کرنش چرخه ای ، که برای مواد با لغزش موجی بستگی به پیش کرنش چرخه ای ندارد . ممکن است متناظر با دو ساختار مختلف نابجایی باشد . به عبارت دیگر ، با مشکلی مواجهیم که یک حالت مکانیکی یکسان یا تقریبا یکسان و ساختارهای نابجایی خیلی متفاوت داریم . این یعنی که حرکت نابجایی با میدان های تنش داخلی کنترل می شود و میدان تنش به ترکیب بندی کلی نابجایی ها زیاد وابسطه نیست .

2.3.2  خستگی نرمی

خستگی نرمی مخصوص مواد سخت شده است . مبنای تمام روش های افزایش استحکام ( تک محوری ) تشکیل ریزساختاری است که دارای موانع موثر در مقابل حرکت نابجایی ها است . در مورد کار سختی ، حرکت نابجایی ها به علت چگالی بالای نابجایی ها کاهش می یابد . رسوب سختی با برهم کنش بین نابجایی و رسوب کنترل می شود . سخت شدن به وسیله دگرگونی مارتنزیتی غیر نفوذی منجر به تشکیل ساختار ریزدانه و چگالی نسبتا بالای نابجایی ها می شود – مرزدانه و نابجایی ها هر دو به عنوان مانع عمل می کنند . پراکنده سختی شبیه به رسوب سختی است – ذرات خارجی مثلا ، به روش متالورژی پودر ، پخش می شوند و به طور موثری مانع حرکت نابجایی ها می شوند ، در مواد حقیقی بیش از یکی از این موانع ممکن است موثر باشد .

در مواد سخت شده خستگی نرمی وقتی رخ می دهد که در حین بارگذاری چرخه ای موانع حذف یا تضعیف شوند . در مواد مرکب روش کار طوری انتخاب شده است که ذرات در مقابل نابجایی های متحرک به اندازه کافی پایدار باشند – در این مواد خستگی نرمی مشاهده نمی شود .در مواد پیرسختی پذیر ، خستگی نرمی مستقیما مربوط به تغییرات ریزساختاری است که در بخش 2.2.2 شرح دادیم .

خستگی نرمی مخصوص فلزات کار سرد شده است . برای خستگی نرمی فقط کرنش مومسان معکوس لازم است ( 37 ) ، یعنی بارگذاری چرخه ای کشش – فشار . مثلا ماده ای که با تغییر شکل کششی سخت شده است اگر تحت بارگذاری کششی تکراری قرار بگیرد نرم نمی شود . تنها در صورت وجود شرایط کرنش مومسان معکوس ممکن است در ساختار نابجایی ها تغییرات ویژه ای که در بخش 2.1.2.2 توصیف کردیم رخ بدهد . حرکت معکوس نابجایی ها منجر به تشکیل آرایشی از نابجایی ها می شود که کرنش مومسان آسانتر به وجود می آید . متاسفانه در حال حاضر این تنها چیزی است که می توان راجع به فرایندهای نابجایی در خستگی نرمی گفت . احتمالا توضیع مجدد نابجایی ها منجر به حذف قسمتس از نابجایی ها و افزایش طول آزاد آنها می شود . این فرایند همراه و احتمالا مشروط به تشکیل نواقص نقطه ای است که در اثر کشیده شدن نابجایی های جاگدار است . متاسفانه تعداد داده های تجربی اندک است ، و هیچ توضیح خاص بیشتری راجع به خستگی نرمی مواد کار سرد شده ارائه نشده است .

خستگی نرمی فولاد مارتنزیتی کم کربن با مکانیزم مشابهی رخ می ده ( 71 ) تغییر شکل چرخه ای باعث توضیع مجدد ساختار نابجایی می شود که در حین دگرگونی مارتنزیتی تشکیل شده اند .

جوانه زنی ترک خستگی

1.3 تنش نزدیک سطح

کاملا مشخص شده است که فرایند خستگی به شرایط سطح خیلی حساس است . مثلا ، عمر خستگی شدیدا تحت تاثیر عملیات سطحی و تمام کاری است . دلیل حساس بودن فرایند خستگی به شرایط سطح هم این است که ترک های خستگی همیشه از سطح آزاد فلزاتی که تحت بارگذاری چرخه ای قرار می گیرند جوانه می زنند . جوانه زنی ، و همچنین کل فرایند خستگی ، با تغییر شکل مومسان چرخه ای کنترل می شود . بنابراین ، انتظار می رود که ترک ها در محل هایی جوانه بزنند که تغییر شکل مومسان چرخه ای از مقدار متوسط بالاتر باشد ، یا به عبارت دیگر ، در جاهایی که کرنش مومسان متمرکز شده باشد . از آنجا که تمرکز کرنش مومسان بستگی به تمرکز تنش دارد ، باید ببینیم که چرا در سطح آزاد تمرکز تنش وجود دارد .

برای بیشتر قطعات مهندسی که شکل های پیچیده دارند و تحت تنش های پیچیده قرار می گیرند . جواب ساده است . در اینجا تمرکز تنش یا به علت وجود فاق هاست یا ناشی از خمش و پیچش است ، خمش و پیچش باعث به وجود آمدن شیب تنش می شود که بیشترین تنش در سطح ایجاد می شود . حتی در قطعاتی هم که به طور اسمی تحت تنش یکنواخت قرار دارند عملا کمی انحراف از محوری بودن نیرو اجتناب ناپذیر است ، این امر خود منجر به ایجاد گشتاورهای خمشی یا پیچشی می شود ، و در نتیجه در لایه سطحی تمرکز تنش ایجاد می کند .

علاوه بر منابع میکروسکوپیک تمرکز تنش در سطح ، تمرکز تنش های میکروسکوپیک هم وجود دارند که حتی در شرایط محوری بودن نیرو هم موثرند . میزان تنش در سطح بستگی به شرایط سطح دارد . سطح صاف ایدئال اصلا وجود ندارد . مثلا حتی ماشین کاری های خیلی ریز سطح ایجاد شیارهایی با عمق حدود چند دهم میکرون می کند ، که می توان به طور موضعی تنش را حدود ده ها درصد افزایش دهد . خوشبختانه ، تمام کاری سطح غالبا منجر به تغییر شکل مومسان در لایه ای نازک با تنش پسماند فشاری می شود ، که می تواند اثر زیان بار تمرکز تنش های میکروسکوپیک را بر عمر خستگی جبران کند و یا حتی از آن بیشتر شود .

نوع دیگر تمرکز تنش میکروسکوپیک پله های سطحی است که در اثر خروج نابجایی در حین تغییر شکل مومسان به وجود می آید ، بنابراین بارگذاری چرخه ای به تنهایی می تواند تمرکز تنش موضعی در سطح ایجاد کند .

ذرات فاز دوم ، مثل آخال ها و رسوب ها ، که خواص کشش آنها با زمینه فرق می کند ، می توانند به عنوان منابع تمرکز تنش عمل کنند . آرگون { 82 } به طور آموزنده ای نشان داد که اثر این ذرات در سطح آزاد بیشتر از اثر آنها در داخل است . جدول 1.3 که از مقاله وی آمده است ، ضریب تمرکز تنش (  k t ) و ضریب شدت تنش (  k I ) را برای ذرات با اشکال ایدئال و مدول صفر در سطح و در داخل مقایسه می کند . اولین مورد یک ذره کروی است . برای فرو رفتن نیم کره در سطح یک جسم نیمه محدود ( به اضای ضریب پواسان v=1.4 ) و در حالت تنش صفحه ای k t=2.23 به دست آمده است . که حدود 7% بزرگتر از مورد مشابه برای یک حفره کروی ( v=1.4 . و k t=2.09  ) است {83} . دومین مثال مربوط به یک ترک ریز و سکه ای شکل در داخل و ترکی با همین ابعاد در کرنش صفحه ای است . ضریب شدت تنش برای ترک کرنش صفحه ای ، رادیکال پی دوم ، برابر بزرگتر است . سومین مثال یک ترک تیز با کرنش صفحه ای در داخل و یک ترک تیز با کرنش صفحه ای و طول نصف طول ترک فوق در سطح است . ضریب شدت تنش برای ترک سطحی 12 % بزرگتر است . اگرچه مقایسه جدول 1.3 کاملا با حالت واقعی ( یعنی با فرض ایده آل بودن شکل و مدول صفر ) مطابقت ندارد ، اما به وضوح مشخص می کند که آخال های سطحی نسبت به آخال های داخلی تمرکز تنش بیشتری ایجاد می کنند .

با توجه به حقایق مذکور ، می توانیم بگوییم که در حین بارگذاری چرخه ای تنش در سطح فلز بیشتر از داخل آن است و بنابراین کرنش مومسان بیشتر است . به این ترتیب اگر فقط تنش را در نظر بگیریم معلوم می شود که چرا ترک های خستگی از سطح جوانه می زنند .