کاربرد مهندسی سطح و پوشش ها در بهبود خواص مکانیکی مواد

“

”

استاد مربوطه :استاد کیوانی

: تهیه کنندگانمیالد ربیعی

محمد حسین صادقی نیا

اردیبهشت 94دانشگاه شهرکرد

مقدمه ب5ا توج5ه ب5ه اینک5ه بیشت5ر واماندگ5ی های خس5تگی از س5طح ناش5ی م5ی شود ، کیفی5ت س5طح در رفتار خس5تگی اث5ر مهمی دارد . اثرات س5طح ب5ه عل5ت تفاوت در زبری ، ری5ز س5اختار ، ترکی5ب شیمیای5ی و تن5ش های پس5ماند ب5ه وجود م5ی آیند و ای5ن اثرات در عم5ر های طوالن5ی بیشت5ر دیده م5ی شون5د ک5ه در آ5ن ه5ا درص5د زیادی از چرخ5ه ه5ا ب5ا جوان5ه زنی ترک همراه

نی5ز نشان داده شده اس5ت اس5تحکام های خستگی مبنای نشان داده شده 7-4اس5ت ، ب5ه همان ص5ورتی ک5ه در شک5ل برای نمون5ه های ص5اف و بس5یار ص5یقلی م5ی باشن5د . در حال5ی ک5ه بیشت5ر قطعات مهندس5ی خیل5ی صیقلی 8-4در شک5ل

نیس5تند ، تراشکاری ی5ا ماشی5ن کاری ، حت5ی اگ5ر ب5ا دق5ت باال انجام شون5د باز ه5م س5بب کاه5ش اس5تحکام خس5تگی سطوح م5ی شون5د . از آنج5ا ک5ه پارامت5ر های بس5یاری در تراشکاری و ماشین کاری 8-4نس5بت س5طوح ارای5ه شده در شک5ل

موثرن5د ، ارای5ه کردن ی5ک رابط5ه کل5ی در مورد آ5ن ه5ا بس5یار مشک5ل اس5ت . ب5ا ای5ن وجود ، نول و لیپس5ون ، اطالعاتی را در مورد تاثی5ر ای5ن دو عملیات در اس5تحکام نهای5ی فوالد ه5ا ب5ه همراه تاثیرات س5طحی نورد گرم و چک5ش کاری جمع

ضریب 15 – 4آوری کرده ان که نتای5ج نهایی کار آ5ن ه5ا در کتاب های طراح5ی ماشی5ن بحث و ارایه شده است . شک5ل ، را ک5ه ب5ه عنوان تابع5ی از اس5تحکام نهای5ی کشش5ی ب5ه ح5د خس5تگی س5طوح بس5یار ص5یقلی اعمال می شود Ktس5طح ،

برای شرایط سطحی فوالد ها شامل ماشینکاری ، تراشکاری ، نورد گرم و چکش کاری ، ارایه می دهد .

سال این ضرایب را در تست تیر چرخان نمونه ها و قطعات با 20ریم اشنایدر برای بیش از بارگذاری محوری بررسی کرده است . وی برای شرایط بارگذاری با دامنه ثابت با استفاده از مدل های محاسباتی عمر محدود و حدود خستگی ثابت کرد که ضرایب سطح محافظه کارانه

هستند و بنابر این این مقادیر بایستی به عنوان تخمینی قابل قبول از اثرات پرداخت سطح برای فوالد ها در نظر گرفته شوند . براساس این ضرایب سطح ، هرچه سختی و استحکام

، ضریب Suنهایی کششی بیشتر باشد ، کاهش حد خستگی بیشتر خواهد بود . با افزایش تا 0.8 و برای سطوح تراشکاری شده از 0.7 تا 0.9سطح برای سطوح ماشینکاری شده از

کاهش می یابد . این مقادیر در کاهش حد خستگی بسیار قابل توجه هستند . با این وجود 0.5شرایط سطحی نورد گرم و چکش کاری شده ، کاهش های بیشتری را نشان می دهند که از

می توانند تغییر کنند . کاهش حاصل از تراشکاری و ماشین کاری بیشتر به 0.15 تا 0.75زبری سطح و تنش های پسمانده مربوط است ، در حالی که در سطوح حاصل از نورد گرم یا

چکش کاری شده عالوه بر این دو عامل مهم ، تغییر ترکیب شیمیایی و زیر ساختار سطح مانند کربن زدایی و قابلیت سخت شوندگی سطح ، در کاهش حد خستگی موثرند . این طور می توان نتیجه گیری کرد که ، اجتناب از شرایط سطحی نورد گرم و چکش کاری در محل های حساس به خستگی می باشد . البته این نتیجه گیری می تواند با تراشکاری یا ماشین کاری

سطوح نامطلوب فوق همراه گردد .

تولید تنش های پسماند و استحکام خستگی

روش های مختلفی برای ایجاد تنش های پسماند در قطعات وجود دارد که می توان آن ها را به چهار گروه اصلی تقسیم بندی نمود : روش های مکانیکی ، روش های حرارتی ، روکش کاری و ماشی5ن کاری . ای5ن روش ه5ا ممک5ن اس5ت تقریب5ا برای هم5ه فلزات قاب5ل کاربرد باشن5د ، اما ، در

برخی موارد ، ممکن است کاربرد آن ها به گروه های خاصی از فلزات ، محدود می شود .

روکش کاریروکش کاری به وسیله الکترولیت می تواند شامل مواد روکشی نرم از قبیل کادمیوم ، روی ، قلع ، سرب

یا مس و یا مواد روکشی سخت تر از قبیل کروم و نیکل باشد . روکش کاری قطعات ، باعث افزایش مقاومت به خوردگی شده و ظاهری زیبا ایجاد می کند . به عالوه ، روکش کاری با کرم برای افزایش

مقاومت سایشی و برای بازسازی قطعات فرسوده و ساییده شده استفاده می شود . آب کاری الکتریکی با کروم یا نیکل تنش های پسماند کششی قابل توجهی در ماده روکش و ریز ترک ها ایجاد می کند . هر

دوی این وضعیت ها به کاهش قابل توجه استحکام خستگی قطعات با روکش کروم یا نیکل نیبت داده می شوند . این کاهش ها در فوالد های با استحکام باالتر و در عمر های طوالنی تر و متوسط ، بزرگتر هستند و

به ضخامت روکش بستگی دارند . در فوالد های با استحکام پایین تر یا خستگی کم چرخه ، پالستیسیته قابل توجهی می تواند به علت بار گذاری خارجی رخ دهد که باعث آزاد سازی تنش های پسماند می گردد . به عالوه ، در طول ابکاری الکتریکی ، هیدروزن می تواند در داخل فلز پایه نفوذ کرده و باعث ترد شوندگی

هیدروژنی گردد . این مساله ، می تواند توسط آزاد سازی حرارتی تنش در قطعات روکش کاری شده با درجه فارنهایت ( قابل رفع باشد ، که 700 درجه سانتی گراد ) 400کروم در دمایی تقریبا باالتر از

هیدروزن نام طلوب را به خارج رانده و برخی از تنش های پسماند را آزاد می کند .

که روی آن 4130 تاثیر روکش کاری با کروم را بر روی استحکام خستگی فوالد 11 – 8شکل – Mpa1100 – 965 ) ksi 160 عملیات حرارتی صورت گرفته و استحکام نهایی کششی آن

برابر 1.4 چرخه ، استحکام خستگی در حدود 106 می باشد نشان می دهد . در عمر ) 140نمونه های کنترل شده ، کاهش می یابد . به هر حال ، با ساچمه کوبی اضافی یا ساچمه کوبی

درصد شرایط کنترل شده 90همراه با صیقل کاری ، می توان استحکام خستگی را تا حدود باز گرداند . این مثال ، به طور واضح بر این مفهوم مهم تاکید می کند که ، بر هم نهی روش

های مطلوب تولید می تواند بیشتر اثرات مخرب فرآیند های نامطلوب بر خستگی را حذف کند . بنابراین ، روش هایی مانند ساچمه کوبی روش هایی مانند ساچمه کوبی ، نیتراته کردن یا نورد کاری سطحی که تنش های سطحی فشاری نامطلوب تولید می کنند ، می تواند تا حد

زیادی اثرات مخرب روکش کاری با کروم یا نیکل را از بین ببرند . این عملیات به طور موفقیت آمیزی ، قبل و بعد از آبکاری الکتریکی انجام شده است .

مواد نرمی مانند کادمیوم ، روی ، قلع ، سرب و مس که در الکترولیز به سطح می چسبند ، معموال در هوا تاثیر کمی بر روی استحکام خستگی دارند ، اما ، در محیط های خورنده باعث افزایش استحکام خستگی می شوند . با وجود این ، گالوانیزه کردن ) روی اندود کردن ( به

میزان قابل توجهی استحکام خستگی در هوا را به ویژه برای فوالد های با استحکام باال کاهش می دهد . این کاهش به زیادتر شدن حساسیت ترک ها در اثر روکش کاری ، نسبت داده می

شود . آندایز کردن ) اکسیداسیون فلزات از طریق الکترولیز ( ، سطح را یک الیه اکسید سخت می پوشاند که از سطح در مقابل خوردگی و سایش محافظت می کند . این عملیات اغلب تاثیر کمی بر روی استحکام خستگی اکثر آلیاژ های آلومینیوم دارد ، اما استثنائاتی همراه با کاهش های قابل مالحظه استحکام خستگی برای برخی ار آلیاژ های آلومینیوم رخ داده است . برای

آلکالد کردن ، از یک روکش سطحی آلومینیوم بسیار خالص بر روی سطح آلیاژ های آلومینیوم استفاده می کنند تا مقاومت در برابر خوردگی افزایش یابد . عموما این روش باعث می شود

که در هوا استحکام خستگی کاهش یابد ، اما در محیط های خورنده این روش منجر به افزایش استحکام خستگی می گردد .

به طور خالصه ، اثرات روکش کاری بر استحکام خستگی به این صورت است که روکش کاری با کروم یا نیکل ، به علت ایجاد تنش های سطحی پسماند زیاد و ریز ترک ها مخرب است . روکش کاری با فلزات نرم تر ،

اغلب تاثیر بسیار کمتری دارند . اما ، تحت شرایط خستگی خوردگی ، روکش کاری نه تنها مخرب نبوده ، بلکه مفید نیز می باشد . به منظور

ایجاد تنش های پسماند فشاری سطحی که می تواند اکثر اثرات مخرب خستگی روکش کاری را حذف کنند و یا کاهش دهند ، می توان قبل و یا

بعد از روکش کاری ، عملیاتی بر روی آن انجام داد .

ساچمه زني(Shot Peening)

( یک فرآیند کار سرد است که در آن سطح قطعه توسط ذرات Shot Peening )ساچمه زنیریز نسبتا کروی (ساچمه( تحت ضربات شدید قرار میگیرد. هر گلوله ساچمه مانند یک چکش

ضربه زنی کوچک عمل کرده و در سطح قطعه یک گودی یا فرورفتگی ایجاد میکند. برای تشکیل این گودی باید الیه سطحی فلز به نقطه تسلیم کششی خود برسد تا تغییر فرم

ذرات فشرده شده سعی میکنند تا سطح را به حالت ٫پالستیک ایجاد شود. در الیه زیرین سطحاولیه خود برگردانند که در نتیجه یک ناحیه نیم کروی از فلز کارسرد شده که تحت تنش فشاری

ایجاد میگردد. با ادامه ساچمه زنی و همپوشانی فرورفتگیهای ناشی از ٫شدیدی قرار دارد یک الیه یکنواخت با تنش فشاری باقیمانده تشکیل میشود.٫برخورد ساچمه ها به سطح

در دم5ش هوا، س5اچمه فوالدي توس5ط هواي فشرده ب5ا شتاب پرتاب م5ي شون5د و از طري5ق نازل روي ۲۲قطع5ه ريخت5ه می شوند. گاه5ي س5رعت س5اچمه ه5ا ب5ه مت5ر بر ثاني5ه ني5ز می رس5د. اس5تفاده از ۰

س5يستمهاي س5اچمه زن5ي دوار مدرن می توان5د س5رعت جريان س5اچمه ه5ا را افزاي5ش دهد. جريان انرژ5ي ۱:۱در دم55ش هوا در مقايس55ه ب55ا س55اچمه زن55ي دوار تقريب55ا ي55ک ب55ه ده ) اس55ت و ب55ه عبارت ديگ55ر ( ۰

هزينه هاي پرداخ5ت س5طحي قطعات ب5ا اس5تفاده از چرخهاي پرتاب س5اچمه کاه5ش م5ي يابد. ام5ا در ه5ر حال، امني5ت فراين5د باي5د تضمي5ن شود. باي5د ب5ه حداکث5ر قابلي5ت تکرار هم5ه پارامترهاي دم5ش و پرتاب س5اچمه از قبي5ل س5رعت دم5ش، زمان دم5ش و س5رعت جريان س5اچمه و زاوي5ه ضرب5ه رس5يد. امروزه پرتاب س5اچمه ه5ا ب5ا اس5تفاده از چرخهاي دوار براي پرداخ5ت دس5ته هاي بزرگ قطعات تح5ت تن5ش هاي باال و متناوب بکار م5ي رود. کاربردهاي معمول آ5ن عبارتن5د از: ص5نعت خودروس5ازي، ماشي5ن س5ازي و از نقط5ه نظ5ر ديگ5ر طي5ف قطعات5ي چون هم5ه انواع فن5ر، محور بادام5ک، مي5ل لن5گ، ميل5ه هاي پيس5تون، چرخ

ا و ... .دنده ها، ابزارهاي صنعت معدن کاري، قطعات متعادل كننده کشتي ها و هواپيماه

 

 ( فرايندي معروف و Shot Peeningس5اچمه زن5ي )

در عي5ن حال مهم است ک5ه نياز به معرف5ي و توسعه دارد. تميزکاري شيش5ه، س5نگ و فل5ز ي5ا مواد س5خت ديگرب55ه وس55يله پرتاب ماس55ه توس55ط هواي فشرده

۱۸۷۱انجام م5ي شود. "بنجامي5ن تيلگهام" در س5ال اي5ن فناوري را ب5ه ثب5ت رس5اند ام5ا بعده5ا س5اچمه زني بيشت5555555555555555555555ر توس5555555555555555555555عه يافت.

:هبود استحکام خستگيب

مي دانيم که در فناوريهاي جديد پرداخت سطحي و عمليات مربوط به سطح، ساچمه زني از طريق پرتاب ساچمه بر روي قطعات با استفاده از چرخهاي بزرگ دوار جايگزين ديگر

فرايندهاي گران قيمت و زمان بر شده است و امروزه به اثبات رسيده است که اين عمليات در جهت افزايش استحکام خستگي فنرها موثر است. اين فرايند هم از لحاظ زيست محيطي و هم از لحاظ اقتصادي مناسب بوده و همانطور که گفته شد امکان طراحي قطعات سبکتر و

.با هزينه کمتر را فراهم مي آورداين فرايند تاثير اندکي بر روي قطعات تحت تنشهاي پيچشي و فشاري غير متناوب )مستقيم( دارد، اما براي قطعاتي که تحت تنش هاي خمشي يا پيچشي متناوب قرار دارند، مثل شيرها،

سيستمهاي تعليق، فنرهاي کالچ، فنرهاي مارپيچي بسيار مناسب هستند.

چگونه خواص+ خستگي فنرها بهبود مي يابد؟

در فرايندهاي ساچمه زني، به منظور دستيابي به توزيع موضعي تنشهاي فشاري و کششي،  قبل از آنکه فنرها تحت هيچ تنشي قرار بگيرند ساچمه هاي ساينده روي سطح فنرها پاشيده

مي شوند. مايل بر ثانيه به سطح آنها برخورد مي کنند، ۱۰۰ساچمه هاي ساينده که گاها با سرعت تا

باعث به وجود آمدن دندانه هاي کروي شکل دائمي برروي آنها مي شوند. سطح فلز زير سطوح ساچمه زني شده تغيير شکل مي يابند. موازنه نيروها تنشي فشاري را در فلز ايجاد

مي کند. فرورفتگي ايجاد شده روي سطح بااليي مماسي و عمود بر سطح است. اما در اليه هاي زيرين کشش باعث تغيير شکل دائمي مي شود. در نتيجه فنرهاي ساچمه زني شده قبل از آنکه در شرايط کاري واقعي قرار بگيرند، تحت تنشهاي اوليه اي قرار مي گيرند. تنشهايي

که فنرها در طول عمر کاري خود آنها را تحمل مي کنند، مشابه تنشهاي اوليه اي هستند که در اثر ساچمه زني در قطعه ايجاد مي شوند. به ويژه در شرايطي که تنش کششي داريم، فشار سطحي که از قبل ايجاد شده، قله هاي کشش )تنشهاي کششي ماکزيمم در سيکل خستگي(

را کاهش مي دهد و به اين ترتيب استحکام خستگي فنر با ساچمه زني افزايش مي يابد.

FIGURE 35-21 )a( Mechanism for formation of residual compressive stresses in surface by cold plastic deformation )shot peening(. )b( Hardness increased in surface due to shot peening.

کربونیزه کردن :

درصد کربن ( در مواد کربن ده مانند ذغال 0.15هنگامی که یک قطعه فوالد کم کربن ) مثال درجه فارنهایت ( حرارت 1700 درجه سانتی گراد ) 925قرار گرفته و در دمایی باال نظیر

داده شود کربن اتمی از ماده کربن زا آزاد شده و به داخل سطح قطعه نفوذ می کند . گرچه این عملیات نیاز به زمان دارد ولی در مدت چند ساعت سطح قطعه می تواند مقدار قابل

درصد ( جذب کند . به این ترتیب قطعه ای ساخته می شود که مغز 1.2مالحظه ای کربن ) تا آن را فوالد کم کربن و سطح آن را فوالد پر کربن تشکیل می دهد . اگر این قطعه سخت شود

، در سطح مارتنزیت پرکربن تشکیل می شود و بنابراین از سختی زیادی بر خوردار خواهد درصد ( را داراست از چقرمگی 0.15بود . در حالی که مغز آن همان درصد کربن اولیه )

خوبی برخوردار است .

در این شرایط ، عمق نفوذ کربن بر حسب فاصله از سطح از رابطه زیر بدست می آید .

در این رابطه :

Cs ( . درصد کربن سطح است که توسط پتانسیل کربن محیط مشخص می شود : wt) %

C0 ( درصد اولیه کربن فوالد قبل از کربن دادن : wt) %

Cc درصد کربن در فاصله : x ( از سطح wt) % X ( فاصله از سطح : cm)

D ( ضریب نفوذ کربن در آستنیت : cm 2 / sec)

t ) زمان کربن دهی ) ثانیه :

erf . به تابع خطا موسوم است و مقادیر آن از جدول بدست می آید :

در اینجا ضریب نفوذ کربن مستقل از ترکیب شیمیایی فرض شده است که مقدار متوسط آن از فرمول زیر بدست می آید .

)cm2/ sec

در این فرمول :

R درجه – کالری بر مول 1.98 درجه کلوین ) – پژول بر مول 8.314 : ثابت گاز ها بوده و برابربا کلوین ( است .

T ( دمای کربن دهی بر حسب : K . است ) در عمل ، پتانسیل کربن عبارت است از درصد کربن الیه سطحی تشکیل شده بر روی قطعه که

با محیط گازی در تماس با آن در حال تعادل باشد . در عملیات کربن دهی اغلب از پتانسیل درصد استفاده می شود . 0.8کربنی در حدود

کربن دهی پودری ) جامد (

در این روش قطعات مورد نظر همرا با مواد کربن ده که اغلب ذغال چوب و یک ماده انرپژی زا ( است ، به نحوی بسته 25Cr-%20Ni%است را در یک جعبه فوالدی که از جنس فوالد نسوز )

میلیمتر باشد . سپس در جعبه را به نحوی می 50بندی می کنند که فاصله بین قطعات در حدود بندند که هیچ گونه تبادل هوا با خارج نداشته باشد . برای این منظور می توان از آز بست

درجه سانتی گراد 925 تا 875استفاده کرد . این جعبه را تا دمای کربن دهی که اغلب بین است حرارت داده و برای مدت زمان مشخصی در این دما نگه می دارند زمان نگه داری در

دمای کربن دهی بستگی به ضخامت الیه ی سطحی مورد نیاز دارد . همان گونه که ماللحظه می شود با افزایش دما و یا زمان کربن دهی ضخامت الیه شطحی نیز افزایش می یابد .

گرچ5ه در ای5ن روش قطع5ه کار در مخلوط پودری از مواد کرب5ن ده حرارت داده م5ی شود ولی عام5ل اص5لی تولی5د کننده کرب5ن ، گاز من5و اکس5ید کرب5ن اس5ت ک5ه کرب5ن اتم5ی را ب5ه س5طح قطعه حمل می کند . گاز منو اکسید کربن براساس واکنش زیر که بین اکسیژن محبوس شده در جعبه

و مواد کربن ده ) ذغال ( انجام می گیرد تولید می شود .سپس در سطح فوالد ، گاز منو اکسید کربن تجزیه شده و تولید کربن اتمی می کند .

کرب5ن اتم5ی آزاد شده در س5طح فوالد ک5ه ت5ا ناحی5ه ی حرارت5ی آس5تنیت گرم شده اس5ت ب5ه صورت بین نشینی در فوالد حل می شود .

نق5ش مواد انرژ5ی زا افزای5ش نرخ کرب5ن ده5ی اس5ت . ب5ه عنوان مثال ، یک5ی از این مواد کربنات باریم است . در دمای کربن دهی تجزیه انجام می شود .

دی اکس5ید کرب5ن تولی5د شده براس5اس واکن5ش زی5ر ب5ا ذغال ترکی5ب شده و تولی5د من5و اکس5ید کربن می کند .

من5و اکس5ید کرب5ن حاص5ل در س5طح فوالد تجزی5ه شده و کرب5ن اتم5ی آزاد م5ی کن5د . ب5ه ای5ن ترتیب عملیات کربن دهی تسریع می شود . برگشت پذیر بوده و هرچه دمای عملیات افزایش یابد ، در فشار ثاب5ت درص5د من5و اکس5ید کرب5ن حاص5ل افزای5ش یافت5ه و بنابرای5ن نرخ کرب5ن ده5ی زیادت5ر می

شود .

نیتراته کردن نیتروژن دهی عبارتست از وارد کردن نیتروژن اتمی در الیه سطحی فوالد است . بنابراین سختی سطح در این روش بستگی به نیترید فلزی تشکیل شده دارد . در حالی که امکان

نیتروژن دهی برای بسیاری از فوالد ها وجد دارد ، تنها هنگامی می توان سختی زیاد در سطح بدست آورد که قطعه مورد نظر از جنس فوالد های آلیاژی مخصوص ، شامل عناصر آلیاژی

نظیر آلومینیوم ، کرم ، مولیبدن و یا وانادیم باشد . این عناصر در سطح قطعه به محض تماس پیدا کردن با نیتروژن اتمی با آن ترکیب شده و تشکیل نیترید های پایدار و سخت می دهند .

همچنین نیتروژن با برخی از عناصر آلیازی ترکیب شده و تشکیل نیترید آلیاژی می دهد ، مانند نیترید های کرم ، نیترید تیتانیوم ، نیترید آلومینیوم و نیترید های دیگر به طور کلی عناصر گروه انتقالی ) آهن ، کرم ، منگنز ، وانادیم ، تنگستن ، مولیبدن و تیتانیوم ( با نیتروزن ترکیب شده

وتشکیل نیترید می دهند . در حقیقت سختی زیاد الیه سطحی فوالد های نیتروژن داده شده ناشی از وجود همین ذرات بسیار ریز و پراکنده نیترید های آلیاژی است .

الیه ها و رژیم های روانکاری

قب5ل از ای5ن ک5ه الی5ه ه5ا و رژی5م های مختل5ف روانکاری توضی5ح داده شود، الزم اس5ت گفت5ه شود ک5ه دلی5ل توج5ه به روان کننده ه5ا و روانکاری چیس5ت. ب5ه طور کل5ی روانکاری، برای جلوگیری از اص5طکاک و س5ایش در سطوح متحرک روی یکدیگ5ر می باشد. در اص5طالح عامیان5ه، اص5طکاک عبارت اس5ت از نیروی5ی ک5ه در برابر حرک5ت ی5ک سطح روی سطح دیگر ایجاد مقاوم5ت م5ی کند. بنابرای5ن م5ی توان چنی5ن گف5ت ک5ه اص5طکاک وقت5ی وجود دارد ک5ه س5طوح نس5بت ب5ه یکدیگر دارای حرک5ت باشن5د، مانن5د گردش ی5ک می5ل لن5گ در داخ5ل ی5ک یاتاقان ثاب5ت و ی5ا غلت5ش س5اچمه های ی5ک بل5برینگ نس5بت ب5ه رینگ

ثابت آن.

نظر از ه5م باز باشن5د، شده پرداخ5ت بیشتری دق5ت ب5ا س5طوح چ5ه ه5ر ک5ه داش5ت خاط5ر ب5ه بای5د را موضوع ای5ن میکروس5کوپی ناص5اف بوده و س5طح آنه5ا دارای دندان5ه های زیادی اس5ت. اگ5ر ای5ن س5طوح ب5ه وس5یله ماده ای مانن5د روغن از یکدیگ5ر جدا نشون5د، در تماس دو س5طح ب5ا یکدیگ5ر، ای5ن دندان5ه ه5ا در اث5ر حرارت های زیاد موضع5ی ایجاد شده، به

یکدیگر جوش خورده و باعث ایجاد سایش و یا چسبیدن دو سطح به یکدیگر می شوند.

در ایجاد شرای5ط اص5طکاکی بی5ن دو س5طح ک5ه نس5بت ب5ه یکدیگ5ر دارای حرک5ت هس5تند، عوامل متعددی نقش دارند که عبارتند از :

- پرداخ5ت س5طح : ن5ا ص5افی های روی س5طح، مقدار آنه5ا و حت5ی جه5ت تماس نقاط روی س5طح تاثیر 1بسیار زیادی روی ضریب اصطکاک دارد.

- درج5ه حرارت : درج5ه حرارت محی5ط و همچنی5ن درج5ه حرارت عملکرد، تاثی5ر زیادی روی اصطکاک 2افزودنی ماده ی5ا و افزودن5ی ض5د س5ایش ماده ی5ک درج5ه حرارت روی عملکرد مثال ب5ه عنوان دارد. فشارپذی5ر تاثی5ر بس5یار زیادی دارد و در عملکردهای خاص5ی اث5ر درج5ه حرارت برای ای5ن مواد بحران5ی می

باشد.- بار : اص5طکاک ب5ه طور مس5تقیم ب5ا بار روی س5طح تغیی5ر م5ی کند. افزای5ش بار بی5ش از ظرفیت های 3

طراحی شده، باعث افزایش بسیار زیاد اصطکاک می شود.- نوع حرک5ت دو س5طح نس5بت ب5ه یکدیگ5ر : ب5ه عنوان مثال اگ5ر در ی5ک حرک5ت غلتش5ی )مث5ل حرکت 4

ثاب5ت اصطکاک تاثی5ر بس5ار زیادی روی نی5ز همراه آ5ن گردد، بل5برینگ( ی5ک حرک5ت لغزش5ی س5اچمه در خواهد گذاشت.

- سرعت نسبی : افزایش سرعت )بیش از حد طراحی( باعث افزایش اصطکاک می شود.5- روغ5ن : خواص روغ5ن تاثی5ر مس5تقیم روی ضری5ب دارد. ای5ن خواص شام5ل خص5وصیات روغ5ن پایه، 6

گرانروی روغن پایه و مواد افزودنی که در فرموالسیون روغن به کار رفته اند، می شود.

بنابراین، کار اصلی روانکاری، کاهش ضریب اصطکاک )تا حدی که ممکن است( از طریق حذف و یا کنترل عواملی که ممکن است اثر معکوس روی حرکت نسبی سطوح متحرک داشته باشند، می باشد.

به طور کلی سه راه برای کاهش اصطکاک وجود دارد.- استفاده از یاتاقان هایی که دارای عناصر فدا شونده هستند. مثل 1

یاتاقان های تخت مس -سرب- جایگزین کردن اصطکاک لغزشی با اصطکاک غلتشی. مثل استفاده 2

از بلبرینگ ها )حذف اصطکاک لغزشی(.- بهبود شرایط روان کننده و روانکاری، از طریق تغییر گرانروی 3

روغن، استفاده از مواد افزودنی مناسب و یا حتی تغییر نوع روغن. به عنوان مثال، استفاده از روغن های سنتتیک و یا روان کننده های جامد.

انواع الیه های روانکاری

:به طور کلی الیه های روانکاری به سه دسته عمده تقسیم می شوند - الیه های سیال

 - الیه های نازک )الیه های سیال نازک( - الیه های جامد

الیه های سیال نیز شامل الیه های هیدرودینامیک ضخیم، االستو هیدرودینامیک و الیه های فشرده می باشند.

الیه های ضخیم:در این حالت ضخامت الیه روغن چندین برابر مجموعه ناصافی های سطوح متحرک روی هم

بوده و فشار هیدرولیکی الیه روغن چنان است که در مجموع با نیروی وارده بر سطوح متکی بر یکدیگر برابری و مقابله می کند.

الیه های هیدرودینامیک ضخیم:در این حالت، الیه روغن چندین برابر مجموعه ناصافی های سطوح متحرک روی هم می باشد

و فشار هیدرولیکی الیه روغن چنان است که در مجموع با نیروی وارده بر سطوح متکی بر یکدیگر، برابری و مقابله می کند. این نوع الیه روانکار به علت سرعت نسبی سطوح روانکاری

شده و شکل هندسی مناسب آنها ایجاد می شوند.الیه های هیدرو استاتیک ضخیم:

این الیه به وسیله پمپ شدن سیال با فشار باال، بین سطوحی که ممکن است نسبت به یکدیگر متحرک یا ثابت باشند تشکیل می شود. در این حالت فشار روغن به حدی است که می

تواند جسم فوقانی را به صورت شناور روی فیلم سیال نگه دارد.الیه های فشرده:

وقتی که سطوح تماس در اثر فشار به یکدیگر نزدیک می شوند، بر الیه ای از روغن که بین آنها قرار گرفته فشار زیادی وارد می شود، با افزایش فشار، گرانروی نیز افزایش یافته و در نتیجه روغن نمی تواند با سرعت از بین سطوح تماس خارج شود. بنابراین الیه روغن متراکم

شده و می تواند بار زیادی را برای مدتی کوتاه تحمل کند، به این حالت الیه فشرده می گویند. البته اگر افزایش فشار تداوم یابد، باالخره از بین این سطوح خارج شده و تماس فلز با فلز

رخ خواهد داد.

الیه های نازک:برای ثابت نگه داشتن الیه روانکار الزم است که یک جریان پیوسته روانکار همیشه وجود داشته

باشد. در خیلی از حاالت این امر امکان پذیر نبوده و یا ممکن است فشار وارده بر سطوح به قدری زیاد یا سرعت حرکت به قدری کم باشد که تشکیل فیلم سیال ممکن نباشد، تحت این

شرایط الیه های روانکاری، الیه های نازک نامیده می شود.الیه های جامد:

این نوع الیه زمانی اتفاق می افتد که در روانکاری سطوح از روان کننده های جامد استفاده شود. الیه روان کننده جامد که با سطح فلز تشکیل پیوند داده، ایجاد یک الیه فدا شونده روی سطح می نماید. این الیه از سایش قطعات متحرک روی یکدیگر جلوگیری می کند. انواع الیه

های جامد در بخش روان کننده های جامد قابل مطالعه می باشد.

انواع رژیم های روانکاریدر سیستم های روانکاری بسته به شرایط مختلف از رژیم های روانکاری متفاوتی استفاده می شود.

الف – روانکاری هیدرودینامیکدر ای5ن رژی5م روانکاری هی5چ نوع تماس س5طح ب5ه س5طح وجود نداشت5ه و گرانروی روغ5ن به اندازه ای اس5ت ک5ه م5ی توان5د شف5ت و یاتاقان را از یکدیگ5ر جدا نگ5ه دارد. در ای5ن رژی5م روانکاری تنها اص5طکاک موجود، اص5طکاک داخل5ی روغ5ن اس5ت. ی5ک الی5ه روغ5ن، ی5ک قطع5ه ی گردنده مانن5د میل لن5گ را ب5ه ص5ورت شناور نگ5ه داشت5ه و از تماس آ5ن ب5ا یاتاقان جلوگیری می کند. در روانکاری هیدرودینامی5ک حرک5ت دو س5طح نس5بت ب5ه ه5م، همگراس5ت و روغ5ن ب5ه داخ5ل س5طح کشیده می شود. در واق5ع روغ5ن کاری هنگام5ی شروع م5ی شود ک5ه ماشی5ن روش5ن شده و سرعت و بار در آ5ن ب5ه حدی رس5یده ک5ه شرای5ط الزم برای کشیده شدن ی5ک الی5ه ی روغ5ن بی5ن شف5ت و یاتاقان به نوع این هس5تند یاتاقان داخ5ل در کننده دوران دارای شف5ت ک5ه های5ی ماشی5ن در آید. وجود بخصوص و روغ5ن فیزیک5ی خواص هیدرودینامی5ک روانکاری در گیرد. م5ی ص5ورت روانکاری گرانروی آن باید ثابت بماند زیرا کاهش بیش از حد گرانروی باعث تماس مستقیم فلز به فلز و افزای5ش بی5ش از ح5د گرانروی بدلی5ل مقاوم5ت داخل5ی زیاد روغ5ن باع5ث کاه5ش بازده ماشی5ن می

شود.

ب – روانکاری االستو هیدرودینامیک

وقتی فشارهای تماسی باال در سیستم وجود داشته باشد به روانکاری االستو هیدرودینامیک نیاز خواهد بود. به عنوان مثال می توان از چرخ دنده ها و اجزای غلتشی در یاتاقان ها نام برد. همچنان که روان کننده به سطح تماس کشیده می شود فشار روی آن باال رفته و در نتیجه گرانروی آن نیز باال می رود. گرانروی باال و کوتاه بودن زمان نیاز برای روانکاری باعث می

شود که روان کننده نتواند از بین سطوح فرار کند و در نتیجه باعث جدا شدن سطوح از یکدیگر می شود. تا زمانی که شرایط عملکرد مانند سرعت، بار و دما خیلی زیاد نشود به دلیل الیه ی ایجاد شده، تماس سطح به سطح رخ نمی دهد. برای مثال وقتی روغن در منطقه تماس

بین ساچمه و مسیر حرکت قرار می گیرد فشار آن به شدت افزایش می یابد. این افزایش فشار باعث افزایش گرانروی روغن و همین طور تغییر حالت آن به صورت نیمه جامد یا

پالستیکی خواهد شد. بعد از کم شدن فشار روغن به حالت اول خود بر می گردد. الیه های بسیار نازکی هستند که هر چه سرعت زیاد شود، ضخامت الیه نیز 1EHLالیه های

بیشتر خواهد شد، گرانروی افزایش، بار کاهش و انطباق هندسی سطوح تماس بهبود می یابد. ضخامت الیه روان کننده خیلی به میزان بار بستگی ندارد زیرا الیه روغن در فشار موجود در

سطوح تماس سفت تر از سطوح فلز است. ارتباط بین ناهمواری های سطوح و ضخامت الیه فلزکاریدر روانکاری االستو هیدرودینامیک مهم است. این رژیم روانکاری معموال در عملیات

مخصوصا در فلزکاری غلتشی و کششی دیده می شود. گاهی اوقات عامل انتقال نیرو در این روانکاری عنصر غلتانی مانند غلتک یا ساچمه بین دو سطح یاتاقان است و به همین خاطر آن

را روانکاری غلتان نیز می نامند. تشکیل الیه های االستو هیدرودینامیک در یاتاقان ها همیشه با افزایش درجه حرارت همراه است. اگر این افزایش، باعث کاهش بیش از حد گرانروی روغن

شود به سیستم صدمه ی جدی وارد می شود.

ج – روانکاری جامددر بعض5ی س5یستم های روانکاری بای5د از روان کننده های5ی اس5تفاده کرد ک5ه ی5ک الی5ه ی دائمی و پایدار ب5ا س5طح تشکی5ل دهند. مثال در س5یستم های5ی ک5ه نتوان از روغ5ن ی5ا گری5س ب5ه ه5ر دلیلی اس5تفاده کرد ای5ن نوع روانکاری مورد اس5تفاده قرار م5ی گیرد و ی5ا وقت5ی در س5طوحی که دارای حرکت نس5بی ب5ه ه5م هستند برای کاهش س5ایش و اصطکاک از ماده جامدی اس5تفاده کنن5د ب5ه آن ب5ا یکدیگ5ر کام5ل است ی5ا تماس دو س5طح روانکار جام5د گویند. در ای5ن نوع س5یستم ه5ا اغل5ب )یاتاقان کشوی5ی، ک5ف گرد و ...( و ی5ا تماس خط5ی )از طری5ق کاردک( و ی5ا نقطه ای )یاتاقان

های سوزنی( است.برای روانکاری جام5د از مواد "خود روانکار" اس5تفاده م5ی کنیم. برخ5ی مواد ب5ه دلی5ل ناهمگونی در خواص مکانیک5ی و مثال ب5ه دلی5ل تغیی5ر س5اختاری ک5ه در اث5ر تن5ش برش5ی ک5م در ساختمانشان رخ م5ی ده5د ی5ک ضری5ب اص5طکاک کوچ5ک در الی5ه هایشان ب5ه وجود م5ی آید. ای5ن ناهمگونی در خواص مکانیک5ی و ی5ا ب5ه عبارت س5اده ت5ر ص5فحات جس5م، مشخص5ه اجسام الی5ه ای می باشد. اگر ای5ن الی5ه ه5ا در جس5می بتوانن5د بر اث5ر نیروی برش5ی ک5م بر روی ه5م بلغزن5د، جس5م مورد نظر خود "خود ماده یک گرافی5ت شود. م5ی اس5تفاده آ5ن از جام5د روانکاری در ک5ه دارد نام روانکار

روانکار" است و به طور گسترده از آن در روانکاری جامد استفاده می شود.

به طور کلی مواد " خود روانکار" باید شامل سه ویژگی زیر باشند: - ساختار الیه ای داشته باشند

 - توانایی چسبیدن به سطوح و ایجاد الیه روی آن را داشته باشددر ماده و محی5ط مورد نظر در دمای عملکردی واکن5ش شیمیای5ی ی5ا و تجزی5ه گون5ه هی5چ - 

روانکار رخ ندهد.

د- روانکاری هیدروستاتیکیدر این حالت روانسازی، احتیاجی به حرکت نسبی دو سطح برای تامین فشار نیست و فشار الزم روانکاری

از یک منبع خارجی تامین می شود. استفاده از روانکاری هیدروستاتیکی در طراحی یاتاقان هایی که سرعت کم یا صفر دارند و در جاهایی که مقاومت اصطکاکی باید کمترین مقدار را داشته باشد، اهمیت

می یابد.

به طور کلی برای5 درک رژیم های روانکاری ض5خامت الیه روانکار که بین دو سطح در یک قرار می گیرد مهم است. در بیشتر کارهای5 عملی فلزکاری تشخیص رژیم سیستم تریبولوژی

روانکاری کار آسانی نیست و نمی توان به راحتی میزان ضریب اص5طکاک در تماس های5 مختلف را اندازه گیری5 کرد. همان طور که قبال اشاره شده رژیم های روانکاری بر حسب ض5خامت

دسته کلی تقسیم می شوند: 4روانکار به - الیه نازک1 - الیه ض5خیم2 - الیه مخلوط3 - الیه مرزی5 4 

وقتی که سطوح تحت شرایط الیه نازک روی5 یکدیگر حرکت کنند، اغلب سیال به اندازه کافی وجود دارد که مقداری از بار بتواند به وسیله الیه ی5 نازک س5یال و قسمت دیگر به وس5یله تماس5 بین سطوح حمل شود. این شرایط را اغلب روانکاری5 الیه مخلوط می گویند. در روانکاری الیه5 مخلوط ممکن است در بعضی قسمت های5 سطوح فیلم سیال و در بعضی قسمت های دیگر

فیلم نازک مشاهده شود. در شکل های5 زیر، انواع رژیم های5 روانکاری آمده اند:

در کل به طور خالصه می توان رژیم های روانکاری را این گونه توصیف کرد:

بیشترین مقدار اصطکاک و ضخامت الیه روغن بسیار کم. در روانکاری شرایط مرزی:زمان روشن کردن ماشین آالت ایجاد می شود. )در سرعت کم یا بار زیاد(

بهترین رژیم. هیچ گونه تماسی سطوح با یکدیگر ندارند. مانند روانکاری هیدرودینامیک: شفت دوران کننده در داخل یاتاقان ها زمانی که در سیستم فشارهای تماسی باالیی وجود روانکاری االستو هیدرودینامیک:

داشته باشد ایجاد می شود مانند چرخ دنده ها و اجزای غلتشی در یاتاقان ها ایجاد یک الیه دائمی و پایدار با سطح. استفاده از مواد خود روانکار روانکاری جامد:

مانند گرافیت

می توان رژیم های روانکاری را به شرح زیر بیان کرد :

- روانکاری شرایط مرزی:1تقریبا تمام متخصصین روانکاری معتقد هستند که در روانکاری شرایط مرزی بیشترین مقدار اصطکاک وجود دارد. این حالت در موقع روشن کردن ماشین آالت، سرعت های کم و یا بار

زیاد روی ماشین ایجاد می شود. در این نوع روانکاری، ضخامت الیه روغن به قدری کم است که تماس فلز به فلز رخ خواهد داد. این امر باعث ایجاد سایش و چسبندگی سطح به یکدیگر

درصد سایش در 70خواهد شد. مهندسین روانکاری و تریبولوژیست ها معتقدند که بیش از هنگام روشن کردن ماشین و به علت روانکاری شرایط مرزی رخ می دهد.

معمولی ترین روش برای جلوگیری از سایش و چسبندگی در روانکاری شرایط مرزی، استفاده از روغن هایی است که دارای مواد افزودنی ضدسایش یا فشار پذیر باشند. این مواد با سطوح وارد واکنش شده و یک الیه روی آن ها ایجاد می کنند. این الیه ها به عنوان سطوح فدا شونده

عمل کرده و به جای اینکه سطوح فلزی ساییده شوند، این الیه ها ساییده خواهند شد. روش دیگر جهت کاهش سایش در روانکاری شرایط مرزی، افزایش گرانروی روغن است. اگر چه این کار در بعضی موارد جوابگو می باشد، ولی خودش باعث ایجاد مشکل دیگری می گردد.افزایش گرانروی روغن، باعث افزایش اصطکاک داخلی آن شده و این امر باعث باال رفتن درجه حرارت می گردد. افزایش درجه حرارت عملکرد، ممکن است باعث کاهش مقاومت

الیه روغن شود. روش دیگر، افزایش جریان روغن می باشد. این کار، باعث کم شدن شرایط الزم برای ایجاد روانکاری شرایط مرزی می گردد و ضخامت الیه روی سطوح را نیز افزایش

می دهد. افزایش ضخامت الیه روغن نیز باعث جلوگیری از تماس دو سطح می شود.در شرایط روانکاری مختلط، ضریب ثابت اصطکاک کاهش می یابد. ولی روانکاری در این شرایط دارای ریسک می باشد. هر چه ضخامت الیه روغن افزایش یابد، رژیم روانکاری به

سمتی می رود که رژیم روانکاری هیدرودینامیک نامیده می شود.

- روانکاری هیدرودینامیک:2

در این رژیم روانکاری )مثل زمانی که یک الیه روغن به طور کامل شفت یک توربین را از یاتاقان های نگهدارنده ان جدا نگه می دارد(، هیچ گونه تماس سطح به سطح

وجود نداشته و گرانروی روغن به حدی است که می تواند شفت و یاتاقان را از یکدیگر جدا نگه دارد. روانکاری هیدرودینامیک کامل، رژیمی است که در آن هیچ گونه

اصطکاکی بین سطوح به وجود نخواهد آمد و اصطکاک موجود، اصطکاک داخلی روغن است...

چکیده تنش های پسماند می توانند توسط روش های تولیدی زیادی ، از قبیل عملیات مکانیکی ،

حرارتی ، روکش کاری و ماشین کاری ایجاد گردند . این روش ها می توانند بر روی استحکام خستگی مفید یا مضر بوده و یا تاثیر اندکی داشته باشند . ساچمه کوبی و نورد کاری سرد سطحی ، دو روش مکانیکی بسیار متداول برای ایجاد تنش های پسماند فشاری سطحی

هستند . این دو روش می توانند حد خستگی را مخصوصا در قطعات شیار دار ، بیشتر از دو برابر افزایش دهند .

سخت کاری القایی ، کربونیزه کردن ، و نیتراته کردن از روش های حرارتی معمول برای ایجاد تنش های پسماند تنش های پسماند فشاری سطحی برای افزایش استحکام خستگی می

باشند .

منابع

1 . Metal fatigue in engineering , second edition , Ralph I. StephensAli Fatemi , Robert R. Stephens , Henry O . Fuchs گلعذار . 2 علی محمد دکتر ، دوم ویرایش ، فوالدها حرارتی عملیات3 . http://www.sayal.co

Thank you for the attention!

Questions?