Kegagalan keletihan adalah salah satu mod kegagalan komponen mekanikal yang paling biasa. Data statistik menunjukkan bahawa 50% hingga 80% daripada semua kegagalan bahagian mekanikal adalah disebabkan oleh kerosakan keletihan. Sebelum patah keletihan, komponen biasanya tidak menunjukkan ubah bentuk plastik yang jelas atau tanda pra-kegagalan. Namun begitu, keretakan keletihan berlaku secara tiba-tiba dan merosakkan, selalunya membawa kepada kerosakan peralatan yang teruk dan kemalangan keselamatan. Kerosakan keletihan mengikut undang-undang permulaan dan penyebaran tertentu dan akhirnya berkembang menjadi patah keletihan lengkap.
Definisi Keletihan: Kelesuan logam merujuk kepada kemerosotan berterusan sifat mekanikal bahan logam di bawah tindakan kitaran berulang tekanan atau terikan berselang-seli.
Definisi Patah Keletihan: Apabila bahan logam dikenakan-tegasan dan terikan berselang-seli kitaran jangka panjang, perubahan mikrostruktur setempat dan penyebaran berterusan kecacatan dalaman berlaku, mengakibatkan kemerosotan sifat mekanikal dan akhirnya patah sepenuhnya komponen. Proses kegagalan ini ditakrifkan sebagai patah keletihan. Tegasan yang mendorong keretakan keletihan secara amnya jauh lebih rendah daripada had kekuatan statik bahan. Fraktur keletihan dicirikan oleh kejadian secara tiba-tiba, lokaliti yang tinggi, dan kepekaan yang tinggi terhadap kecacatan permukaan dan dalaman.
1. Analisis Morfologi Makroskopik Permukaan Patah
Objek kajian kes ini ialah bolt stud patah yang digunakan dalam peralatan turbin angin. Ciri-ciri morfologi makroskopik permukaan patah dianalisis seperti berikut:
1. Bahagian bawah kiri dan kanan permukaan patah menunjukkan morfologi cekung dan cembung yang tidak teratur. Bahagian kiri menunjukkan lengkok-takik cembung, manakala bahagian kanan diedarkan dengan beberapa takik bergerigi kecil. Arka bawah patah membentuk tepi pemotongan yang tajam.
2. Kawasan tengah patah yang besar berfungsi sebagai kawasan perambatan retak, ditutup dengan tanda pantai yang berbeza, yang merupakan ciri makroskopik tipikal patah keletihan.
3. Jejak karat diperhatikan pada permukaan keretakan zon permulaan retak dan zon perambatan tanda pantai, disebabkan oleh-pendedahan jangka panjang kepada persekitaran luaran.
4. Zon patah serta-merta memperlihatkan bibir ricih yang luas dan halus dengan permukaan patah yang licin dan cerah tanpa karat. Ini menunjukkan bahawa patah akhir berlaku dengan cepat dan tergolong dalam patah serta-merta mulur.
5. Batang bawah stud patah menampilkan permukaan licin dan cerah dengan kesan geseran yang jelas, membentuk permukaan arka licin yang dihasilkan oleh geseran berulang-jangka panjang.
6. Tiada tengkuk atau ubah bentuk yang jelas ditemui pada kedudukan patah, yang tidak termasuk kemungkinan patah tegangan lebihan.
2. Analisis Mekanisme Kegagalan Makroskopik
1. Retak bermula di bahagian bawahbolt stud. Pinggir pemotong licin, takuk bergerigi dan celah berbentuk-lengkok di bahagian bawah batang membentuk kawasan kepekatan tegasan, yang merupakan sumber permulaan retakan asal.
2. Ciri-ciri tanda pantai dalam zon penyebaran retakan adalah menonjol. Pada peringkat pembiakan awal, jarak tanda pantai adalah kecil, menunjukkan pertumbuhan retak yang stabil dan perlahan di bawah tegasan tangen kitaran. Pada peringkat perambatan kemudian, jarak meningkat dengan ketara, menunjukkan perambatan retak dipercepat dan risiko kegagalan yang meningkat.
3. Bibir ricih yang lebar, halus dan cerah dalam zon patah serta-merta menunjukkan ciri-ciri patah mulur yang tipikal, membuktikan bahawa stud mempunyai-kekuatan dan keliatan yang sepadan dengan sifat mekanikal komprehensif yang sangat baik.
4. Permukaan arka licin pada bahagian stud adalah morfologi geseran tipikal. Ia menunjukkan bahawa stud mengalami-tegasan berselang-seli sisi, berbalas-balas berterusan semasa operasi dan menghasilkan geseran dan penyemperitan berulang dengan dinding lubang gear, akhirnya membentuk permukaan licin yang digilap.
Kesimpulan Makroskopik: Patah stud adalah patah keletihan lentur yang tipikal. Zon patah serta-merta menunjukkan ciri-ciri patah mulur yang menggalakkan tanpa ciri-ciri patah rapuh.
3. Analisis Morfologi Mikroskopik
Untuk memperjelaskan lagi mekanisme patah, pengesanan mikroskopik mikroskop elektron pengimbasan (SEM) telah dijalankan pada spesimen patah untuk memerhatikan ciri struktur mikro kawasan patah yang berbeza.
1. Pemerhatian SEM mendedahkan striations keletihan yang berbeza dan tetap dalam zon perambatan retak, yang merupakan ciri mikroskopik teras patah keletihan logam dan sepadan dengan baik dengan tanda pantai makroskopik, mengesahkan kegagalan keletihan.
2. Sebilangan besar lesung pipit yang diedarkan secara seragam diperhatikan dalam imej SEM, yang merupakan manifestasi mikroskopik tipikal bagi keliatan bahan yang sangat baik. Ini sepadan dengan bibir ricih lebar dalam zon patah makroskopik dan mengesahkan koordinasi munasabah kekuatan dan keplastikan stud.
3. Tiada morfologi patah-kawasan besar yang ditemui pada keseluruhan permukaan patah. Hanya sebilangan kecil ciri belahan-yang kelihatan di kawasan setempat, berselang-seli dengan lesung pipit. Ini menunjukkan bahawa bahan mempunyai kerapuhan yang rendah dan padanan optimum kekuatan dan keliatan.
Kesimpulan Mikroskopik: Permukaan asal bagikancingmengekalkan tanda alat pusing dengan kekasaran permukaan yang tinggi, membentuk kawasan tumpuan tegasan yang lemah. Semasa operasi peralatan, stud menanggung tegasan lentur tangen berselang-seli berterusan, dan tanda alat permukaan digilap menjadi permukaan arka licin dengan geseran berulang. Di bawah lenturan, perlanggaran dan geseran frekuensi tinggi jangka panjang-berkekerapan tinggi{3}}panjang, retakan mikro lebih disukai bermula pada kecacatan permukaan kasar dan membentuk sumber keletihan. Dengan tindakan berterusan beban berselang-seli, rekahan itu merambat secara beransur-ansur dan akhirnya membawa kepada patah keletihan lenturan kitaran tinggi-tinggi. Ciri-ciri morfologi makroskopik dan mikroskopik sangat konsisten, membuktikan bahawa patah secara tiba-tiba disebabkan oleh kerosakan lenturan terkumpul.
4. Di-Penyiasatan tapak dan Analisis Keadaan Kerja
Untuk memulihkan keadaan kerja kegagalan sebenar, dua-penyiasatan di tapak telah dijalankan di tapak turbin angin. Maklumat berkaitan termasuk tempoh operasi peralatan, proses pemasangan, kedudukan pemasangan, morfologi patah dan rekod penyelenggaraan telah disahkan untuk menjelaskan keadaan kegagalan.
Lebih daripada tiga puluh turbin angin 1.5 MW telah beroperasi selama lebih tiga tahun, dan hanya satu bolt stud patah, yang merupakan kes kegagalan individu. Pada-pemeriksaan tapak menunjukkan bahawa stud patah telah dipasang dengan sisihan kedudukan. Satu sisi shank dipasang rapat dengan muka hujung lubang gear tanpa sebarang jurang, manakala sebelah lagi mempunyai pelepasan pemasangan yang besar. Sisihan pemasangan menyebabkan stud bengkok dan berbalas secara berterusan dengan operasi turbin, menghasilkan-beban sisi berselang-seli jangka panjang dan mendorong potensi risiko kegagalan keletihan.
Bahagian stud yang dipasang rapat adalah tanpa celah dan tidak boleh diakses oleh alatan, membuktikan bahawa kedudukan ini mengalami tekanan tangen kitaran yang sangat tinggi dan menyebabkan kesukaran yang besar dalam pembongkaran kemudiannya. Di bawah tegasan berselang-seli menegak bersama paksi, sisi stud yang memasang dinding lubang mengalami lenturan, hentaman dan geseran berulang dengan lubang gear. Tanda pusingan asal telah lusuh sepenuhnya, membentuk cermin-seperti permukaan arka licin dengan ciri geseran yang jelas.
Turbin angin beroperasi pada kelajuan putaran 17 r/min selama 15 jam sehari, menghasilkan kira-kira 15,300 kitaran setiap hari. Jumlah kitaran operasi mencapai 2.8×10⁶ dalam tempoh setengah tahun dan 2.0×10⁷ dalam masa tiga setengah tahun. Stud berayun dalam amplitud kecil kira-kira 4 mm dengan amplitud tegasan rendah dan tahap tegasan keseluruhan yang rendah, tergolong dalam keadaan kerja kelesuan kitaran tinggi{11}}tinggi{12}}rendah biasa. Patah itu disebabkan oleh{14}}keletihan lentur terkumpul jangka panjang di bawah beban sisi berselang-seli, yang merupakan kes tipikal keretakan kelesuan bolt lentur.
5. Ringkasan Komprehensif
1. Mod kegagalan stud disahkan sebagai patah keletihan lentur, bukannya patah beban berlebihan, patah rapuh atau patah yang disebabkan oleh kecacatan bahan.
2. Punca kegagalan adalah proses pemasangan yang tidak betul. Sisihan kedudukan membawa kepada pemasangan rapat unilateral stud dengan lubang gear, menghasilkan tegasan lentur tangen berselang seli yang berterusan. Kerosakan keletihan terkumpul secara berterusan semasa-pengoperasian peralatan kitaran tinggi dan akhirnya menyebabkan patah keletihan yang lentur.
