به گزارش ماهنامه اقتصاد ۳۶۰
در چنین قطعاتی، مسئله فقط تحمل یک بار سنگین نیست. ممکن است فنر در طول عمر کاری خود هزاران یا حتی تعداد بسیار بیشتری چرخه بارگذاری و تخلیه را تجربه کند. به همین دلیل، مقاومت در برابر خستگی، خاصیت ارتجاعی، کیفیت سطح، عملیات حرارتی و انتخاب گرید همگی در عملکرد نهایی نقش دارند. هنگام بررسی قیمت فولاد فنر نیز این مشخصات باید در کنار عدد خرید قرار گیرند؛ زیرا دو فولاد با ظاهر و ابعاد مشابه لزوما رفتار یکسانی در شرایط کاری ندارند.
چرا بارگذاری تکراری برای فولاد چالش ایجاد می کند؟
وقتی یک قطعه فولادی یک بار تحت نیرو قرار می گیرد، ممکن است تنش ایجادشده کمتر از حدی باشد که باعث شکست فوری شود. اما اگر همان نیرو بارها و بارها تکرار شود، شرایط متفاوت خواهد بود.
پدیده ای که در این حالت اهمیت پیدا می کند «خستگی» است. در شکست خستگی، قطعه می تواند تحت تنش هایی قرار داشته باشد که به تنهایی برای شکست ناگهانی کافی نیستند، اما تکرار آنها در طول زمان زمینه ایجاد و رشد ترک را فراهم می کند.
این موضوع درباره فنرها اهمیت زیادی دارد، زیرا ماهیت کار آنها بر تغییر شکل مداوم استوار است.
برای مثال، فنر سیستم تعلیق خودرو در طول حرکت دائما فشرده و آزاد می شود. فنر موجود در یک مکانیزم صنعتی نیز ممکن است در هر سیکل کاری دستگاه بارگذاری شود و سپس به وضعیت اولیه بازگردد.
اگر جنس، طراحی یا عملیات حرارتی متناسب با این شرایط نباشد، عمر واقعی قطعه می تواند با انتظار طراح فاصله داشته باشد.
فولاد فنر چه ویژگی هایی باید داشته باشد؟
یکی از ویژگی های اصلی فولاد فنر، توانایی تحمل تغییر شکل الاستیک است.
در محدوده الاستیک، فولاد پس از برداشته شدن نیرو می تواند به شکل اولیه خود بازگردد. اما اگر تنش از محدوده مشخصی عبور کند، تغییر شکل دائمی ایجاد می شود و فنر دیگر عملکرد اولیه را نخواهد داشت.
به همین دلیل فولادهای فنر معمولا پس از انتخاب ترکیب شیمیایی مناسب، تحت فرآیندهای حرارتی قرار می گیرند تا خواص مورد نیاز آنها ایجاد شود.
در انتخاب این فولادها معمولا مجموعه ای از ویژگی ها مورد توجه قرار می گیرد:
- استحکام مناسب
- حد الاستیک متناسب با کاربرد
- مقاومت در برابر خستگی
- چقرمگی کافی
- قابلیت عملیات حرارتی
- مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی
نقش ترکیب شیمیایی در عملکرد فولاد فنر
فولادهای فنر در گریدهای مختلفی تولید می شوند و عناصر آلیاژی موجود در آنها می توانند روی خواص نهایی تاثیر بگذارند.
سیلیسیم یکی از عناصری است که در تعدادی از فولادهای فنر حضور قابل توجهی دارد و می تواند در افزایش استحکام و ویژگی های الاستیکی نقش داشته باشد. منگنز نیز در برخی گریدها برای بهبود خواص فولاد و قابلیت سختکاری مورد استفاده قرار می گیرد.
در گروه دیگری از فولادهای فنر، عناصری مانند کروم نیز حضور دارند که می توانند بر سختی پذیری و رفتار فولاد پس از عملیات حرارتی تاثیر بگذارند.
آیا همه فنرها به یک گرید فولاد نیاز دارند؟
خیر. مفهوم «فولاد فنر» به یک گرید واحد محدود نمی شود.
فنر کوچک مورد استفاده در یک مکانیزم مکانیکی با فنر خودرو یا قطعه ای که در یک تجهیز صنعتی تحت بارهای سنگین کار می کند، الزامات یکسانی ندارد.
نوع بارگذاری نیز تفاوت ایجاد می کند. یک فنر ممکن است عمدتا تحت فشار باشد، دیگری تحت خمش قرار گیرد و قطعه ای دیگر بارهای ترکیبی یا متناوب را تجربه کند.
همچنین عواملی مانند دمای کاری، محیط استفاده، ابعاد قطعه و تعداد سیکل مورد انتظار در انتخاب گرید موثر هستند.
عملیات حرارتی؛ مرحله ای تعیین کننده در عملکرد فنر
حتی اگر گرید فولاد به درستی انتخاب شده باشد، عملیات حرارتی نامناسب می تواند عملکرد نهایی را تحت تاثیر قرار دهد.
در بسیاری از فولادهای فنر از فرآیندهایی مانند سختکاری و برگشت برای ایجاد ترکیبی از استحکام و چقرمگی استفاده می شود.
هدف این نیست که قطعه فقط سخت شود. سختی بیش از حد و چقرمگی ناکافی نیز می تواند ریسک ایجاد ترک یا شکست را افزایش دهد.
دمای آستنیته، شرایط کوئنچ، دمای تمپر، ضخامت قطعه و ترکیب شیمیایی فولاد همگی بر ساختار نهایی اثر دارند.
