إجهاد المعادن
المصدر: روبرتو ليون ، قسم الهندسة المدنية والبيئية ، فرجينيا للتكنولوجيا ، بلاكسبيرغ ، فيرجينيا
تم تسليط الضوء على أهمية دراسة التعب المعدني في مشاريع…
- احصل على خمس عينات من فئة A572 بأبعاد وتكوين ماكينة مناسبة لآلة الشعاع الدوار Moore المستخدمة. في هذه الحالة ، سنستخدم إعداد ناتئ دوار مع عينات 2.40 بوصة و 0.15 بوصة. في القطر مع قسم صغير العنق 0.50 بوصة. طويل و 0.04 بوصة. في الحد الأدنى للقطر.
- بالنسبة لأبعاد العينة وتكوين الماكينة ، احسب الوزن المطلوب لإنتاج نطاقات إجهاد الانحناء التي تساوي ±75٪ و ±60٪ و ±45٪ و ±30٪ و ±15٪ من إجهاد الخضوع الاسمي للمادة المستخدمة إذا تم اعتبار الضغط المنخفض على أنه إجهاد صفري. في هذه التجربة ، سنستخدم فولاذ من الدرجة A572 مع F y = 50 ksi ، مع اختبار عينة واحدة في كل نطاق من نطاقات الإجهاد. يتوافق غضب الإجهاد البالغ ±15٪ مع ± (0.15 * 50 كيلو سيلي) = ±7.5 كيلو سي آي. ستحتاج العديد من العينات إلى الاختبار في كل نطاق إجهاد للحصول على بيانات صحيحة إحصائيا.
- قم بتركيب العينة الأولى في الماكينة ؛ في هذه الحالة ، نحتاج إلى إدخال القسم ذو العنق بالقرب من منتصف الحزمة ومحاذاة ذلك بعناية بحيث يدور الشعاع حول النقطة الوسطى. يتم تحميل العينة الكابولية عند الطرف باستخدام حمل نقطي تم إنشاؤه بواسطة مجموعة من الينابيع ويتم مراقبة قيمتها بواسطة خلية تحميل. يتم تطبيق الحمل من خلال محمل بحيث تكون القوة دائما لأسفل أثناء دوران الحزمة. يتم ضبط سرعة الماكينة على 1400 دورة في الدقيقة ، ويتم ضبط عداد الدورة على الصفر ، وبدأ الاختبار. ستختلف السرعة وحجم العينة والضغط المطبق باختلاف آلة الاختبار.
- انتظر حتى تفشل العينة وسجل عدد دورات الفشل.
- كرر مع العينات الأخرى.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يمكن أن يحدث فشل التعب في الهياكل المعدنية التي تخضع للتحميل الدوري دون سابق إنذار عند أحمال أقل بكثير من القوة القصوى للهيكل. من الصعب نمذجة هذا السلوك ، لذلك من المهم تقييم خصائص التعب في المختبر ومراقبة تشققات التعب في الحقل.
أدى انهيار الجسر الفضي فوق نهر أوهايو إلى لفت انتباه المجتمع الهندسي إلى أهمية التعب المعدني في عام 1967. فشل الجسر بطريقة هشة بسبب التعب الناتج عن التآكل ، مما أسفر عن مقتل 46 شخصا. حدث فشل التعب في اتصال شريط العين غير مرئي للمفتشين ، وربما كان بسبب عيب في التصنيع.
يمكن أن يحدث فشل التعب حيث تتعرض المواد للعديد من دورات الأحمال عند ضغوط قد تكون فقط 30 إلى 40٪ من قوتها القصوى. يمكن أن يؤدي نمو الشقوق وانتشارها أثناء هذا النوع من التحميل الدوري إلى فشل التعب المفاجئ مع القليل من علامات التحذير. التعب عملية معقدة مع العديد من العوامل التي تؤثر على مقاومة التعب.
تحدث ظروف نطاق الدورة العالية والضغط المنخفض في المعدات أو الهياكل ذات الأجزاء أو الأحمال المتحركة ، مثل السيارات على الجسور أو الآلات الدوارة في مصنع التصنيع. يحدث إجهاد نطاق الإجهاد المنخفض في الدورة المنخفضة في حالات مثل الزلازل.
سيوضح هذا الفيديو الحاجة إلى الاختبارات المعملية للمواد ومراقبة الهياكل المعرضة للضغط المنخفض المتكرر ، وتحميل الدورة العالية لتجنب فشل التعب الكارثي.
عادة ما يبدأ صدع التعب بزاوية للإجهاد الطبيعي ، ولكنه يتحول بعد ذلك وينمو بشكل عمودي على إجهاد الشد الأساسي. ينتشر الكراك تحت ضغط الشد أو الإجهاد المطلق ، ولكن ليس تحت ضغط الضغط.
بعد التحميل المتكرر ، يصل الكراك إلى طول حرج وينتشر فجأة بسرعة الصوت ، مما يؤدي إلى فشل فوري. ينتج عن نمو الكراك الأولي علامات شاطئ مميزة على سطح كسر التعب. يتم إنتاج سطح كسر أكثر خشونة على سطح المادة يفشل فجأة.
يتم تحديد فشل التعب من خلال عدد الدورات ونطاق الإجهاد إلى الفشل. مع زيادة نطاق الإجهاد المطبق ، ينخفض عدد دورات الفشل. معظم المعادن والسبائك الحديدية لها حد للتحمل دونها لن تفشل بغض النظر عن عدد الدورات. الدورات في نطاق إجهاد معين عشوائية في التحميل الدوري في الحياة الواقعية. لهذا السبب ، هناك أكثر من نطاق إجهاد واحد وأكثر من رقم واحد مقابل يمثل دورات الفشل.
يتم استخدام قاعدة عامل المنجم من خلال تحديد مجموعة من نطاقات الإجهاد ودورات التجميع في هذه النطاقات. يتم تقسيم عدد دورات التحميل المتوقعة على دورات الفشل لكل نطاق إجهاد ويتم تلخيصها. إذا كان المجموع أكبر من 1 ، فمن الممكن فشل التعب. على الرغم من عدم وجود أساس مادي لهذه المعادلة ، إلا أنها مفيدة لأغراض التصميم الهندسي. يمكن اختبار عدد كبير من نطاقات الإجهاد ودورات الفشل باستخدام اختبار شعاع دوارة.
في هذا الاختبار ، يتم استخدام تكوين الانحناء الكابولي أثناء تدوير العينة. يتم تحديد الحمل المراد تطبيقه باستخدام قوة الخضوع لحساب مجموعة من نطاقات الإجهاد. على سبيل المثال ، يبلغ قوة الخضوع للفولاذ الإنشائي النموذجي 50 ksi ، وحساب نطاق الإجهاد الأول زائد أو ناقص 15٪ يعطي حمولة زائد أو ناقص 7.5 ksi. يتم تطبيق هذا الحمل وتتعرض العينة للتوتر الكامل والضغط الكامل خلال كل ثورة.
يتم إنتاج منحنى S-N يربط نطاق الإجهاد بالقيمة اللوغاريتمية لعدد دورات الفشل. في القسم التالي ، سنختبر عينات فولاذية باستخدام آلة شعاع أكثر دورانا لإنتاج منحنى Sn للمادة.
احصل على خمس عينات من الدرجة A572 ليتم اختبارها باستخدام إعداد ناتئ دوار على آلة شعاع Moore الدوارة أبعاد العينات المستخدمة والمسافات إلى نقاط التحميل خاصة بآلة الاختبار المستخدمة.
قد تختلف هذه الأبعاد باختلاف إعداد الاختبار الخاص بك. يبلغ طول عيناتنا 2.40 بوصة وقطرها 0.15 بوصة. يبلغ طول القسم الصغير ذو العنق لكل عينة 0.50 بوصة وقطره 0.04 بوصة.
قم بتركيب العينة الأولى في الماكينة مع القسم ذو العنق بالقرب من منتصف العارضة. قم بقياس المسافة من مركز العينة إلى نقطة التحميل. قم بمحاذاة العينات بعناية بحيث تدور الحزمة بحرية ودون تذبذب ، ثم قم بتطبيق حمولة في نهاية الكابولي. يتم تحميل العينة الكابولية عند الطرف باستخدام حمل نقطي تم إنشاؤه بواسطة مجموعة من الينابيع ويتم مراقبة قيمتها بواسطة خلية تحميل. يتم تطبيق الحمل من خلال محمل بحيث تكون القوة دائما لأسفل أثناء دوران الحزمة.
يتم ضبط سرعة الماكينة على 1400 دورة في الدقيقة ، ويتم ضبط عداد الدورة على 0 ، ويبدأ الاختبار. ستختلف السرعة وحجم العينة والضغط المطبق باختلاف آلة الاختبار. انتظر حتى تفشل العينة وسجل عدد دورات الفشل. قم بإزالة العينة الفاشلة من آلة الاختبار وفحص أسطح الكسر.
كرر ، اختبر عينة واحدة في كل نطاق من نطاقات الإجهاد المراد اختبارها. ستحتاج العديد من العينات إلى الاختبار في كل نطاق إجهاد للحصول على بيانات صحيحة إحصائيا.
جدولة نطاقات الإجهاد وعدد الدورات ورسم النتائج. كان إجهاد العائد الفعلي للعينة 65.3 ksi ، وكانت قوة الشد 87.4 ksi. تتوافق نطاقات الإجهاد الموضحة هنا بين 23٪ و 92٪ من المحصول.
تظهر البيانات أنه بالنسبة لنطاق الإجهاد فوق 15 ksi والدورات الأقل من 100,000 ، هناك انخفاض في العلاقة الخطية بين نطاق الإجهاد وسجل عدد الدورات. ثم يشير الخط الأكثر ملاءمة لنطاق إجهاد يبلغ 25 ksi ، وعدد الدورات حتى الفشل يبلغ حوالي 31,000.
أقل من نطاق الإجهاد البالغ 15 ksi ، لا يشار إلى أي فشل. يعتبر هذا حد التحمل. يمكن تحسين موثوقية حد التحمل عن طريق اختبار المزيد من العينات بين 10 ksi و 20 ksi.
إذا افترض أن تاريخ الحمل الدوري للجسر يتكون من عدد من الدورات ونطاقات الإجهاد ، ونحن نعرف سلوك التعب للمادة ، فيمكننا استخدام قاعدة عامل المنجم لحساب دورات الفشل.
كما هو متوقع ، من حيث النسبة المئوية ، فإن نطاقات الضغط الأعلى لها تأثير أكبر بكثير على تراكم الضرر. يبدو أن الهيكل قريب من قدرته على عمر التعب التصميمي حيث تقترب القيمة من 1.0.
الآن بعد أن كنت تقدر أدوار التحميل الدوري والاختبار والمراقبة في فشل التعب ، دعنا نلقي نظرة على أمثلة على كيفية تأثير التعب على الهياكل التي نستخدمها كل يوم.
تتعرض الجسور للتحميل الدوري يوميا. لحسن الحظ ، تم تجنب الفشل الذريع على جسر نهر برانديواين في ويلمنجتون بولاية ديلاوير. تم العثور على صدع كبير اكتشفه عداء على الطريق أدناه في عام 1997 ينتشر من عيب في الاستخدام. تم إجراء إصلاحات ويستمر الجسر في حمل 6 ممرات من حركة المرور أثناء مراقبته في استخدامه.
غمر المهندسون جسم الطائرة في حمام سباحة لمحاكاة الضغط وخفض الضغط بعد انفجار 3 طائرات أثناء تحليقها في الخمسينيات. تقرر أنه بعد التحميل المتكرر بسبب تركيزات الإجهاد في زوايا النوافذ ، حدث فشل في التعب. نتيجة لذلك ، يشتمل التصميم الحديث للطائرات على زوايا مستديرة لمواجهة هذه القوة وتقليل تركيزات الإجهاد.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن إجهاد المعادن. يجب أن تفهم الآن فكرة التحميل الدوري وتأثيره على فشل التعب للمعادن.
شكرا للمشاهدة!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why does metal fatigue occur at stresses below the ultimate strength?
Metal fatigue occurs under cyclic loading at stresses typically 30-40% of ultimate strength. Repeated stress cycles cause crack initiation and propagation perpendicular to principal tensile stress. After many cycles, cracks reach critical length and suddenly propagate at sound speed, causing immediate failure without significant prior warning or deformation.
Q2: What is the endurance limit and how does it affect fatigue design?
The endurance limit is the maximum stress range below which a metal will not fail regardless of cycle count. Most ferrous alloys exhibit this threshold. In S-N curve testing, stress ranges below the endurance limit show no failure. Engineers use this value to design structures for infinite fatigue life, improving reliability by testing multiple specimens near the threshold stress range.
Q3: How does the rotating beam test produce an S-N curve?
A rotating beam test applies cantilever bending loads to rotating specimens, creating full tension and compression cycles. Multiple specimens are tested at different stress ranges determined from yield strength percentages. Results plot stress range versus logarithmic cycles to failure, revealing the relationship between applied stress and fatigue life, establishing the material's fatigue characteristics.
Q4: What is Miner's rule and when is it used in fatigue assessment?
Miner's rule predicts fatigue failure by summing damage fractions across multiple stress ranges. Each stress range's expected cycles are divided by cycles-to-failure for that range, then summed. If the total exceeds 1.0, fatigue failure is possible. Though lacking physical basis, it is useful for engineering design when structures experience variable cyclic loading histories.
Q5: How do fatigue cracks initiate and propagate in metals?
Fatigue cracks typically initiate at angles to normal stress, then turn and grow perpendicular to principal tensile stress. Cracks propagate under tensile or shear stress but not under compressive stress. Initial growth produces characteristic beach marks on fracture surfaces. Once cracks reach critical length, they propagate rapidly at sound speed, causing sudden failure with characteristic rough fracture surfaces.
Q6: What factors influence fatigue resistance in structural materials?
Fatigue resistance is affected by multiple factors including stress amplitude, mean stress, frequency, stress concentrations, material properties, surface conditions, grain size, temperature, and corrosion. Environmental conditions and combined stresses also play roles. This complexity underscores the need for routine inspection of structures subjected to repeated loadings like bridges, cranes, vehicles, and aircraft.
Q7: Why is laboratory testing and field monitoring essential for fatigue assessment?
Laboratory testing establishes material fatigue characteristics through S-N curves and stress-strain characteristics of steels, enabling engineers to predict failure. Field monitoring detects crack propagation before catastrophic failure. The Silver Bridge collapse demonstrated that fatigue cracks can initiate from manufacturing flaws hidden from inspectors, making continuous assessment critical for public safety.