إجهاد المعادن

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!