الإجهاد (المادي)

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 30 صور
الموسوعة الحرة
سطح كسر ذراع كرنك من الألومنيوم لدراجة هوائية. المنطقة الداكنة (نتيجة الزيت والأوساخ والتآكل) هي شق إجهاد بطيء النمو وقد تحتوي على خطوط. أما المنطقة الفاتحة فهي ناتجة عن كسر مفاجئ.

في علم المواد ، يُعرف الإجهاد بأنه بدء وانتشار الشقوق في المادة نتيجةً للتحميل الدوري . بمجرد بدء تشكل شق الإجهاد، ينمو قليلاً مع كل دورة تحميل، مُنتجًا عادةً خطوطًا على بعض أجزاء سطح الكسر. يستمر الشق في النمو حتى يصل إلى حجم حرج، وهو ما يحدث عندما يتجاوز معامل شدة الإجهاد للشق مقاومة الكسر للمادة، مما يؤدي إلى انتشار سريع وكسر كامل للبنية في أغلب الأحيان.

لطالما ارتبط الإجهاد بفشل المكونات المعدنية، مما أدى إلى ظهور مصطلح " إجهاد المعادن" . في القرن التاسع عشر، كان يُعتقد أن الفشل المفاجئ لمحاور السكك الحديدية المعدنية ناتج عن تبلور المعدن بسبب هشاشة سطح الكسر، ولكن تم دحض هذا الاعتقاد لاحقًا. [ 1 ] ويبدو أن معظم المواد، مثل المواد المركبة والبلاستيك والسيراميك، تتعرض لنوع من الفشل المرتبط بالإجهاد. [ 2 ]

للمساعدة في التنبؤ بعمر الإجهاد للمكون، تُجرى اختبارات الإجهاد باستخدام عينات لقياس معدل نمو الشقوق بتطبيق تحميل دوري ثابت السعة، ثم حساب متوسط ​​نمو الشق المقاس على مدى آلاف الدورات. وهناك حالات خاصة يجب أخذها في الاعتبار، حيث يختلف معدل نمو الشقوق اختلافًا كبيرًا عن المعدل المُستخلص من اختبارات السعة الثابتة، مثل انخفاض معدل النمو الذي يحدث للأحمال الصغيرة القريبة من عتبة الإجهاد أو بعد تطبيق حمل زائد، وزيادة معدل نمو الشقوق المرتبطة بالشقوق القصيرة أو بعد تطبيق حمل ناقص. [ 2 ]

إذا تجاوزت الأحمال عتبة معينة، ستبدأ الشقوق المجهرية بالظهور عند نقاط تركيز الإجهاد مثل الثقوب، ونطاقات الانزلاق المستمر ، والأسطح البينية للمواد المركبة ، أو حدود الحبيبات في المعادن. [ 3 ] عادةً ما تكون قيم الإجهاد التي تسبب تلف الإجهاد أقل بكثير من مقاومة الخضوع للمادة.

مراحل التعب

تاريخياً، تم تقسيم الإجهاد إلى منطقتين: الأولى هي الإجهاد الدوري العالي، الذي يتطلب أكثر من 10⁴ دورة حتى الفشل، حيث يكون الإجهاد منخفضاً ومرنياً في الغالب ؛ والثانية هي الإجهاد الدوري المنخفض، حيث توجد لدونة كبيرة. وقد أظهرت التجارب أن الإجهاد الدوري المنخفض يؤدي أيضاً إلى نمو الشقوق. [ 4 ]

تتبع حالات فشل الإجهاد، سواءً في دورات التحميل العالية أو المنخفضة، نفس الخطوات الأساسية: بدء التصدع، ومرحلتا نمو التصدع الأولى والثانية، وأخيرًا الفشل النهائي. لبدء هذه العملية، يجب أن تتشكل الشقوق داخل المادة. يمكن أن تحدث هذه العملية إما عند نقاط تركيز الإجهاد في العينات المعدنية أو في المناطق ذات الكثافة الفراغية العالية في العينات البوليمرية. تنتشر هذه الشقوق ببطء في البداية خلال المرحلة الأولى من نمو التصدع على طول المستويات البلورية، حيث تكون إجهادات القص في أعلى مستوياتها. بمجرد أن تصل الشقوق إلى حجم حرج، فإنها تنتشر بسرعة خلال المرحلة الثانية من نمو التصدع في اتجاه عمودي على القوة المطبقة. يمكن أن تؤدي هذه الشقوق في النهاية إلى الفشل النهائي للمادة، غالبًا بطريقة كارثية هشة.

بدء التصدع

يُعدّ تكوّن الشقوق الأولية التي تسبق فشل الإجهاد عملية منفصلة تتألف من أربع خطوات متميزة في العينات المعدنية. تتطور في المادة هياكل خلوية وتتصلب استجابةً للحمل المُطبّق، مما يؤدي إلى زيادة سعة الإجهاد المُطبّق نتيجةً للقيود الجديدة المفروضة على الانفعال. تنهار هذه الهياكل الخلوية المُتشكّلة حديثًا في نهاية المطاف مع تكوّن نطاقات انزلاق مستمرة. يتركز الانزلاق في المادة عند هذه النطاقات، ويمكن أن يُشكّل الانزلاق المُفرط مُركّزًا للإجهاد لتكوّن الشق. يُمثّل بدء نمو الشق ووصوله إلى حجم قابل للكشف الجزء الأكبر من عملية التصدّع. لهذا السبب، يبدو أن حالات فشل الإجهاد الدوري تحدث فجأةً، حيث لا يمكن رؤية معظم التغييرات في المادة دون إجراء اختبارات مُتلفة. حتى في المواد المطيلية عادةً، تُشبه حالات فشل الإجهاد حالات الفشل الهش المفاجئ.

تؤدي مستويات الانزلاق الناتجة عن PSB إلى حدوث تداخلات وبروزات على طول سطح المادة، وغالبًا ما تحدث في أزواج. [ 5 ] لا يُعد هذا الانزلاق تغييرًا في البنية المجهرية للمادة، بل هو بالأحرى انتشار للانخلاعات داخلها. فبدلًا من سطح أملس، تُسبب هذه التداخلات والبروزات سطح المادة ليُشبه حافة مجموعة أوراق اللعب، حيث لا تكون جميع الأوراق متراصفة تمامًا. تُنشئ التداخلات والبروزات الناتجة عن الانزلاق هياكل سطحية دقيقة للغاية على المادة. ونظرًا لأن حجم البنية السطحية يتناسب عكسيًا مع عوامل تركيز الإجهاد، فإن الانزلاق السطحي الناتج عن PSB قد يُسبب بدء حدوث الكسور.

ويمكن أيضًا تجاوز هذه الخطوات تمامًا إذا تشكلت الشقوق عند نقطة تركيز إجهاد موجودة مسبقًا مثل وجود شوائب في المادة أو نقطة تركيز إجهاد هندسية ناتجة عن زاوية داخلية حادة أو حافة مشطوفة.

نمو الشقوق

يُستهلك معظم عمر الإجهاد عادةً في مرحلة نمو الشقوق. ويتأثر معدل النمو بشكل أساسي بنطاق التحميل الدوري، مع وجود عوامل إضافية مثل الإجهاد المتوسط، والبيئة، والأحمال الزائدة والناقصة التي قد تؤثر أيضًا على معدل النمو. وقد يتوقف نمو الشقوق إذا انخفضت الأحمال إلى ما دون عتبة حرجة.

يمكن أن تنمو شقوق الإجهاد من عيوب في المواد أو التصنيع من حجم صغير يصل إلى 10 ميكرومتر.

عندما يصبح معدل النمو كبيرًا بما يكفي، يمكن رؤية خطوط الإجهاد على سطح الكسر. تُشير هذه الخطوط إلى موضع طرف الشق، ويمثل عرض كل خط مقدار النمو الناتج عن دورة تحميل واحدة. وتنتج هذه الخطوط عن اللدونة عند طرف الشق.

عندما تتجاوز شدة الإجهاد قيمة حرجة تُعرف باسم مقاومة الكسر، يحدث كسر سريع غير مستدام، وعادةً ما يكون ذلك من خلال عملية اندماج الفراغات الدقيقة . قبل الكسر النهائي، قد يحتوي سطح الكسر على مزيج من مناطق الإجهاد والكسر السريع.

التسارع والتباطؤ

تؤدي التأثيرات التالية إلى تغيير معدل النمو: [ 2 ]

  • تأثير الإجهاد المتوسط: يؤدي ارتفاع الإجهاد المتوسط ​​إلى زيادة معدل نمو الشقوق.
  • البيئة: تؤدي زيادة الرطوبة إلى تسريع نمو الشقوق. في حالة الألومنيوم، تنمو الشقوق عادةً من السطح، حيث يصل بخار الماء من الغلاف الجوي إلى طرف الشق ويتفكك إلى ذرات هيدروجين، مما يُسبب هشاشة الهيدروجين . أما الشقوق التي تنمو داخليًا فهي معزولة عن الغلاف الجوي وتنمو في فراغ، حيث يكون معدل نموها أبطأ بعشر مرات من الشقوق السطحية. [ 6 ]
  • تأثير الشقوق القصيرة: في عام 1975، لاحظ بيرسون أن الشقوق القصيرة تنمو أسرع من المتوقع. [ 7 ] تشمل الأسباب المحتملة لتأثير الشقوق القصيرة وجود إجهاد T، وحالة الإجهاد ثلاثي المحاور عند طرف الشق، وعدم انغلاق الشقوق المرتبطة بالشقوق القصيرة، وكبر منطقة اللدونة مقارنةً بطول الشق. بالإضافة إلى ذلك، عادةً ما تواجه الشقوق الطويلة عتبةً لا تواجهها الشقوق القصيرة. [ 8 ] هناك عدد من المعايير للشقوق القصيرة: [ 9 ]
    • تكون الشقوق عادةً أصغر من 1  مم،
    • تكون الشقوق أصغر من حجم البنية المجهرية للمادة، مثل حجم الحبيبات، أو
    • طول الشق صغير مقارنة بالمنطقة البلاستيكية.
  • نقص الأحمال: يؤدي العدد القليل من نقص الأحمال إلى زيادة معدل النمو وقد يعاكس تأثير زيادة الأحمال.
  • الأحمال الزائدة: تؤدي الأحمال الزائدة في البداية (> 1.5 الحمل الأقصى في التسلسل) إلى زيادة طفيفة في معدل النمو يتبعها انخفاض طويل في معدل النمو.

خصائص التعب

  • في السبائك المعدنية، وفي الحالة المبسطة عندما لا توجد انقطاعات ماكروسكوبية أو مجهرية، تبدأ العملية بحركات الخلع على المستوى المجهري، والتي تشكل في النهاية نطاقات انزلاق مستمرة تصبح نواة للشقوق القصيرة.
  • تعتبر الانقطاعات المجهرية والكبيرة (على مستوى الحبيبات البلورية) بالإضافة إلى ميزات تصميم المكونات التي تسبب تركيزات الإجهاد (الثقوب، مجاري المفاتيح ، التغيرات الحادة في اتجاه الحمل وما إلى ذلك) مواقع شائعة تبدأ عندها عملية التعب.
  • الإرهاق هو عملية تتسم بدرجة من العشوائية ( الاحتمالية )، وغالبًا ما تظهر تشتتًا كبيرًا حتى في العينات المتطابقة ظاهريًا في بيئات محكمة التحكم.
  • يرتبط الإجهاد عادةً بإجهادات الشد، ولكن تم الإبلاغ عن حدوث تشققات الإجهاد بسبب أحمال الضغط. [ 10 ]
  • كلما زاد نطاق الإجهاد المطبق، قصر العمر الافتراضي.
  • يزداد تباين فترة الإرهاق مع زيادة فترة الإرهاق.
  • الضرر لا يمكن إصلاحه. لا تتعافى المواد عند تركها ترتاح.
  • يتأثر عمر الإجهاد بمجموعة متنوعة من العوامل، مثل درجة الحرارة ، وتشطيب السطح ، والبنية المجهرية المعدنية، ووجود مواد كيميائية مؤكسدة أو خاملة ، والإجهادات المتبقية ، والاحتكاك الناتج عن الاحتكاك ( التآكل )، وما إلى ذلك.
  • تُظهر بعض المواد (مثل بعض سبائك الصلب والتيتانيوم ) حدًا نظريًا للإجهاد لا يؤدي التحميل المستمر دونه إلى فشل الإجهاد.
  • يمكن وصف مقاومة الإجهاد الدوري العالي (من 10⁴ إلى 10⁸ دورة تقريبًا ) باستخدام معايير تعتمد على الإجهاد. ويُستخدم عادةً جهاز اختبار هيدروليكي مؤازر مُتحكم فيه بالحمل في هذه الاختبارات، بترددات تتراوح بين 20 و 50  هرتز. كما يمكن استخدام أنواع أخرى من الآلات ، مثل الآلات المغناطيسية الرنانة ، للوصول إلى ترددات تصل إلى 250  هرتز.
  • يرتبط الإجهاد الدوري المنخفض (التحميل الذي يؤدي عادةً إلى الفشل في أقل من 10⁴ دورة ) بسلوك لدن موضعي في المعادن؛ لذا، ينبغي استخدام معيار قائم على الإجهاد للتنبؤ بعمر الإجهاد في المعادن. تُجرى الاختبارات بسعات إجهاد ثابتة تتراوح عادةً بين 0.01 و 5  هرتز.

الجدول الزمني لتاريخ البحث

صور مجهرية توضح كيفية نمو شقوق الإجهاد السطحي مع استمرار دورات تشغيل المادة. من إيوينغ وهمفري، 1903
  • 1837: نشر فيلهلم ألبرت أول مقال عن الإجهاد. وقد ابتكر آلة اختبار لسلاسل النقل المستخدمة في مناجم كلاوستال . [ 11 ]
  • 1839: وصف جان فيكتور بونسيليه المعادن بأنها "متعبة" في محاضراته في المدرسة العسكرية في ميتز .
  • 1842: أدرك ويليام جون ماكوورن رانكين أهمية تركيز الإجهاد في بحثه عن أعطال محاور السكك الحديدية . وقد نجم حادث قطار فرساي عن فشل محور قاطرة بسبب الإجهاد. [ 12 ]
  • 1843: أبلغ جوزيف جلين عن إجهاد محور في عربة قاطرة. وحدد مجرى المفتاح كمصدر للشق.
  • 1848: أفادت هيئة تفتيش السكك الحديدية عن أحد أولى حالات تلف الإطارات، ربما بسبب ثقب في مداس عجلة عربة السكك الحديدية. ومن المرجح أن يكون ذلك بسبب الإجهاد.
  • 1849: مُنح إيتون هودجكينسون "مبلغًا صغيرًا من المال" لتقديم تقرير إلى البرلمان البريطاني عن عمله في "التحقق من خلال التجربة المباشرة، من آثار التغيرات المستمرة في الحمل على الهياكل الحديدية وإلى أي مدى يمكن تحميلها دون خطر على سلامتها النهائية".
  • 1854: قدم ف. برايثويت تقارير عن حالات فشل الإرهاق الشائعة في الخدمة وصاغ مصطلح الإرهاق . [ 13 ]
  • 1860: إجراء اختبارات الإجهاد المنهجية من قبل السير ويليام فيربيرن وأوغست فولر .
  • 1870: يلخص أ. فولر عمله على محاور السكك الحديدية. ويخلص إلى أن نطاق الإجهاد الدوري أهم من ذروة الإجهاد، ويقدم مفهوم حد التحمل. [ 11 ]
  • 1903: السير جيمس ألفريد إيوينغ يوضح أصل فشل الإجهاد في الشقوق المجهرية.
  • 1910: اقترح أو إتش باسكوين علاقة لوغاريتمية لمنحنيات SN، باستخدام بيانات اختبار فولر. [ 14 ]
  • 1940: نشر سيدني إم. كادويل أول دراسة دقيقة عن إجهاد المطاط. [ 15 ]
  • 1945: قام إيه إم مينر بنشر فرضية الضرر الخطي لبالمغرين (1924) كأداة تصميم عملية. [ 16 ] [ 17 ]
  • 1952: دبليو. ويبول نموذج منحنى SN. [ 18 ]
  • 1954: تعرضت أول طائرة نفاثة تجارية في العالم، وهي طائرة دي هافيلاند كوميت ، لكارثة حيث تحطمت ثلاث طائرات في الجو، مما دفع شركة دي هافيلاند وجميع الشركات المصنعة الأخرى إلى إعادة تصميم الطائرات التي تحلق على ارتفاعات عالية، وعلى وجه الخصوص استبدال الفتحات المربعة مثل النوافذ بفتحات بيضاوية.
  • 1954: قام كل من إل إف كوفين وإس إس مانسون بشرح نمو الشقوق الناتجة عن الإجهاد من حيث الإجهاد البلاستيكي في طرف الشقوق.
  • 1961: اقترح بي سي باريس طرقًا للتنبؤ بمعدل نمو الشقوق الفردية الناتجة عن الإجهاد في مواجهة الشكوك الأولية والدفاع الشعبي عن نهج مينر الظاهري.
  • 1968: قام تاتسو إندو وم. ماتسويشي بابتكار خوارزمية عد تدفق المطر ومكّنا من التطبيق الموثوق لقاعدة مينر على الأحمال العشوائية . [ 19 ]
  • 1970: قام سميث وواتسون وتوبر بتطوير نموذج تصحيح الإجهاد المتوسط، حيث يتم تحديد تلف الإجهاد في دورة واحدة من خلال حاصل ضرب أقصى إجهاد وسعة الانفعال. [ 20 ]
  • 1970: أوضح دبليو إلبر آليات وأهمية إغلاق الشقوق في إبطاء نمو شقوق الإجهاد نتيجة لتأثير التضييق الناتج عن التشوه اللدن المتبقي خلف طرف الشق. [ 21 ] [ 22 ]
  • 1973: لاحظ كل من إم دبليو براون وكيه جيه ميلر أن عمر الإجهاد في ظل ظروف متعددة المحاور يخضع لتأثير المستوى الذي يتعرض لأكبر قدر من الضرر، وأنه يجب مراعاة كل من أحمال الشد والقص على المستوى الحرج . [ 23 ]

التنبؤ بعمر التعب

تحميل الطيف

تُعرّف الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد عمر الإجهاد، Nf ، بأنه عدد دورات الإجهاد ذات طبيعة محددة التي يتحملها النموذج قبل حدوث فشل من نوع محدد. [ 24 ] بالنسبة لبعض المواد، مثل الفولاذ والتيتانيوم ، توجد قيمة نظرية لسعة الإجهاد لا يفشل عندها النموذج مهما كان عدد الدورات، وتُسمى حد الإجهاد أو حد التحمل . [ 25 ] عمليًا، تشير العديد من الدراسات التي أُجريت على عدد أكبر من الدورات إلى عدم وجود حدود للإجهاد لأي من المعادن. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

استخدم المهندسون عددًا من الطرق لتحديد عمر الإجهاد للمادة: [ 29 ]

  1. أسلوب الحياة في ظل الإجهاد،
  2. طريقة الإجهاد والعمر،
  3. طريقة نمو الشقوق و
  4. الأساليب الاحتمالية، والتي يمكن أن تستند إما إلى أساليب العمر أو أساليب نمو الشقوق.

سواء تم استخدام نهج الإجهاد/الانفعال-العمر أو نهج نمو الشقوق، يتم اختزال التحميل المعقد أو ذو السعة المتغيرة إلى سلسلة من التحميلات الدورية البسيطة المكافئة للإجهاد باستخدام تقنية مثل خوارزمية عد تدفق المطر .

أساليب الحياة تحت الضغط والإجهاد

تتعرض الأجزاء الميكانيكية عادةً لسلسلة معقدة، وعشوائية في كثير من الأحيان ، من الأحمال، الكبيرة والصغيرة. ولتقييم العمر الافتراضي الآمن لمثل هذا الجزء باستخدام طرق تلف الإجهاد أو عمر الإجهاد/الانفعال، تُنفذ عادةً سلسلة الخطوات التالية:

  1. يتم اختزال التحميل المعقد إلى سلسلة من التحميلات الدورية البسيطة باستخدام تقنية مثل تحليل تدفق الأمطار ؛
  2. يتم إنشاء رسم بياني للإجهاد الدوري من تحليل تدفق المطر لتشكيل طيف تلف الإجهاد ؛
  3. لكل مستوى من مستويات الإجهاد، يتم حساب درجة الضرر التراكمي من منحنى SN؛ و
  4. يتم دمج تأثير المساهمات الفردية باستخدام خوارزمية مثل قاعدة المنجم.

بما أن منحنيات SN تُنشأ عادةً للأحمال أحادية المحور، فإن قاعدة تكافؤ ما تكون ضرورية عند وجود أحمال متعددة المحاور. بالنسبة لتاريخ التحميل البسيط والمتناسب (الحمل الجانبي بنسبة ثابتة مع الحمل المحوري)، يمكن تطبيق قاعدة الجيب [ 30 ] . أما في الحالات الأكثر تعقيدًا، مثل التحميل غير المتناسب، فيجب تطبيق تحليل المستوى الحرج .

قاعدة المنجم

في عام 1945، قام ميلتون أ. مينر بنشر قاعدة اقترحها أرفيد بالمغرين لأول مرة في عام 1924. [ 16 ] تنص القاعدة، التي تسمى قاعدة مينر أو فرضية بالمغرين-مينر للتلف الخطي، على أنه عندما يكون هناك k من مقادير الإجهاد المختلفة في طيف، S i (1 ≤ i ≤ k )، يساهم كل منها بـ n i ( S i ) دورة، فإذا كان Ni ( S i ) هو عدد الدورات اللازمة للفشل لانعكاس إجهاد ثابت S i (يتم تحديده بواسطة اختبارات الإجهاد أحادي المحور)، فإن الفشل يحدث عندما:

∑أنا=1كنأناشمالأنا=ج{\displaystyle \sum _{i=1}^{k}{\frac {n_{i}}{N_{i}}}=C}

عادةً، لأغراض التصميم، يُفترض أن C يساوي 1. ويمكن اعتبار ذلك بمثابة تقييم النسبة المئوية من العمر التي يتم استهلاكها بواسطة مجموعة خطية من انعكاسات الإجهاد بأحجام مختلفة.

على الرغم من أن قاعدة مينر قد تكون تقريبًا مفيدًا في العديد من الظروف، إلا أنها تنطوي على العديد من القيود الرئيسية:

  1. لا يدرك هذا النموذج الطبيعة الاحتمالية للإرهاق، ولا توجد طريقة بسيطة لربط العمر المتوقع وفقًا للقاعدة بخصائص التوزيع الاحتمالي. غالبًا ما يستخدم محللو الصناعة منحنيات التصميم، المعدلة لمراعاة التشتت، لحساب N i ( S i ).
  2. يؤثر ترتيب تطبيق دورات الإجهاد العالي مقابل المنخفض على العينة فعليًا على عمرها الإجهادي، وهو ما لا تأخذه قاعدة مينر في الحسبان. في بعض الحالات، تتسبب دورات الإجهاد المنخفض المتبوعة بدورات الإجهاد العالي في أضرار أكبر مما تتوقعه القاعدة. [ 31 ] كما أنها لا تأخذ في الاعتبار تأثير الحمل الزائد أو الإجهاد العالي الذي قد ينتج عنه إجهاد انضغاطي متبقٍ قد يُبطئ نمو الشقوق. قد يكون للإجهاد العالي المتبوع بالإجهاد المنخفض أضرار أقل نظرًا لوجود إجهاد انضغاطي متبقٍ (أو أضرار لدنة موضعية حول طرف الشق).

طريقة الإجهاد والحياة (SN)

منحنى SN للألمنيوم الهش ذي قوة شد قصوى تبلغ 320 ميجا باسكال

يُوصَف أداء إجهاد المواد عادةً بمنحنى SN ، المعروف أيضًا بمنحنى فولر . يُرسم هذا المنحنى عادةً برسم بياني يُظهر العلاقة بين الإجهاد الدوري ( S ) وعدد دورات الفشل ( N ) على مقياس لوغاريتمي . [ 32 ] تُستخلص منحنيات SN من اختبارات تُجرى على عينات من المادة المراد توصيفها (تُسمى غالبًا قسائم أو عينات اختبار)، حيث يُطبَّق إجهاد جيبي منتظم بواسطة جهاز اختبار يحسب أيضًا عدد دورات الفشل. تُعرف هذه العملية أحيانًا باختبار القسائم. وللحصول على دقة أعلى ولكن بعمومية أقل، يُستخدم اختبار المكونات. [ 33 ] يُولِّد كل اختبار قسيمة أو مكون نقطة على الرسم البياني، مع وجود حالات انقطاع في بعض الأحيان حيث يتجاوز وقت الفشل الوقت المتاح للاختبار (انظر الرقابة ). يتطلب تحليل بيانات الإجهاد تقنيات من الإحصاء ، وخاصة تحليل البقاء، والانحدار الخطي ، وتحليل القيم المتطرفة . [ 34 ]

يمكن أن يتأثر مسار منحنى الإجهاد-الدوران (SN) بعوامل عديدة، مثل نسبة الإجهاد (الإجهاد المتوسط) [ 35 ] ، وتواتر التحميل، ودرجة الحرارة ، والتآكل ، والإجهادات المتبقية، ووجود الشقوق. يُعد مخطط عمر الإجهاد الثابت (CFL) [ 36 ] مفيدًا لدراسة تأثير نسبة الإجهاد. يُستخدم خط غودمان لتقدير تأثير الإجهاد المتوسط ​​على مقاومة الإجهاد .

يُعدّ مخطط عمر الإجهاد الثابت (CFL) مفيدًا لدراسة تأثير نسبة الإجهاد على منحنى S-N. [ 37 ] كذلك، في حالة وجود إجهاد ثابت مُضاف إلى التحميل الدوري، يُمكن استخدام علاقة غودمان لتقدير حالة الفشل. ترسم هذه العلاقة سعة الإجهاد مقابل متوسط ​​الإجهاد، مع اعتبار حد الإجهاد وقوة الشد القصوى للمادة طرفي العلاقة. تشمل معايير الفشل البديلة سودربيرغ وجيربر. [ 38 ]

بما أن القسائم المأخوذة من إطار متجانس ستظهر اختلافًا في عدد دوراتها حتى الفشل، فإن منحنى SN يجب أن يكون بشكل أدق منحنى احتمالية دورة الإجهاد (SNP) لالتقاط احتمالية الفشل بعد عدد معين من دورات إجهاد معين.

في المواد ذات البنية المكعبة المتمركزة حول الجسم (bcc)، غالبًا ما يصبح منحنى فولر خطًا أفقيًا مع انخفاض سعة الإجهاد، أي أن هناك مقاومة إجهاد يمكن تحديدها لهذه المواد. أما في المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة حول الوجوه (fcc)، فإن منحنى فولر ينخفض ​​بشكل مستمر، بحيث لا يمكن تحديد سوى حد الإجهاد لهذه المواد. [ 39 ]

طريقة الإجهاد-العمر (ε-N)

رسم بياني يوضح فشل الإجهاد كدالة لسعة الانفعال.

عندما تفقد الانفعالات مرونتها، كما هو الحال في وجود تركيزات الإجهاد، يمكن استخدام الانفعال الكلي بدلاً من الإجهاد كمعامل تشابه. يُعرف هذا باسم طريقة الانفعال-العمر. سعة الانفعال الكليΔε/2{\displaystyle \Delta \varepsilon /2}هو مجموع سعة الانفعال المرنΔεهـ/2{\displaystyle \Delta \varepsilon _{\text{e}}/2}وسعة الانفعال البلاستيكيΔεص/2{\displaystyle \Delta \varepsilon _{\text{p}}/2}ويتم تحديده بواسطة [ 2 ] [ 40 ]

Δε2=Δεهـ2+Δεص2{\displaystyle {\Delta \varepsilon \over 2}={\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}+{\Delta \varepsilon _{\text{p}} \over 2}}.

معادلة باسكوين لسعة الانفعال المرن هي

Δεهـ2=Δσ2هـ=σأهـ{\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}={\frac {\Delta \sigma }{2E}}={\frac {\sigma _{\text{a}}}{E}}}

أينهـ{\displaystyle E}هو معامل يونغ .

يمكن التعبير عن العلاقة الخاصة بالإجهاد الدوري العالي باستخدام سعة الانفعال المرن

Δεهـ2=σو′هـ(2شمالو)ب{\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{e}} \over 2}={\frac {\sigma _{\text{f}}^{\prime }}{E}}(2N_{\text{f}})^{b}}

أينσو′{\displaystyle \sigma _{\text{f}}^{\prime }}هو مُعامل يتناسب مع قوة الشد التي يتم الحصول عليها من خلال مطابقة البيانات التجريبية،شمالو{\displaystyle N_{\text{f}}}هو عدد دورات التشغيل حتى الفشل وب{\displaystyle b}يتم تحديد ميل منحنى اللوغاريتم-اللوغاريتم مرة أخرى عن طريق مطابقة المنحنى.

في عام 1954، اقترح كوفين ومانسون أن عمر الإجهاد للمكون يرتبط بسعة الانفعال اللدن باستخدام

Δεص2=εو′(2شمالو)ج{\displaystyle {\Delta \varepsilon _{\text{p}} \over 2}=\varepsilon _{\text{f}}^{\prime }(2N_{\text{f}})^{c}}.

يؤدي الجمع بين الأجزاء المرنة واللدنة إلى الحصول على سعة الانفعال الكلية التي تأخذ في الاعتبار كلاً من الإجهاد الدوري المنخفض والإجهاد الدوري العالي

Δε2=σو′هـ(2شمالو)ب+εو′(2شمالو)ج{\displaystyle {\Delta \varepsilon \over 2}={\frac {\sigma _{\text{f}}^{\prime }}{E}}(2N_{\text{f}})^{b}+\varepsilon _{\text{f}}^{\prime }(2N_{\text{f}})^{c}}.

أينσو′{\displaystyle \sigma _{f}'}هو معامل مقاومة الإجهاد،ب{\displaystyle b}هو معامل قوة التحمل،εو′{\displaystyle \varepsilon _{f}'}هو معامل مطيلية الإجهاد،ج{\displaystyle c}هو معامل مرونة الإجهاد، وشمالو{\displaystyle N_{f}}هو عدد دورات التشغيل حتى الفشل (2شمالو{\displaystyle 2N_{f}}(عدد مرات الفشل).

أساليب نمو الشقوق

يمكن تقدير عمر الإجهاد لمكون ما باستخدام معادلة نمو الشقوق، وذلك بجمع عرض كل زيادة في نمو الشق لكل دورة تحميل. تُطبق عوامل أمان أو تشتت على العمر المحسوب لمراعاة أي عدم يقين أو تباين مرتبط بالإجهاد. يُقاس معدل النمو المستخدم في توقعات نمو الشقوق عادةً بتطبيق آلاف الدورات ذات السعة الثابتة على عينة وقياس معدل النمو من خلال تغير مرونة العينة أو بقياس نمو الشق على سطحها. وقد طورت الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM International) طرقًا قياسية لقياس معدل النمو. [ 9 ]

تُستخدم معادلات نمو الشقوق، مثل معادلة باريس-أردوغان، للتنبؤ بعمر المكون. ويمكن استخدامها للتنبؤ بنمو الشق من 10  ميكرومتر حتى الفشل. بالنسبة للتشطيبات التصنيعية العادية، قد يغطي هذا معظم عمر الإجهاد للمكون، حيث يمكن أن يبدأ النمو من الدورة الأولى. [ 4 ] عادةً ما تُربط الظروف عند طرف الشق في المكون بظروف عينة الاختبار باستخدام مُعامل مميز مثل شدة الإجهاد، أو التكامل J، أو إزاحة فتحة طرف الشق . تهدف جميع هذه التقنيات إلى مطابقة ظروف طرف الشق على المكون مع ظروف عينات الاختبار، مما يُعطي معدل نمو الشق.

قد تكون هناك حاجة إلى نماذج إضافية لتضمين تأثيرات التباطؤ والتسارع المرتبطة بالأحمال الزائدة أو المنخفضة في تسلسل التحميل. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون هناك حاجة إلى بيانات نمو الشقوق الصغيرة لمطابقة معدل النمو المتزايد الذي يُلاحظ مع الشقوق الصغيرة. [ 41 ]

عادةً ما تُستخدم تقنية عدّ الدورات، مثل عدّ دورات تدفق المطر، لاستخراج الدورات من تسلسل معقد. وقد ثبت أن هذه التقنية، إلى جانب تقنيات أخرى، فعّالة مع طرق نمو الشقوق. [ 42 ]

تتميز طرق قياس نمو الشقوق بقدرتها على التنبؤ بحجم الشقوق المتوسطة. ويمكن استخدام هذه المعلومات لتحديد مواعيد عمليات الفحص الدورية للمنشآت لضمان سلامتها، بينما لا تُعطي طرق قياس الإجهاد/العمر الافتراضي سوى العمر الافتراضي حتى الانهيار.

التعامل مع الإرهاق

سطح كسر في قضيب زجاجي يظهر علامات الشاطئ المحيطة بموقع بدء الكسر.

تصميم

يتطلب التصميم الموثوق به لمقاومة الفشل الناتج عن الإجهاد تعليمًا شاملًا وخبرة عملية تحت الإشراف في الهندسة الإنشائية أو الهندسة الميكانيكية أو علم المواد . وهناك خمسة مناهج رئيسية على الأقل لضمان عمر الأجزاء الميكانيكية، تتفاوت في درجة تعقيدها: [ 43 ]

  1. تصميم للحفاظ على الإجهاد أقل من عتبة حد التعب (مفهوم العمر الافتراضي اللانهائي)؛
  2. التصميم الآمن ضد الأعطال ، والتدهور التدريجي ، والمتسامح مع الأعطال : وجّه المستخدم إلى استبدال الأجزاء عند تعطلها. صمم النظام بحيث لا توجد نقطة فشل واحدة ، بحيث لا يؤدي تعطل أي جزء بشكل كامل إلى انهيار كارثي للنظام بأكمله.
  3. تصميم العمر الآمن : تصميم (بشكل متحفظ) لعمر محدد يتم بعده توجيه المستخدم لاستبدال الجزء بجزء جديد (جزء ذو عمر محدد، مفهوم العمر المحدود، أو ممارسة تصميم "العمر الآمن")؛ التقادم المخطط والمنتج القابل للتصرف هما نوعان من التصميم لعمر محدد يتم بعده توجيه المستخدم لاستبدال الجهاز بأكمله؛
  4. تحمّل الأضرار : هو نهج يضمن سلامة الطائرات بافتراض وجود شقوق أو عيوب حتى في الطائرات الجديدة. يمكن استخدام حسابات نمو الشقوق، والفحوصات الدورية، وإصلاح أو استبدال المكونات لضمان سلامة المكونات الحيوية التي قد تحتوي على شقوق. عادةً ما تستخدم الفحوصات اختبارات غير مدمرة للحد من حجم الشقوق المحتملة أو مراقبته، وتتطلب تنبؤًا دقيقًا بمعدل نمو الشقوق بين الفحوصات. يحدد المصمم جدولًا زمنيًا لفحوصات صيانة الطائرات بشكل متكرر بما يكفي لاستبدال الأجزاء بينما لا يزال الشق في مرحلة "النمو البطيء". يُشار إلى هذا غالبًا باسم التصميم المُتحمّل للأضرار أو "التقاعد لأسباب وجيهة".
  5. إدارة المخاطر : تضمن بقاء احتمال الفشل دون المستوى المقبول. يُستخدم هذا النهج عادةً في الطائرات، حيث تُحدد المستويات المقبولة بناءً على احتمال الفشل خلال رحلة واحدة أو على مدار عمر الطائرة. يُفترض وجود شق في أحد المكونات، مع توزيع احتمالي لأحجام الشقوق. يُمكن لهذا النهج مراعاة التباين في قيم مثل معدلات نمو الشقوق، والاستخدام، وحجم الشق الحرج. [ 44 ] كما أنه مفيد عند دراسة الأضرار في مواقع متعددة والتي قد تتفاعل لتُسبب تلفًا ناتجًا عن الإجهاد في مواقع متعددة أو على نطاق واسع . تشمل التوزيعات الاحتمالية الشائعة في تحليل البيانات وتصميم مقاومة الإجهاد: التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي ، وتوزيع القيم القصوى ، وتوزيع بيرنباوم-سوندرز ، وتوزيع ويبول .

الاختبار

يمكن استخدام اختبار الإجهاد لمكونات مثل قسيمة أو قطعة اختبار كاملة الحجم لتحديد ما يلي:

  1. معدل نمو الشقوق وعمر الإجهاد للمكونات مثل عينة أو نموذج اختبار كامل الحجم.
  2. تحديد مواقع المناطق الحيوية
  3. درجة الأمان عند فشل جزء من الهيكل
  4. أصل وسبب عيب بدء التصدع من خلال الفحص الفراكتوغرافي للتصدع.

قد تشكل هذه الاختبارات جزءًا من عملية الاعتماد، مثل اعتماد صلاحية الطيران .

بصلح

  1. أوقف الحفر. يمكن أحيانًا إيقاف الشقوق الناتجة عن الإجهاد والتي بدأت بالانتشار عن طريق حفر ثقوب، تُسمى موانع الحفر، عند طرف الشق. [ 45 ] ويبقى احتمال ظهور شق جديد من جانب الثقب قائمًا.
  2. يمكن مزج الشقوق الصغيرة وتشكيل السطح على البارد أو صقله بالرصاص.
  3. ثقوب كبيرة الحجم. يمكن توسيع الثقوب المتشققة عن طريق حفرها لإزالة التشققات، ثم تركيب جلبة لإعادة الثقب إلى حجمه الأصلي. يمكن استخدام جلبات انكماش بارد ذات تركيب تداخلي لتوليد إجهادات ضغط متبقية مفيدة. كما يمكن تشكيل الثقب كبير الحجم على البارد بسحب مغزل كبير الحجم عبره. [ 46 ]
  4. يمكن إصلاح الشقوق عن طريق تركيب رقعة أو وصلة إصلاح. وقد استُخدمت الرقع المركبة لاستعادة قوة أجنحة الطائرات بعد اكتشاف الشقوق، أو لتقليل الإجهاد قبل حدوثها بهدف تحسين عمرها الافتراضي. [ 47 ] قد تُعيق الرقع القدرة على مراقبة شقوق الإجهاد، وقد يلزم إزالتها واستبدالها لإجراء عمليات الفحص.

تحسين الحياة

مثال على جسر طريق سريع فولاذي معالج بتقنية HFMI لتجنب الإجهاد على طول منطقة اللحام
  1. تغيير المواد. يمكن أن تُحسّن التغييرات في المواد المستخدمة في الأجزاء من عمرها الافتراضي. على سبيل المثال، يمكن تصنيع الأجزاء من معادن ذات تصنيف أفضل لمقاومة الإجهاد. كما أن الاستبدال الكامل وإعادة تصميم الأجزاء يمكن أن يقلل من مشاكل الإجهاد، إن لم يقضِ عليها تمامًا. ولذلك، يجري استبدال شفرات دوارات ومراوح المروحيات المعدنية بنظائر مركبة . فهي ليست أخف وزنًا فحسب، بل أكثر مقاومة للإجهاد أيضًا. صحيح أنها أغلى ثمنًا، لكن التكلفة الإضافية تُعوَّض تمامًا بفضل متانتها العالية، إذ أن فقدان شفرة دوارة يؤدي عادةً إلى فقدان الطائرة بالكامل. وقد طُرحت حجة مماثلة لاستبدال هياكل وأجنحة وذيول الطائرات المعدنية. [ 48 ]
  2. تُحدث عملية التشكيل بالدق إجهادات متبقية. إذ يُمكن أن تُقلل هذه العملية من إجهادات الشد وتُولد إجهادات ضغط متبقية ، مما يمنع بدء التشققات. تشمل أنواع التشكيل بالدق: التشكيل بالدق باستخدام مقذوفات عالية السرعة، والمعالجة بالصدمات عالية التردد (وتُسمى أيضًا بالصدمات الميكانيكية عالية التردد) باستخدام مطرقة ميكانيكية، [ 49 ] [ 50 ] والتشكيل بالدق باستخدام نبضات ليزر عالية الطاقة. كما يُمكن استخدام الصقل منخفض اللدونة لإحداث إجهادات ضغط في الزوايا، ويُمكن استخدام قوالب التشكيل على البارد لعمل الثقوب. [ 51 ] تتناسب الزيادة في عمر الإجهاد وقوة المادة طرديًا مع عمق إجهادات الضغط المتبقية. يُحدث التشكيل بالدق إجهادات ضغط متبقية بعمق 0.1  مم تقريبًا، بينما يُمكن أن يصل عمق التشكيل بالدق باستخدام الليزر إلى 1 إلى 2.5  مم، أو أعمق. [ 52 ]
  3. المعالجة بالتبريد العميق. ثبت أن استخدام المعالجة بالتبريد العميق يزيد من مقاومة التلف الناتج عن الإجهاد. وقد تبين أن النوابض المستخدمة في الصناعة وسباقات السيارات والأسلحة النارية تدوم حتى ستة أضعاف المدة عند معالجتها. كما تأخر ظهور التشققات الحرارية، وهي شكل من أشكال الإجهاد الحراري الدوري، بشكل كبير. [ 53 ]
  4. إعادة التشكيل. يمكن استخدام تغيير شكل منطقة تركيز الإجهاد، مثل الثقوب أو الفتحات، لإطالة عمر المكون. وقد استُخدم تحسين الشكل باستخدام خوارزميات التحسين العددي لتقليل تركيز الإجهاد في الأجنحة وزيادة عمرها. [ 54 ]

إجهاد المواد المركبة

تتميز المواد المركبة بمقاومة ممتازة لأحمال الإجهاد. وبشكل عام، تُظهر هذه المواد متانة جيدة ضد الكسر ، وعلى عكس المعادن، تزداد هذه المتانة مع زيادة القوة. كما أن حجم الضرر الحرج في المواد المركبة أكبر من نظيره في المعادن. [ 55 ]

يُعدّ التصدّع النمطَ الأساسيّ للتلف في الهياكل المعدنية. ففي المعادن، تنتشر الشقوق بطريقةٍ محدّدةٍ نسبيًا تبعًا للإجهاد المُطبّق، ويمكن ربط حجم الشقّ الحرج ومعدل انتشاره ببيانات العينة من خلال ميكانيكا الكسر التحليلية. أما في الهياكل المركّبة، فلا يوجد نمط تلفٍ واحدٌ هو السائد. إذ يمكن أن يحدث تصدّع المادة الأساسية، والانفصال الطبقي، وانفصال الروابط، والفراغات، وكسر الألياف، وتصدّع المركّب، كلّها بشكلٍ منفصلٍ أو مجتمعة، ويعتمد غلبة واحدٍ أو أكثر منها اعتمادًا كبيرًا على اتجاهات الصفائح وظروف التحميل. [ 56 ] إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تُدخل الوصلات والملحقات الفريدة المستخدمة في الهياكل المركّبة أنماطَ فشلٍ مختلفةً عن تلك التي تميّز الصفائح نفسها. [ 57 ]

ينتشر التلف المركب بطريقة أقل انتظامًا، وقد تتغير أنماط التلف. تشير التجارب مع المواد المركبة إلى أن معدل انتشار التلف فيها لا يُظهر منطقتين متميزتين لبدء التلف وانتشاره كما هو الحال في المعادن. فنطاق بدء الشق في المعادن هو نفسه نطاق انتشاره، وهناك فرق كمي كبير في المعدل، بينما يبدو هذا الفرق أقل وضوحًا في المواد المركبة. [ 56 ] قد تتشكل شقوق الإجهاد في المواد المركبة في المادة الأساسية وتنتشر ببطء نظرًا لأن المادة الأساسية تتحمل جزءًا صغيرًا جدًا من الإجهاد المُطبق . وتتعرض الألياف في أعقاب الشق لتلف الإجهاد. في كثير من الحالات، يتسارع معدل التلف بفعل التفاعلات الضارة مع البيئة، مثل أكسدة الألياف أو تآكلها. [ 58 ]

حالات فشل ملحوظة بسبب الإجهاد

حادث قطار فرساي

كارثة قطار فرساي
رسم توضيحي لفشل الإجهاد في محور بواسطة جوزيف جلين، 1843

عقب احتفالات الملك لويس فيليب الأول في قصر فرساي ، تحطم قطار عائد إلى باريس في مايو 1842 في مودون، بعد أن انكسر محور قاطرة القطار الأمامية. اصطدمت العربات الخلفية بالقاطرات المحطمة واشتعلت فيها النيران. لقي ما لا يقل عن 55 راكبًا حتفهم محاصرين داخل العربات المغلقة، من بينهم المستكشف جول دومون دورفيل . يُعرف هذا الحادث في فرنسا باسم "كارثة قطارات مودون" . شهد الحادث مهندس القاطرات البريطاني جوزيف لوك ، ونُشرت تقارير واسعة عنه في بريطانيا. ناقشه المهندسون باستفاضة بحثًا عن تفسير.

كان خروج القطار عن القضبان نتيجةً لكسر في محور القاطرة . وقد أبرزت دراسة رانكين للمحاور المكسورة في بريطانيا أهمية تركيز الإجهاد، وآلية نمو الشقوق مع التحميل المتكرر. ومع ذلك، تم تجاهل بحثه وأبحاث أخرى تشير إلى آلية نمو الشقوق من خلال الإجهاد المتكرر، وحدثت حالات فشل الإجهاد بمعدل متزايد باستمرار على شبكة السكك الحديدية المتوسعة. وبدا أن نظريات أخرى زائفة أكثر قبولًا، مثل فكرة أن المعدن قد "تبلور" بطريقة ما. استندت هذه الفكرة إلى المظهر البلوري لمنطقة الكسر السريع على سطح الشق، لكنها تجاهلت حقيقة أن المعدن كان بالفعل شديد التبلور.

دي هافيلاند كوميت

الأجزاء المستعادة (المظللة) من حطام المركبة G-ALYP وموقع العطل (المشار إليه بالسهم)

تحطمت طائرتان من طراز دي هافيلاند كوميت في الجو خلال بضعة أشهر من بعضهما البعض عام ١٩٥٤. ونتيجة لذلك، أُجريت اختبارات منهجية على هيكل الطائرة المغمور والمضغوط في خزان مياه. بعد ما يعادل ٣٠٠٠ رحلة جوية، تمكن المحققون في المؤسسة الملكية للطائرات (RAE) من استنتاج أن سبب التحطم هو عطل في مقصورة الضغط عند نافذة جهاز تحديد الاتجاه التلقائي الأمامية في السقف. كانت هذه "النافذة" في الواقع إحدى فتحتين لهوائيات نظام الملاحة الإلكتروني، حيث استُبدل زجاج النافذة بألواح من الألياف الزجاجية المعتمة . كان العطل نتيجة إجهاد المعدن بسبب الضغط المتكرر وتفريغ الضغط من مقصورة الطائرة. كما أن الدعامات المحيطة بالنوافذ كانت مثبتة بمسامير برشام، وليست ملصقة، كما نصت عليه المواصفات الأصلية للطائرة. وقد تفاقمت المشكلة بسبب تقنية بناء المسامير المثقوبة المستخدمة. بخلاف التثبيت بالمسامير، فإن الطبيعة غير الكاملة للثقب الناتج عن التثبيت بالمسامير تسبب في حدوث تشققات ناتجة عن عيوب التصنيع والتي ربما تكون قد تسببت في بدء تشققات الإجهاد حول المسمار.

جزء من سقف جسم الطائرة G-ALYP معروض في متحف العلوم في لندن، ويظهر نافذتي ADF اللتين حدث فيهما العطل الأولي [ 59 ] .

تم تصميم مقصورة الضغط في طائرة كوميت بعامل أمان يتجاوز بكثير ما هو مطلوب بموجب متطلبات صلاحية الطيران المدني البريطانية (2.5 ضعف ضغط اختبار إثبات المقصورة مقابل 1.33 ضعف وحمل نهائي يبلغ 2.0 ضعف ضغط المقصورة) وتسبب الحادث في مراجعة تقديرات متطلبات قوة التحميل الآمنة لمقصورات الضغط في الطائرات التجارية.

بالإضافة إلى ذلك، تبيّن أن الإجهادات حول فتحات مقصورة الضغط كانت أعلى بكثير مما كان متوقعًا، لا سيما حول الفتحات ذات الزوايا الحادة، كالنوافذ. ونتيجةً لذلك، زُوّدت جميع الطائرات النفاثة اللاحقة بنوافذ ذات زوايا مستديرة، مما قلّل بشكل كبير من تركيز الإجهاد. وكانت هذه سمة مميزة ملحوظة لجميع طرازات طائرة كوميت اللاحقة. وأفاد محققون من مؤسسة الطيران الملكية (RAE) في تحقيق عام بأن الزوايا الحادة قرب فتحات نوافذ طائرات كوميت كانت بمثابة نقاط انطلاق للتشققات. كما كان هيكل الطائرة رقيقًا للغاية، وظهرت تشققات ناتجة عن إجهادات التصنيع عند الزوايا.

انقلاب منصة ألكسندر إل كيلاند النفطية

كسور في الجانب الأيمن من جهاز ألكسندر إل. كيلاند

كانت منصة الحفر شبه الغاطسة "ألكسندر إل. كيلاند" النرويجيةقد انقلبت أثناء عملها في حقل إيكوفيسك النفطي في مارس 1980، مما أسفر عن مقتل 123 شخصًا. يُعدّ هذا الحادث أسوأ كارثة في المياه النرويجية منذ الحرب العالمية الثانية. كانت المنصة، التي تقع على بُعد 320كيلومترًا تقريبًا شرق دندي ، اسكتلندا، مملوكة لشركة ستافانجر للحفر النرويجية، ومؤجرة لشركة فيليبس بتروليوم الأمريكية وقت وقوع الكارثة. في ظل أمطار غزيرة وضباب كثيف، في وقت مبكر من مساء 27 مارس 1980، كان أكثر من 200 رجل في إجازة من العمل في أماكن إقامتهم على متن "ألكسندر إل. كيلاند" . بلغت سرعة الرياح 40 عقدة، مع أمواج يصل ارتفاعها إلى 12 مترًا. كانت المنصة قد سُحبت للتو من منصة إنتاج إيدا . قبل دقائق من الساعة 6:30 مساءً، شعر من كانوا على متنها بـ"فرقعة حادة" أعقبها "نوع من الارتجاف". فجأةً مالت المنصة بزاوية تزيد عن 30 درجة ثم استقرت. انقطعت خمسة من كابلات التثبيت الستة، وبقي كابل واحد فقط ليمنع المنصة من الانقلاب. استمر الميل في الازدياد، وفي الساعة 18:53 انقطع كابل التثبيت المتبقي وانقلبت المنصة رأسًا على عقب. 

في مارس 1981، خلص تقرير التحقيق [ 60 ] إلى أن انهيار منصة الحفر نجم عن تشقق إجهادي في أحد دعاماتها الست (الدعامة D-6)، التي كانت تربط ساق D المنهارة ببقية المنصة. وقد تبين أن السبب هو  لحام فيليه صغير بسمك 6 مم يربط صفيحة شفة غير حاملة للحمل بهذه الدعامة D-6. وكانت صفيحة الشفة هذه تحمل جهاز سونار يُستخدم أثناء عمليات الحفر. وقد ساهم سوء تصميم لحام الفيليه في انخفاض مقاومته للإجهاد. علاوة على ذلك، كشف التحقيق عن وجود كميات كبيرة من التمزقات الصفائحية في صفيحة الشفة وتشققات باردة في اللحام التناكبي. ويبدو أن التشققات الباردة في اللحامات، وزيادة تركيز الإجهاد نتيجة ضعف صفيحة الشفة، وسوء تصميم اللحام، والإجهادات الدورية (الشائعة في بحر الشمال )، قد ساهمت مجتمعة في انهيار المنصة.

آحرون

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ شيف، ج. (2003). "إجهاد الهياكل والمواد في القرن العشرين وأحدث ما توصل إليه العلم" . المجلة الدولية للإجهاد . 25 (8): 679-702 . Bibcode : 2003IJFa...25..679S . doi : 10.1016/S0142-1123(03)00051-3 .
  2. 1 2 3 4 سوريش، س. (2004). إجهاد المواد . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-57046-6.
  3. ↑ كيم، دبليو إتش؛ ليرد، سي. (1978). "تكوّن الشقوق وانتشار المرحلة الأولى في إجهاد التعب العالي - الجزء الثاني: الآلية". أكتا ميتالورجيكا . 26 (5): 789-799 . doi : 10.1016/0001-6160(78)90029-9 .
  4. موراكامي ، واي ؛ ميلر، كيه جيه (2005). "ما هو تلف الإجهاد؟ وجهة نظر من خلال ملاحظة عملية الإجهاد الدوري المنخفض". المجلة الدولية للإجهاد . 27 (8): 991-1005 . Bibcode : 2005IJFa...27..991M . doi : 10.1016/j.ijfatigue.2004.10.009 .
  5. ↑ فورسايث، بي جيه إي (1953). "انبعاث المادة من نطاقات الانزلاق على سطح البلورات المتعبة لسبائك الألومنيوم والنحاس". مجلة نيتشر . 171 (4343): 172-173 . رمز Bibcode : 1953Natur.171..172F . doi : 10.1038/171172a0 . S2CID 4268548 . 
  6. ↑ شيف، ج. (1978). "تنمو شقوق الإجهاد الداخلي في الفراغ" . ميكانيكا كسر الهندسة . 10 (2): 359-370 . doi : 10.1016/0013-7944(78)90017-6 .
  7. ↑ بيرسون، س. (1975). "بدء تشققات الإجهاد في سبائك الألومنيوم التجارية وانتشار الشقوق القصيرة جدًا لاحقًا". ميكانيكا كسر الهندسة . 7 (2): 235-247 . Bibcode : 1975EnFM....7..235P . doi : 10.1016/0013-7944(75)90004-1 .
  8. ↑ بيبان، ر.؛ هوهنوارتر، أ. (2017). "انغلاق شقوق الإجهاد: مراجعة للظواهر الفيزيائية" . إجهاد وكسر المواد والمنشآت الهندسية . 40 (4 ) : 471-495 . doi : 10.1111/ffe.12578 . PMC 5445565. PMID 28616624 .  
  9. 1 2 E647 طريقة الاختبار القياسية لقياس معدلات نمو شقوق الإجهاد (تقرير فني). الجمعية الأمريكية لاختبار المواد الدولية. 2013. E647-13.
  10. ↑ فليك، ن. أ.؛ شين، س. س.؛ سميث، ر. أ. (1985). "نمو شقوق الإجهاد تحت تأثير أحمال الضغط". ميكانيكا كسر الهندسة . 21 (1): 173-185 . Bibcode : 1985EnFM...21..173F . doi : 10.1016/0013-7944(85)90063-3 .
  11. 1 2 شوتز، و. (1996). "تاريخ الإجهاد". ميكانيكا كسر الهندسة . 54 (2): 263-300 . Bibcode : 1996EnFM...54..263S . doi : 10.1016/0013-7944(95)00178-6 .
  12. ↑ رانكين، دبليو جيه إم (1843). "حول أسباب الانكسار غير المتوقع لمحاور عربات السكك الحديدية، وحول وسائل منع مثل هذه الحوادث من خلال مراعاة قانون الاستمرارية في بنائها" . محاضر وقائع مؤسسة المهندسين المدنيين . 2 (1843): 105-107 . doi : 10.1680/imotp.1843.24600 .
  13. ↑ برايثويت، ف. (1854). "حول إجهاد المعادن وما يترتب عليه من كسر" . محاضر وقائع مؤسسة المهندسين المدنيين . 13 (1854): 463-467 . doi : 10.1680/imotp.1854.23960 .
  14. ↑ باسكوين، أوهايو (1910). "القانون الأسي لاختبار التحمل". وقائع الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد . 10 : 625-630 .
  15. ↑ كادويل، سيدني؛ ميريل؛ سلومان؛ يوست (1940). "العمر الديناميكي للإجهاد في المطاط" . كيمياء وتكنولوجيا المطاط . 13 (2): 304-315 . doi : 10.5254/1.3539515 .
  16. 1 2 مينر، م.أ. (1945). "التلف التراكمي في الإجهاد". مجلة الميكانيكا التطبيقية . 12 : 149-164 .
  17. ^ بالمجرين، إيه جي (1924). "Die Lebensdauer von Kugelagern" [ طول عمر المحامل الدوارة ] . Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure (باللغة الألمانية). 68 (14): 339 – 341.
  18. ↑ موراي، دبليو إم، محرر. (1952). "الجانب الإحصائي لفشل الإجهاد وعواقبه". إجهاد وكسر المعادن . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا/وايلي. ص 182-196 . 
  19. ↑ ماتسويشي، م.؛ إندو، ت. (1968). إجهاد المعادن المعرضة لإجهاد متغير . الجمعية اليابانية للمهندسين الميكانيكيين.
  20. ↑ سميث، ك.ن.؛ واتسون، ب.؛ توبر، ت.هـ. (1970). "دالة الإجهاد والانفعال لإجهاد المعادن". مجلة المواد . 5 (4): 767-778 .
  21. ↑ إلبر، وولف (1970). "انغلاق شقوق الإجهاد تحت الشد الدوري". ميكانيكا كسر الهندسة . 2 : 37-45 .
  22. ↑ إلبر، وولف (1971). أهمية إغلاق شقوق الإجهاد، ASTM STP 486. الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد. الصفحات 230-243 . 
  23. ↑ براون، إم دبليو؛ ميلر، كيه جيه (1973). "نظرية لفشل الإجهاد تحت ظروف الإجهاد والانفعال متعددة المحاور". وقائع مؤسسة المهندسين الميكانيكيين . 187 (1): 745-755 . doi : 10.1243/PIME_PROC_1973_187_161_02 .
  24. ↑ ستيفنز ، آر آي؛ فوكس، إتش أو (2001). إجهاد المعادن في الهندسة ( الطبعة الثانية). جون وايلي وأولاده. ص 69. ISBN   978-0-471-51059-8.
  25. ↑ باثياس، سي. (1999). "لا يوجد عمر إجهاد لانهائي في المواد المعدنية". إجهاد وكسر المواد والمنشآت الهندسية . 22 (7): 559-565 . doi : 10.1046/j.1460-2695.1999.00183.x .
  26. ↑ بيتيل، ب.؛ شويردت، د.؛ بيرغر، س. (2011-01-01). "الإجهاد الدوري العالي جدًا - هل هناك حد للإجهاد؟" . المجلة الدولية للإجهاد . التطورات في الإجهاد الدوري العالي جدًا. 33 (1): 49-58 . Bibcode : 2011IJFa...33...49P . doi : 10.1016/j.ijfatigue.2010.05.009 . ISSN 0142-1123 . 
  27. ↑ سونسينو، سي (ديسمبر 2007). "مسار منحنيات S-N، خاصة في نظام الإجهاد الدوري العالي، فيما يتعلق بتصميم المكونات وسلامتها" . المجلة الدولية للإجهاد . 29 (12): 2246-2258 . Bibcode : 2007IJFa...29.2246S . doi : 10.1016/j.ijfatigue.2006.11.015 .
  28. ↑ مغربي، ح. (2002). "حول مخططات عمر الإجهاد "متعددة المراحل" وآليات التحكم في العمر ذات الصلة في الإجهاد ذي الدورات العالية جدًا" . إجهاد وكسر المواد والمنشآت الهندسية . 25 ( 8-9 ): 755-764 . Bibcode : 2002FFEMS..25..755M . doi : 10.1046/j.1460-2695.2002.00550.x . ISSN 1460-2695 . 
  29. ↑ شيجلي، جيه إي؛ ميشكه، سي آر؛ بوديناس، آر جي (2003). تصميم الهندسة الميكانيكية ( الطبعة السابعة). ماكجرو هيل للتعليم العالي . ISBN  978-0-07-252036-1.
  30. ↑ ساينز، ج.؛ أوهجي، ج. (1981). "معايير الإجهاد تحت تأثير الإجهادات أو الانفعالات المركبة". مجلة هندسة المواد والتكنولوجيا . 103 (2): 82-90 . doi : 10.1115/1.3224995 .
  31. ↑ إسكندري، هـ.؛ كيم، هـ.س. (2017). "نظرية للإطار الرياضي ودالة تلف الإجهاد لمستوى SN". في: وي، ز.؛ نيكبين، ك.؛ ماكيهان، ب.س.؛ هارلو، ج.د. (محررون). تخطيط اختبارات الإجهاد والكسر، وجمع بيانات الاختبار وتحليلها . أوراق فنية مختارة من الجمعية الأمريكية لاختبار المواد. المجلد 1598. الصفحات 299-336 . doi : 10.1520/STP159820150099 . ISBN   978-0-8031-7639-3.
  32. ↑ برهان، إبراهيم؛ كيم، هو سونغ (سبتمبر 2018). "نماذج منحنى SN لتوصيف المواد المركبة: مراجعة تقييمية" . مجلة علوم المواد المركبة . 2 (3): 38-66 . doi : 10.3390/jcs2030038 .
  33. ↑ ويبول، والودي (1961). اختبار الإجهاد وتحليل النتائج . أكسفورد: نُشر لصالح المجموعة الاستشارية للبحوث والتطوير في مجال الطيران، منظمة حلف شمال الأطلسي، بواسطة دار بيرغامون للنشر. ISBN 978-0-08-009397-0. OCLC 596184290 . {{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  34. ↑ ماكونين، لاسه؛ راب، روجر؛ تيكانماكي، ماريا (نوفمبر 2013). "تأثير الحجم في الإجهاد بناءً على توزيع القيم القصوى للعيوب" . علم وهندسة المواد أ . 594 : 68-71 . doi : 10.1016/j.msea.2013.11.045 .
  35. ↑ كيم، هو سونغ (2019-01-01). "توقع منحنيات الإجهاد-الانفعال عند نسب إجهاد مختلفة للمواد الإنشائية" . وقائع مؤتمر تصميم الإجهاد 2019، المؤتمر الدولي لتصميم الإجهاد، الطبعة الثامنة. 19 : 472-481 . doi : 10.1016/j.prostr.2019.12.051 . hdl : 1959.13/1423834 . ISSN 2452-3216 . 
  36. ↑ كاواي، م.؛ إيتوه، ن. (2014). "مخطط عمر ثابت غير متماثل قائم على نمط الفشل لصفائح أحادية الاتجاه من الكربون/الإيبوكسي تحت تأثير إجهاد خارج المحور عند درجة حرارة الغرفة". مجلة المواد المركبة . 48 (5): 571-592 . Bibcode : 2014JCoMa..48..571K . CiteSeerX 10.1.1.826.6050 . doi : 10.1177/0021998313476324 . S2CID 137221135 .  
  37. ↑ كيم، إتش إس (2016). ميكانيكا المواد الصلبة والكسر ( الطبعة الثانية). دار نشر فينتوس. رقم ISBN  978-87-403-1395-6.
  38. ↑ بيردمور، ر. (13 يناير 2013). "أنواع إجهاد التعب" . رويميكس. مؤرشف من الأصل في 12 يناير 2017. تم الاطلاع عليه في 29 أبريل 2012 .
  39. ↑ tec-science (2018-07-13). "اختبار الإرهاق" . tec-science . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2019-10-25 .
  40. ↑ دليل ASM، المجلد 19 - الإجهاد والكسر . ماتيريالز بارك، أوهايو: ASM International. 1996. ص 21. ISBN  978-0-87170-377-4. OCLC 21034891 . 
  41. ↑ بيرسون، س. (1975). "بدء تشققات الإجهاد في سبائك الألومنيوم التجارية وانتشار الشقوق القصيرة جدًا لاحقًا". ميكانيكا كسر الهندسة . 7 (2): 235-247 . Bibcode : 1975EnFM....7..235P . doi : 10.1016/0013-7944(75)90004-1 .
  42. ↑ سوندر، ر.؛ سيثارام، س. أ.؛ بهاسكاران، ت. أ. (1984). "حساب الدورات لتحليل نمو شقوق الإجهاد". المجلة الدولية للإجهاد . 6 (3): 147-156 . doi : 10.1016/0142-1123(84)90032-X .
  43. ↑ أودومفول، ت. (2007). "إجهاد المعادن" (ملف PDF) . جامعة سوراناري للتكنولوجيا. ص 54. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 2013-01-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2013-01-26 . 
  44. ↑ لينكولن، جيه دبليو (1985). "تقييم مخاطر الطائرات العسكرية المتقادمة". مجلة الطائرات . 22 (8): 687-691 . doi : 10.2514/3.45187 .
  45. ↑ «شركة ماتيريال تكنولوجيز تُكمل فحص EFS لجسر في نيوجيرسي» (بيان صحفي). ماتيريال تكنولوجيز. 17 أبريل 2007.
  46. ↑ "تركيب جلبة عالية التداخل" . تكنولوجيا الإجهاد. مؤرشف من الأصل في 24 يونيو 2019. تم الاسترجاع في 24 يونيو 2019 .
  47. ↑ بيكر، آلان (2008). مراقبة السلامة الهيكلية لإصلاح رقعة مركبة ملصقة على جناح طائرة إف-111 سي متصدع بسبب الإجهاد (ملف PDF) . منظمة العلوم والتكنولوجيا الدفاعية. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 24 يونيو 2019. تم الاطلاع عليه في 24 يونيو 2019 .
  48. ↑ هوفر، دبليو. (يونيو 1989). "أهوال في السماء" . ميكانيكا شعبية . 166 (6): 67-70 ، 115-117 .
  49. ↑ جان يلدريم، خالد؛ ماركيز، غاري ب. (نوفمبر 2012). "عوامل تحسين مقاومة الإجهاد لوصلات اللحام الفولاذية عالية المقاومة المعالجة بالصدمات الميكانيكية عالية التردد". المجلة الدولية للإجهاد . 44 : 168-176 . doi : 10.1016/j.ijfatigue.2012.05.002 .
  50. ↑ جان يلدريم، خالد؛ ماركيز، غاري ب.؛ برسوم، زهير (يوليو 2013). "تقييم إجهاد اللحامات الزاوية المحسّنة بتقنية التأثير الميكانيكي عالي التردد (HFMI) باستخدام طرق موضعية". المجلة الدولية للإجهاد . 52 : 57-67 . doi : 10.1016/j.ijfatigue.2013.02.014 .
  51. ↑ "تركيب جلبة العمل البارد" . تكنولوجيا الإجهاد. 26 يناير 2010. مؤرشف من الأصل في 2019-09-02 . تم الاسترجاع في 20 يوليو 2019 .
  52. ↑ "بحث (التقشير بالليزر)" . LAMPL.
  53. ↑ نتائج البحث عن كلمة "الإرهاق"قاعدة بيانات المعالجة بالتبريد . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 15 يوليو 2023. تم الاطلاع عليها بتاريخ 23 يونيو 2019 .
  54. ↑ "إطالة عمر هيكل الطائرة من خلال إعادة تصميم الشكل الأمثل" (ملف PDF) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 يونيو 2019 .
  55. ↑ تيتلمان، أ.س. (1969). "عمليات الكسر في المواد المركبة الليفية" . المواد المركبة: الاختبار والتصميم . الجمعية الأمريكية لاختبار المواد الدولية. ص 473-502 . doi : 10.1520/STP49836S . ISBN  978-0-8031-0017-6تم الاطلاع عليه بتاريخ 20-05-2022 .
  56. 1 2 كورتن، إتش تي (1972). المواد المركبة: الاختبار والتصميم: مؤتمر . الجمعية الأمريكية لاختبار المواد الدولية. ISBN 978-0-8031-0134-0.
  57. ↑ روتيم، أ.؛ نيلسون، هـ. ج. (1989-01-01). "فشل مركب مُرقّق تحت تأثير إجهاد الشد والضغط %2889%2990015-8". علوم وتكنولوجيا المواد المركبة . 36 (1): 45-62 . doi : 10.1016/0266-3538(89)90015-8 . ISSN 0266-3538 . 
  58. ↑ كورتني، توماس هـ. (16-12-2005). السلوك الميكانيكي للمواد: الطبعة الثانية . دار نشر ويڤلاند. رقم ISBN 978-1-4786-0838-7.
  59. ↑ "ObjectWiki: هيكل طائرة دي هافيلاند كوميت G-ALYP" . متحف العلوم. 24 سبتمبر 2009. مؤرشف من الأصل في 7 يناير 2009. تم الاطلاع عليه في 9 أكتوبر 2009 .
  60. ↑ حادثة ألكسندر ل. كيلاند، تقرير لجنة عامة نرويجية مُشكّلة بموجب مرسوم ملكي بتاريخ 28 مارس 1980، مُقدّم إلى وزارة العدل والشرطة . التقارير العامة النرويجية 1981:11. وزارة العدل والأمن العام النرويجية. 1981. ASIN B0000ED27N . 
  61. ↑ ريدموند، جيرارد. "من 'الحياة الآمنة' إلى ميكانيكا الكسر - اختبارات تحمل درجات الحرارة المنخفضة لطائرة F111 في قاعدة أمبرلي التابعة لسلاح الجو الملكي الأسترالي" . مؤرشف من الأصل في 27 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه في 17 أبريل 2019 .
  62. ↑ أنسبري، سي. (5 فبراير 2001). "في دراسة أجرتها شركة فايرستون للإطارات، وجد خبير أن وزن المركبة كان عاملاً رئيسياً في الفشل" . صحيفة وول ستريت جورنال . تم الاطلاع عليه في 6 سبتمبر 2016 .

للمزيد من القراءة

  • فريق عمل مكتبة تصميم البلاستيك (1995). خواص الإجهاد والاحتكاك للبلاستيك والمطاط . مكتبة تصميم البلاستيك. ISBN 978-1-884207-15-0.
  • ليري، م.؛ بورفيل، س. (2009). "مدى قابلية تطبيق البيانات المنشورة على التصميم المحدود بالإجهاد". مجلة هندسة الجودة والموثوقية الدولية . 25 (8): 921-932 . doi : 10.1002/qre.1010 . S2CID 206432498 . 
  • ديتر، جي إي (2013). علم المعادن الميكانيكي . ماكجرو هيل . ISBN 978-1-259-06479-1.
  • ليتل، ر. إي.؛ جيب، إي. إتش. (1975). التصميم الإحصائي لتجارب الإجهاد . جون وايلي وأولاده . ISBN 978-0-470-54115-9.
  • شيفي، J. (2009). تعب الهياكل والمواد . سبرينغر . رقم ISBN 978-1-4020-6807-2.
  • لالان، سي. (2009). أضرار الإرهاق . ايستي - وايلي . رقم ISBN 978-1-84821-125-4.
  • بوك، ل. (2007). إجهاد المعادن: ماهيته وأهميته . سبرينغر. ISBN 978-1-4020-5596-6.
  • دريبر، ج. (2008). تحليل إجهاد المعادن الحديث . الجمعية الأوروبية لتحليل إجهاد المعادن. رقم ISBN 978-0-947817-79-4.
  • سوريش، س. (2004). إجهاد المواد . مطبعة جامعة كامبريدج . ISBN 978-0-521-57046-6.
  • كيم، إتش إس (2018). ميكانيكا المواد الصلبة والكسر، الطبعة الثالثة . بوكبون، لندن . ISBN 978-87-403-2393-1.