إجهاد الدورة المنخفضة

يتميز إجهاد الدورة المنخفضة (LCF) بسمتين أساسيتين: التشوه اللدن في كل دورة، وظاهرة الدورة المنخفضة، حيث تتمتع المواد بقدرة تحمل محدودة لهذا النوع من الأحمال. يشير مصطلح "الدورة" إلى التطبيقات المتكررة للإجهاد التي تؤدي في النهاية إلى الإجهاد والفشل؛ بينما يشير مصطلح "الدورة المنخفضة" إلى فترة طويلة بين التطبيقات.

تركز الدراسات في مجال الإجهاد بشكل رئيسي على مجالين: تصميم الأبعاد في صناعة الطيران وإنتاج الطاقة باستخدام أساليب حسابية متقدمة. تسمح لنا نتائج اختبار الإجهاد الدوري المنخفض بدراسة سلوك المادة بعمق أكبر لفهم الظواهر الميكانيكية والمعدنية المعقدة بشكل أفضل ( انتشار الشقوق ، وتليين المادة بالتشكيل، وتركيز الإجهاد، وتصلب المادة بالتشكيل ، إلخ). ^{[ 1 ]}

من العوامل الشائعة التي تُعزى إليها ظاهرة التعب منخفض الدورة (LCF) ارتفاع مستويات الإجهاد وانخفاض عدد دورات التحميل اللازمة للفشل. وقد أُجريت العديد من الدراسات، لا سيما في الخمسين عامًا الماضية، على المعادن والعلاقة بين درجة الحرارة والإجهاد وعدد دورات التحميل اللازمة للفشل. تُستخدم الاختبارات لرسم منحنى الإجهاد-عدد الدورات (SN) ، وقد تبين أن عدد دورات التحميل اللازمة للفشل يتناقص مع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك، فإن إجراء اختبارات مكثفة كان مكلفًا للغاية، لذا لجأ الباحثون بشكل أساسي إلى استخدام تحليل العناصر المحدودة باستخدام برامج الحاسوب. ^{[ 2 ]}

أظهرت العديد من التجارب أن خصائص المادة قد تتغير نتيجةً للإجهاد الدوري المنخفض. تميل مطيلية الكسر إلى الانخفاض، ويتوقف مقدار هذا الانخفاض على وجود شقوق صغيرة في البداية. ولإجراء هذه الاختبارات، استُخدمت عادةً آلة اختبار كهروهيدروليكية مؤازرة، لقدرتها على الحفاظ على سعة الإجهاد ثابتة . كما تبيّن أن إجراء اختبارات الإجهاد الدوري المنخفض على عينات مثقوبة مسبقًا يزيد من احتمالية انتشار الشقوق، وبالتالي يُؤدي إلى انخفاض أكبر في مطيلية الكسر. وقد لوحظ ذلك على الرغم من صغر حجم الثقوب، الذي يتراوح بين 40 و200 ميكرومتر. ^{[ 3 ]}

عندما يتعرض أحد المكونات لإجهاد دورات منخفضة، فإنه يتعرض لتشوه لدن متكرر. على سبيل المثال، إذا تم تحميل جزء ما بقوى شد حتى تشوه بشكل دائم (تشوه لدن)، فإن ذلك يُعتبر ربع دورة من إجهاد الدورات المنخفضة. ولإكمال دورة كاملة، يجب إعادة الجزء إلى شكله الأصلي. عدد دورات إجهاد الدورات المنخفضة التي يمكن أن يتحملها الجزء قبل أن يتعطل أقل بكثير من عدد دورات الإجهاد العادي. ^{[ 4 ]}

تنتج حالة الإجهاد الدوري العالي هذه غالبًا عن ظروف تشغيل قاسية، مثل التغيرات الكبيرة في درجة الحرارة. ويمكن أن تؤدي الإجهادات الحرارية الناجمة عن تمدد أو انكماش المواد إلى تفاقم ظروف التحميل على الجزء، وقد تظهر خصائص الإجهاد الدوري المنخفض.

تُعد معادلة كوفين-مانسون (التي نشرها إل إف كوفين عام 1954 وإس إس مانسون عام 1953) معادلة شائعة الاستخدام لوصف سلوك الإجهاد الدوري المنخفض :

${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _{t}}{2}}={\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}+{\frac {\Delta \varepsilon _{e}}{2}}=\varepsilon _{f}'(2N)^{c}+{\frac {\sigma _ {و}'(2N)^{ب}}{E}}}$

أين،

• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _{t}}{2}}}$يمثل إجمالي سعة الإجهاد؛
• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _{p}}{2}}}$هي سعة الانفعال البلاستيكي؛
• ${\displaystyle {\frac {\Delta \varepsilon _{e}}{2}}}$هي سعة الانفعال المرن؛
• ${\displaystyle 2N}$هو عدد مرات الانعكاس إلى الفشل ( عدد الدورات N )؛
• ${\displaystyle \varepsilon _{f}'}$هو ثابت تجريبي يُعرف باسم معامل مطيلية الإجهاد، ويُحدد بواسطة نقطة تقاطع الانفعال عند${\displaystyle 2N=1}$؛
• ${\displaystyle c}$هو ثابت تجريبي يُعرف باسم معامل مرونة الإجهاد ، ويتراوح عادةً من -0.5 إلى -0.7. يؤدي انخفاض قيمة c إلى عمر إجهاد طويل.
• ${\displaystyle \sigma _{f}'}$ وهو ثابت يُعرف باسم معامل مقاومة الإجهاد
• ${\displaystyle b}$هو ثابت تجريبي يُعرف باسم معامل الهشاشة الناتج عن الإجهاد .

يشير النصف الأول من المعادلة إلى المنطقة البلاستيكية، ويشير النصف الثاني إلى المنطقة المرنة. ^{[ 5 ]}

من الأحداث البارزة التي كان فيها الانهيار نتيجةً للإجهاد الدوري المنخفض زلزال نورثريدج عام ١٩٩٤. فقد انهارت العديد من المباني والجسور، مما أسفر عن إصابة أكثر من ٩٠٠٠ شخص. ^{[ ٦ ]} قام باحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا بتحليل المناطق الرئيسية في مبنى مكون من عشرة طوابق والتي تعرضت للإجهاد الدوري المنخفض. لسوء الحظ، كانت البيانات التجريبية المتاحة محدودة لرسم منحنى الإجهاد-العدد (SN) للإجهاد الدوري المنخفض بشكل مباشر، لذا اقتصر معظم التحليل على رسم سلوك الإجهاد الدوري العالي على منحنى SN، ثم تمديد الخط في ذلك الرسم البياني لإنشاء جزء من منحنى الإجهاد الدوري المنخفض باستخدام طريقة بالمغرين-مينر. في النهاية، استُخدمت هذه البيانات للتنبؤ بدقة أكبر بأنواع مماثلة من الأضرار التي واجهها المبنى الفولاذي المكون من عشرة طوابق في نورثريدج ، وتحليلها. ^{[ ٧ ]}

ومن الأحداث الحديثة الأخرى زلزال تشيلي عام 2010 ، حيث أفاد باحثون من جامعة تشيلي بتضرر العديد من المنشآت الخرسانية المسلحة في أنحاء البلاد جراء الزلزال. وقد انهارت عناصر إنشائية كثيرة، كالجسور والجدران والأعمدة، بسبب الإجهاد، مما كشف عن حديد التسليح المستخدم في التصميم مع ظهور علامات واضحة للانبعاج الطولي . ^{[ 9 ] [ 10 ]} وقد دفع هذا الحدث إلى تحديث معايير التصميم الزلزالي في تشيلي بناءً على الملاحظات التي رُصدت على المنشآت المتضررة جراء الزلزال. ^{[ 11 ]}