الإرهاق في الصلب: آلية الفشل، الاختبار وطرق الوقاية

التعريف والمفهوم الأساسي

الإرهاق هو ضرر هيكلي تدريجي ومحلي ودائم يحدث في مادة تتعرض لإجهادات دورية أو متزايدة أقل من قوة الشد النهائية للمادة. يمثل أحد أكثر آليات الفشل شيوعًا في مكونات الصلب، حيث يشكل حوالي 90٪ من جميع حالات الفشل الميكانيكية.

الإرهاق هو أساسًا عملية تدهور تعتمد على الزمن حيث يؤدي التحميل والتفريغ المتكرر إلى بدء وتطور الشقوق حتى يحدث الكسر النهائي. على عكس أوضاع الفشل الساكن، يمكن أن يسبب الإرهاق فشلًا كارثياً عند مستويات إجهاد أقل بكثير من قوة الخضوع للمادة.

في علم المعادن، يحتل الإرهاق موقعًا حرجًا عند تقاطع الخصائص الميكانيكية والخصائص الميكروهيكلية وظروف الخدمة. إنه يجسر الفجوة بين قوة المادة النظرية والتصميم الهندسي العملي، مما يمثل اعتبارًا رئيسيًا في التطبيقات حيث يوجد تحميل دوري.

الطبيعة الفيزيائية والأساس النظري

الميكانيكية الفيزيائية

على المستوى الميكروهيكلي، يبدأ الإرهاق بتشوه بلاستيكي محلي في مناطق التركيز الإجهادي. تخلق هذه التشوهات شرائط انزلاق دائمة (PSBs) حيث يحدث حركة الانزياح على مستويات بلورية ذات أقل مقاومة.

يسبب التحميل الدوري تراكم الانزياحات عند حدود الحبوب أو الشوائب أو ميزات ميكروهيكلية أخرى، مكونًا غزوات وإخراجات على سطح المادة. تعمل هذه الشوائب السطحية كمراكز تركيز إجهاد، مما يؤدي في النهاية إلى تطوير شقوق ميكروية تتطور خلال المادة.

تشمل عملية الإرهاق ثلاث مراحل متميزة: بدء الشق (عادة عند السطح)، انتشار الشق المستقر (بعد قانون باريس)، وكسر سريع نهائي عندما لا يمكن للمقطع العرضي المتبقي دعم الحمل المطبق.

النماذج النظرية

أسلوب إجهاد-حياة (S-N)، الذي وضعه أوغست فوهلر في الخمسينات، كان النموذج النظامي الأول للإرهاق. يرتبط هذا النموذج التجريبي سعة الإجهاد الدوري بعدد الدورات حتى الفشل، مما يثبت مفهوم حد الإرهاق للمواد الحديدية.

تطورت الفهم بشكل كبير مع ميكانيكا كسر المرونة الخطية لإيروين في الخمسينات، والتي قدمت إطارًا لتحليل انتشار الشقوق. تناول أسلوب إجهاد-الحياة الذي تم تطويره في الستينات بواسطة كوفين ومانسون الإرهاق منخفض الدورة حيث تسود التشوهات البلاستيكية.

تشمل الأساليب الحديثة نماذج قائمة على الطاقة تأخذ في الاعتبار طاقة الهستريت على أنها معامل ضرر الإرهاق، وميكانيكا الضرر المستمر التي تعالج الإرهاق كتدهور تدريجي لسلامة المادة من خلال متغير الضرر.

أساس علوم المواد

تتأثر مقاومة الإرهاق في الفولاذ بشكل كبير بالبنية البلورية، حيث تظهر الهياكل المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) عمومًا حدود إرهاق مميزة في حين تظهر الهياكل المكعبة المتمركزة في الوجه (FCC) منحنيات إرهاق مستمرة بدون حدود تحمّل واضحة.

تلعب حدود الحبوب دورًا مزدوجًا في الإرهاق: يمكن أن تعوق انتشار الشقوق من خلال إجبار الشقوق على تغيير الاتجاه، لكنها يمكن أن تعمل أيضًا كمواقع بدء بسبب تجمعات الانزياح وعدم توافق التشوه بين الحبوب المجاورة.

تؤثر وجود وشكل وتوزيع جزيئات الطور الثاني والشوائب والرصاص بشكل كبير على أداء الإرهاق من خلال العمل كمواقع تركيز إجهاد. تظهر الفولاذات النظيفة التي تحتوي على حد أدنى من الشوائب عمومًا مقاومة تفوق في الإرهاق.

التعبير الرياضي وطرق الحساب

صيغة التعريف الأساسية

غالبًا ما يعبر عن علاقة إجهاد-حياة للإرهاق عالي الدورة باستخدام معادلة باسكوين:

$\sigma_a = \sigma'_f (2N_f)^b$

حيث:
- $\sigma_a$ هو سعة الإجهاد
- $\sigma'_f$ هو معامل قوة الإرهاق
- $N_f$ هو عدد الدورات حتى الفشل
- $b$ هو أس المجهود في مقاومة الإرهاق (عادة بين -0.05 و -0.12 للفولاذ)

الصيغ الرياضية المرتبطة

بالنسبة للإرهاق منخفض الدورة حيث تسود التشوهات البلاستيكية، تنطبق علاقة كوفين-مانسون:

$\Delta\varepsilon_p = \varepsilon'_f (2N_f)^c$

حيث:
- $\Delta\varepsilon_p$ هو سعة التشوه البلاستيكي
- $\varepsilon'_f$ هو معامل الليونة للإرهاق
- $c$ هو أس الليونة للإرهاق (عادة بين -0.5 و -0.7 للفولاذ)

تجمع سعة التشوه الإجمالية بين مكونات المرونة والبلاستيك:

$\Delta\varepsilon/2 = \sigma'_f/E (2N_f)^b + \varepsilon'_f (2N_f)^c$

حيث $E$ هو معامل المرونة.

تعتمد معدل نمو الشق خلال مرحلة الانتشار على قانون باريس:

$da/dN = C(\Delta K)^m$

حيث:
- $da/dN$ هو معدل نمو الشق لكل دورة
- $\Delta K$ هو نطاق معامل شدة الإجهاد
- $C$ و $m$ هما ثوابت المادة

الشروط والتقييدات المعمول بها

تفترض هذه النماذج سلوك مادة متساوي القياس وهي أكثر دقة في ظروف التحميل أحادي المحور. بالنسبة للإرهاق متعدد المحاور، يجب استخدام معايير أكثر تعقيدًا مثل أساليب المستوى الحرج.

يكون أسلوب إجهاد-حياة صالحًا بشكل أساسي للإرهاق عالي الدورة (>10³ دورات) حيث تظل الضغوط بشكل كبير مرنة. تحت هذا العتبة، تكون الأساليب القائمة على التشوه أكثر ملاءمة.

تفترض هذه النماذج عمومًا تحميل سعة ثابتة في بيئات غير تآكلية. يتطلب التحميل ذي السعة المتغيرة نماذج أضرار تراكمية مثل قاعدة مينر، والتي لديها قيود كبيرة في حساب تأثيرات تسلسل الحمل.

طرق القياس والتوصيف

مواصفات الاختبار القياسية

ASTM E466: ممارسة معيارية لإجراء اختبارات إجهاد محكومة بزاوية ثابتة على المواد المعدنية - تغطي إجراءات اختبار الإرهاق المحوري تحت التحكم بالمقاييس.

ASTM E606: الطريقة القياسية لاختبار الإرهاق المسهد - توضح أساليب اختبار الإرهاق تحت السيطرة بالتشوه، ذات صلة خاصة بالإرهاق منخفض الدورة.

ISO 1143: المواد المعدنية - اختبار إرهاق انحناء القضبان الدوارة - يحدد الإجراءات للاختبارات الخاصة بالانحناء الدائري الإرادي.

ASTM E647: الطريقة القياسية لاختبار قياس معدلات نمو شقوق الإرهاق - يوفر الإجراءات الخاصة بتحديد معدلات نمو الشقوق الإرهاقية باستخدام عينات توتر مضغوطة أو مكسورة في المركز.

معدات الاختبار والمبادئ

توفر آلات الاختبار الهيدروليكية السيطرة الدقيقة على الحمل أو الإزاحة لاختبارات الإرهاق المحوري. تعمل هذه الأنظمة عمومًا بترددات تتراوح بين 0.1-100 هرتز اعتمادًا على متطلبات الاختبار.

تطبق آلات القوس الدوارة إجهادات انحناء على العينات الأسطوانية التي تدور حول محور طولها، مما يخلق ضغوطًا عكسية كاملة على سطح العينة.

تعمل أنظمة اختبار الإرهاق الرنانة عند تردد الرنين للعينة (عادة 50-300 هرتز)، مما يسمح بإجراء اختبارات مسرعة مع الحفاظ على تحكم دقيق في الحمل.

تشمل التقنيات المتقدمة الكشف الحراري، الذي يراقب التغيرات في درجة الحرارة المرتبطة بالتشوهات البلاستيكية، ومراقبة الانبعاثات الصوتية لاكتشاف بدء الشقوق وانتشارها.

متطلبات العينة

تمتلك عينات الإرهاق المحورية القياسية عادة طول مقياس يتراوح بين 25-50 ملم مع قطر مقطع عرضي مخفض يتراوح بين 6-12 ملم انتقالات ناعمة لتقليل تركيز الإجهاد.

تكون متطلبات تشطيب السطح صارمة، حيث تتطلب عادة تلميعاً حتى 600 حبيبة أو ما هو أدق، وغالبًا ما يتم التلميع النهائي في الاتجاه الطولي لتقليل الخدوش العرضية التي قد تؤدي إلى بدء شقوق الإرهاق.

يجب أن تكون العينات خالية من عيوب التصنيع، والضغوط المتبقية، والأضرار البيئية. لاختبارات متخصصة، قد يتم استخدام عينات منقوشة مع عوامل تركيز إجهاد تم التحكم فيها بدقة لمحاكاة الميزات التصميمية.

معلمات الاختبار

يتم عادة إجراء الاختبارات القياسية عند درجة حرارة الغرفة (20-25 درجة مئوية) مع رطوبة نسبية أقل من 85٪، على الرغم من أن الاختبارات المتخصصة قد تعيد إنشاء بيئات الخدمة المحددة.

تتراوح ترددات التحميل بشكل عام بين 1-100 هرتز، مع استخدام ترددات أقل للاختبارات عالية الإجهاد ومنخفضة الدورة وترددات أعلى للاختبارات منخفضة الإجهاد وعالية الدورة.

نسبة الإجهاد (R = الحد الأدنى من الإجهاد/الحد الأقصى من الإجهاد) هي معلمة حرجة، مع قيم شائعة تشمل R = -1 (عكسي بالكامل)، R = 0 (صفر إلى توتر)، وR = 0.1 (توتر بشكل أساسي).

معالجة البيانات

تشمل جمع البيانات عدد الدورات، قياسات الحمل/التشوه، الإزاحة، وغالبًا ما تشمل قياسات طول الشقوق لاختبارات انتشار الشقوق.

تستخدم التحليلات الإحصائية عمومًا منحنيات S-N الم linearized باستخدام مقياس لوغاريتمي، مع ضبط نطاقات الثقة باستخدام طرق مثل طريقة الدرج أو تحليل البرابيت.

تحدد حدود الإرهاق من خلال إما طريقة الدرج (طريقة الصعود والهبوط) أو من خلال تحديد مستوى الإجهاد الذي لا يحدث أدنى فشل عند عدد محدد من الدورات (عادة 10⁶-10⁷).

نطاقات القيم النموذجية

تصنيف الصلب	نطاق القيم النموذجية (حد الإرهاق)	شروط الاختبار	المعيار المرجعي
صلب منخفض الكربون (AISI 1020)	180-240 ميغاباسكال	R = -1، درجة حرارة الغرفة	ASTM E466
صلب متوسط الكربون (AISI 1045)	275-325 ميغاباسكال	R = -1، درجة حرارة الغرفة	ASTM E466
صلب سبيكة (AISI 4140)	380-520 ميغاباسكال	R = -1، درجة حرارة الغرفة	ASTM E466
صلب مقاوم للصدأ (AISI 304)	240-310 ميغاباسكال	R = -1، درجة حرارة الغرفة	ASTM E466

تنتج الاختلافات داخل كل تصنيف عادة عن اختلافات في المعالجة الحرارية، وحجم الحبوب، وتشطيب السطح. تظهر الفولاذات المعالجة بسرعة والصلبة عادة حدود إرهاق أعلى من الظروف المتوازنة أو الملدنة.

تمثل هذه القيم حدود الإرهاق للعينات الناعمة؛ قد تواجه المكونات الفعلية التي تحتوي على ميزات هندسية مقاومة إرهاق مخفضة بشكل كبير بسبب تأثيرات تركيز الإجهاد.

قاعدة عامة للفولاذ هي أن حد الإرهاق تحت تحميل عكسي بالكامل (R = -1) هو تقريبًا 40-50٪ من قوة الشد النهائية، على الرغم من أن هذه العلاقة تصبح أقل موثوقية للفولاذات عالية القوة.

تحليل تطبيقات الهندسة

اعتبارات التصميم

يطبق المهندسون عادة عوامل تقليل قوة الإرهاق (Kf) لحساب تأثيرات الشقوق، تشطيب السطح، تأثيرات الحجم، والعوامل البيئية عند تحويل بيانات المختبر إلى تصميم المكونات.

تتراوح عوامل السلامة لتطبيقات الحيوية للإرهاق عمومًا بين 2-4 على الإجهاد أو 10-100 على الحياة، مع استخدام قيم أعلى للتطبيقات التي تتطلب مزيدًا من عدم اليقين أو عواقب فشل أكثر خطورة.

توازن قرارات اختيار المواد بين أداء الإرهاق ومتطلبات أخرى مثل القوة، والمتانة، ومقاومة التآكل، وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى تنازلات بناءً على أولويات التطبيق المحددة.

المجالات الرئيسية للتطبيق

في أنظمة النقل، يعد الإرهاق أمرًا حاسمًا للمكونات مثل عمود المرفق، قضبان الربط، وأنظمة التعليق التي تتعرض لملايين دورات التحميل. تتطلب هذه التطبيقات عمومًا فولاذات عالية القوة ذات تشطيب سطحي ممتاز وهياكل ميكروية مسيطر عليها.

تتطلب معدات توليد الطاقة، وخاصة الآلات الدوارة مثل شفرات التوربينات والمحاور، مقاومة استثنائية للإرهاق تحت ظروف تحميل معقدة تشمل التدوير الحراري وأحمال الاهتزاز.

يجب أن تتحمل التطبيقات البنية التحتية مثل الجسور والهياكل البحرية لعقود من تحميلات ذات سعة متغيرة في بيئات تآكلية، مما يتطلب اختيار مواد وتصميم بعناية لمنع فشل الإرهاق.

المفاضلات في الأداء

زيادة قوة الشد عمومًا تحسن مقاومة الإرهاق، لكن الصلابة الزائدة يمكن أن تقلل من متانة الكسر، مما يجعل المكونات أكثر عرضة للفشل الهش تحت الحمل الضاغط.

تعزز المعالجات السطحية مثل التصلب أو النترجة مقاومة الإرهاق من خلال الضغوط المتبقية الانضغاطية لكنها قد تقلل من اللدونة وتزيد من قابلية التشقق بالهيدروجين.

غالبًا ما تتعارض جهود تقليل الوزن مع متطلبات أداء الإرهاق، مما يتطلب تحسينًا دقيقًا في هندسة المكونات واختيار المواد للحفاظ على هوامش الأمان الكافية.

تحليل الفشل

تظهر فشلات الإرهاق عمومًا "علامات شاطئ" مميزة على أسطح الكسر، تتوزع من موقع البداية وتظهر تقدم جبهة الشق خلال التحميل الدوري.

تبدأ عملية الفشل ببدء الشق عند تركيزات الإجهاد، تليها نمو الشق المستقر العمودي على إجهاد الشد الرئيسي، وتنتهي بكسر مفاجئ عندما لا يمكن للمقطع العرضي المتبقي دعم الحمل.

تشمل استراتيجيات التخفيف حذف الزوايا الحادة والشقوق، وتحديد المعالجات السطحية المناسبة لإحداث ضغوط متبقية انضغاطية، وتنفيذ بروتوكولات تفتيش لاكتشاف الشقوق قبل أن تصل إلى الحجم الحرجة.

العوامل المؤثرة وطرق التحكم

تأثير التركيب الكيميائي

يؤثر محتوى الكربون بشكل كبير على أداء الإرهاق من خلال تحديد القابلية للتصلب وقوة الفولاذ. عادةً ما يؤدي محتوى الكربون العالي إلى زيادة قوة الإرهاق ولكنه قد يقلل من المتانة.

تحسن الكروم والنيكل والموليبدينوم مقاومة الإرهاق من خلال تقوية الحلول الصلبة وزيادة القابلية للتصلب، مما يمكّن من هياكل ميكروية أكثر انتظامًا بعد المعالجة الحرارية.

تكون الكبريت والفوسفور ضارة بشكل خاص لخصائص الإرهاق، حيث تشكل شوائب ممددة تعمل كمراكز تركيز إجهاد. تقلل ممارسات الفولاذ النظيفة الحديثة من هذه العناصر لتحسين الأداء في الإرهاق.

تأثير التركيب الميكروهيكلي

عادةً ما تحسن أحجام الحبوب الدقيقة من مقاومة الإرهاق من خلال توفير المزيد من الحواجز لنشر الشقوق وتقليل طول أشرطة الانزلاق، وفقًا لعلاقة نوع هول-بيتش.

توفر الهياكل المارتنسيتية بشكل عام مقاومة أفضل للإرهاق مقارنةً بهياكل الفيريت-اللؤلؤة عند مستويات الشد المعادلة بسبب خصائص التشوه الأكثر تجانسًا.

تقلل الشوائب غير المعدنية، بشكل خاص تلك ذات الزوايا الحادة أو النسب العالية، بشكل كبير من أداء الإرهاق من خلال العمل كمراكز تركيز إجهاد ومواقع بدء الشقوق.

تأثير المعالجة

تحسن المعالجات الحرارية مثل التبريد والتقسية التوازن بين القوة والمتانة، مما يزيد عادة من مقاومة الإرهاق مقارنة بالظروف المتوازنة أو الملدنة.

تخلق معالجات تحسين السطح مثل التصلب بالتسخين، أو الكربنة، أو النترجة ضغوطًا متبقية انضغاطية مفيدة تعيق بدء الشقوق وانتشارها.

تؤثرRates التبريد أثناء المعالجة الحرارية على حجم الحبوب، وتوزيع الأطوار، وحالة الإجهاد المتبقية، وكلها تؤثر بشكل كبير على أداء الإرهاق.

العوامل البيئية

تقلل درجات الحرارة المرتفعة من قوة الإرهاق عن طريق تسريع حركة الانزياح وعمليات الاسترداد، حيث تصبح التأثيرات واضحة فوق حوالي 30٪ من درجة حرارة الانصهار.

تقلل البيئات التآكلية بشكل كبير من مقاومة الإرهاق من خلال آليات إرهاق التآكل، حيث تنتج التآكل بالتزامن مع التحميل الدوري تأثيرات ضرر تآزرية.

تشمل التأثيرات المعتمدة على الزمن الشيخوخة في الفولاذ الكربوني، مما قد يقلل من أداء الإرهاق بمرور الوقت، وتدهور البيئة للطبقات السطحية الواقية.

طرق التحسين

يقدم السفع بالوسائط ضغوطًا متبقية انضغاطية في الطبقة السطحية، مما يحسن بشكل كبير من مقاومة الإرهاق من خلال تثبيط بدء الشقوق ومراحل الانتشار المبكر.

يخلق الكسر المجهري مع العناصر مثل الفاناديوم، والنيوبوم، والتيتانيوم جزيئات دقيقة تعيق حركة الانزياح وتحسن بنية الحبيبات، مما يعزز أداء الإرهاق.

يمكن أن تؤدي تحسين التصميم من خلال تحليل العناصر المحدودة وتحسين القمة إلى تحديد وإزالة تركيزات الإجهاد، مما يعيد توزيع الأحمال بشكل أكثر انتظامًا لزيادة عمر الإرهاق.

المصطلحات والمعايير ذات الصلة

المصطلحات ذات الصلة

يمثل حد الإرهاق (أو حد التحمل) سعة الإجهاد التي يمكن أن تتحملها مادة نظريًا لعدد غير محدود من الدورات دون فشل، وهو ظاهرة تُلاحظ بشكل رئيسي في المواد الحديدية.

نسبة الإرهاق هي نسبة حد الإرهاق إلى قوة الشد النهائية، والتي تتراوح عادة بين 0.4-0.5 للفولاذ، مما يوفر تقريبًا مفيدًا للتصميم الأولي عندما تتوفر بيانات الإرهاق.

يحدد عامل تركيز الإجهاد (Kt) تضخيم الإجهاد الاسمي بالقرب من الانقطاعات الهندسية، بينما يمثل عامل شق الإرهاق (Kf) الانخفاض الفعلي في قوة الإرهاق بسبب هذه الميزات.

تصف تأثيرات الإجهاد المتوسطة كيف تقلل الضغوط المتوسطة الشدية من عمر الإرهاق، بينما تزيد الضغوط المتوسطة الانضغاطية من عمر الإرهاق، وتمثل عادة من خلال علاقات جودمان، جيربر، أو سودايرغ.

المعايير الرئيسية

ASTM STP 1439: الإرهاق وميكانيكا الكسر توفر إرشادات شاملة حول طرق الاختبار، وتفسير البيانات، وتطبيق مبادئ الإرهاق على التصميم الهندسي.

SAE J1099: تقرير فني حول خصائص الإرهاق منخفض الدورة للمواد يقدم إرشادات محددة للصناعة لتطبيقات صناعة السيارات، بما في ذلك إجراءات الاختبار الموصى بها وصيغ تقديم البيانات.

BS 7608: كود الممارسة لتصميم وتقييم الإرهاق للمعادن الصلبة يوفر إرشادات مفصلة لتصميم الإرهاق في التطبيقات الهيكلية، خاصة للهياكل الملحومة.

اتجاهات التطوير

تتقدم مناهج الهندسة الحاسوبية المتكاملة للمواد (ICME) في التنبؤ بأداء الإرهاق استنادًا إلى الخصائص الميكروهيكلية، مما يمكّن من تطوير المواد بشكل أكثر كفاءة.

تحسن تقنيات التقييم غير التدميرية المتقدمة، بما في ذلك الانبعاثات الصوتية، والتصوير الحراري، والتوافق الرقمي للصورة، من اكتشاف أضرار الإرهاق قبل أن تتشكل الشقوق الكبيرة.

يقدم التصنيع المضاف لمكونات الصلب تحديات جديدة للتنبؤ بأداء الإرهاق بسبب الهياكل الميكروية الفريدة والضغوط المتبقية ووجود العيوب، مما يدفع البحث في علاقات العملية-الهيكل-الخاصية لهذه الطرق التصنيعية.