اختبار المقاومة الدورية

يقدم

في الهندسة، يُعدّ تحمّل الأحمال المتكررة أحد أهم العوامل التي تُحدد عمر المكوّن وأدائه. تتعطل العديد من المكوّنات الصناعية، ليس نتيجةً لأحمال آنية شديدة، بل نتيجةً  لأحمال دورية مستمرة. يُعرف هذا النوع من التعطل باسم إجهاد المادة. قد ينشأ الإجهاد نتيجةً  لقوى
صغيرة ولكن متكررة ، ويؤدي مع مرور الوقت إلى تعطل مفاجئ. لتقييم هذا الأداء،  يلزم إجراء اختبار يُسمى اختبار المتانة الدوري أو اختبار الإجهاد.

يُعد هذا الاختبار من أهم الاختبارات في مختلف الصناعات، مثل صناعة السيارات، والفضاء، والأجهزة الطبية، وتصنيع المعادن، والأجهزة المنزلية، وحتى مكونات البوليمر. ويهدف إلى فحص قدرة المادة على تحمل الأحمال المتكررة، وتحديد عمرها الافتراضي، والتنبؤ بسلوكها في ظروف التشغيل الفعلية.

---

مفهوم التعب المادي

يحدث التعب عند تعرض المادة لإجهاد متكرر. حتى لو كانت هذه الإجهادات أقل من مقاومة الخضوع أو مقاومة الشد القصوى للمادة، فإن الإجهاد المتكرر قد يؤدي إلى تكوّن شقوق مجهرية على السطح أو تحته.
مع مرور الوقت، تنتشر هذه الشقوق، مما يؤدي في النهاية إلى فشل المكون بالكامل. من المهم ملاحظة أن التعب لا يُظهر عادةً  تشوهات واضحة أو علامات تحذيرية.

من منظور هندسي، يمكن تقسيم التعب إلى ثلاث مراحل:

1. بدء التشقق:  العملية التي تتشكل بها شقوق صغيرة على السطح.

2. انتشار الشقوق:  العملية التي يتوسع بها الشقوق تدريجيًا أثناء دورة الحمل.

3. الكسر النهائي:  عندما لا يستطيع المقطع العرضي المتبقي أن يتحمل الحمل.

---

المعايير الرئيسية لاختبار المتانة الدورية

لتحديد اختبار المتانة الدورية، يجب تحديد العديد من المعلمات الرئيسية:

• سعة الجهد:  الفرق بين الحد الأقصى والحد الأدنى لقيم الجهد ضمن دورة.

• متوسط ​​الضغط:  متوسط ​​الضغط خلال الفترة.

• نسبة الجهد (R ratio):  هي النسبة بين الحد الأدنى للجهد والحد الأقصى للجهد، والتي تحدد نوع الحمل.

• تردد الحمل:  عدد مرات تكرار الحلقة لكل وحدة زمنية، وعادة ما يتم قياسه بالهرتز.

• دورات الفشل (Nf):  عدد الأحمال التي يمكن للعينة أن تتحملها قبل الفشل.

• نوع الحمل:  يمكن أن يكون شدًا أو ضغطًا أو انحناءً أو التواءً أو حملًا مشتركًا.

---

أنواع اختبارات التعب والمتانة الدورية

1. إجهاد الدورة المرتفعة (HCF)

في هذا السيناريو، يكون الحمل ضمن النطاق المرن، ويكون عدد الدورات مرتفعًا جدًا (عادةً من 10⁴ إلى 10⁷ أو أعلى).
في حالات التعب عالي الدورات، يكون التشوه البلاستيكي ضئيلًا، ويبدأ الفشل عادةً في المناطق ذات العيوب السطحية. تُمثل نتائج الاختبار عادةً بمخطط  SN
، حيث يمثل المحور الأفقي عدد الدورات حتى الفشل (N)، ويمثل المحور الرأسي الإجهاد (S).

2. إجهاد الدورة المنخفض (LCF)

في حالة التعب منخفض الدورة، تكون سعة الإجهاد أو الانفعال عالية، وتدخل المادة في منطقة التشوه اللدن. في هذه المرحلة، يكون عدد الدورات منخفضًا نسبيًا (عادةً أقل من 10⁴). ولأن التشوه اللدن يلعب دورًا حاسمًا،
يُستخدم  الرسم البياني ε-N (عدد دورات الانفعال)
لتحليل سلوك المادة في هذه المنطقة.

3. الاختبارات متعددة المحاور والمركبة

في العديد من المكونات الصناعية، لا يُطبّق الإجهاد في اتجاه واحد. لذلك، تُعدّ الاختبارات متعددة المحاور ضرورية لفحص تأثيرات الأحمال المُركّبة (الشد، الانحناء، الالتواء، إلخ). تُعد هذه الاختبارات بالغة الأهمية للمكونات المُعقّدة، مثل أعمدة الكرنك، ومحاور السيارات، والمفاصل المعدنية.

4. اختبارات المتانة في ظل الظروف البيئية

يمكن للظروف البيئية، مثل درجة الحرارة والرطوبة والتآكل والضغط، أن تؤثر بشكل كبير على سلوك التعب.
لذلك، تُجرى أحيانًا اختبارات المتانة الدورية في بيئات تآكلية عالية الحرارة أو في بيئات تحاكي ظروف العالم الحقيقي لتقييم التأثيرات المشتركة لعوامل مختلفة.

---

المعدات المستخدمة في اختبار المتانة الدورية

تُسمى المعدات المتخصصة المستخدمة في هذا الاختبار  بآلة اختبار التعب أو آلة الاختبار الديناميكي  . تختلف هذه الآلات باختلاف نوع المادة والحمل والهدف من الاختبار. تشمل المكونات الرئيسية للمعدات ما يلي:

1. إطار التحميل:  الهيكل الرئيسي للجهاز، يستخدم لحمل العينة في مكانها.

2. مصدر الطاقة الديناميكي:  يمكن أن يكون هيدروليكيًا أو كهروميكانيكيًا.

3. خلية الحمل:  تستخدم لقياس القوة المطبقة بدقة.

4. المشابك أو الملقطات:  تستخدم لتثبيت العينات في مكانها ومنعها من الانزلاق أو الدوران.

5. أجهزة استشعار الإزاحة والانفعال:  تستخدم لقياس الانفعال في كل دورة.

6. نظام التحكم والبرمجيات:  يستخدم للتحكم في التردد ونطاق الحمل وتسجيل البيانات.

7. غرفة الاختبار البيئي:  إذا كان الاختبار مطلوبًا في درجات حرارة أو ظروف معينة.

---

طرق إجراء اختبارات المتانة الدورية

الخطوات العامة لإجراء هذا الاختبار هي كما يلي:

1. تحضير العينات:  يجب أن تكون للعينات أبعاد وشكل سطح قياسي. يُعدّ السطح النهائي الموحد والخالي من التشققات أمرًا بالغ الأهمية.

2. وضع العينة في الجهاز:  اضبط المشابك بحيث يتم تطبيق القوة المطبقة بدقة في الاتجاه المطلوب.

3. تحديد معلمات الاختبار:  بما في ذلك سعة الجهد، ونسبة R، وتردد الحمل، وعدد الدورات المستهدفة.

4. تنفيذ الاختبار:  يتعرض الجهاز للتحميل بشكل متكرر حتى يحدث فشل أو يتم الوصول إلى عدد الدورات المحدد.

5. مراقبة البيانات وتسجيلها:  أثناء عملية الاختبار، سيتم تسجيل البيانات مثل القوة والتشوه ودرجة الحرارة والوقت.

6. فحص الخلل:  بعد الانتهاء من الاختبار يتم فحص السطح التالف بالمجهر لتحديد موقع منشأ الشق ونوع الخلل.

7. تحليل النتائج:  رسم مخططات SN أو ε-N واستخراج معلمات التعب.

---

تحليل نتائج الاختبار

1. مخطط نسبة الإشارة إلى الضوضاء

في هذا الرسم البياني، يُمثل المحور الرأسي الإجهاد، بينما يُمثل المحور الأفقي عدد دورات الفشل. مع ازدياد عدد الدورات، ينخفض ​​الإجهاد المسموح به.
في بعض المواد، مثل أنواع معينة من الفولاذ، قد يكون هناك حدٌّ لا تفشل المادة دونه. يُسمى هذا الحد ”  حد التعب”  .

2. قانون باسكين

العلاقة المشتركة التي تصف التعب الناتج عن السرعة العالية هي التالية:

σa=σf'(2Nf)b\sigma_a = \sigma’_f (2N_f)^b   σ   a   =   σ   f   ′   (   2   N   f   )  b 

أين:

• σa\sigma_a   σ   a  ​ :  سعة الجهد

• σf′\sigma’_f   σ   f   ′   ​：  معامل مقاومة التعب

• $b$  : عامل القدرة السالب (يعتمد على المادة)

• NfN_f   N   f   :  عدد حلقات الخطأ

3. نموذج التشوه (كوفين-مانسون)

بالنسبة  للتعب منخفض الدورة مع تشوه بلاستيكي كبير، يتم استخدام الصيغة التالية:

Δε=σf′E(2Nf)b+εf′(2Nf)c\Delta \varepsilon = \frac{\sigma’_f}{E}(2N_f)^b + \varepsilon’_f (2N_f)^c   Δ   ε   =   E   σ   f   ′   ​​(   2   N   f   ​)  b   +    ε   f   ′   ​(   2   N   f   ​)  c 

حيث  εf′\varepsilon’_f   ε   f   ′​ هو  معامل$و\; c$  هو معامل الإجهاد البلاستيكي.

4. انتشار شقوق التعب

في المواد المعدنية، يحدث انتشار الشقوق تدريجيًا تحت تأثير الحمل. ويُعبَّر عن معدل انتشار الشقوق عادةً باستخدام معادلة باريس:

badN=C(ΔK)m\frac{da}{dN} = C(\Delta K)^m   d   N   d   a   =   C   (   Δ   K   )   m

في هذا الصدد:

• $a$  : طول الشق

• $N$  : عدد التكرارات

• $:$  نطاق شدة$الجهد$

• $C$  و$m$  : معاملات تعتمد على نوع المادة.

يمكن لهذه المعادلة التنبؤ بسرعة انتشار الشقوق وتحديد عمر الخدمة المتبقي.

مضخة برغي أورطاس

---

العوامل المؤثرة على عمر التعب

1. نوع وبنية المادة:  تلعب البنية الدقيقة وحجم الحبيبات والتركيب الكيميائي دورًا مهمًا.

2. جودة السطح:  يمكن أن تكون الخدوش أو التآكل أو خشونة السطح نقطة البداية للشقوق.

3. المعالجة الحرارية: يمكن  لعمليات مثل التطبيع والتصلب والتخمير أن تغير قوة التعب.

4. الإجهاد المتبقي:  يمكن أن يؤدي الضغط السطحي إلى تحسين عمر التعب.

5. الظروف البيئية:  يمكن أن يكون للرطوبة ودرجة الحرارة والبيئات المسببة للتآكل تأثيرات سلبية.

6. شكل وهندسة القطعة:  غالبًا ما يؤدي تركيز الإجهاد في الزوايا أو الثقوب أو المناطق الملحومة إلى تقليل عمر التعب.

---

التطبيقات الصناعية لاختبار المتانة الدورية

صناعة الطيران والفضاء

في صناعة الطائرات، تتعرض شفرات المحرك وهياكل الطائرات ومكونات التوصيل  لأحمال دورية مستمرة  . حتى أصغر تشقق ناتج عن التعب قد يؤدي إلى عطل كارثي. يُعد اختبار المتانة الدوري أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة الطيران وتحديد متى تكون الصيانة أو استبدال المكونات ضرورية.

صناعة السيارات

تتعرض محاور المركبات، ونوابضها، وأذرعها الكابولية، وأعمدة مرفقها، ومفاصلها باستمرار لأحمال متنوعة. ويُستخدم اختبار المتانة الدوري  للتنبؤ  بعمر الخدمة، وتحسين السلامة، وخفض تكاليف الضمان.

صناعة الطاقة ومحطات الطاقة

تتعرض التوربينات وشفرات الضاغط ومكونات محطات الطاقة لاهتزازات وإجهادات دورية. يُعد تقييم المتانة الدورية أمرًا أساسيًا لتصميم هذه الأجهزة لمنع الأعطال المبكرة.

الفريق الطبي

تتعرض المواد المستخدمة في زراعة العظام والمفاصل الاصطناعية لقوى دورية ناتجة عن حركة الإنسان. يُعد اختبار الإجهاد لهذه المكونات أمرًا بالغ الأهمية لضمان متانتها على مدار سنوات طويلة من الاستخدام.

الأجهزة المنزلية والمواد الاستهلاكية

يجب أيضًا أن تخضع المكونات مثل المفصلات والينابيع والتروس وأدوات التثبيت والأجزاء البلاستيكية المتحركة لتقييمات متانة دورية لضمان عمر المنتج وجودته.

مجموعة سيبكس

---

تحديات وقيود الاختبار

1. الوقت المطلوب:  قد تستغرق الاختبارات أيامًا أو حتى أسابيع للوصول إلى ملايين  الدورات.

2. التسخين الداخلي:  عند الترددات العالية، قد يؤدي ارتفاع درجة حرارة العينة إلى تشويه النتائج.

3. النتائج متناثرة:  إن حياة التعب متفرقة بطبيعتها إلى حد كبير، مما يتطلب اختبارات متكررة وتحليلات إحصائية.

4. حجم العينة:  قد لا يعكس سلوك العينة الصغيرة سلوك المنتج الفعلي بشكل كامل.

5. التكلفة العالية: تعتبر  معدات اختبار التعب المتقدمة، وخاصة آلات الاختبار الهيدروليكية، باهظة الثمن.

---

ختاماً

يُعد اختبار المتانة الدورية من أهم الطرق لتقييم أداء وعمر المواد والمكونات تحت الأحمال المتكررة.
يساعد هذا الاختبار على:

• إن العمر الافتراضي الفعلي للمكون أمر يمكن التنبؤ به.

• اعتماد مخطط تصميم أكثر أمانًا وتحسينًا،

• الوقاية من الأعطال المفاجئة في المرافق

• وتحسين الجودة النهائية للمنتج.

في الصناعات المتقدمة، يُعدّ إجراء هذا الاختبار بدقة وعلمية أمرًا  أساسيًا  لتطوير المنتجات وعمليات مراقبة الجودة. بفضل التطورات في تكنولوجيا القياس، والبرمجيات التحليلية، والمعدات الأكثر تطورًا، أصبح من الممكن الآن، أكثر من أي وقت مضى، محاكاة سلوك التعب بدقة وتحسين تصميم المكونات.