كلل (مواد)

أنماط الانهيار الميكانيكي
	Buckling
	تآكل
	زحف
	كلل
	كسر
	Melting
	Rupture
	Thermal shock
	برى
	خضوع
	• •

الكلال أوالتعب أوالإجهاد أوإرهاق المادة Fatigue، في فهم المواد هوالتشوه البنيوي المتدرج والمركز الذي يحدث عندما تتعرض المادة إلى حمل دوري ومتكرر، وتكون قيم الأجهاد الأعظمي أقل من حد إجهاد الشد العادي، وقد يحدث أيضا أقل من حد إجهاد الخضوع للمادة.

يحدث الكلل المتكرر أوالدوري في كثير من الحالات منها:

أسنان المسننات.
القواطع.
الضاغطات: الأجهزة التي تستخدم في تشكيل المادة عند التصنيع.
الطائرات: يتغير الإجهاد الحراري نتيجة تغير الحرارة بين الأرض والجو.

هناك حد يسمى حد التحمل Endurance Limit وهوخاصية للمادة ويدل على قيمة الإجهاد الذي إذا لم تصل المادة إلى هذا الحد من الإجهاد لا تتعرض للإرهاق مهما تكرر ذلك الإجهاد. ويسمى حد التحمل أيضاً حد الإرهاق.

استأثرت معضلة تعب المعادن باهتمام كبير في مجال النقل بعد الحرب العالمية الثانية نتيجة لتزايد الطلب على الطائرات ذات السرعات العالية والحمولات الكبيرة على ارتفاعات عالية، وطرح هذا الأمر على المهندسين من أجل تصميم الجناح والمحرك. وتسمى مقاومة المعدن للتعب قوة التعب التي يجب على مهندسي التصميم أخذها بعين الاعتبار في أثناء التصميم.

خصائص الكلل

Fracture of an aluminium crank arm. Dark area of striations: slow crack growth. Bright granular area: sudden fracture.

يحدث الكلل عند فشل جزء معدني في تحمل ضغط معين ويظهر ذلك في كسر أوتشوه الشكل الخارجي للجزء المعدني، حيث تحصل انزلاقات في بلورات المعدن وتظهر الشقوق الميكروسكوبية التي تؤدي إلى إهتراء الجزء وتمزقه، فقد يفشل جزء معدني ما في تحمل ضغط معين أقل بكثير مما يمكنه تحمله في الأصل.

ويمكن ملاحظة ظاهرة تعب المعادن في محاور الآلات أوفي العجلات أوفي أعمدة الدفع في السفن أوفي أذرع القيادة في السيارات أوفي أجسام السفن أوفي عوارض السطح في الجسور أوفي أجنحة الطائرات ومحركاتها.

خط زمني للأبحاث الفهمية حول كلل المواد

1837: Wilhelm Albert publishes the first article on fatigue. He devised a test machine for conveyor chains used in the Clausthal mines.
1839: Jean-Victor Poncelet describes metals as being tired in his lectures at the military school at Metz.
1842: William John Macquorn Rankine recognises the importance of stress concentrations in his investigation of railroad axle failures. The Versailles train crash was caused by axle fatigue.
1843: Joseph Glynn reports on fatigue of axle on locomotive tender. He identifies the keyway as the crack origin.
1848: Railway Inspectorate report one of the first tyre failures, probably from a rivet hole in tread of railway carriage wheel. It was likely a fatigue failure.
1849: Eaton Hodgkinson is granted a small sum of money to report to the UK Parliament on his work in ascertaining by direct experiment, the effects of continued changes of load upon iron structures and to what extent they could be loaded without danger to their ultimate security.
1854: Braithwaite reports on common service fatigue failures and coins the term fatigue.
1860: Systematic fatigue testing undertaken by Sir William Fairbairn and August Wöhler.
1870: Wöhler summarises his work on railroad axles. He concludes that cyclic stress range is more important than peak stress and introduces the concept of endurance limit.

Micrographs showing how surface fatigue cracks grow as material is further cycled. From Ewing & Humfrey (1903)

1903: Sir James Alfred Ewing demonstrates the origin of fatigue failure in microscopic cracks.
1910: O. H. Basquin proposes a log-log relationship for SN curves, using Wöhler's test data.
1945: A. M. Miner popularises A. Palmgren's (1924) linear damage hypothesis as a practical design tool.
1954: L. F. Coffin and S. S. Manson explain fatigue crack-growth in terms of plastic strain in the tip of cracks.
1961: P. C. Paris proposes methods for predicting the rate of growth of individual fatigue cracks in the face of initial scepticism and popular defence of Miner's phenomenological approach.
1968: Tatsuo Endo and M. Matsuishi devise the rainflow-counting algorithm and enable the reliable application of Miner's rule to random loadings.
1970: W. Elber elucidates the mechanisms and importance of crack closure in slowing the growth of a fatigue crack due to the wedging effect of plastic deformation left behind the tip of the crack.

خلل الدائرة الكبرى

Historically, most attention has focused on situations that require more than 10⁴ cycles to failure where stress is low and deformation is primarily elastic.

منحنى إس-إن

Probabilistic nature of fatigue

تحميل مركب

Spectrum loading

قانون مينر

'"`UNIQ--postMath-00000001-QINU`"'

علاقة پاريس

Typical fatigue crack growth rate graph.

'"`UNIQ--postMath-00000002-QINU`"'

علاقة گودمان

كلل الدائرة الصغرى

'"`UNIQ--postMath-00000003-QINU`"'

الكلل وميكانيكا الانكسار

مكافحة الكلل

إيقاف الكلل

تغير المواد

Example of a HiFIT treated steel highway bridge to avoid fatigue along the weld transition.

High Frequency Impact Treatment of weld transitions

أحداث متعلقة

حادث قطار ڤرساي

كارثة قطار ڤرساي

Drawing of a fatigue failure in an axle by Joseph Glynn, 1843.

ده كاڤيلاند كومت

The recovered (shaded) parts of the wreckage of G-ALYP and the site (arrowed) of the failure

The fuselage roof fragment of G-ALYP on display in the Science Museum in London, showing the two ADF windows at-which the initial failure occurred

انقلاب منصة نفط ألكسندر ل. كيلاند

Fractures on the right side of the Alexander L. Kielland rig

أخرى

انظر أيضاً

سلامة الهواء
Embedment
Forensic materials engineering
Fractography
صدمة (ميكانيكا)
الكلل الحراري-الميكانيكي
اهتزاز

المصادر

^ عبد الرازق شيخ عيسى. "التعب". الموسوعة العربية. Retrieved 2012-08-15.
^ W. Schutz (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics 54: 263-300. DOI
^ W.J.M. Rankine. (1842). "On the causes of the unexpected breakage of the journals of railway axles, and on the means of preventing such accidents by observing the law of continuity in their construction". Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings, 105-108.
^ F. Braithwaite. (1854). "On the fatigue and consequent fracture of metals". Institution of Civil Engineers, Minutes of Proceedings, 463–474.
^ Matsuishi, M., Endo, T., 1968, Fatigue of Metals Subjected to Varying Stress, Japan Society of Mechanical Engineers, Jukvoka, Japan.
^ "ObjectWiki: Fuselage of de Havilland Comet Airliner G-ALYP". Science Museum. 24 September 2009. Retrieved 9 October 2009. ^[]

قراءات إضافية

Andrew, W. (1995) Fatigue and Tribological Properties of Plastics and Elastomers, ISBN 1-884207-15-4
Leary, M., Burvill, C. Applicability of published data for fatigue-limited design Quality and Reliability Engineering International Volume 25, Issue 8, 2009.
Dieter, G. E. (1988) Mechanical Metallurgy, ISBN 0-07-100406-8
Little, R. E. & Jebe, E. H. (1975) Statistical design of fatigue experiments ISBN 0-470-54115-6
A. G. Palmgren (1924): Die Lebensdauer von Kugellagern (Life Length of Roller Bearings. In German). Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure (VDI Zeitschrift), ISSN 0341-7258, Vol 68, No 14, April 1924, pp 339–341.
Schijve, J. (2009). Fatigue of Structures and Materials, 2nd Edition with Cd-Rom. Springer. ISBN .
Lalanne, C. (2009). Fatigue Damage. ISTE - Wiley. ISBN .
Pook, Les (2007). Metal Fatigue, What it is, why it matters. Springer. ISBN .
Draper, John (2008). Modern Metal Fatigue Analysis. EMAS. ISBN .
Subra Suresh, Fatigue of Materials, Second Edition, Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-57046-8.