كلل (مواد)

"كلل الفلزات" تحوّل إلى هنا. لمطالعة لمعاني أخرى، انظر كلل.

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

الكلال أو التعب أو الإجهاد أو إرهاق المادة Fatigue، في علم المواد هو التشوه البنيوي المتدرج والمركز الذي يحدث عندما تتعرض المادة إلى حمل دوري ومتكرر، وتكون قيم الأجهاد الأعظمي أقل من حد إجهاد الشد العادي، وقد يكون أيضا أقل من حد إجهاد الخضوع للمادة.

يحدث الكلل المتكرر أو الدوري في كثير من الحالات منها:

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

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

استأثرت مشكلة 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 أو تشوه 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 أو في العجلات أو في أعمدة الدفع في السفن أو في أذرع القيادة في السيارات أو في أجسام السفن أو في عوارض السطح في الجسور أو في أجنحة الطائرات ومحركاتها.

 خط زمني للأبحاث العلمية 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

 تحميل مركب

Spectrum loading

 قانون مينر

$\sum _{i=1}^{k}{\frac {n_{i}}{N_{i}}}=C$

 علاقة پاريس

Typical fatigue crack growth rate graph.

${\frac {\mathrm {d} a}{\mathrm {d} N}}=C(\Delta K)^{m}$

 كلل الدائرة الصغرى

${\frac {\Delta \epsilon _{p}}{2}}=\epsilon _{f}'(2N)^{c}$

 مكافحة الكلل

 إيقاف الكلل

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تغير المواد

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

 أحداث متعلقة

 حادث قطار ڤرساي

كارثة قطار ڤرساي

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

المقالة الرئيسية: حادث قطار ڤرساي

 ده كاڤيلاند كومت

المقالة الرئيسية: بواك رحلة رقم 781 and رحلة الخطوط الجوية الأفريقية رقم 201

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

 انظر أيضاً

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

 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 978-1-4020-6807-2.
• Lalanne, C. (2009). Fatigue Damage. ISTE - Wiley. ISBN 978-1-84821-125-4.
• Pook, Les (2007). Metal Fatigue, What it is, why it matters. Springer. ISBN 978-1-4020-5596-6.
• Draper, John (2008). Modern Metal Fatigue Analysis. EMAS. ISBN 0-947817-79-4.
• Subra Suresh, Fatigue of Materials, Second Edition, Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-57046-8.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 وصلات خارجية

• Fatigue by Shawn M. Kelly
• SAE Fatigue, Design, and Evaluation Committee website
• Article regarding Fatigue Testing of Bolted Joints
• Examples of fatigued metal products
• A collection of fatigue knowledge and calculators