إجهاد متبقي

Residual stress in a roll-formed hollow structural section causes it to gape when cut with a band-saw.

الإجهاد المتبقي Residual Stress هو إجهاد تبقى بعد إزالة السبب الأساسي لحدوث الإجهادات مثل القوى الخارجية والتدرجات الحرارية. تبقى هذه الإجهادات في المقطع العرضي للعنصر حتى بعد زوال المسبب الخارجي. تحدث الإجهادات المتبقية لعدة أسباب تشمل التشوهات غير المرنة والمعالجة الحرارية. الحرارة الناتجة من اللحام قد تسبب تمدد محلي أثناء اللحام إما في المعدن المصهور أو في الأجزاء الملحومة. عندما تبرد الأجزاء الملحومة فإن الأجزاء المبردة تتقلص بتفاوت تاركة إجهادات متبقية.

خطر الإجهادات المتبقية

انهيار الجسر الفضي كما يرى من جانب أوهايو

كما ينتج عن عملية صب المعادن إجهادات متبقية كبيرة بسبب التبريد غير المتجانس. والإجهادات المتبقية هي السبب غالبا للانهيار المبكر للعناصر المهمة في الآليات، كما أنها العامل الأول في انهيار الجسر المعلق في الجسر الفضي في فيرجينيا الغربية في الولايات المتحدة في ديسمبر 1967. فقد أظهرت وصلات القضبان المصبوبة مستويات عالية من الإجهاد المتبقي التي ساهمت في نمو الشقوق والتصدعات. وعندما تصل الشقوق إلى أحجام حرجة فإنها تنمو كارثيا وعندها تبدأ البنية بالانهيار بالتتابع. ولأن البنية تنهار في أقل من دقيقة، فإن 46 سائقا ومسافرا في السيارات على الجسر في ذلك الوقت قتلوا عندما انهار الجسر وسقط في النهر.

تقنيات القياس

A diagram comparing residual stress measurement techniques, showing the measurement length scale, penetration, and level of destruction to the measured component.

استعراض

There are many techniques used to measure residual stresses, which are broadly categorised into destructive, semi-destructive and non-destructive techniques. The selection of the technique depends on the information required and the nature of the measurement specimen. Factors include the depth/penetration of the measurement (surface or through-thickness), the length scale to be measured over (macroscopic, mesoscopic or microscopic), the resolution of the information required, and also the composition geometry and location of the specimen. Additionally, some of the techniques need to be performed in specialised laboratory facilities, meaning that "on-site" measurements are not possible for all of the techniques.

التقنيات المدمرة

Destructive techniques result in large and irreparable structural change to the specimen, meaning that either the specimen cannot be returned to service or a mock-up or spare must be used. These techniques function using a "strain release" principle; cutting the measurement specimen to relax the residual stresses and then measuring the deformed shape. As these deformations are usually elastic, there is an exploitable linear relationship between the magnitude of the deformation and magnitude of the released residual stress.[1] Destructive techniques include:

  • Contour Method[2] – measures the residual stress on a 2D plane section through a specimen, in a uniaxial direction normal to a surface cut through the specimen with wire EDM.
  • Slitting (Crack Compliance) [3] – measures residual stress through the thickness of a specimen, at a normal to a cut "slit".
  • Block Removal/Splitting/Layering[4]
  • Sachs' Boring[5]

التقنيات شبه المدمرة

Similarly to the destructive techniques, these also function using the "strain release" principle. However, they remove only a small amount of material, leaving the overall integrity of the structure intact. These include:

  • Deep Hole Drilling[6] – measures the residual stresses through the thickness of a component by relaxing the stresses in a "core" surrounding a small diameter drilled hole.
مقال رئيسي: Deep hole drilling (DHD) measurement technique
  • Centre Hole Drilling[7] – measures the near-surface residual stresses by strain release corresponding to a small shallow drilled hole with a strain gauge rosette. Centre hole drilling is appropriate for up to 4 mm in depth. Alternatively, blind hole drilling can be used for thin parts. Center hole drilling can also be performed in the field for on-site testing.
مقال رئيسي: Hole drilling method
  • Ring Core[8] – similar to Centre Hole Drilling, but with greater penetration, and with the cutting taking place around the strain gauge rosette rather than through its centre.

التقنيات غير المدمرة

The non-destructive techniques measure the effects of relationships between the residual stresses and their action of crystallographic properties of the measured material. Some of these work by measuring the diffraction of high frequency electromagnetic radiation through the atomic lattice spacing (which has been deformed due to the stress) relative to a stress-free sample. The Ultrasonic and Magnetic techniques exploit the acoustic and ferromagnetic properties of materials to perform relative measurements of residual stress. Non-destructive techniques include:

  • Electromagnetic a.k.a. eStress - Can be used with a wide range of sample dimensions and materials, with accuracy on par to that of neutron diffraction. Portable systems are available such as the eStress system, which can be used for on-site measurements or permanently installed for continuous monitoring. Speed of measurement is 1–10 seconds per location.
  • Neutron Diffraction - A proven technique that can measure through-thickness but which requires a neutron source (like a nuclear reactor).
  • Synchrotron Diffraction - Requires a synchrotron but provide similarly useful data as eStress and the neutron diffraction methods.
  • X-Ray Diffraction - a limited surface technique with penetration of a few hundred microns only.
  • Ultrasonic - relatively new and promising experimental process known from 70s-80s of last century [14][بحاجة لمصدر]
  • Magnetic - Can be used with very limited sample dimensions.

توظيف الإجهادات المتبقية

قطرة الأمير روبرت

تكون الإجهادات المتبقية غير المضبوطة عادة غير مرغوبة، ولكن إذا استطعنا الاستفادة منها وتوجيهها وضبطها فيمكننا الحصول على العديد من الميزات. مثلا، يعتمد مبدأ الزجاج الممتن (toughened glass) و الخرسانة المجهدة قبلا (pre-stressed concrete) على الإجهاد المتبقي لتجنب الانهيار نتيجة القصافة. وكمثال عن هذا التأثير يمكن الاستشهاد بقطرة الأمير روبرت (Prince Rupert's Drop) حيث تسقى (تغطس في الماء البارد بسرعة) قطرات الزجاج المصهور لتعطي طبقة خارجية متينة، ويتشكل داخل القطرة إجهادات داخلية متبقية كبيرة لدرجة أنها تتحمل الطرق بالمطرقة دون أن تنكسر، في حين أنها تنفجر في حال تضرر ذيلها حيث تفرغ الإجهادات الداخلية.

وفي وصلات البراغي (Bolted joints) يستخدم الإجهاد المتبقي لتجنب تعرض البراغي الفاعلة للتعب. كما أن التدرج في تشكل المارتنزيت يترك إجهادات متبقية في بعض السيوف فيعطي حواف السيوف حافات قاسية (خصوصا في سيوف كاتانا اليابانية) مما يمنع توسع الشقوق في الحافات.

تصنع السبطانة (ماسورة السلاح) في بعض أنواع الأسلحة بحشر أسطوانة داخل واحدة أخرى مما يجعل الأسطوانة الداخلية مضغوطة نحو الداخل في حين تشد الاسطوانة الأخرى نحو الخارج. هذه الإجهادات المتبقية تمنع تفتح الشقوق في السبطانة عند إطلاق النار.

المراجع

  • Cary, Howard B. and Scott C. Helzer (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, نيوجرزي: Pearson Education. ISBN 0-13-113029-3.

الوصلات الخارجية


  1. ^ G.S.Schajer Practical Residual Stress Measurement Methods. Wiley 2013, 7, ISBN 978-1-118-34237-4.
  2. ^ Los Alamos National Laboratory – Contour Method. Retrieved on 19 June 2014
  3. ^ Los Alamos National Laboratory – Sltting Method. Retrieved on 19 June 2014
  4. ^ ASTM E1928-13 Standard Practice for Estimating the Approximate Residual Circumferential Stress in Straight Thin-walled Tubing. Retrieved on 19 June 2014
  5. ^ VEQTER Ltd – Sach's Boring. Retrieved on 19 June 2014
  6. ^ VEQTER Ltd – Deep Hole Drilling. Retrieved on 19 June 2014
  7. ^ G2MT Labs – Centre Hole Drilling Archived 22 فبراير 2018 at the Wayback Machine. Retrieved on 22 Feb 2018
  8. ^ VEQTER Ltd – Ring Core. Retrieved on 19 June 2014
الكلمات الدالة:
This article may include material from Wikimedia licensed under CC BY-SA 4.0. Please comply with the license terms.
تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=إجهاد_متبقي&oldid=4210639"