‫جامعة الشام‬
‫كلية الهندسة‬
‫علم المواد الهندسية‬
‫التعب في المواد ‪Fatigue in Materials‬‬
‫في أواخر القرن التاسع عشر لوحظ حدوث انهيارات في اآلليات بالرغم من تطبيق اجهادات‬
‫منخفضة ومنذ ذلك الحين أصبح الموضوع موضع اهتمام بعض المهندسين لدراسة السبب‪ .‬وبعد‬
‫البحث من قبلهم تبين حدوث تلك االنهيارات حتى في المعادن المطاوعة وكأنها من المواد القصيفة‬
‫ويحدث االنهيار بكسر فجائي‪ ،‬مع مالحظة عدم وجود أي خلل في التصميم او التصنيع‪ .‬كانت‬
‫المالحظة الوحيدة هي ان االجهادات المطبقة غير مستقرة وذات سلوك دوري‪ .‬هذه الظاهرة من‬
‫االنهيار نتيجة تطبيق احمال دورية متغيرة تسمى بالتعب‪ .‬تعود الدراسات األولى بهذا المجال‬
‫للمهندس األلماني ‪ Wohler‬عام ‪1858‬م‪ .‬وبعد ذلك الحين تم االهتمام بشكل واسع لدراسة التعب‬
‫في المعادن والمواد غير المعدنية أيضا ً مما أدى ذلك إلى فهم العديد من المسائل العلمية العالقة‪.‬‬
‫ومن تلك النتائج التي تم الوصول اليها عدم صحة النظرية التي اعتبرت ان المادة اللدنة تتحول‬
‫الى مادة قصيفة بتطبيق حموالت دورية متغيرة‪ ،‬إذ ان البنية البلورية تبقى كما هي أي ال تحول‬
‫من اللدونة على القصافة كما تحصل في حال تغير درجات الحرارة مثال والتي تحدد بدرجة‬
‫الحرارة االنتقالية ‪.Impact Transition Temperature I. T. T‬‬
‫وأصبح االن واضحا ومعروفا ً بأن انهيار التعب يبدأ من الشقوق الميكروية أو العيوب الميكروية‬
‫(شائبة‪ ،‬فجوة‪...... ،‬الخ) وينتشر ذلك الشق تدريجيا ً إلى ان يحصل االنهيار الفجائي‪.‬‬
‫وبالتالي يمكن تعريف الكالل أو التعب في علم المواد هو التشوه البنيوي المتدرج والمركز الذي‬
‫يحدث عندما تتعرض المادة إلى حمل دوري ومتكرر‪ ،‬وتكون قيم االجهاد األعظمي المطبق أقل‬
‫من حد المتانة‪ ،‬وقد يكون أيضا أقل من حد إجهاد الخضوع للمادة‪ .‬يحصل اإلجهاد المتكرر أو‬
‫الدوري في كثير من الحاالت منها‪ :‬أسنان المسننات‪ .‬القواطع ‪....‬الخ‪.‬‬
‫في علم المواد‪ ,‬التعب هو إضعاف مادة ناتج عن التحميل الدوري الذي ينتج عنه ضرر هيكلي‬
‫تدريجي مركز مثل الشق الميكروي ومن ثم نمو تلك الشقوق والتي سوف تنمو كمية صغيرة مع‬
‫كل دورة تحميل‪ ،‬سيستمر الشق في النمو حتى يصل إلى الحجم الحرج‪ ،‬مما ينتج عنه انتشار‬
‫سريع وكسر كامل والذي يحدث عندما شدة اإلجهاد يتجاوز مقاومة المادة لتحمل االجهاد المطبق‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫جامعة الشام‬
‫كلية الهندسة‬
‫علم المواد الهندسية‬
‫وعند االنهيار نتيجة التعب يتكون المكسر من منطقتين‪ ،‬األولى تتسم بسطح أملس (كما لو كان قد‬
‫سوى بالمبرد) ويطلق عليها منطقة التعب‪ .‬وتتكون هذه المنطقة وتنمو بطريقة تدريجية‪ ،‬فيتكون‬
‫اوالً شق مجهري (ال يرى بالعين المجرة) يدعى شق التعب ثم ينمو ويتحول إلى شق يمكن رؤيته‬
‫بالعين المجردة وذلك نتيجة التأثيرات المترددة والعديدة لألحمال على العينات المعدنية كما في‬
‫الشكل (‪ .)1‬وعندما يشغل شق التعب معظم مساحة مقطع العينة يحدث انهيار الجزء الثاني من‬
‫المقطع (‪ )Final failure‬وتتسم المنطقة الثانية هذه ببنية سميكة الحبيبات في حالة المعادن‬
‫القصيفة‪ ،‬وببنية ليفية في حالة المعادن المطيلية‪.‬‬
‫الشكل (‪ :)1‬صور حقيقية لمناطق االنهيار نتيجة التعب‬
‫وغالبا ً ما ينشأ شق التعب على السطح في المنطقة األولى‪ .‬وقد اتفق على التعبير عن مقاومة المواد‬
‫لألحمال الدورية بحد التعب وهو عبارة عن أعلى اجهاد يمكن أن تتحمله المادة دون ان تنهار‬
‫خالل عدد كبير من دورات التحميل ‪ )105 - 108( N‬دورة أو أكثر‪ .‬الشكل (‪ )2‬يبين تكوين ونمو‬
‫الشق نتيجة لحمل دوري متكرر‪.‬‬
‫‪2‬‬
‫جامعة الشام‬
‫كلية الهندسة‬
‫علم المواد الهندسية‬
‫الشكل (‪ :)2‬نشوء الشق ونموه نتيجة االحمال الدورية المتكررة‪.‬‬
‫وغالبا ً يتم تعيين حد االحتمال باستخدام عينات ملساء او محزوزة تقوم بحركة دورانية حول‬
‫محورها مع تحميلها بحمل كما في الشكل (‪ )3‬الذي يوضح جزء من آلة االختبار أما الشكل (‪)4‬‬
‫فيمثل الرسم التخطيطي آللة اختبار التعب‪ ،‬ونتيجة التحميل هذا سيتم نشوء اجهادات متغيرة‬
‫اإلشارة (شد – ضغط) في دورات متماثلة بحيث يكون ‪ max = min‬كما في الشكل (‪.)5‬‬
‫الشكل (‪ )3‬جزء من آلة اختبار التعب‪.‬‬
‫الشكل (‪ :)4‬رسم تخطيطي آللة االختبار للتعب‪.‬‬
‫(‪ )1‬عينة االختبار (‪ )2‬الحمل المسبب للشد والضغط‬
‫‪3‬‬
‫جامعة الشام‬
‫كلية الهندسة‬
‫علم المواد الهندسية‬
‫الشكل (‪ :)5‬االجهادات المتكررة على عينة التعب‬
‫ويتم اجرار اختبار التعب على عشرة عينات على األقل حتى يتسنى تعيين حد االحتمال (حد‬
‫التعب) ويجرى االختبار على العينة األولى تحت اجهاد ‪( 1‬يؤخذ االجهاد ‪ 1‬للفوالذ مثالً مساويا ً‬
‫‪ 0.6‬من متانة الشد ‪ .)u‬ويتم تعيين عدد الدورات ‪ N‬التي بعدها تنهار العينة‪ .‬ثم يجرى االختبار‬
‫على العينات الثانية والثالثة وهكذا تحت اجهادات ‪ ....... 3 ،2‬الخ‪.‬‬
‫توضع نتائج القياسات في صورة رسم بياني في احداثيات االجهاد ‪ 1‬مع عدد الدورات ‪ N‬فيكون‬
‫الناتج كما في الشكل (‪.)6‬‬
‫الشكل (‪ :)6‬عالقة اجهاد االنهيار مع عدد الدورات الختبار ما‪.‬‬
‫‪4‬‬
‫جامعة الشام‬
‫كلية الهندسة‬
‫علم المواد الهندسية‬
‫ويعبر الجزء االفقي من الرسم البياني أي اقصى اجهاد ال يؤدي الى انهيار العينة مهما كان عدد‬
‫دورات تغيير االجهاد كبيراً‪ ،‬عن حد التعب (االحتمال)‪ .‬ويتم التعبير عن حد االحتمال في صورة‬
‫اجهادات اسمية ويرمز له بالرمز ‪ .R‬والشكل (‪ )7‬يبين احد نماذج عينة اختبار التعب‪.‬‬
‫الشكل (‪ :)7‬عينة اختبار التعب‪.‬‬
‫د‪ .‬م‪ .‬عدنان يعقوب‬
‫‪2020 - 2021‬‬
‫‪5‬‬