ملخص الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية

يستخدم اختبار قوة الشد بشكل أساسي لتحديد قدرة المواد المعدنية على مقاومة التلف أثناء عملية التمدد، وهو أحد المؤشرات المهمة لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد.

1. اختبار الشد

يعتمد اختبار الشد على المبادئ الأساسية لميكانيكا المواد. من خلال تطبيق حمل الشد على عينة المادة تحت ظروف معينة، فإنه يسبب تشوه الشد حتى تنكسر العينة. أثناء الاختبار، يتم تسجيل تشوه العينة التجريبية تحت أحمال مختلفة والحد الأقصى للحمل عند فواصل العينة، وذلك لحساب قوة الخضوع وقوة الشد ومؤشرات الأداء الأخرى للمادة.

الإجهاد σ = F/A

σ هي قوة الشد (MPa)

F هو حمل الشد (N)

A هي مساحة المقطع العرضي للعينة

2. منحنى الشد

تحليل عدة مراحل من عملية التمدد:

أ. في مرحلة OP مع حمل صغير، تكون الاستطالة في علاقة خطية مع الحمل، وFp هو الحمل الأقصى للحفاظ على الخط المستقيم.

ب. وبعد أن يتجاوز الحمل Fp، يبدأ منحنى الشد بأخذ علاقة غير خطية. تدخل العينة مرحلة التشوه الأولية، ويتم إزالة الحمل، ويمكن للعينة العودة إلى حالتها الأصلية وتشوه بشكل مرن.

ج. بعد أن يتجاوز الحمل Fe، تتم إزالة الحمل، ويتم استعادة جزء من التشوه، ويتم الاحتفاظ بجزء من التشوه المتبقي، وهو ما يسمى التشوه البلاستيكي. يسمى Fe بالحد المرن.

د. وعندما يزيد الحمل أكثر، يظهر منحنى الشد مسننًا. عندما لا يزيد الحمل أو ينقص، تسمى ظاهرة الاستطالة المستمرة للعينة التجريبية بالخضوع. بعد الخضوع، تبدأ العينة في الخضوع لتشوه بلاستيكي واضح.

ه. بعد الخضوع، تظهر العينة زيادة في مقاومة التشوه وتصلب العمل وتعزيز التشوه. عندما يصل الحمل إلى Fb، يتقلص نفس الجزء من العينة بشكل حاد. Fb هو حد القوة.

و. تؤدي ظاهرة الانكماش إلى انخفاض قدرة تحمل العينة. عندما يصل الحمل إلى Fk، تنقطع العينة. وهذا ما يسمى حمل الكسر.

قوة العائد

قوة الخضوع هي أقصى قيمة للضغط يمكن أن تتحملها المادة المعدنية من بداية تشوه البلاستيك إلى الكسر الكامل عند تعرضها لقوة خارجية. تمثل هذه القيمة النقطة الحرجة التي تنتقل فيها المادة من مرحلة التشوه المرن إلى مرحلة التشوه البلاستيكي.

تصنيف

قوة الخضوع العليا: تشير إلى أقصى ضغط للعينة قبل انخفاض القوة لأول مرة عند حدوث الخضوع.

قوة الخضوع المنخفضة: تشير إلى الحد الأدنى من الإجهاد في مرحلة الخضوع عندما يتم تجاهل التأثير الأولي العابر. وبما أن قيمة نقطة الخضوع المنخفضة مستقرة نسبيًا، فإنها تستخدم عادةً كمؤشر لمقاومة المواد، وتسمى نقطة الخضوع أو قوة الخضوع.

صيغة الحساب

بالنسبة لقوة الخضوع العليا: R = F / Sₒ، حيث F هي القوة القصوى قبل أن تنخفض القوة لأول مرة في مرحلة الخضوع، وSₒ هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة.

بالنسبة لقوة الخضوع المنخفضة: R = F / Sₒ، حيث F هي الحد الأدنى من القوة F مع تجاهل التأثير المؤقت الأولي، وSₒ هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة.

وحدة

عادة ما تكون وحدة مقاومة الخضوع هي MPa (ميجاباسكال) أو N/mm² (نيوتن لكل مليمتر مربع).

مثال

خذ الفولاذ منخفض الكربون كمثال، الحد الأقصى للإنتاجية عادة ما يكون 207MPa. عندما يتعرض لقوة خارجية أكبر من هذا الحد، فإن الفولاذ منخفض الكربون سوف ينتج عنه تشوه دائم ولا يمكن استعادته؛ وعندما يتعرض لقوة خارجية أقل من هذا الحد، يمكن أن يعود الفولاذ منخفض الكربون إلى حالته الأصلية.

تعد قوة الخضوع أحد المؤشرات المهمة لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية. إنه يعكس قدرة المواد على مقاومة التشوه البلاستيكي عند تعرضها لقوى خارجية.

قوة الشد

قوة الشد هي قدرة المادة على مقاومة الضرر تحت حمل الشد، والتي يتم التعبير عنها على وجه التحديد بأنها أقصى قيمة إجهاد يمكن أن تتحملها المادة أثناء عملية الشد. عندما يتجاوز ضغط الشد على المادة قوة الشد، ستخضع المادة لتشوه أو كسر لدن.

صيغة الحساب

صيغة حساب قوة الشد (σt) هي:

σt = F / أ

حيث F هي أقصى قوة شد (نيوتن، N) التي يمكن أن تتحملها العينة قبل الكسر، وA هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة (مليمتر مربع، مم²).

وحدة

عادة ما تكون وحدة قوة الشد هي MPa (ميجاباسكال) أو N/mm² (نيوتن لكل مليمتر مربع). 1 ميجاباسكال يساوي 1,000,000 نيوتن لكل متر مربع، وهو ما يساوي أيضًا 1 نيوتن/مم².

العوامل المؤثرة

تتأثر قوة الشد بعدة عوامل، بما في ذلك التركيب الكيميائي، والبنية المجهرية، وعملية المعالجة الحرارية، وطريقة المعالجة، وما إلى ذلك. تتمتع المواد المختلفة بقوة شد مختلفة، لذلك في التطبيقات العملية، من الضروري اختيار المواد المناسبة بناءً على الخواص الميكانيكية للمادة. مواد.

التطبيق العملي

تعتبر قوة الشد معلمة مهمة جدًا في مجال علوم وهندسة المواد، وغالبًا ما تستخدم لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد. فيما يتعلق بالتصميم الهيكلي، واختيار المواد، وتقييم السلامة، وما إلى ذلك، تعد قوة الشد عاملاً يجب أخذه في الاعتبار. على سبيل المثال، في هندسة البناء، تعد قوة الشد للصلب عاملاً مهمًا في تحديد ما إذا كان يمكنه تحمل الأحمال؛ وفي مجال الطيران، تعد قوة الشد للمواد خفيفة الوزن وعالية القوة هي المفتاح لضمان سلامة الطائرات.

قوة التعب:

يشير التعب المعدني إلى العملية التي تنتج فيها المواد والمكونات تدريجياً ضرراً تراكمياً محلياً دائماً في مكان واحد أو عدة أماكن تحت إجهاد دوري أو إجهاد دوري، وتحدث الشقوق أو الكسور الكاملة المفاجئة بعد عدد معين من الدورات.

سمات

المفاجأة الزمنية: غالباً ما يحدث فشل التعب المعدني بشكل مفاجئ خلال فترة زمنية قصيرة دون ظهور علامات واضحة.

الموضعية في الموضع: يحدث فشل التعب عادة في المناطق المحلية التي يتركز فيها التوتر.

الحساسية للبيئة والعيوب: يعتبر إجهاد المعدن حساسًا جدًا للبيئة والعيوب الصغيرة داخل المادة، مما قد يؤدي إلى تسريع عملية التعب.

العوامل المؤثرة

سعة الإجهاد: يؤثر حجم الإجهاد بشكل مباشر على عمر الكلال للمعدن.

متوسط ​​حجم الإجهاد: كلما زاد متوسط ​​الإجهاد، كلما قصر عمر الكلال للمعدن.

عدد الدورات: كلما زاد عدد المرات التي يتعرض فيها المعدن للإجهاد أو الانفعال الدوري، كلما زاد تراكم أضرار الكلال.

التدابير الوقائية

تحسين اختيار المواد: حدد المواد ذات حدود الكلال الأعلى.

تقليل تركيز الإجهاد: تقليل تركيز الإجهاد من خلال التصميم الإنشائي أو طرق المعالجة، مثل استخدام التحولات الزاوية المستديرة، وزيادة أبعاد المقاطع العرضية، وما إلى ذلك.

المعالجة السطحية: التلميع والرش وما إلى ذلك على السطح المعدني لتقليل عيوب السطح وتحسين قوة الكلال.

الفحص والصيانة: فحص المكونات المعدنية بانتظام لاكتشاف وإصلاح العيوب مثل الشقوق على الفور؛ المحافظة على الأجزاء المعرضة للتعب، مثل استبدال الأجزاء المهترئة وتعزيز الروابط الضعيفة.

يعد التعب المعدني أحد أوضاع فشل المعادن الشائعة، والذي يتميز بالمفاجأة والمحلية والحساسية للبيئة. تعد سعة الإجهاد ومتوسط ​​حجم الإجهاد وعدد الدورات من العوامل الرئيسية التي تؤثر على إجهاد المعدن.

منحنى SN: يصف عمر الكلال للمواد تحت مستويات إجهاد مختلفة، حيث يمثل S الإجهاد و N يمثل عدد دورات الإجهاد.

صيغة معامل قوة التعب:

(Kf = كا \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

حيث (Ka) هو عامل الحمولة، (Kb) هو عامل الحجم، (Kc) هو عامل درجة الحرارة، (Kd) هو عامل جودة السطح، و (Ke) هو عامل الموثوقية.

التعبير الرياضي لمنحنى SN:

(\ سيجما ^ م ن = ج)

حيث (\sigma) هو الإجهاد، N هو عدد دورات الإجهاد، وm وC ثوابت مادية.

خطوات الحساب

تحديد الثوابت المادية:

تحديد قيم m وC من خلال التجارب أو بالإشارة إلى الأدبيات ذات الصلة.

تحديد عامل تركيز الإجهاد: خذ في الاعتبار الشكل والحجم الفعلي للجزء، بالإضافة إلى تركيز الإجهاد الناتج عن الشرائح والمفاتيح وما إلى ذلك، لتحديد عامل تركيز الإجهاد K. حساب قوة التعب: وفقًا لمنحنى SN والإجهاد يقوم عامل التركيز، جنبًا إلى جنب مع عمر التصميم ومستوى ضغط العمل للجزء، بحساب قوة الكلال.

2. اللدونة:

تشير اللدونة إلى خاصية المادة التي، عند تعرضها لقوة خارجية، تنتج تشوهًا دائمًا دون أن تنكسر عندما تتجاوز القوة الخارجية حد المرونة. هذا التشوه لا رجعة فيه، ولن تعود المادة إلى شكلها الأصلي حتى لو تمت إزالة القوة الخارجية.

مؤشر اللدونة وصيغة حسابه

استطالة (δ)

التعريف: الاستطالة هي النسبة المئوية للتشوه الكلي لقسم المقياس بعد كسر العينة إلى طول المقياس الأصلي.

الصيغة: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

حيث L0 هو طول المقياس الأصلي للعينة؛

L1 هو طول المقياس بعد كسر العينة.

التخفيض القطاعي (Ψ)

التعريف: التخفيض القطاعي هو النسبة المئوية للحد الأقصى للتخفيض في مساحة المقطع العرضي عند نقطة العنق بعد كسر العينة إلى منطقة المقطع العرضي الأصلية.

الصيغة: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

حيث F0 هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة؛

F1 هي منطقة المقطع العرضي عند نقطة العنق بعد كسر العينة.

3. الصلابة

صلابة المعادن هي مؤشر خاصية ميكانيكية لقياس صلابة المواد المعدنية. يشير إلى القدرة على مقاومة التشوه في الحجم المحلي على سطح المعدن.

تصنيف وتمثيل صلابة المعادن

تحتوي صلابة المعدن على مجموعة متنوعة من طرق التصنيف والتمثيل وفقًا لطرق الاختبار المختلفة. تشمل بشكل رئيسي ما يلي:

صلابة برينل (HB):

نطاق التطبيق: يستخدم بشكل عام عندما تكون المادة أكثر ليونة، مثل المعادن غير الحديدية أو الفولاذ قبل المعالجة الحرارية أو بعد التلدين.

مبدأ الاختبار: مع حجم معين من حمل الاختبار، يتم ضغط كرة فولاذية صلبة أو كرة كربيد بقطر معين على سطح المعدن المراد اختباره، ويتم تفريغ الحمولة بعد وقت محدد، وقطر المسافة البادئة يتم قياسها على السطح المراد اختباره.

صيغة الحساب: قيمة صلابة برينل هي الحاصل الذي يتم الحصول عليه عن طريق قسمة الحمل على مساحة السطح الكروية للمسافة البادئة.

صلابة روكويل (HR):

نطاق التطبيق: يستخدم بشكل عام للمواد ذات الصلابة العالية، مثل الصلابة بعد المعالجة الحرارية.

مبدأ الاختبار: يشبه صلابة برينل، ولكن باستخدام مجسات مختلفة (الماس) وطرق حسابية مختلفة.

الأنواع: حسب التطبيق، هناك HRC (للمواد عالية الصلابة)، HRA، HRB وأنواع أخرى.

صلابة فيكرز (HV):

نطاق التطبيق: مناسب للتحليل المجهري.

مبدأ الاختبار: اضغط على سطح المادة بحمولة أقل من 120 كجم وإزاحة مخروطية مربعة من الماس بزاوية قمة تبلغ 136 درجة، وتقسيم مساحة سطح حفرة المسافة البادئة للمادة على قيمة الحمولة للحصول على قيمة صلابة فيكرز.

صلابة ليب (HL):

الميزات: جهاز اختبار الصلابة المحمول، سهل القياس.

مبدأ الاختبار: استخدم الارتداد الناتج عن رأس كرة التصادم بعد التصادم على سطح الصلابة، وحساب الصلابة عن طريق نسبة سرعة الارتداد للثقب عند 1 مم من سطح العينة إلى سرعة التصادم.