ملخص الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية

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

1. اختبار الشد

يعتمد اختبار الشد على المبادئ الأساسية لميكانيكا المواد. بتطبيق حمل شد على عينة المادة في ظل ظروف معينة، يُسبب تشوهًا شديًا حتى تنكسر. أثناء الاختبار، يُسجل تشوه العينة التجريبية تحت أحمال مختلفة، بالإضافة إلى أقصى حمل عند انكسار العينة، وذلك لحساب قوة الخضوع، وقوة الشد، ومؤشرات أداء المادة الأخرى.

الإجهاد σ = F/A

σ هي قوة الشد (ميجا باسكال)

F هو حمل الشد (N)

أ هي مساحة المقطع العرضي للعينة

2. منحنى الشد

تحليل عدة مراحل من عملية التمدد:

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

ب. بعد تجاوز الحمل Fp، يبدأ منحنى الشد باتخاذ علاقة غير خطية. تدخل العينة مرحلة التشوه الأولية، ويُزال الحمل، فتعود العينة إلى حالتها الأصلية وتتشوه مرنًا.

ج. بعد أن يتجاوز الحمل قيمة Fe، يُزال الحمل، ويُستعاد جزء من التشوه، ويُحتفظ بجزء من التشوه المتبقي، وهو ما يُسمى بالتشوه البلاستيكي. يُسمى Fe حد المرونة.

د. عند زيادة الحمل، يُظهر منحنى الشد شكلًا مسننًا. عندما لا يزداد الحمل أو ينقص، تُسمى ظاهرة الاستطالة المستمرة للعينة التجريبية بالخضوع. بعد الخضوع، تبدأ العينة بالتعرض لتشوه بلاستيكي واضح.

هـ. بعد الخضوع، تُظهر العينة زيادة في مقاومة التشوه، وتصلُّب العمل، وتقوية التشوه. عندما يصل الحمل إلى Fb، ينكمش الجزء نفسه من العينة بشكل حاد. Fb هو حد القوة.

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

قوة الخضوع

مقاومة الخضوع هي أقصى قيمة إجهاد يمكن للمادة المعدنية تحملها من بداية التشوه البلاستيكي حتى الكسر الكامل عند تعرضها لقوة خارجية. تُشير هذه القيمة إلى النقطة الحرجة التي تنتقل فيها المادة من مرحلة التشوه المرن إلى مرحلة التشوه البلاستيكي.

تصنيف

قوة الخضوع العلوية: تشير إلى أقصى إجهاد للعينة قبل أن تنخفض القوة للمرة الأولى عندما يحدث الخضوع.

مقاومة الخضوع المنخفضة: تشير إلى أدنى إجهاد في مرحلة الخضوع عند تجاهل التأثير العابر الأولي. ونظرًا لثبات قيمة نقطة الخضوع المنخفضة نسبيًا، تُستخدم عادةً كمؤشر على مقاومة المادة، وتُسمى نقطة الخضوع أو مقاومة الخضوع.

صيغة الحساب

بالنسبة لقوة الخضوع العلوية: R = F / Sₒ، حيث F هي أقصى قوة قبل انخفاض القوة لأول مرة في مرحلة الخضوع، وSₒ هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة.

لقوة الخضوع المنخفضة: R = F / Sₒ، حيث F هي الحد الأدنى للقوة F متجاهلة التأثير العابر الأولي، وSₒ هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة.

وحدة

وحدة قوة الخضوع عادة هي MPa (ميجا باسكال) أو N/mm² (نيوتن لكل مليمتر مربع).

مثال

لنأخذ الفولاذ منخفض الكربون كمثال، فحد خضوعه عادةً هو 207 ميجا باسكال. عند تعرضه لقوة خارجية أكبر من هذا الحد، يُحدث الفولاذ منخفض الكربون تشوهًا دائمًا لا يمكن استعادته؛ أما عند تعرضه لقوة خارجية أقل من هذا الحد، فيمكنه العودة إلى حالته الأصلية.

تُعد مقاومة الخضوع أحد المؤشرات المهمة لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية، فهي تعكس قدرة المواد على مقاومة التشوه البلاستيكي عند تعرضها لقوى خارجية.

قوة الشد

قوة الشد هي قدرة المادة على مقاومة التلف تحت تأثير حمل الشد، وتُعبَّر عنها تحديدًا بأقصى قيمة إجهاد تتحملها المادة أثناء عملية الشد. عندما يتجاوز إجهاد الشد على المادة قوة شدها، تتعرض المادة لتشوه بلاستيكي أو كسر.

صيغة الحساب

صيغة حساب قوة الشد (σt) هي:

σt = F / A

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

وحدة

وحدة قياس قوة الشد عادةً هي ميجا باسكال (MPa) أو نيوتن/ملم² (نيوتن لكل مليمتر مربع). 1 ميجا باسكال يساوي 1,000,000 نيوتن لكل متر مربع، وهو ما يعادل أيضًا 1 نيوتن/ملم².

العوامل المؤثرة

تتأثر قوة الشد بالعديد من العوامل، بما في ذلك التركيب الكيميائي، والبنية الدقيقة، وعملية المعالجة الحرارية، وطريقة المعالجة، وما إلى ذلك. تتمتع المواد المختلفة بقوى شد مختلفة، لذلك في التطبيقات العملية، من الضروري اختيار المواد المناسبة بناءً على الخصائص الميكانيكية للمواد.

التطبيق العملي

تُعد قوة الشد معيارًا بالغ الأهمية في مجال علوم وهندسة المواد، ويُستخدم غالبًا لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد. وتُعدّ قوة الشد عاملًا أساسيًا يجب مراعاته في تصميم الهياكل، واختيار المواد، وتقييم السلامة، وغيرها. على سبيل المثال، في هندسة البناء، تُعد قوة شد الفولاذ عاملًا مهمًا في تحديد قدرته على تحمل الأحمال؛ وفي مجال الفضاء، تُعد قوة شد المواد خفيفة الوزن وعالية القوة عاملًا أساسيًا لضمان سلامة الطائرات.

قوة التعب:

يشير تعب المعدن إلى العملية التي تنتج فيها المواد والمكونات تدريجيًا أضرارًا تراكمية محلية دائمة في مكان واحد أو أكثر تحت الضغط الدوري أو الانفعال الدوري، وتحدث الشقوق أو الكسور الكاملة المفاجئة بعد عدد معين من الدورات.

سمات

المفاجأة في الوقت المناسب: غالبًا ما يحدث فشل التعب المعدني فجأة في فترة قصيرة من الزمن دون ظهور علامات واضحة.

الموقع في الموضع: عادة ما يحدث فشل التعب في المناطق المحلية حيث يتركز الضغط.

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

العوامل المؤثرة

سعة الإجهاد: تؤثر سعة الإجهاد بشكل مباشر على عمر التعب للمعدن.

متوسط ​​حجم الإجهاد: كلما زاد متوسط ​​الإجهاد، كلما كانت مدة التعب للمعدن أقصر.

عدد الدورات: كلما زاد عدد مرات تعرض المعدن للإجهاد أو الانفعال الدوري، زادت خطورة تراكم الضرر الناتج عن التعب.

التدابير الوقائية

تحسين اختيار المواد: اختر المواد ذات حدود التعب الأعلى.

تقليل تركيز الإجهاد: تقليل تركيز الإجهاد من خلال التصميم الهيكلي أو أساليب المعالجة، مثل استخدام انتقالات الزوايا المستديرة، وزيادة أبعاد المقطع العرضي، وما إلى ذلك.

معالجة السطح: التلميع والرش وما إلى ذلك على سطح المعدن لتقليل عيوب السطح وتحسين قوة التعب.

التفتيش والصيانة: فحص المكونات المعدنية بانتظام للكشف عن العيوب وإصلاحها على الفور مثل الشقوق؛ صيانة الأجزاء المعرضة للتعب، مثل استبدال الأجزاء البالية وتعزيز الروابط الضعيفة.

إجهاد المعدن هو حالة شائعة لفشل المعدن، تتميز بالسرعة والمكانية والحساسية للبيئة. وتُعد سعة الإجهاد، ومتوسط ​​مقدار الإجهاد، وعدد الدورات، العوامل الرئيسية المؤثرة على إجهاد المعدن.

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

صيغة معامل قوة التعب:

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

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

التعبير الرياضي لمنحنى SN:

(\sigma^m N = C)

حيث (sigma) هو الإجهاد، و N هو عدد دورات الإجهاد، و m و C هي ثوابت مادية.

خطوات الحساب

تحديد الثوابت المادية:

تحديد قيم m و C من خلال التجارب أو بالرجوع إلى الأدبيات ذات الصلة.

تحديد عامل تركيز الإجهاد: ضع في اعتبارك الشكل والحجم الفعليين للجزء، بالإضافة إلى تركيز الإجهاد الناتج عن الشرائح والفتحات الرئيسية وما إلى ذلك، لتحديد عامل تركيز الإجهاد K. حساب قوة التعب: وفقًا لمنحنى SN وعامل تركيز الإجهاد، جنبًا إلى جنب مع عمر التصميم ومستوى الإجهاد العامل للجزء، احسب قوة التعب.

2. اللدونة:

اللدونة هي خاصية المادة التي تُحدث، عند تعرضها لقوة خارجية، تشوهًا دائمًا دون أن تنكسر عندما تتجاوز القوة الخارجية حد مرونتها. هذا التشوه غير قابل للعكس، ولن تعود المادة إلى شكلها الأصلي حتى مع إزالة القوة الخارجية.

مؤشر اللدونة وصيغة حسابه

الاستطالة (δ)

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

الصيغة: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

حيث L0 هو طول القياس الأصلي للعينة؛

L1 هو طول القياس بعد كسر العينة.

التخفيض القطاعي (Ψ)

التعريف: التخفيض القطاعي هو النسبة المئوية لأقصى تخفيض في مساحة المقطع العرضي عند نقطة العنق بعد كسر العينة إلى مساحة المقطع العرضي الأصلية.

الصيغة: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

حيث F0 هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة؛

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

3. الصلابة

صلابة المعدن مؤشرٌ لخواص ميكانيكية لقياس صلابة المواد المعدنية. وهي تشير إلى قدرتها على مقاومة التشوه في الحجم المحلي لسطح المعدن.

تصنيف وتمثيل صلابة المعادن

لصلابة المعادن طرق تصنيف وتمثيل متنوعة وفقًا لطرق الاختبار المختلفة. وتشمل بشكل رئيسي ما يلي:

صلابة برينيل (HB):

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

مبدأ الاختبار: مع حجم معين من حمل الاختبار، يتم الضغط على كرة فولاذية صلبة أو كرة كربيد ذات قطر معين على سطح المعدن المراد اختباره، ويتم تفريغ الحمل بعد وقت محدد، ويتم قياس قطر المسافة البادئة على السطح المراد اختباره.

صيغة الحساب: قيمة صلابة برينيل هي الحاصل الناتج عن قسمة الحمل على مساحة السطح الكروي للتجويف.

صلابة روكويل (HR):

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

مبدأ الاختبار: مماثل لصلادة برينيل، ولكن باستخدام مجسات مختلفة (الماس) وطرق حساب مختلفة.

الأنواع: اعتمادًا على التطبيق، هناك HRC (للمواد ذات الصلابة العالية)، وHRA، وHRB وأنواع أخرى.

صلابة فيكرز (HV):

نطاق التطبيق: مناسب لتحليل المجهر.

مبدأ الاختبار: اضغط على سطح المادة بحمل أقل من 120 كجم ومخروط مربع ماسي بزاوية رأسية 136 درجة، وقسم مساحة سطح حفرة تعميق المادة على قيمة الحمل للحصول على قيمة صلابة فيكرز.

صلابة ليب (HL):

المميزات: جهاز اختبار الصلابة المحمول، سهل القياس.

مبدأ الاختبار: استخدم الارتداد الناتج عن رأس الكرة المؤثرة بعد اصطدامها بسطح الصلابة، واحسب الصلابة من خلال نسبة سرعة ارتداد اللكمة على مسافة 1 مم من سطح العينة إلى سرعة الاصطدام.