ملخص الخصائص الميكانيكية للمواد المعدنية

يستخدم اختبار الشد للقوة بشكل أساسي لتحديد قدرة المواد المعدنية على مقاومة الأضرار 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 المواد في ظل ظروف معينة ، فإنه يسبب تشوه الشد حتى تنكسر العينة. أثناء الاختبار ، تشوه العينة التجريبية تحت أحمال مختلفة والحمل القصوى عند تسجيل فواصل العينة ، وذلك لحساب قوة العائد ، وقوة الشد ومؤشرات الأداء الأخرى للمادة.

الإجهاد σ = f/a

σ هي قوة الشد (MPA)

F هو الحمل الشد (N)

A هي المنطقة المستعرضة للعينة

2. منحنى الشد

تحليل عدة مراحل من عملية التمدد:

أ. في مرحلة OP مع حمولة صغيرة ، يكون الاستطالة في علاقة خطية مع الحمل ، و FP هو الحد الأقصى للحمل للحفاظ على الخط المستقيم.

ب. بعد أن يتجاوز الحمل FP ، يبدأ منحنى الشد في أخذ علاقة غير خطية. تدخل العينة إلى مرحلة التشوه الأولية ، ويتم إزالة الحمل ، ويمكن للعينة العودة إلى حالتها الأصلية وتشوهها بشكل مرن.

ج. بعد أن يتجاوز الحمل FE ، تتم إزالة الحمل ، ويتم استعادة جزء من التشوه ، ويتم الاحتفاظ بجزء من التشوه المتبقي ، والذي يسمى تشوه البلاستيك. يسمى FE الحد المرن.

د. عندما يزيد الحمل ، يظهر منحنى الشد sawtooth. عندما لا يزيد الحمل أو ينخفض ​​، تسمى ظاهرة الاستطالة المستمرة للعينة التجريبية العائد. بعد العائد ، تبدأ العينة في الخضوع تشوه البلاستيك الواضح.

ه. بعد العائد ، تُظهر 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. ظاهرة الانكماش تؤدي إلى انخفاض في قدرة تحمل العينة. عندما يصل الحمل إلى FK ، تنهار العينة. وهذا ما يسمى حمل الكسر.

قوة العائد

قوة العائد هي الحد الأقصى لقيمة الإجهاد التي يمكن للمواد المعدنية تحملها من بداية تشوه البلاستيك لإكمال الكسر عند تعرضها للقوة الخارجية. تمثل هذه القيمة النقطة الحرجة حيث تنتقل المواد من مرحلة التشوه المرنة إلى مرحلة التشوه البلاستيكية.

تصنيف

قوة العائد العلوية: تشير إلى الحد الأقصى لضغط العينة قبل انخفاض القوة لأول مرة عند حدوث العائد.

قوة العائد المنخفض: يشير إلى الحد الأدنى من الإجهاد في مرحلة العائد عند تجاهل التأثير العابر الأولي. نظرًا لأن قيمة نقطة العائد السفلية مستقرة نسبيًا ، فعادة ما تستخدم كمؤشر لمقاومة المواد ، وتسمى نقطة العائد أو قوة العائد.

صيغة الحساب

بالنسبة لقوة العائد العلوي: r = f / sₒ ، حيث F هي القوة القصوى قبل انخفاض القوة لأول مرة في مرحلة العائد ، و Sₒ هي المنطقة المستعرضة الأصلية للعينة.

بالنسبة إلى انخفاض قوة العائد: r = f / sₒ ، حيث F هو الحد الأدنى للقوة F يتجاهل التأثير العابر الأولي ، و Sₒ هو المنطقة المستعرضة الأصلية للعينة.

وحدة

عادةً ما تكون وحدة قوة العائد MPA (Megapascal) أو N/Mm² (Newton لكل ملليمتر مربع).

مثال

خذ الصلب الكربون المنخفض على سبيل المثال ، عادة ما يكون الحد الأقصى لعائده 207 ميجا باسكال. عندما تتعرض لقوة خارجية أكبر من هذا الحد ، فإن الفولاذ الكربون المنخفض سيؤدي إلى تشوه دائم ولا يمكن استعادته ؛ عندما تتعرض لقوة خارجية أقل من هذا الحد ، يمكن أن يعود الفولاذ الكربون المنخفض إلى حالته الأصلية.

قوة العائد هي واحدة من المؤشرات المهمة لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية. إنه يعكس قدرة المواد على مقاومة تشوه البلاستيك عند تعرضها للقوى الخارجية.

قوة الشد

قوة الشد هي قدرة المادة على مقاومة الأضرار تحت حمل الشد ، والتي يتم التعبير عنها على وجه التحديد كأقصى قيمة للإجهاد التي يمكن للمادة تحملها أثناء عملية الشد. عندما يتجاوز الإجهاد الشد على المادة قوته الشد ، ستخضع المادة إلى تشوه بلاستيكي أو كسر.

صيغة الحساب

صيغة الحساب لقوة الشد (σT) هي:

σt = f / a

عندما تكون F هي أقصى قوة شد (نيوتن ، ن) يمكن للعينة تحملها قبل الانهيار ، و A هي المساحة المستعرضة الأصلية للعينة (مربع ملليمتر ، Mm²).

وحدة

عادةً ما تكون وحدة قوة الشد MPA (Megapascal) أو N/Mm² (Newton لكل ملليمتر مربع). 1 ميجا باسكال تساوي 1،000،000 نيوتن لكل متر مربع ، وهو ما يساوي أيضا 1 ن/ملم².

عوامل التأثير

تتأثر قوة الشد بالعديد من العوامل ، بما في ذلك التركيب الكيميائي ، والبنية المجهرية ، وعملية المعالجة الحرارية ، وطريقة المعالجة ، وما إلى ذلك. المواد المختلفة لها نقاط قوة شد مختلفة ، لذلك في التطبيقات العملية ، من الضروري اختيار مواد مناسبة بناءً على الخصائص الميكانيكية لـ مواد.

التطبيق العملي

قوة الشد هي معلمة مهمة للغاية في مجال علوم وهندسة المواد ، وغالبًا ما يتم استخدامها لتقييم الخصائص الميكانيكية للمواد. فيما يتعلق بالتصميم الهيكلي ، واختيار المواد ، وتقييم السلامة ، وما إلى ذلك ، فإن قوة الشد هي عامل يجب مراعاته. على سبيل المثال ، في هندسة البناء ، تعتبر قوة الشد للصلب عاملاً مهمًا في تحديد ما إذا كان بإمكانه تحمل الأحمال ؛ في مجال الفضاء ، تعتبر قوة الشد للمواد الخفيفة والخفيفة ذات القوة هي المفتاح لضمان سلامة الطائرة.

قوة التعب:

يشير التعب المعدني إلى العملية التي تنتج فيها المواد والمكونات تدريجياً أضرارًا تراكمية دائمة محلية في أحد الأماكن أو عدة أماكن تحت الإجهاد الدوري أو الإجهاد 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 زمنية قصيرة دون علامات واضحة.

المكان في الموضع: عادة ما يحدث فشل التعب في المناطق المحلية حيث يتركز الإجهاد.

حساسية البيئة والعيوب: التعب المعدني حساس للغاية للبيئة والعيوب الصغيرة داخل المادة ، مما قد يسرع عملية التعب.

عوامل التأثير

سعة الإجهاد: يؤثر حجم الإجهاد بشكل مباشر على حياة التعب للمعدن.

متوسط ​​حجم الإجهاد: كلما كان متوسط ​​الإجهاد أكبر ، كلما كان عمر التعب أقصر.

عدد الدورات: كلما زاد عدد المعدن تحت الإجهاد أو الإجهاد الدوري ، كان تراكم تلف التعب أكثر خطورة.

التدابير الوقائية

تحسين اختيار المواد: حدد مواد ذات حدود تعب أعلى.

تقليل تركيز الإجهاد: تقليل تركيز الإجهاد من خلال تصميمات التصميم أو المعالجة الهيكلية ، مثل استخدام انتقالات الزاوية المستديرة ، وزيادة الأبعاد المستعرضة ، إلخ.

المعالجة السطحية: التلميع ، الرش ، إلخ على سطح المعدن لتقليل عيوب السطح وتحسين قوة التعب.

التفتيش والصيانة: فحص المكونات المعدنية بانتظام للكشف عن العيوب وإصلاحها على الفور مثل الشقوق ؛ الحفاظ على أجزاء عرضة للإرهاق ، مثل استبدال الأجزاء البالية وتعزيز الروابط الضعيفة.

التعب المعدني هو وضع فشل معدني شائع ، يتميز بالفجوة والمحلية والحساسية للبيئة. سعة الإجهاد ، متوسط ​​حجم الإجهاد وعدد الدورات هي العوامل الرئيسية التي تؤثر على التعب المعدني.

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

صيغة معامل قوة التعب:

(kf = ka \ cdot kb \ cdot kc \ cdot kd \ cdot ke)

عندما يكون (KA) عامل التحميل ، (KB) هو عامل الحجم ، (KC) هو عامل درجة الحرارة ، (KD) هو عامل جودة السطح ، و (KE) هو عامل الموثوقية.

SN منحنى التعبير الرياضي:

(\ sigma^m n = c)

حيث (\ sigma) هو الإجهاد ، n هو عدد دورات الإجهاد ، و M و C هي ثوابت مادية.

خطوات الحساب

تحديد ثوابت المواد:

تحديد قيم M و C من خلال التجارب أو عن طريق الإشارة إلى الأدبيات ذات الصلة.

حدد عامل تركيز الإجهاد: ضع في اعتبارك الشكل الفعلي وحجم الجزء ، وكذلك تركيز الإجهاد الناجم عن الشرائح والممرات ، وما إلى ذلك ، لتحديد عامل تركيز الإجهاد K. حساب قوة التعب: وفقًا لمنحنى SN والإجهاد عامل التركيز ، جنبا إلى جنب مع حياة التصميم ومستوى إجهاد العمل من الجزء ، حساب قوة التعب.

2. اللدونة:

تشير اللدونة إلى خاصية مادة ، عندما تخضع لقوة خارجية ، تنتج تشوهًا دائم دون كسر عندما تتجاوز القوة الخارجية الحد المرن. هذا التشوه لا رجعة فيه ، ولن تعود المادة إلى شكلها الأصلي حتى إذا تمت إزالة القوة الخارجية.

مؤشر اللدونة وصيغة حسابه

استطالة (Δ)

التعريف: الاستطالة هي النسبة المئوية للتشوه الكلي لقسم المقياس بعد أن يتم 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.

تقليل قطاعي (ψ)

التعريف: التخفيض القطاعي هو النسبة المئوية لخفض الحد الأقصى في المنطقة المستعرضة في نقطة الذروة بعد كسر العينة إلى المنطقة المستعرضة الأصلية.

الصيغة: ψ = (F0 - F1) / F0 × 100 ٪

حيث F0 هي المنطقة المستعرضة الأصلية للعينة ؛

F1 هي المنطقة المستعرضة في نقطة الذروة بعد كسر العينة.

3. صلابة

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

تصنيف وتمثيل صلابة المعادن

صلابة المعادن لديها مجموعة متنوعة من أساليب التصنيف والتمثيل وفقًا لطرق الاختبار المختلفة. تشمل بشكل رئيسي ما يلي:

برينل صلابة (HB):

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

مبدأ الاختبار: مع وجود حجم معين من حمولة الاختبار ، يتم الضغط على كرة فولاذية صلبة أو كرة كربيد لقطر معين على سطح المعدن ليتم اختباره ، ويتم تفريغ الحمل بعد وقت محدد ، وقطر المسافة البادئة يتم قياس على السطح المراد اختباره.

صيغة الحساب: قيمة صلابة Brinell هي الحاصل الذي تم الحصول عليه عن طريق تقسيم الحمل على مساحة السطح الكروية للمسافة البادئة.

Rockwell Hardness (HR):

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

مبدأ الاختبار: على غرار صلابة برينيل ، ولكن باستخدام تحقيقات مختلفة (الماس) وطرق حساب مختلفة.

الأنواع: بناءً على التطبيق ، هناك HRC (لمواد الصلابة العالية) ، HRA ، HRB وأنواع أخرى.

فيكرز صلابة (HV):

نطاق التطبيق: مناسب لتحليل المجهر.

مبدأ الاختبار: اضغط على سطح المادة مع حمولة أقل من 120 كجم ومخروط مخروط مربع الماس بزاوية قمة بقيمة 136 درجة ، وقسم مساحة سطح حفرة المسافة البادئة بواسطة قيمة الحمل للحصول على قيمة صلابة Vickers.

LEB Hardness (HL):

الميزات: اختبار صلابة محمول ، سهل القياس.

مبدأ الاختبار: استخدم الارتداد الناتج عن رأس كرة التأثير بعد التأثير على سطح الصلابة ، وحساب صلابة بنسبة سرعة الارتداد للكمة عند 1 مم من سطح العينة إلى سرعة التأثير.