قوة الخضوع مقابل قوة الشد للمواد: شرح الفرق بينهما

1. معايير العائد

هناك ثلاثة معايير إنتاجية شائعة الاستخدام في الهندسة هي

(1) الحد التناسبي - أعلى إجهاد يحافظ على علاقة خطية على منحنى الإجهاد-الإجهاد، ويمثل دوليًا بالرمز σp. تعتبر المادة بداية الخضوع عندما يتجاوز الإجهاد σp.

(2) الحد المرن - بعد تحميل وتفريغ عينة الاختبار، يكون المعيار هو عدم وجود تشوه دائم متبقي. ويمثل عادةً أعلى إجهاد يمكن للمادة أن تتعافى عنده بشكل مرن بالكامل على أنه σel دولياً. تعتبر المادة بداية الاستسلام عندما يتجاوز الإجهاد σel.

(3) قوة المردود - المعيار هو تشوه متبقي محدد، مثل 0.2% إجهاد التشوه المتبقي الذي يؤخذ كقوة خضوع يرمز له بـ σ0.2 أو σys.

2. العوامل المؤثرة على قوة الخضوع

تشمل العوامل الجوهرية التي تؤثر على قوة الخضوع ما يلي:

الترابط والبنية المجهرية والبنية والخصائص الذرية. توضح مقارنة قوة الخضوع للمعادن مع السيراميك والبوليمرات التأثير الأساسي للترابط.

من من منظور تأثيرات البنية المجهرية، يمكن أن تؤثر أربع آليات تقوية على قوة الخضوع للمواد المعدنية:

(1) تقوية المحلول الصلب;

(2) تصلب الإجهاد;

(3) تقوية الترسيب وتقوية التشتت;

(4) حدود الحبيبات وتقوية الحبيبات الفرعية.

يُعد التقوية بالترسيب وصقل الحبيبات أكثر الطرق شيوعًا لتحسين قوة الخضوع في السبائك الصناعية. من بين آليات التقوية هذه، تقلل الآليات الثلاث الأولى من اللدونة مع تحسين قوة المادة. يمكن أن يؤدي تنقية الحبيبات والحبيبات الفرعية فقط إلى زيادة كل من القوة واللدونة.

تشمل العوامل الخارجية التي تؤثر على قوة الخضوع ما يلي:

درجة الحرارة ومعدل الإجهاد وحالة الإجهاد. مع انخفاض درجة الحرارة وزيادة معدل الإجهاد، ترتفع قوة خضوع المادة. تكون المعادن المكعبة المتمركزة في الجسم حساسة بشكل خاص لدرجة الحرارة ومعدل الإجهاد، مما يؤدي إلى ظاهرة هشاشة الفولاذ في درجات الحرارة المنخفضة.

كما أن تأثير حالة الإجهاد مهم أيضًا. على الرغم من أن مقاومة الخضوع تعكس خاصية أساسية للمادة، فإن حالات الإجهاد المختلفة تؤدي إلى اختلاف مقاومة الخضوع. عادةً، عندما نشير إلى مقاومة الخضوع لمادة ما، فإننا نشير إلى مقاومة خضوعها تحت الشد أحادي الاتجاه.

3. الأهمية الهندسية لقوة الخضوع

تستخدم طرق تصميم القوة التقليدية قوة الخضوع كمعيار للمواد البلاستيكية، حيث يتم تحديد الإجهاد المسموح به [σ]= σys/n، حيث يكون عامل الأمان n عادةً 2 أو أكثر. بالنسبة للمواد الهشة، تُستخدم قوة الشد كمعيار، مع تحديد الإجهاد المسموح به [σ]=σb/n، حيث يكون عامل الأمان n عادةً 6.

من المهم ملاحظة أن اتباع طرق تصميم القوة التقليدية سيؤدي حتمًا إلى الإفراط في التركيز على المواد ذات قوة الخضوع العالية. ومع ذلك، كلما زادت قوة خضوع المادة، تنخفض مقاومة المادة للكسر، مما يزيد من خطر الكسر الهش.

لا تقتصر أهمية قوة الخضوع على أهمية التطبيق المباشر فحسب، بل تقيس أيضًا بعض السلوكيات الميكانيكية وأداء عملية المواد في الهندسة بشكل تقريبي.

على سبيل المثال، زيادة قوة خضوع المادة تجعلها أكثر حساسية للتآكل الإجهادي و تقصف الهيدروجين. إذا كانت مقاومة الخضوع لمادة ما منخفضة، فإن قوة خضوعها أفضل التشكيل على البارد وخصائص اللحام. لذلك، تعد قوة الخضوع مؤشرًا رئيسيًا لا غنى عنه لـ خواص المواد.

بعد أن تبدأ المادة في الاستسلام، يؤدي التشوه المستمر إلى تصلب الشغل.

4. الأهمية العملية لمؤشر التصلب في العمل n

يعكس مؤشر تصلب الشغل n تصلب إجهاد المادة بعد أن تبدأ في الاستسلام وتستمر في التشوه، ويحدد الحد الأقصى للإجهاد عندما يبدأ النخر في الحدوث. يحدد n أيضًا الحد الأقصى للإجهاد المنتظم الذي يمكن أن تنتجه المادة، وهي قيمة حاسمة في حالة البرودة عمليات التشكيل.

بالنسبة للأجزاء العاملة، يلزم أيضًا أن تتمتع المواد بقدرات تصلب عمل معينة.

وبخلاف ذلك، في ظل الأحمال الزائدة العرضية، سيحدث تشوه مفرط في اللدونة مما قد يؤدي إلى تشوه أو كسر محلي غير متساوٍ.

ولذلك، فإن قدرة تصلب العمل للمادة هي ضمان موثوق به للاستخدام الآمن للأجزاء.

يعتبر تصلب الإجهاد وسيلة أساسية لتعزيز قوة المادة. ويتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بمؤشر تصلب عمل كبير n=0.5، مما يؤدي إلى كمية تشوه عالية منتظمة.

على الرغم من أن قوة الخضوع للفولاذ المقاوم للصدأ ليست عالية، إلا أنه يمكن تحسينها بشكل كبير من خلال التشوه البارد. فولاذ عالي الكربون الأسلاك، بعد المعالجة والسحب في حمام الرصاص المتساوي الحرارة، يمكن أن تصل إلى أكثر من 2000 ميجا باسكال.

ومع ذلك، يمكن لطرق تقوية الإجهاد التقليدية زيادة القوة فقط مع تقليل اللدونة بشكل كبير. في بعض مواد جديدة التي يتم تطويرها، يلاحظ أن التغييرات في البنية المجهرية وتوزيعها يمكن أن تحسن كلاً من القوة واللدونة أثناء التشوه.

5. قوة الشد

تمثل قوة الشد مقاومة الكسر عندما لا تظهر المواد نخرًا. عند استخدام المواد الهشة في تصميم المنتج، يعتمد الإجهاد المسموح به على قوة الشد. ماذا تعني قوة الشد للمواد البلاستيكية العامة؟

على الرغم من أن قوة الشد تمثل فقط أقصى مقاومة للتشوه البلاستيكي المنتظم، إلا أنها تشير إلى قدرة التحميل القصوى للمادة تحت الشد الساكن. الحمل الخارجي المقابل لمقاومة الشد σb هو أقصى حمل يمكن أن تتحمله العينة.

على الرغم من أن العنق يتطور باستمرار ويزداد الضغط الفعلي، إلا أن الحمل الخارجي ينخفض بسرعة.

يُطلق على الشغل المستهلك لكل وحدة حجم من المادة من التشوه إلى الكسر تحت الشد السكوني المتانة الساكنة. بالمعنى الدقيق للكلمة، يجب أن تكون المساحة تحت منحنى الإجهاد-الإجهاد الحقيقي.

للتبسيط في الهندسة، يتم تقريبها على النحو التالي: بالنسبة للمواد البلاستيكية، تعتبر المتانة الساكنة مؤشرًا شاملاً للقوة واللدونة.

لا تتمتع المواد النقية عالية القوة مثل الفولاذ الزنبركي بصلابة استاتيكية عالية، كما أن الفولاذ منخفض الكربون ذو اللدونة الجيدة لا يتمتع بصلابة استاتيكية عالية أيضًا.

فقط الفولاذ الهيكلي الكربوني المتوسط (السبائكي) المروي والمقوّى بدرجة حرارة عالية هو الذي يتمتع بأعلى صلابة استاتيكية.

الصلابة ليست خاصية أساسية مستقلة للمعادن. فهي تشير إلى قدرة المعدن على مقاومة التشوه أو الكسر على سطحه ضمن حجم صغير.