لا يمكن للهندسة وعلوم المواد أن توجد دون معرفة تعريفات قوة الخضوع وقوة الشد. تحدد هاتان الخاصيتان كيفية استجابة المواد للضغط والحمل. قوة الخضوع هي النقطة التي يمكن أن تتشوه فيها المادة. قوة الشد هي أقصى حمل يمكننا تطبيقه على المادة قبل أن تنكسر. لذا, تقدم هذه المقالة تفاصيل عن الخصائص, الصيغ, مقارنات, والمعنى المادي لكلتا الخاصيتين. إلى جانب ذلك, نناقش بشكل أساسي المقارنة بين قوة الخضوع وقوة الشد.
أساسيات منحنى الإجهاد والانفعال
متماسك الإجهاد أو التوتر هو منحنى يمثل التغير في حجم أو شكل المادة تحت الضغط. لذا, عندما يرتفع التوتر, تتصرف المواد بشكل مرن في المرحلة الأولية وتكون قادرة على استعادة شكلها الأولي. بعد ذلك, نقاط الخضوع تعطي مرحلة تشوه مرنة, والتغييرات دائمة. هنا تنكسر المادة عند المنحنى وقوة الشد القصوى. لذا, أبعد من هذه النقطة, المادة لا تتحمل الضغط.
ما هي قوة العائد?
إنها النقطة على منحنى الإجهاد والانفعال حيث تفشل المادة في استعادة شكلها الحقيقي بعد تطبيق الإجهاد. السلالة البلاستيكية هي درجة مقاومتها للتشوه الدائم, خاصية مهمة في الهندسة الإنشائية والميكانيكية. يستخدم المهندسون ذوو الخبرة قوة الخضوع لتقدير مقدار الحمولة التي يمكن لمادة معينة تحملها دون التعرض لتشوه دائم.
صيغة قوة الخضوع
يمكننا حساب قوة الخضوع (s_y) مثل:
σy=Fy/Ao
هنا
Fy = القوة المطبقة عند نقطة الخضوع,
𝐴o = مساحة المقطع العرضي الأصلية
ما هي قوة الشد?
وهو أيضاً قوة الشد في نهاية المطاف (UTS)ويشير إلى مستوى التوتر. هنا, تخضع المواد لعمليات التمدد أو السحب حتى الفشل. هنا منحنى الإجهاد والانفعال هو المكان الذي توفر فيه المادة أقصى مقاومة للحمل المطبق. بعد الوصول إلى قوة الشد, هناك منطقة العنق; بعد ذلك, تفشل المادة وتنكسر. تعد قوة الشد أمرًا بالغ الأهمية في بعض التطبيقات للتأكد من كفاءة المواد في الالتزام بالإجهاد العالي.
صيغة قوة الشد:
يمكننا حساب قوة الشد (شارع) مثل:
σt = قدم / آو
أين:
𝐹𝑡 = أقصى قوة تتحملها المادة,
𝐴o = هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للمادة.
مقارنة بين قوة الخضوع وقوة الشد
فيما يلي بعض الاختلافات الشائعة بين قوة الخضوع وقوة الشد：
1. التعريف والغرض
YS وUTS لهما أهمية كبيرة في هندسة المواد. كل خاصية تؤدي وظائف مختلفة, أي. تحليل سلوك المادة تحت الضغط. تحدد قوة الخضوع مستوى الضغط الذي تتعرض عنده المادة لتشوه دائم وتستعيد شكلها الأصلي.
بينما الشد (قوة الشد في نهاية المطاف) هو أعلى ضغط يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر. تطبيقاتها للقوى المؤثرة على طول خط العمل لفصل خط مماثل.
2. منحنى الإجهاد والانفعال والموقع عليه
يتم تحديد قوة الخضوع عند الانتقال من الجزء الذي يصف التشوه المرن فقط إلى الجزء التالي من منحنى الإجهاد والانفعال الذي يظهر تغيرًا أكثر استدامة في الشكل. يمكن تحديد قوة الشد من خلال قيمة الذروة - النقطة التي تشير إلى الحد الأقصى لإجهاد الشد وهي قدرة المادة على تحمل الأحمال حتى العنق والفشل.
3. التطبيق في هيكل البناء
يتم تطبيق قوة الخضوع لضمان عدم فقدان الهياكل لشكلها تحت الضغط. على سبيل المثال, تؤثر قوة الخضوع على الأعضاء الحاملة للمبنى كأعمدة أو جسر كعوارض داعمة. قوة الشد, لكن, عالية بما يكفي بحيث لا تنكسر المواد بسهولة عند مواجهة قوى السحب.
4. اعتبارات عامل السلامة
يتم اختيار قوة الخضوع كحد تصميمي لعوامل السلامة. بعض المواد التي يمكنها عبور نقطة الإنتاج هذه تشكل تهديدًا. وهذا التهديد يمكن أن يضعف سلامة الهيكل ويشوهه. توفر قوة الشد حدًا نهائيًا لمستوى القوة. لأنه يتجاوز هذا المستوى, يحدث الكسر وهو أمر محتمل في التطبيقات عالية الضغط.
5. ليونة المواد وهشاشة المواد
تساهم قوة التركيبات وكذلك الصلابة والتهور أيضًا في نقاط القوة هذه. غالبًا ما تتزامن قوة الخضوع مع الليونة, إنه, يمكن لهذه المواد أن تتحمل أحمالًا أعلى قبل أن تتشوه بشكل دائم. على العموم, تميل قوة الشد إلى أن تكون أعلى في المواد اللدنة. لكن المواد الهشة يمكن أن تنتج أيضًا قوة شد عالية بما يتناسب مع قوة الخضوع, يمكن أن تنكسر بسهولة.
6. التطبيق في الحياة الحقيقية والصناعات
علاوة على ذلك, تعد قوة الخضوع أمرًا بالغ الأهمية لشكل المكون ولا تتطلب تشوهًا دائمًا تحت الأحمال المعتادة. على الجانب الآخر, قوة الشد مهمة في مجالات مثل الطيران والسيارات. هنا تُجبر المواد على الاستجابة لعزم الدوران دون أن تنكسر.
7. التقنيات المستخدمة في الاختبار والقياس
حتى الإجراءات المستخدمة لقياس كل خاصية مختلفة. يمكن الحصول على قوة الخضوع من خلال إجراء الضغط حتى بداية التشوه اللدن أو تطبيق الضغط الذي يؤدي إلى تعرض المادة للتشوه اللدن; يمكن تحديد العائد باستخدام طرق الإزاحة مثل 0.2% للمعادن. ومع ذلك، تتم قوة الشد عن طريق تطبيق الضغط بشكل تدريجي حتى يحدث الكسر أو الفشل.
8. تأثير درجة الحرارة والبيئة
درجة الحرارة وغيرها من الظروف يمكن أن تؤثر على كل من هذه الخصائص. قد تقلل المرونة من قوة إنتاج المادة. لأن هذا يحدد مستوى الضغط الذي يمكن أن تدعمه المادة بدون تشوه. تعتمد قوة الشد أيضًا على درجة الحرارة. على الرغم من أن معظم المواد تميل إلى أن تكون أكثر صلابة في درجات الحرارة المرتفعة عنها في ظروف درجات الحرارة المنخفضة.
| ملكية | قوة العائد | قوة الشد |
| تعريف | الإجهاد الذي يبدأ عنده التشوه الدائم. | أقصى قدر من الضغط قبل الكسر. |
| نقطة على منحنى الإجهاد والانفعال | الانتقال من التشوه المرن إلى التشوه البلاستيكي. | الذروة قبل انقطاع المواد. |
| الوحدات | ميغاباسكال أو رطل لكل بوصة مربعة. | ميغاباسكال أو رطل لكل بوصة مربعة. |
| نطاق القيمة النموذجية | 200 الآلام والكروب الذهنية ل 2500 MPa. | 250 الآلام والكروب الذهنية ل 3500 MPa. |
| أهمية | يشير إلى مقاومة التشوه الدائم. | يشير إلى الحمل الأقصى قبل الكسر. |
| مثال التطبيق | الهياكل الحاملة (على سبيل المثال, الجسور). | مقاومة القوة القصوى (على سبيل المثال, الكابلات). |
| السلوك المادي | مقاومة التغيير الدائم. | مقاومة الفشل. |
العائد وقوة الشد كمؤشرات أداء رئيسية
تعتبر كل من قوة الخضوع والشد مهمة بالنسبة للمادة لتحليل قدرتها. لذا, يمكن أن يساعد في الحفاظ على القوة الهيكلية تحت الضغط بحيث لا يتغير شكلها وحجمها. تكشف قوة الشد عن الحد الأقصى من الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة دون فشل، والذي ينطبق على المواد الخاضعة لقوى شديدة. تماما, إنهم يوجهون الاختيارات التي يتم اتخاذها للمواد والأشكال لتحقيق السلامة والاعتمادية.
تطبيق قوة الخضوع والشد في العالم الحقيقي وأمثلة
فيما يلي بعض الأمثلة في الوقت الحقيقي لقوة الخضوع مقابل قوة الشد：
1. البناء والهندسة المدنية
تلعب القوة العالية الإنتاجية في الهياكل مثل الفولاذ والخرسانة دورًا حاسمًا. لذا, يمكنه الحفاظ على البنية الفيزيائية للمجمع تحت ضغط عالٍ. بعض الخصائص التي تظهرها الكابلات المستخدمة في الجسور المعلقة تشمل:; قوة الشد. إنه يمنع الكابلات من الانكسار تحت قوى أكبر.
2. صناعة السيارات والفضاء
في تطبيقات السيارات, قوة الخضوع تمنع التشوه أثناء الاصطدامات. قوة الشد تمنع الجزء من الكسر. قد تمتلك هذه المواد الفضائية كلا الخاصيتين لتحمل وزن حمولة الطيران والظروف القاسية.
3. تصنيع المنتجات الصناعية والآلات الثقيلة
تشتمل الخصائص الميكانيكية المطلوبة للتروس وأجزاء الماكينة على قوة شد عالية لمنع الفشل تحت الأحمال, في حين أن قوة الإنتاج العالية أمر مرغوب فيه لإطارات الماكينة لمنع التشوه أثناء الاستخدام.
4. يزرع والأجهزة الطبية
تشمل المواد الشائعة المستخدمة في الغرسات الطبية التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. لذا, من المهم أن يكون لديك إنتاجية عالية وقوة شد لتجنب التشوه و/أو الكسر.
5. ادوات رياضية
تعتبر قوة الخضوع والشد مهمة في المواد المقابلة في المعدات الرياضية, أي., دراجات من ألياف الكربون ومضارب تنس. يجب أن يستغرق الأمر دورات إجهاد/انفعال متعددة دون التقليل من أداء المادة أو سلامتها.
القواسم المشتركة بين المحصول وقوة الشد
فيما يلي بعض الجوانب الشائعة لقوة الخضوع وقوة الشد:
- كلاهما يقيس القوة المادية: يتم استخدام قوة الخضوع وقوة الشد لتقييم مدى قوة المادة. لذا, يمكنها تحمل ضغوط القوة دون فشل.
- مفتاح التصميم الإنشائي: يتم استخدام كلاهما لتقييم المواد التي تناسب الهياكل المدنية. هذه الهياكل يمكن أن تكون المباني, آلات, والمركبات; حتى لا تبلى بسهولة.
- ساعد في التنبؤ بسلوك المواد: كلاهما مهم جدًا في التنبؤ بسلوك المواد تحت الحمل. يمكنهم اختيار تصميم المنتج لتحمل ظروف ضغط معينة.
- مهم لاختيار المواد: كلاهما حاسم في اختيار المواد الصحيحة لمختلف الصناعات. لذا, يمكن أن يضمن أداء المواد بفعالية وأمان في ظروف مختلفة.
- يتم قياسها عن طريق اختبار الشد: يتم اختبار الخضوع وقوة الشد عن طريق طرق اختبار الشد, يتم فيها قياس الإجهاد والانفعال لتحديد القيم المميزة في مخطط الإجهاد والانفعال.
خاتمة
ختاماً, تعد قوة الخضوع والشد من السمات المادية المهمة التي لها أهمية قصوى في توصيف المواد والهندسة. قوة الخضوع هي مقياس لمقاومة المادة للتشوه عند نقطة معينة وقوة الشد هي مقياس للإجهاد الأقصى. تخبرنا هذه الخصائص عن القوة التي يمكن أن تتحملها المادة قبل أن تنكسر. كلاهما مهم لضمان موثوقية واستدامة الهياكل, منتجات, والأنظمة. قد تشمل هذه الأنظمة البناء, السيارات, والصناعات الفضائية, إلخ. لذا فإن المفاهيم المذكورة أعلاه تساعد المهندسين على تحديد المواد المناسبة للاستخدام اعتمادًا على معايير الأداء المطلوبة.
الأسئلة الشائعة
ما هو الفرق بين مصطلحي قوة الخضوع وقوة الشد?
قوة الخضوع هي المرحلة التي يحدث فيها تشكيل تشوه بلاستيكي دائم. على الجانب الآخر, قوة الشد هي أقصى حمل يمكن أن تتحمله المادة قبل الفشل.
ما هي طرق قياس قوة الشد والخضوع?
يتم تحديد كلا الأمرين باستخدام اختبار الشد حيث يتم سحب عينة صغيرة من المادة. لذا, يمكنه تسجيل قيم الإجهاد والانفعال والحصول على هذه الخصائص.
أي من نقطتي القوة أكثر فائدة للمهندس الإنشائي؟?
وذلك لأن قوة الخضوع يمكن القول أنها أكثر أهمية للتطبيقات الهيكلية. ويرجع ذلك أساسًا إلى قدرته على إظهار تشوه المادة من الناحية البلاستيكية, والتي يمكن أن تسبب فشل الهيكل.
