معرفة قوة المادة, وخاصة المعادن, أمر حتمي للغاية في معظم التخصصات الهندسية. من بين جميع القياسات, قوة الشد في نهاية المطاف (UTS) يتم الرجوع إليها في أغلب الأحيان. يعد هذا المفهوم ضروريًا تمامًا عند تقييم أداء المواد. UTS يعني قدرة المادة على تحمل قوة الشد دون تمزيق. ويصبح قابلاً للتطبيق في جميع المنتجات والملحقات تقريبًا مثل الأسلاك, الحبال, والأطر المعدنية. هذه المقالة تدور حول قوة الشد القصوى (UTS).
تعريف قوة الشد القصوى
UTS هي القوة المستخدمة في تمديد المواد. وينتج عن ذلك زيادة في الحجم على طول محور الحمل. يُشار إلى إجهاد الشد على أنه القوة التي تعمل بنسبة إلى مساحة المقطع العرضي للمادة.
𝐹: F مطبق على قضيب مرن مقسومًا على مساحة المقطع العرضي
𝐴: قوة متساوية A للقضيب الذي في اتجاهه العمودي.
يمكن للمواد اللدنة أن تتحمل الأحمال بشكل عام, على الجانب الآخر, قد تفشل المواد الهشة قبل طاقتها بفترة طويلة.
عندما يتم تطبيق قوة الشد, يمكن تقييم العديد من خصائص الشد:
- معامل مرن: نسبة التغير في الإجهاد إلى التغير المقابل في الإجهاد. ومن المعروف أيضا باسم معامل المرونة. EM هو مقياس الإجهاد للإجهاد أثناء التشوه المرن عادة, تقاس من الرسم البياني الإجهاد والانفعال.
- الإجهاد الشد النهائي (UTS): الحد الأقصى لمستوى الإجهاد الذي يمكن اختبار أي مادة محددة عند النقطة المطلوبة. يتم قياسه عادة عند إجراء اختبار التوتر. هكذا, الحد الأقصى الذي يمكن أن تمتد إليه المادة هو نقطة UTS المعروفة; يمكن بعد ذلك أن يتشكل صدع.
- معامل المرونة: تم التعبير عن النسبة كإجهاد شد على ضعف معامل يونج للمادة.
- الإجهاد الكسر: إجهاد الكسر, يُشار إليه بـ "σₓ", هو أقصى ضغط عند نقطة الكسر قبل حدوث الفشل مباشرة. كقاعدة عامة, يتم حسابه على أنه الإجهاد = الإجهاد التطبيقي/مساحة المقطع العرضي للمادة. عمومًا, يتم قياس FS بالرطل لكل بوصة مربعة أو طن لكل بوصة مربعة.
تحدد UTS الحد الأقصى للضغط الذي تم الحصول عليه في اختبار الشد أثناء الكسر. فهو يحدد كيف أو بأي طريقة تستجيب مادة معينة لمختلف التطبيقات. علاوة على ذلك, UTS هي خاصية أساسية في تحديد سلوك المواد التي يتم تنفيذها تحت الحمل.
UTS على مخطط الإجهاد والانفعال
يمكن تقسيم منحنى الإجهاد والانفعال إلى أربع مناطق رئيسية:
الحد النسبي
الحد النسبي هو المنطقة التي تتصرف فيها المادة مثل الزنبرك. التشوه الذي يحدث هنا قابل للاسترداد. تُعرف المنطقة المظللة في الشكل أعلاه بمنطقة هوك وفقًا لقانون هوك الذي يحدد العلاقة بين الإجهاد والانفعال.
حد العائد
عندما تصل المادة إلى الحد النسبي, ثم يقع في منطقة حد العائد. هنا, يحدث تشوه دائم. في كلتا الحالتين, يتم تفريغ قوة الشد أو عكسها; لن تعود المادة إلى حجمها الأصلي.
منطقة تصلب السلالة
يؤدي إجهاد الشد العالي أيضًا إلى وصول المادة إلى منطقة تصلب الانفعال في الطبقة منحنى الإجهاد والانفعال. هذا القسم بالذات جدير بالملاحظة لأنه يغير طبيعة بلورات المادة. الضغط المقصود يكفي لتغيير البنية المجهرية للمادة. أيضًا, فهو يجعل المادة أكثر مرونة.
منطقة العنق
على نطاق مجهري, تكون المادة في أقوى حالاتها قبل أن تصل إلى مرحلة العنق. لكن, بمجرد أن تبدأ العنق, يبدأ بالضعف. تتميز العنق بانخفاض محلي في المقطع العرضي. في وقت لاحق على العنق, تقترب المادة من الانهيار. في هذه المرحلة, فهو يوفر ضغطًا أقل مع مزيد من الضغط. يتم تعريف الإجهاد على أنه القوة لكل وحدة مساحة وبالتالي, نظراً لحدود منطقة قسم العظام يكون الضغط مرتفعاً. تتحلل المادة حتى ينتشر الشق عبر المقطع العرضي للعنصر قيد النظر, ويصبح العنصر عديم الفائدة.
منطقة UTS على المنحنى
بداية منطقة العنق من منطقة تصلب السلالة تحدد UTS للمادة. لكن هذا لا ينطبق إلا عندما تصل المادة إلى الحد الأقصى من تصلب الإجهاد. أيضًا, يمكن أن تدعم أعلى حمولة آمنة.
كيف يمكن تحديد قوة الشد القصوى?
يتم تحديد UTS من الاختبارات التي يتم إجراؤها في مختبرات اختبار المواد, مجهزة بمعدات اختبار متطورة. عادة, يتم تطبيق الإجهاد على العينة بطرق مختلفة وعلى مستويات مختلفة.
طريقة الاختبار
قبل قياس TS, يقوم المهندس بوضع المادة بأمان في آلة اختبار الشد. عمومًا, تحمل هذه الآلات العينة عند نقطتي اتصال أو أكثر. ثم يضع قوة ثابتة على العينة لسحبها بمعدل أبطأ من قوة التأثير المستخدمة من قبل.
يقوم المهندسون المشرفون على الاختبار أيضًا بملاحظة وتوثيق العديد من جوانب سلوك المادة على منحنى الإجهاد والانفعال حتى تفشل العينة أو تتشوه لدنًا. تخدم هذه الاختبارات أغراضًا متعددة, مشتمل:
- سلسلة اختيار المواد الصحيحة لاستخدامها في تطوير المنتج.
- التنبؤ بسلوك المواد في الاستخدامات العملية.
- مراقبة مستوى الالتزام بالمتطلبات المحددة والمتفق عليها وخصائص الجودة.
اختبار المنتجات الجديدة
أثناء إجراء هذه الاختبارات, يبحث المهندسون عن معلومات محددة حول خصائص المادة, مشتمل:
- الحمولة القصوى: الحد الأقصى للحمل الذي يمكن أن تتحمله المادة بشكل متناسب أو بدون تشقق.
- ليونة: مدى إمكانية تشوه العينة قبل فشلها إلى أجزاء فردية صغيرة.
- يلوي: قدرة المادة على الانحناء دون أن تنكسر من جانب واحد, الجانب الآخر, أو كليهما.
- استطالة %: الصفة التي بها, تصبح المادة التي توفر مرونة عالية مرنة عند الضغط عليها.
تساعد البيانات التي تم جمعها أثناء الاختبار الشركات المصنعة على تحديد المواد التي يجب استخدامها في عملياتها. يتم قياس قوة الشد بثلاث طرق رئيسية:
- قوة العائد: قياس أقصى قدر من الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تتشوه بشكل لا رجعة فيه. تشير الزيادة في نقطة الخضوع إلى الضغط الذي لا يمكن عنده استعادة شكله وشكله الأصلي.
- القوة المطلقة: يتم تعريفه على أنه الحد الأقصى للوزن لكل وحدة حجم, يمكن أن تتحمل المادة حالة متوترة. كما بينا سابقا, يمكن تعريف UTS على أنه الحمل الذي يمكن للكائن التعامل معه في أي وقت محدد عند تقسيمه على مساحة التكوين المقابل للكائن.
- قوة الكسر: بكالوريوس, هي المرحلة الأخيرة التي يمكن فيها للمادة تحمل الضغط دون انقسام.
لماذا يعد فهم قوة الشد أمرًا مهمًا?
يعد فهم قوة الشد للمادة أمرًا بالغ الأهمية لسلامة التطبيق. يمكن أن يحدث الفشل عند اختيار المواد ذات قوة الشد المنخفضة. في مرحلة التصميم, يولي المهندسون اهتمامًا كبيرًا لقوة الخضوع. يتم تعريف قوة الخضوع على أنها حد الإجهاد الذي يحدث عنده تشوه مرضي ودائم للأجزاء. أما بالنسبة لقوة الشد في نهاية المطاف, إنها قوة المادة التي يمكن أن تفشل المادة عندها. على سبيل المثال, عندما يكون حمل الثلج ثقيلًا، لا بد أن ينحني السقف. إن تجاوز قوة الشد يأتي مع احتمالية سقوط الهياكل.
قوة الشد مقابل. قوة العائد
قوة الشد وقوة الخضوع هما معلمتان في النطاقات الهندسية. عادة ما يتم استخدام قوة الخضوع في تصميم المنتج من قبل المهندسين. لذلك, لتقليل المخاطر, يجب أن يكون الحمل أقل من هذا الحد. يجب ألا يتجاوز الحمل الأقصى الذي يتم وضعه دائمًا على المادة قوة الخضوع الخاصة بها.
يجب على المرء تحديد مقدار المقطع العرضي المطلوب. لقد وجد أن خصائص المادة وهندسة الأعضاء تحدد الحد الأقصى للحمل الذي يمكن تطبيقه. لتحسين الحل, يتم تضمين عامل السلامة لتضخيم السلامة الهيكلية. ويتراوح هذا العامل عادة بين 1.5 و 2. يتم الحصول على القيمة الثانية بضرب الحد الأقصى للحمل بهذا العامل. وهذا يفسر الأحمال غير المتوقعة والعيوب المادية المحتملة.
التصميم لقوة الشد القصوى يعني احتمال حدوث تشوه. يمكن أن تفقد المادة الميزات التي تحدد مدى ملاءمتها للاستخدام. يتم تقوية بعض الأدوات مثل السكاكين والمفكات. تعمل هذه العملية على تحسين قوتها حتى تصل إلى قيم قوة الشد النهائية تقريبًا قبل الفشل.
قوة الشد القصوى وكثافات المواد المختلفة
يوضح الجدول أدناه العديد من المواد وقوة شدها النهائية إلى جانب كثافاتها، والمعلومات التالية ضرورية لتحديد المواد التي يجب استخدامها في الهندسة.
| مادة | قوة الشد القصوى (MPa) | قوة الشد القصوى (رطل لكل بوصة مربعة) | كثافة (جم/سم3) |
| الألومنيوم (2024-T3) | 570 MPa | 82,600 رطل لكل بوصة مربعة | 2.78 |
| فُولاَذ (خفيف) | 400 MPa | 58,000 رطل لكل بوصة مربعة | 7.85 |
| الفولاذ المقاوم للصدأ (304) | 580 MPa | 84,000 رطل لكل بوصة مربعة | 8.00 |
| نحاس | 210 MPa | 30,500 رطل لكل بوصة مربعة | 8.96 |
| نحاس | 500 MPa | 73,000 رطل لكل بوصة مربعة | 8.40 |
| التيتانيوم (درجة 5) | 900 MPa | 130,000 رطل لكل بوصة مربعة | 4.43 |
| الحديد الزهر | 250 MPa | 36,300 رطل لكل بوصة مربعة | 6.89 |
| بولي كلوريد الفينيل (بولي فينيل كلوريد) | 50 MPa | 7,250 رطل لكل بوصة مربعة | 1.40 |
| أسمنت | 3-5 MPa | 435-725 رطل لكل بوصة مربعة | 2.40 |
| سبائك النيكل | 700 MPa | 101,500 رطل لكل بوصة مربعة | 8.90 |
خاتمة
UTS أمر أساسي للغاية في الهندسة. يساعد في اختيار المواد لعدة استخدامات. تساعد المعرفة بـ UTS في ضمانات السلامة والأداء. عادة ما يكون للمعادن قيم عالية لقوة الشد. ومع ذلك, وتتفوق عليها المكونات غير المعدنية مثل ألياف الكربون بشكل كبير. وهذا يدل على أن اختيار المواد أمر بالغ الأهمية. سواء البناء أو استخدام أي عنصر آخر, من الضروري جدًا معرفة UTS. أخيراً, فقط وجود المعرفة الكافية بـ UTS يجعل العنصر موثوقًا ودائمًا عند استخدامه. اتصل بنا للمزيد من المعلومات.
2 افكار عن "قوة الشد القصوى”