فهم قوة العائد: دليل شامل

مقدمة

تعريف قوة الخضوع

قوة المردود: إنه حد العائد لـ مادة معدنية عندما ينتج، أي الإجهاد الذي يقاوم التشوه اللدن الطفيف.

بالنسبة لـ المواد المعدنية دون خضوع واضح، يتم تحديد قيمة الإجهاد التي تنتج 0.2% التشوه المتبقي كحد خضوعها، وتسمى حد الخضوع الشرطي أو قوة الخضوع.

ستؤدي القوى الخارجية الأكبر من هذا الحد إلى فشل دائم للمكوّن ولا يمكن استعادته. على سبيل المثال، حد الخضوع للفولاذ منخفض الكربون هو 207 ميجا باسكال.

عند تطبيق قوى خارجية أكبر من هذا الحد، سيتعرض المكون لتشوه دائم. إذا كان أقل من هذا، سيعود المكوّن إلى شكله الأصلي.

أهمية قوة الخضوع في علم المواد وهندستها

تلعب قوة الخضوع دورًا محوريًا في علم المواد وهندستها، حيث تعمل كمعامل حاسم في منهجيات التصميم وعمليات اختيار المواد. في مناهج تصميم القوة التقليدية، تعتبر قوة الخضوع هي المعيار القياسي للمواد القابلة للسحب، مع تعريف الإجهاد المسموح به على أنه [σ] = σys/n، حيث σys هي قوة الخضوع وn هي عامل الأمان. يتراوح عامل الأمان هذا عادةً من 1.1 إلى 2 أو أعلى، اعتمادًا على متطلبات التطبيق وظروف التشغيل المحددة.

بالنسبة للمواد الهشة، التي تفتقر إلى نقطة خضوع مميزة، يتم استخدام قوة الشد القصوى (σb) كمرجع، مع حساب الإجهاد المسموح به على أنه [σ] = σb/n. في هذه الحالات، يتم استخدام عامل أمان أكثر تحفظًا (n) يبلغ 6 تقريبًا بشكل عام لمراعاة قدرة التشوه اللدائني المحدودة للمادة ونمط الفشل المفاجئ.

من الأهمية بمكان إدراك أنه في حين أن منهجية التصميم التقليدية القائمة على القوة غالبًا ما تؤدي إلى التركيز على تعظيم قوة الخضوع إلى أقصى حد، إلا أن هذا النهج يمكن أن يكون له عواقب غير مقصودة. فمع زيادة قوة الخضوع، غالبًا ما يكون هناك انخفاض مماثل في صلابة الكسر، مما قد يزيد من خطر حدوث فشل كارثي. تؤكد هذه العلاقة العكسية على أهمية التحسين المتوازن لخصائص المواد بدلاً من التركيز الوحيد على قوة الخضوع.

تتجاوز أهمية قوة الخضوع تطبيقها المباشر في حسابات الإجهاد. فهي بمثابة مؤشر قيم للتنبؤ بالسلوكيات الميكانيكية المختلفة وخصائص المعالجة للمواد في التطبيقات الهندسية. على سبيل المثال:

1. مقاومة التآكل الإجهادي: تميل المواد ذات قوة الخضوع الأعلى إلى إظهار قابلية متزايدة للتشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي، خاصةً في البيئات العدوانية.
2. التقصف الهيدروجيني: تكون المواد ذات القوة العالية أكثر عرضة بشكل عام لظواهر التشقق والتقصف الناجم عن الهيدروجين.
3. قابلية التشكيل: تُظهر المواد ذات قوة الخضوع المنخفضة عادةً قدرات تشكيل على البارد متفوقة، مما يسمح بأشكال أكثر تعقيدًا وأحمال تشكيل أقل.
4. قابلية اللحام: غالبًا ما تُظهر المواد ذات قوة الخضوع المنخفضة قابلية لحام محسنة، مع انخفاض قابلية التشقق في المنطقة المتأثرة بالحرارة والتشوه الناتج عن الإجهاد المتبقي.
5. أداء التعب: على الرغم من عدم ارتباطها المباشر، إلا أن قوة الخضوع يمكن أن تؤثر على سلوك التعب، خاصةً في نظام التعب عالي الدورة.
6. مقاومة التآكل: في كثير من الحالات، ترتبط قوة الخضوع الأعلى بتحسين مقاومة التآكل، على الرغم من أن عوامل أخرى مثل الصلابة والبنية المجهرية تلعب أيضًا أدوارًا مهمة.

أساسيات الإجهاد والإجهاد المادي

مفاهيم الإجهاد والإجهاد

الإجهاد

عندما يتشوه جسم ما بسبب عوامل خارجية (قوى، رطوبة، تغيرات في درجة الحرارة، إلخ)، توجد قوى داخلية تتفاعل بين الأجزاء المختلفة للجسم. وتسمى القوة الداخلية لكل وحدة مساحة بالإجهاد.

ويسمى الإجهاد المتعامد على المقطع العرضي الإجهاد العمودي أو الإجهاد المحوري، ويسمى الإجهاد المماس للمقطع العرضي إجهاد القص أو إجهاد القطع.

سلالة

يشير الإجهاد إلى التشوه النسبي لجسم ما تحت تأثير قوى خارجية ومجالات درجة الحرارة غير المنتظمة، من بين عوامل أخرى.

العلاقة بين الإجهاد والإجهاد

وفقًا لقانون هوك، ضمن نطاق حد تناسبي معين، يكون للإجهاد والإجهاد علاقة تناسبية خطية.

يُطلق على الحد الأقصى للإجهاد المناظر الحد التناسبي.

يُطلق على نسبة الإجهاد إلى الإجهاد، التي يُرمز لها بالرمز E، معامل المرونة أو معامل يونج، وللمواد المختلفة معامل يونج ثابت.

على الرغم من أنه لا يمكن قياس الإجهاد بشكل مباشر، إلا أنه يمكن حسابه عن طريق قياس الإجهاد الناتج عن القوى الخارجية.

معلومات إضافية

قانون هوك هو قانون أساسي في نظرية المرونة الميكانيكية، والذي ينص على أن المواد الصلبة لها علاقة خطية بين الإجهاد والانفعال (وحدة التشوه) عند تعرضها للإجهاد.

تسمى المواد التي تحقق قانون هوك بالمواد المرنة الخطية أو مواد هوك.

إن تعبير قانون هوك هو F=k-x أو ΔF=k-Δx، حيث k هو ثابت، وهو معامل صلابة (تيبس) الجسم.

في النظام الدولي للوحدات، وحدة F هي نيوتن، ووحدة x هي المتر، وهي متغير التشوه (التشوه المرن)، ووحدة k هي نيوتن/متر.

يساوي معامل الصلابة عدديًا قوة الزنبرك عندما يتم تمديد (أو تقصير) الزنبرك بمقدار وحدة طول.

أنواع الإجهاد والإجهاد

ما هي أنواع التوتر؟

الإجهاد العمودي: يُطلق على مكوّن الإجهاد العمودي على المقطع العرضي اسم الإجهاد العمودي (أو الإجهاد المحوري) ويُشار إليه بالرمز σ.

يمثل الإجهاد العادي التمدد والضغط بين المقاطع العرضية المتجاورة داخل الجزء.

الإجهاد العمودي: الإجهاد العمودي عند نقطة ما هو الاستطالة على طول اتجاه القوة العمودية بسبب الإجهاد العمودي الموزع على المقطع العرضي في هذا الاتجاه.

إجهاد القص: يُطلق على مكوّن الإجهاد المماسي للمقطع العرضي اسم إجهاد القص أو قوة القص، ويُشار إليه بالرمز τ. يمثل إجهاد القص حركة الانزلاق بين جزأين.

إجهاد القص: إجهاد القص عند نقطة ما هو التغير في الزاوية بين اتجاهين متعامدين بسبب إجهاد القص الموزع على المقطع العرضي. ويعرف أيضاً باسم تشوه القص.

ما هي أنواع الإجهاد؟

يوجد نوعان أساسيان من الإجهاد: الإجهاد الخطي والإجهاد الزاوي. الانفعال الخطي، المعروف أيضًا باسم الانفعال العمودي، هو نسبة الزيادة في الطول (موجبة عند الاستطالة) لقطعة مستقيمة صغيرة في اتجاه معين إلى طولها الأصلي.

الإجهاد الزاوي، المعروف أيضًا باسم إجهاد القص أو تشوّه القص، هو التغيّر في الزاوية (موجب عند التناقص) بين قطعتين مستقيمتين متعامدتين بسبب إجهاد القص. ويعبَّر عنه بالراديان.

تحديد قوة الخضوع

منحنى الإجهاد-الإجهاد

يظهر مخطط منحنى الإجهاد-الإجهاد (σ-ε) في الشكل 3.

بدلًا من الحمل المحوري F، يؤخذ الإجهاد الاسمي σ = F / A0، وبدلًا من الامتداد Δl، يؤخذ الإجهاد الهندسي ε = Δl / l0.

لا يزال منحنى الإجهاد-الإجهاد يحتوي على أربع مراحل. معاني كل نقطة مميزة هي:

المرحلة س إلى أ:

في المرحلة الأولية من التمدد (أو الانضغاط)، يرتبط الإجهاد σ والانفعال ε خطيًّا حتى النقطة a.

عند هذه النقطة، تُسمَّى قيمة الإجهاد المناظرة للنقطة (أ) بالحد التناسبي، ويمثِّلها σp.

وهو الحد الأقصى الذي يكون فيه الإجهاد والإجهاد متناسبين.

عندما يكون σσσp، يكون هناك σσ =Eε، والمعروف أيضًا باسم قانون هوك، والذي يشير إلى أن الإجهاد والانفعال متناسبان.

ولذلك، فإن E = σσ / ε = tanα، حيث يُعرف E بمعامل المرونة أو معامل يونج، بوحدات مماثلة لوحدة σ. عندما يتجاوز الإجهاد الحد التناسبي للوصول إلى النقطة b، تنحرف العلاقة σ-ε عن الخط المستقيم.

إذا تم تفريغ الإجهاد إلى الصفر عند هذه النقطة، سيختفي الإجهاد أيضًا (بمجرد أن يتجاوز الإجهاد النقطة b، لا يمكن التخلص من جزء من الإجهاد بعد التفريغ).

يسمى الإجهاد المحدد عند النقطة b بالحد المرن σe. σe هو قيمة الحد النهائي للتشوه المرن فقط للمادة.

المرحلة (ب) إلى (ج)

بعد أن يتجاوز الإجهاد حد المرونة، تحدث ظاهرة حيث يزداد الإجهاد قليلًا جدًا أو لا يزداد على الإطلاق، ويزداد الإجهاد بسرعة.

وتسمى هذه الظاهرة بالخضوع. تتوافق النقطة التي يبدأ عندها الخضوع مع حد الخضوع σs، والمعروف أيضًا باسم قوة الخضوع.

في مرحلة الاستسلام، لا يتغير الإجهاد في حين يستمر الإجهاد في الزيادة، ويبدو أن المادة فقدت قدرتها على مقاومة التشوه، مما يؤدي إلى تشوه كبير في اللدونة (إذا تم تفريغها في هذه المرحلة، لن يختفي الإجهاد تمامًا، وسيكون هناك تشوه متبقي).

لذلك، يعد σs مؤشرًا مهمًا لقياس قوة المادة.

عندما تنتج عينة من الفولاذ منخفض الكربون مع صقل السطح، سيكون للسطح خطوط بزاوية 45 درجة على المحور، بسبب الانزلاق النسبي للشبكة البلورية الداخلية، والمعروفة باسم خطوط الانزلاق.

المرحلة ج إلى هـ

بعد اجتياز مرحلة الاستسلام، إذا كانت العينة ستستمر في التشوه، يجب تحميلها أكثر من ذلك، ويبدو أن المادة قد تقوّت، ومرحلة c-e هي مرحلة التقوية.

تتوافق أعلى نقطة (النقطة e) في مرحلة تقوية الإجهاد مع حد القوة σb. وهي تمثل أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة.

المرحلة (هـ) إلى (و)

بعد اجتياز النقطة e، أي بعد وصول الإجهاد إلى حد القوة، تتعرض العينة لانكماش شديد موضعياً، وهو ما يُعرف باسم النخر.

ثم تحدث تشققات داخل العينة، وينخفض الإجهاد الاسمي σ، وتنكسر العينة عند النقطة f.

تُعد قوة الخضوع (σs) وقوة الشد (σb) مؤشران مهمان على قوة المواد مع مرونة جيدة (مثل الفولاذ منخفض الكربون).

تجدر الإشارة إلى أنه يتم استخدام الإجهاد الاسمي ولا يؤخذ في الاعتبار انخفاض مساحة المقطع العرضي المصاحب لتشوه الاستطالة.

قوة الشد (σb) هي فقط أقصى إجهاد اسمي يمكن أن تتحمله المادة، وليس أقصى إجهاد فعلي داخل المادة.

إذا تم استخدام المساحة الحقيقية للعينة في وقت الكسر للقياس، فإن الحد الأقصى الفعلي للإجهاد هو قيمة الإجهاد المناظرة للنقطة i على القطعة المستقيمة d-i في الشكل.

في الممارسة الهندسية، ومن أجل البساطة والتطبيق العملي والسلامة، لا تزال قوة الشد (σb) تُستخدم لتمثيل أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة.

ومع ذلك، عند محاكاة السلوك الميكانيكي غير الخطي للمواد باستخدام الكمبيوتر، يجب استخدام منحنى الإجهاد-الإجهاد الحقيقي.

طرق تحديد قوة الخضوع

بالنسبة للمعادن التي لا توجد بها ظاهرة خضوع كبيرة، يمكن قياس قوة شدها في ظل التمدد غير المتناسب المحدد أو إجهاد الشد المتبقي.

بالنسبة للمعادن ذات ظاهرة الخضوع الكبيرة، يمكن قياس قوة خضوعها وقوة خضوعها العليا وقوة خضوعها السفلى.

هناك طريقتان لقياس قوة الخضوع العلوية والسفلية: الطريقة البيانية وطريقة المؤشر.

طريقة الرسوم البيانية

أثناء التجربة، يتم رسم رسم بياني لإزاحة القوة والفك باستخدام جهاز تسجيل آلي.

يجب أن تكون نسبة محور القوة إلى الإجهاد الذي يمثله كل ملليمتر أقل من 10 نيوتن/مم²، ويجب رسم المنحنى على الأقل حتى نهاية مرحلة المردود.

على المنحنى، يتم تحديد القوة الثابتة Fe أثناء الاستسلام، أو القوة القصوى Feh قبل أول انخفاض في القوة أثناء مرحلة الاستسلام، أو القوة الدنيا FeL قبل التأثير اللحظي الأولي.

يمكن حساب قوة الخضوع وقوة الخضوع العليا وقوة الخضوع السفلى باستخدام المعادلات التالية:

معادلة حساب قوة الخضوع: Re = Fe/So؛ Fe هي القوة الثابتة أثناء الخضوع.

معادلة حساب قوة الخضوع العليا: Reh = Feh/So؛ Feh هي القوة القصوى قبل أول انخفاض في القوة خلال مرحلة الخضوع.

معادلة حساب مقاومة الخضوع الأدنى: ReL = FeL/So؛ FeL هي الحد الأدنى للقوة قبل التأثير اللحظي الأولي.

طريقة المؤشر

أثناء التجربة، عندما يتوقف مؤشر مقياس القوة عن الدوران عند القوة الثابتة أو القوة القصوى قبل العودة الأولى أو القوة الدنيا قبل التأثير اللحظي الأولي، فإنها تتوافق مع قوة الخضوع وقوة الخضوع العليا وقوة الخضوع السفلى، على التوالي.

العوامل المؤثرة على قوة الخضوع

العوامل الداخلية التي تؤثر على قوة الخضوع هي: الترابط والبنية المجهرية والبنية والطبيعة الذرية.

مقارنة بين العائد قوة المعادن مع السيراميك والبوليمرات يوضح أن تأثير الترابط أساسي.

من حيث تأثير البنية المجهرية، هناك أربع آليات تقوية تؤثر على قوة الخضوع للمواد المعدنية، وهي

(1) تقوية المحلول الصلب (1);

(2) تصلب الإجهاد;

(3) تقوية الترسيب وتقوية التشتت;

(4) تقوية حدود الحبيبات والتقوية تحت الحبيبات. تُعد التقوية بالترسيب والتقوية بالحبيبات الفرعية أكثر الوسائل استخدامًا لتحسين قوة الخضوع للسبائك الصناعية.

ومن بين آليات التقوية هذه، تزيد الآليات الثلاث الأولى من قوة المادة مع تقليل اللدونة أيضًا.

يمكن أن يؤدي تنقية حجم الحبيبات والحبيبات الفرعية فقط إلى زيادة قوة المادة وليونتها.

العوامل الخارجية التي تؤثر على قوة الخضوع هي: درجة الحرارة، ومعدل الإجهاد، وحالة الإجهاد.

كلما انخفضت درجة الحرارة وزاد معدل الإجهاد، تزداد قوة خضوع المادة، خاصةً المعادن المكعبة المتمركزة في الجسم الحساسة بشكل خاص لدرجة الحرارة ومعدل الإجهاد، مما يؤدي إلى كسر الفولاذ الهش في درجات الحرارة المنخفضة.

 كما أن تأثير حالة الإجهاد مهم أيضًا. على الرغم من أن مقاومة الخضوع تعكس الأداء المتأصل للمادة، إلا أن قيمة مقاومة الخضوع تختلف أيضًا باختلاف حالة الإجهاد.

عادةً ما تكون مقاومة الخضوع للمادة المشار إليها عادةً هي مقاومة الخضوع تحت الشد الأحادي المحور.

المواد الشائعة وقوة إنتاجيتها

طرق اختبار قوة الخضوع

يعد اختبار قوة الخضوع مؤشرًا مهمًا لخصائص قوة المواد ومؤشرًا مهمًا لأداء المواد.

يُستخدم عادةً لتقييم قوة سطح المادة وأداء البلاستيك.

تنقسم طرق اختبار قوة الخضوع بشكل عام إلى نوعين: ميكانيكية وغير ميكانيكية.

اختبار قوة الخضوع الميكانيكية: 

تتضمن هذه الطريقة بشكل عام طريقة الانحناء ثلاثي النقاط وطريقة آلة اختبار الشد وطريقة الضغط. يتم وضع العينة بين دعامتين ويتم تطبيق قوة ثابتة باستخدام جهاز ميكانيكي لتحديد قوة الخضوع.

اختبار قوة الخضوع غير الميكانيكية:

تتضمن هذه الطريقة بشكل عام طرق الشد والضغط والالتواء. يتم تركيب العينة على أداة الاختبار ويتم تطبيق قوة ثابتة باستخدام رافعة أو تحكم حاسوبي لتحديد قوة الخضوع.

لتحسين دقة ودقة اختبار مقاومة الخضوع، من الضروري عمومًا إجراء اختبارات متعددة في ظل الظروف اللازمة وأخذ متوسط القيمة.

في جميع التجارب، يجب أن تكون معالجة العينة موحدة وكاملة، ويجب الحفاظ على ثبات العينة تحت القوة المطبقة. قوة الخضوع النهائية التي يتم الحصول عليها هي أقصى قوة يمكن أن تنحني عندها المادة تحت الحمل المطبق.

الخاتمة

تعلمنا من خلال دراسة هذه المقالة ما هي قوة الخضوع، وأساسيات الإجهاد والإجهاد، وطرق تحديد قوة الخضوع، والعوامل التي تؤثر على قوة الخضوع، وتطبيقات قوة الخضوع.

نأمل أن تكون هذه المعلومات مفيدة للجميع.

إذا كانت هناك أي أسئلة، فلا تتردد في إخبارنا بذلك في قسم التعليقات.