ما هي قوة الشد القصوى؟

مقدمة

تُعدّ المتانة إحدى الخصائص الأساسية للمواد، وتشير عادةً إلى قدرة المواد على مقاومة التشوه أو الكسر تحت تأثير القوى الخارجية. وتتعدد أنواع هذه القوى، كقوة الشد وقوة الضغط وغيرها. وبناءً على ذلك، تتمتع المواد أيضاً بخصائص مثل قوة الشد، وقوة الخضوع، وقوة الضغط، وغيرها. وفي تطبيقات مثل التصنيع الميكانيكي، والمنشآت الهندسية، وبناء الجسور، تُعدّ قوة الشد مؤشراً هاماً يستخدمه الباحثون والمهندسون وفرق مراقبة الجودة لتقييم الخصائص الميكانيكية للمواد والمنتجات.

في هذه المقالة، ستُعرّفكم HYT بمفهوم قوة الشد القصوى، وطريقة حسابها، وتطبيقاتها، والعديد من جوانبها الأخرى. ستستخدم HYT في هذه المقالة مزيجًا من الشروحات المبسطة والشروحات العلمية الدقيقة، لتسهيل فهم هذه المعلومات حتى للمبتدئين في مجال صناعة المواد.

مرفق في نهاية المقال جدول يوضح قوة الشد وقوة الشد القصوى للمواد الشائعة.

ما هي قوة الشد القصوى؟

ببساطة، في حياتنا اليومية، حاولنا جميعًا قطع شريط مطاطي بأيدينا. بعد تطبيق قوة شد كافية، انقطع الشريط إلى نصفين. يعود ذلك أساسًا إلى أن قوة الشد التي طبقناها تجاوزت قدرة تحمل مادة الشريط، مما أدى في النهاية إلى انقطاعه. تشير هذه الظاهرة إلى أن الإجهاد الواقع على الشريط المطاطي أثناء الشد يتجاوز قوة تحمله القصوى، مما يؤدي في النهاية إلى كسره. لذا، تُعرف قوة الشد القصوى (UTS) بأنها أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة أثناء عملية الشد قبل أن تنقطع.

المواد المطيلية والمواد الهشة

قبل مناقشة أنواع قوة الشد، نحتاج إلى شرح مفهومين،, المواد المطيلية و المواد الهشة.

تتميز المواد المطيلية بنقطة خضوع واضحة. عند بلوغ نقطة الخضوع، تتحول من التشوه المرن إلى التشوه اللدن. بعد بلوغ أقصى مقاومة للشد، تستمر في التشوه، ويحدث التخصر عند هذه النقطة. المعادن مثل الفولاذ وسبائك الألومنيوم والنحاس هي مواد مطيلية.

لا تمتلك المواد الهشة نقطة خضوع واضحة. فهي لا تتشوه أثناء تعرضها لإجهاد الشد، ولا تخضع للتشوه اللدن. بعد بلوغها أقصى مقاومة للشد، تنكسر مباشرةً، ويكون سطح الكسر عادةً حبيبيًا. وتنتمي إلى هذه الفئة مواد مثل السيراميك والزجاج وبعض أنواع الفولاذ المقوى عالي المقاومة.

أنواع قوة الشد

تخضع المادة لمراحل متعددة من التشوه قبل أن تتعرض للشد حتى الكسر، وتتوافق كل مرحلة من مراحل التشوه مع خصائص ميكانيكية مختلفة، وبالتالي يمكن قياس أنواع مختلفة من قوة الشد. المواد المعدنية مواد مطيلة، لكن تغيرات تشوهها قبل الكسر ليست واضحة تمامًا. ولتسهيل الفهم والتصور، سنختار الأربطة المطاطية ذات تغيرات التشوه الكبيرة كمثال لتوضيح أنواع قوة الشد، وسنوضح أيضًا تغيرات المعادن في المراحل المقابلة.

المرحلة 1: الحد النسبي

عند سحب الشريط المطاطي لأول مرة، يكون الشد المطبق عليه صغيرًا نسبيًا. في هذه الحالة، يتناسب الشد على الشريط المطاطي طرديًا مع طول استطالته الفعلية. بعبارة أخرى، كلما زادت القوة المستخدمة، زاد طول الشريط المطاطي. أي أن منحنى الإجهاد والانفعال للشريط المطاطي يكون خطيًا تقريبًا ضمن نطاق معين (وفقًا لقانون هوك)، أي أن الإجهاد والانفعال متناسبان طرديًا. عند هذه النقطة، بمجرد ترك الشريط، يمكن أن يصبح... تمت استعادتها بالكامل إلى حالتها الأصلية. في هذه المرحلة، تخضع المادة لـ التشوه المرن, وتشوه الشريط المطاطي هو قابل للعكس.

بالنسبة للمواد المعدنية، ضمن حدود التناسب، تخضع هذه المواد لقانون هوك، ويكون منحنى الإجهاد والانفعال خطيًا. كما أن المعدن لا يخضع إلا لتشوه مرن في هذه المرحلة، ويمكنه العودة إلى حالته الأصلية بعد زوال القوة المؤثرة.

المرحلة الثانية: قوة الخضوع

نواصل تطبيق قوة أكبر لشد الشريط المطاطي، وسنجد أنه عندما يتمدد الشريط المطاطي لفترة كافية، حتى لو تركناه، فلن يعود إلى طوله الأصلي، وسيصبح أطول بشكل دائم. هذا يعني أن الشريط المطاطي قد خضع لـ التشوه اللدن وقد أدى ذلك إلى تشوه دائم. إذا طبقنا قوة أكبر من المرة السابقة في كل مرة، فإن الشريط المطاطي نفسه سينتج المزيد لا رجعة فيه سيتشوه وسيصبح أطول فأطول.

بالنسبة للمواد المعدنية، تتوافق هذه المرحلة مع مقاومة الخضوع. يمكننا الحصول على الحد الأدنى لقيمة الإجهاد اللازمة لدخول المادة في التشوه اللدن من التشوه المرن. تتميز المعادن عمومًا بنقطة خضوع واضحة، وبمجرد تجاوز هذه النقطة، لا يمكن للمادة العودة إلى حالتها الأصلية حتى في حال زوال القوة الخارجية.

المرحلة الثالثة: أقصى قوة شد

بعد ذلك، نواصل زيادة شدّ الشريط المطاطي، وسنلاحظ أن مادة الشريط المطاطي بدأت تصبح أرقّ موضعيًا. تشير هذه الظاهرة إلى أن الشريط المطاطي قد اقترب من أقصى إجهاد يمكنه تحمّله أثناء عملية الشدّ. عند هذه النقطة، يمكننا أيضًا قياس أقصى قوة شدّ.

بالنسبة للمواد المعدنية، يمثل حد الشد الأقصى (UTS) أقصى إجهاد يمكن أن يتحمله المعدن. بعد بلوغ حد الشد الأقصى، يبدأ المعدن في التعرض لظاهرة التخصر، أي أن منطقة معينة من المادة تصبح أرق، وتصبح هذه المنطقة نقطة بداية الكسر. على الرغم من أن المعدن لم ينكسر تمامًا في هذه المرحلة، وأن التشوه لا يزال مستمرًا، إلا أن قدرة تحمل المادة تبدأ بالتناقص فعليًا.

المرحلة الرابعة: قوة الكسر

إذا زادت القوة أكثر، سينقطع الشريط المطاطي في النهاية لأنه لن يتحمل قوة الشد المتزايدة. قيمة الإجهاد عند لحظة الانكسار هي قوة الكسر التي نريد قياسها.

في المواد المعدنية، تشير مقاومة الكسر إلى قيمة الإجهاد التي تتحملها المادة لحظة الكسر. بالنسبة للمواد الهشة، تكون مقاومة الكسر قريبة من مقاومة الشد القصوى. أما بالنسبة للمواد المطيلية، وبسبب ظاهرة التخصر، فإن مقاومة الكسر غالبًا ما تكون أقل من مقاومة الشد القصوى.

حدّ القوة والتحمّل الناتج عن الإجهاد

بالإضافة إلى قوى الشد الأربعة المذكورة أعلاه، هناك أيضًا قوة الإجهاد وحدود التحمل.

يُستخدم كلا المصطلحين لوصف أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة تحت تأثير الأحمال الدورية. والفرق هو أن مقاومة الإجهاد تشير إلى أقصى إجهاد لا تتعرض عنده المادة للفشل بسبب الإجهاد. في ظل عدد معين من الدورات, وتقل مقاومة الإجهاد مع زيادة عدد الدورات؛ بينما يشير حد التحمل إلى أقصى إجهاد لا يحدث عنده فشل الإجهاد تحت عدد لا نهائي من الأحمال الدورية, لذلك يُطلق على حد التحمل أيضًا اسم حد الإرهاق.

من خلال مخطط منحنى الإجهاد-الدوران، إذا كانت للمادة حد تحمل، فإن مقاومة الإجهاد ستقترب من قيمة ثابتة مع ازدياد عدد الدورات. أما إذا لم تكن للمادة حد تحمل، فإن مقاومة الإجهاد ستستمر في التناقص مع ازدياد عدد الدورات.

كيفية حساب وقياس قوة الشد القصوى

صيغة حساب جامعة تكساس التقنية

في المقال السابق، أوضحنا أن UTS تشير إلى أقصى إجهاد شد يمكن أن تتحمله المادة في اختبار الشد. لذلك، فإن صيغة حساب UTS هي

قوة الشد (σ) = أقصى قوة شد (F) / مساحة المقطع العرضي للعينة (A)

أين هي أقصى قوة شد عندما تنكسر المادة في اختبار الشد (الوحدة: نيوتن).

هي مساحة المقطع العرضي الأصلية للمادة (الوحدة: مم²).

في النظام الدولي للوحدات، يتم التعبير عن قوة الشد بالباسكال أو الميغاباسكال (MPa)، وهو ما يعادل نيوتن لكل متر مربع (N/m²).

في النظام الأمريكي للوحدات، يتم التعبير عن قوة الشد بالرطل لكل بوصة مربعة (lbf/in² أو psi).

في النظام الإمبراطوري، يتم التعبير عن قوة الشد بالكيلو باوند لكل بوصة مربعة (ksi).

العلاقة التحويلية بينهما هي

1 ميجاباسكال = 1 نيوتن/مم² = 0.145 كيلو لكل بوصة مربعة = 145 رطل لكل بوصة مربعة

قياس قوة الشد القصوى

يتم قياس قوة الشد القصوى للمواد المعدنية بشكل عام عن طريق اختبار الشد، ويتم قياس قوة الشد للمواد وفقًا للمعايير الدولية مثل ASTM E8 و ISO 6892.

تحضير العينة

قم بتحضير عينات معدنية ذات شكل قياسي وفقًا لمعيار الاختبار، وعادةً ما تكون أسطوانية أو على شكل دمبل. يجب أن يكون سطح العينة المعدنية أملسًا وخاليًا من العيوب.

اختيار المعدات

تُجرى اختبارات الشد بشكل عام باستخدام آلة الاختبار العالمية (UTM)، والتي عادة ما تكون مجهزة بنظام هيدروليكي لضمان قدرة الآلة على توفير قوة شد كبيرة.

عملية الاختبار

أولاً، قم بتثبيت العينة المعدنية في جهاز الاختبار، وقم بتطبيق قوة الشد تدريجياً وفقاً لمعدل الإجهاد المطلوب وفقاً للمعايير الدولية مثل ASTM E8 و ISO 6892. استخدم مقياس التمدد أو مستشعر الإزاحة لقياس تغير الإجهاد في العينة وتسجيل القوة المطبقة في نفس الوقت.

تحديد UTS

وأخيرًا، سنحصل على منحنى القوة والإزاحة. من خلال هذا الرسم البياني، يمكننا الحصول على قيم مقاومة الشد للمادة في ثلاث مراحل، بدءًا من التشوه المرن، مرورًا بالتشوه اللدن، وصولًا إلى التفتت النهائي.

يمكنك مشاهدة فيديو اختبار الشد للفولاذ المقاوم للصدأ أدناه الذي أنتجته Solid Mechanics UCL MechEng لمشاهدة التغير في قوة الشد للمادة في ثلاث مراحل.

من خلال هذا الفيديو، يمكننا أيضًا التحقق من البيان السابق بأن المواد المطيلية مثل المعادن لها نقطة خضوع واضحة، وهي الإجهاد الذي تبدأ عنده المادة في التشوه بشكل بلاستيكي أو لا رجعة فيه.

لماذا تعتبر قوة الشد مهمة

تُعدّ قوة الشد، وخاصةً قوة الشد القصوى، ذات أهمية بالغة. إذ يُساعد تحديد نطاق قوة الشد القصوى للمواد المختلفة المهندسين على تحديد مدى ملاءمة المادة لتطبيقات ومشاريع مُحددة.

الفضاء الجوي

في صناعة الطيران، تحتاج الطائرات إلى تحمل أحمال ديناميكية هوائية قوية عند التحليق على ارتفاعات عالية. أثناء الطيران، يتسبب التوزيع غير المتساوي لضغط الهواء على سطح الطائرة في إجهاد شد على جسم الطائرة وأجنحتها؛ ثانياً، أي حركة لجسم الطائرة أثناء الطيران ستؤدي إلى إجهاد شد في المكونات الهيكلية نتيجة لقوة الطرد المركزي والأحمال الديناميكية؛ وبيئة الارتفاعات العالية ذات درجة حرارة منخفضة نسبياً، وقد ينتج عن التمدد والانكماش الحراري إجهاد داخلي في المادة، مما يزيد بدوره من تأثير الشد.

لذلك، نستخدم في كثير من الأحيان مواد سبائك التيتانيوم عالية المقاومة (Ti-6Al-4V) لصنع المنتجات المتعلقة بالطائرات، مثل هياكل جسم الطائرة، ومكونات معدات الهبوط، وشفرات المحرك، وما إلى ذلك، مما يسمح للطائرة ببذل أقصى جهدها مع ضمان سلامة الطيران؛;

إنشاءات الجسور

يُعدّ هندسة بناء الجسور من التطبيقات الشائعة في حياتنا. فالجسور، وخاصةً ذات الامتدادات الطويلة، تتحمل أحمال المرور يوميًا. وتتعرض كابلات التعليق أو الكابلات المائلة للجسور باستمرار لقوى شد. في الوقت نفسه، قد تتأثر بعض الجسور برياح عاتية أو حتى زلازل لفترات طويلة نتيجةً لعوامل جغرافية. وتُؤدي هذه العوامل الخارجية إلى زيادة إجهاد الشد على هيكل الجسر.

لذلك، نستخدم في كثير من الأحيان سبائك الصلب عالية المقاومة، مثل AISI 4140، لإنتاج الكابلات الرئيسية وكابلات التعليق للجسور، مما يضمن استقرار الجسور وسلامتها على المدى الطويل؛;

صناعة السيارات

تُعد صناعة السيارات أيضاً مجالاً لتطبيق المواد ذات مقاومة الشد العالية. أثناء قيادة السيارة، يتعرض الهيكل والإطار لقوة صدم من الأرض وتأثيرات شد دورية؛ وعندما تتسارع السيارة بسرعة عالية أو تكبح فجأة، تتعرض الأجزاء الهيكلية لإجهاد شد ناتج عن الأحمال الديناميكية.

لذلك، سنستخدم الفولاذ عالي القوة للغاية مثل AHSS لإنتاج هياكل السيارات، والأعمدة B، وعوارض عتبات الأبواب، وسنستخدم الألومنيوم 7075 لإنتاج دعامات المحرك وأنظمة التعليق، مما يضمن صلابة واستقرار هيكل السيارة ويطيل عمرها الافتراضي.

مزايا وعيوب المواد ذات قوة الشد العالية

بعد شرح استخدامات المعادن ذات قوة الشد العالية في القسم السابق، يمكننا أن نرى بوضوح أن هذه المعادن تتمتع بالمزايا التالية:

1. قدرة تحمل عالية

سبيكة التنجستن هي معدن ذو قوة شد فائقة وكثافة عالية، وغالبًا ما تستخدم في بيئات الإجهاد العالي مثل الأدوات عالية الأداء والرصاص الخارق للدروع ومكونات محركات الطائرات؛;

2. متانة جيدة

تُعرف سبيكة التيتانيوم Ti-6Al-4V بأنها معدن ذو نسبة قوة إلى وزن ممتازة، مع مقاومة عالية للغاية للتآكل وقوة شد عالية، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران والفضاء وزراعة الأجهزة الطبية الحيوية وغيرها من التطبيقات؛;

3. مقاومة جيدة للصدمات

17-4PH عبارة عن مادة من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات قوة شد عالية، والتي يمكنها تحمل أحمال الصدمات العالية دون أن تنكسر، وتستخدم في المعدات العسكرية، والهياكل الحاملة للأحمال، والمعدات الصناعية، وغيرها من التطبيقات؛;

4. كفاءة عالية في استخدام المواد

يتميز فولاذ AISI 4140 بقوة شد عالية. وبنفس الوزن، يتمتع بصلابة أعلى من المعادن العادية. لذا، يمكن تصميم هياكل الدراجات النارية ودراجات السباق عالية الأداء المصنوعة من هذا الفولاذ بتصاميم هيكلية أخف وزنًا وأكثر انضغاطًا. ومن خلال تقليل كتلة الهيكل، وبالتالي كتلة المركبة ككل، يمكن تحسين كفاءة استهلاك الوقود، وتقليل الحمل على نظام التعليق ونظام الفرامل، وتحسين عمر المركبة وأدائها.

لكن من ناحية أخرى، يجب علينا أيضاً أن ننظر إلى الجانب الآخر من المواد المعدنية ذات قوة الشد العالية.

1. قدرة تحمل عالية للأحمال، ولكن هذا يعني أيضاً أن المادة هشة.

على الرغم من أن سبيكة التنجستن تتمتع بقوة شد عالية للغاية، إلا أنها تتميز بصلابة ضعيفة وعرضة للكسر الهش، لذا فهي غير مناسبة للهياكل المرنة؛;

2. متانة جيدة، لكن معالجتها صعبة وتكلفتها عالية.

تتميز سبائك التيتانيوم بصلابة عالية وقوة شد عالية، لذا فهي تتطلب تقنية معالجة خاصة، وتكون تكلفة معالجتها وصعوبتها أعلى بكثير من الفولاذ؛;

3. مقاومة جيدة للصدمات، ولكن بكثافة ووزن عاليين.

على الرغم من أن الفولاذ المقاوم للصدأ 17-4PH يتمتع بقوة عالية ومقاومة ممتازة للصدمات، إلا أن كثافته أعلى بكثير من سبيكة التيتانيوم، وهو غير مناسب للتطبيقات التي تتطلب وزنًا خفيفًا؛;

4. كفاءة عالية في استخدام المواد، ولكن تكاليف اللحام والتشكيل مرتفعة

على الرغم من أن فولاذ الكروم والموليبدينوم يتمتع بقوة أعلى يمكن أن تقلل من استهلاك المواد وتكرار صيانة الإطار، إلا أن مادته أكثر صلابة، كما أن اللحام الأولي وتشكيل الانحناء أكثر صعوبة، مما يؤدي مباشرة إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج.

ملخص

باختصار، تُعدّ قوة الشد القصوى سمةً أساسيةً في علم المواد، إذ تُشير إلى أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر. كما تُشكّل هذه الخاصية مؤشرًا مرجعيًا هامًا لشركة HYT لاختيار المواد المناسبة لمشاريع عملائها. إذا كان مشروعكم يواجه تحديًا مماثلًا في اختيار المواد، يُرجى التواصل مباشرةً مع الفريق الفني لشركة HYT. سيُقدّم لكم فنيو HYT الحل الأمثل من حيث التكلفة الذي يُلبي احتياجات مشروعكم على أكمل وجه.

قوة الشد وقوة الشد القصوى للمواد الشائعة

القيم التالية مأخوذة من ويكيبيديا وهي للاسترشاد فقط.

المواد المطيلية

المواد الهشة

مرجع

أقصى قوة شد - ويكيبيديا