الخصائص الميكانيكية للمادة

ما هي الخواص الميكانيكية للمادة؟

يعني مفهوم الخواص الميكانيكية للمادة كيفية تصرفها عند تحميلها، حيث يؤثر معامل المرونة للمادة على مقدار انحرافها تحت الحمل، كما وتحدد قوة المادة الضغوط التي يمكنها تحملها قبل أن تفشل، حيث تلعب ليونة المادة أيضًا دورًا مهمًا في تحديد متى تنكسر المادة عندما يتم تحميلها خارج حدود المرونة الخاصة بها، ونظرًا لأن كل نظام ميكانيكي يتعرض لأحمال أثناء التشغيل، فمن المهم أن نفهم كيف تتصرف المواد التي تتكون منها تلك الأنظمة الميكانيكية.

الخصائص الميكانيكية:

الإجهاد والتوتر:

يتم تحديد العلاقة بين الإجهاد والانفعال في مادة من خلال إخضاع عينة مادية لاختبار التوتر أو الضغط، وفي هذا الاختبار، حيث يتم تطبيق قوة محورية متزايدة بإطراد على عينة اختبار، كما يتم قياس الانحراف مع زيادة الحمل، ويمكن رسم هذه القيم كمنحنى انحراف الحمل، ويعتمد الانحراف في عينة الاختبار على كل من معامل مرونة المادة بالإضافة إلى هندسة العينة (المنطقة والطول).

ونظرًا لأننا مهتمون بالسلوك المادي بغض النظر عن الهندسة، فمن المفيد تعميم البيانات لإزالة تأثير الهندسة، حيث يتم ذلك عن طريق تحويل قيم الحمل إلى قيم الإجهاد وتحويل قيم الانحراف إلى قيم الإجهاد: معادلة الاجهاد σ = P/A₀ ، ومعادلة الانفعال هي ε = ΔL/L₀

في معادلة الإجهاد، P هي الحمل و A₀ هي منطقة المقطع العرضي الأصلية لعينة الاختبار، وفي معادلة الانفعال L هو الطول الحالي للعينة و L₀ هو الطول الأصلي.

فيما يتعلق بالإجهاد والتوتر الحقيقي يعمل المهندسون عادةً مع الضغط الهندسي، وهو القوة المقسومة على المنطقة الأصلية للعينة قبل التحميل: σ = P / A0 ومع ذلك، عند تحميل المادة تقل المساحة، ويكون الضغط الحقيقي، هو قيمة الإجهاد في المادة مع مراعاة المساحة الفعلية للعينة، ونظرًا لأن المساحة تتناقص مع تحميل المادة، سيكون الضغط الحقيقي أعلى من الإجهاد الهندسي.

اذا تم مقارنة منحنى إجهاد – إجهاد هندسي بمنحنى إجهاد – إجهاد حقيقي، ونظرًا لأنه يتم حساب الإجهاد الهندسي كقوة مقسومة على المنطقة الأصلية (وهي ثابتة)، فإن منحنى الإجهاد والانفعال الهندسي له نفس شكل منحنى انحراف الحمل، حيث ينخفض ​​منحنى الإجهاد والانفعال الهندسي بعد الوصول إلى القوة المطلقة؛ لأن القوة التي يمكن أن تدعمها المادة تنخفض عندما تبدأ في التقلص.
ومع ذلك، فإن قيمة الإجهاد في منحنى الإجهاد والانفعال الحقيقي تزيد دائمًا مع زيادة الإجهاد، وهذا بسبب استخدام القيمة اللحظية للمنطقة عند حساب الإجهاد الحقيقي، حتى عندما تنخفض القوة التي تدعمها المادة، فإن الانخفاض في منطقة العينة يفوق انخفاض القوة، ويستمر الضغط في الزيادة.

السلالة المرنة والبلاستيكية:

في وضعية السلالة المرنة والبلاستيكية حتى الحد المرن، يكون الضغط في المادة أيضًا مرنًا وسيتم استعادته عند إزالة الحمولة بحيث تعود المادة إلى طولها الأصلي، ومع ذلك، إذا تم تحميل المادة بما يتجاوز الحد المرن، فسيحدث تشوه دائم في المادة، والذي يشار إليه أيضًا باسم إجهاد البلاستيك.

الليونة:

تعتبر اللدونة مؤشرًا على مقدار الإجهاد البلاستيكي الذي يمكن للمادة أن تتحمله قبل أن تنكسر، كما ويمكن للمادة المطيلة أن تصمد أمام سلالات كبيرة حتى بعد أن تبدأ في الإنتاج، وتشمل المقاييس الشائعة لليونة نسبة الاستطالة والانخفاض في المنطقة، بحيث بعد أن تنكسر العينة أثناء اختبار الشد، يتم قياس الطول النهائي للعينة ويتم حساب الإجهاد البلاستيكي عند الفشل، والمعروف أيضًا باسم الإجهاد عند الكسر: ε_f=L_f-L_o/L_o.

حيث L_f هو الطول النهائي للعينة بعد الكسر وL_o هو الطول الأولي للعينة، ومن المهم ملاحظة أنه بعد كسر العينة، يتم استعادة الضغط المرن الذي كان موجودًا أثناء وجود العينة تحت الحمل، وبالتالي فإن الفرق المقاس بين الأطوال النهائية والأولية يعطي إجهادًا بلاستيكيًا عند الفشل.

مواد مطيلة وهشة:

يمكن للمادة المطيلة أن تتحمل سلالات كبيرة حتى بعد أن تبدأ في الإنتاج، في حين أن المادة الهشة يمكن أن تصمد أمام إجهاد بلاستيكي ضئيل أو معدوم، حيث يمكن رؤية مادة الدكتايل وهي تجهد بشكل ملحوظ قبل نقطة الكسر، حيث توجد منطقة طويلة بين المحصول والقوة النهائية حين تكون المادة تصلب، كما توجد أيضًا منطقة طويلة بين القوة المطلقة عند ونقطة الكسر، بحيث تتناقص مساحة المقطع العرضي للمادة بسرعة ويحدث التعرق، كما ويمكن رؤية المادة الهشة تتكسر بعد وقت قصير من نقطة العائد، وبالإضافة إلى ذلك، فإن القوة النهائية تتزامن مع نقطة الكسر، وفي هذه الحالة، لا يحدث تعنق.

سلالة الطاقة:

عندما يتم تطبيق القوة على مادة ما، فإنها تتشوه وتخزن الطاقة الكامنة، تمامًا مثل الزنبرك، وتكون طاقة الإجهاد (أي كمية الطاقة الكامنة المخزنة بسبب التشوه) تساوي العمل المبذول في تشويه المادة، وتتوافق طاقة الإجهاد الإجمالية مع المنطقة الواقعة أسفل منحنى انحراف الحمل، وتحتوي على وحدات in-lbf في الوحدات العرفية الأمريكية و N-m في وحدات SI، حيث يمكن استعادة طاقة الإجهاد المرنة، لذلك إذا ظل التشوه ضمن الحد المرن، فيمكن استعادة كل طاقة الإجهاد.

معامل المرونة:

معامل المرونة هو مقدار طاقة الإجهاد لكل وحدة حجم (أي كثافة طاقة الإجهاد) التي يمكن للمادة أن تمتصها دون أن ينتج عنها تشوه دائم، ويُحسب معامل المرونة على أنه المنطقة الواقعة تحت منحنى الإجهاد والانفعال حتى حد المرونة، ومع ذلك ونظرًا لأن الحد المرن ونقطة العائد قريبان جدًا في العادة، يمكن تقريب المرونة على أنها المنطقة الواقعة تحت منحنى الإجهاد والانفعال حتى نقطة العائد، ونظرًا لأن منحنى الإجهاد والانفعال خطي تقريبًا حتى الحد المرن، فإن هذه المنطقة مثلثية.

معامل المتانة:

معامل الصلابة هو مقدار طاقة الإجهاد لكل وحدة حجم (أي كثافة طاقة الإجهاد) التي يمكن للمادة أن تمتصها قبل أن تنكسر مباشرة، ويتم حساب معامل الصلابة على أنه المنطقة الواقعة تحت منحنى الإجهاد والانفعال حتى نقطة الكسر، كما ويمكن حساب دقيق للمساحة الكلية تحت منحنى الإجهاد والانفعال لتحديد معامل الصلابة متضمن إلى حد ما ومع ذلك، يمكن إجراء تقريب تقريبي عن طريق تقسيم منحنى الإجهاد والانفعال إلى قسم مثلث وقسم مستطيل، حيث أن ارتفاع المقاطع يساوي متوسط ​​مقاومة الخضوع والقوة النهائية.

يمكن إجراء حساب أفضل لمعامل الصلابة باستخدام معادلة Ramberg-Osgood لتقريب منحنى الإجهاد والانفعال، ثم دمج المنطقة الواقعة أسفل المنحنى، وتجدر الإشارة إلى مدى مساهمة المنطقة الواقعة تحت المنطقة البلاستيكية لمنحنى الإجهاد والانفعال في صلابة المادة؛ وذلك نظرًا لأن مادة الدكتايل يمكن أن تتحمل إجهادًا بلاستيكيًا أكثر بكثير من المواد الهشة.
كما أن مادة الدكتايل سيكون لها معامل صلابة أعلى من المواد الهشة بنفس قوة الخضوع، وعلى الرغم من أن الهياكل مصممة بشكل نموذجي للحفاظ على الضغوط داخل المنطقة المرنة، إلا أن مادة الدكتايل ذات معامل الصلابة الأعلى تكون مناسبة بشكل أفضل للتطبيقات التي قد يحدث فيها زيادة عرضية.