اختبار قوة المواد: دليل الخواص الميكانيكية

I. الخواص الميكانيكية للمواد

تشير الخواص الميكانيكية للمواد إلى سلسلة من الخصائص الميكانيكية التي تظهرها المواد تحت تأثير القوة، مما يعكس قدرتها على مقاومة التشوه أو التلف تحت أشكال مختلفة من القوى الخارجية.

1. القوة

القوة هي قدرة المادة على مقاومة التشوه البلاستيكي والكسر تحت الأحمال الخارجية. في الهندسة، يشيع استخدام قوة الخضوع وقوة الشد، والتي يمكن قياسها من خلال اختبارات الشد.

• قوة الخضوع: حد الخضوع عندما تتعرض المواد المعدنية للخضوع، وتقاس بوحدة MPa;
• قوة الشد: قدرة المادة على تحمل قوى الشد، تقاس بوحدة MPa;
• قوة الانضغاط: قدرة المادة على تحمل قوى الضغط، تقاس بوحدة MPa;
• قوة الانحناء: قدرة المادة على تحمل قوى الانحناء، تقاس بوحدة MPa;
• قوة القص: قدرة المادة على تحمل قوى القص، تقاس بوحدة MPa.

2. الصلابة

الصلابة هي مقاومة المادة للتشوه البلاستيكي أو الخدش أو التآكل أو القطع، وهي قدرة المادة على مقاومة ثقب الأجسام التي لا تسبب تشوهًا دائمًا في ظل ظروف معينة.

يتم تنفيذ عمليات التصنيع المختلفة في الميكانيكا عن طريق اختيار أدوات ذات صلابة مختلفة وفقًا لخصائص المواد المختلفة.

وتشمل الصلابة صلابة روكويل (HR) وصلابة شور (HS) وصلابة فيكرز (HV) وصلابة برينل (HBW)، وغيرها.

3. اللدونة

اللدونة هي قدرة المادة على الخضوع للتشوه اللدن دون أن تتكسر تحت قوى خارجية.

مؤشرات اللدونة الشائعة المستخدمة في الهندسة هي الاستطالة وانخفاض المساحة. الاستطالة هي النسبة المئوية لاستطالة العينة بعد الكسر إلى طولها الأصلي، ويُشار إليها بالرمز A.

تصغير المساحة هو نسبة مساحة المقطع العرضي المصغّرة بعد الكسر إلى مساحة المقطع العرضي الأصلية، ويُشار إليها بالرمز Z. كلما زادت الاستطالة وتصغير المساحة كانت اللدونة أفضل، وعلى العكس من ذلك كلما كانت اللدونة أقل.

4. متانة التصادم

يُطلق على قدرة المادة على مقاومة أحمال الصدم اسم صلابة الصدم، ويُعبر عنها بصلابة الصدم أ_k (الوحدة جول/سم² ) أو طاقة امتصاص الصدمات A_k (الوحدة: J).

5. قوة التعب

قوة الكلال أو حد الكلال هو الحد الأقصى للإجهاد الذي لا تفشل عنده المادة المعدنية تحت عدد لا نهائي من دورات الحمل المتناوبة. من الناحية العملية، من المستحيل إجراء اختبارات دورة تحميل متناوبة لا نهائية على المواد المعدنية.

بشكل عام، في الاختبار، يتم تحديد ما يلي: الحد الأقصى للإجهاد الذي لا ينكسر عنده الفولاذ بعد 10⁷ الدورات وغير الحديدية المعادن بعد 10⁸ دورات الأحمال المتناوبة تسمى قوة الكلال. عندما يكون الإجهاد المتناوب المطبق إجهادًا دوريًا متناظرًا، يُشار إلى قوة الكلال الناتجة بالرمز S.

ثانياً. اختبارات الخصائص الميكانيكية والتكنولوجية

توفر اختبارات المواد معلومات حول التغيرات في خواص المواد الهندسية تحت قوى خارجية (مثل الشد والضغط والانحناء والالتواء والقص والانثناء). تختلف خواص قوة المواد اعتماداً على ما إذا كان الحمل المطبق ثابتاً (معدل تشوه المواد منخفض) أو ديناميكياً (معدل تشوه المواد مرتفع).

1. الاختبار

تتعرض عينة بلاستيكية لإجهاد تحت قوة شد متزايدة. تستطيل العينة، وعندما تزداد قوة الشد إلى قيمة معينة، تنكسر المادة (الحمل الساكن).

إذا تعرضت المادة لقوة صدمة مفاجئة ينتج عنها إجهاد، فإنها تنكسر كما لو كانت مقطوعة بسكين (حمل ديناميكي). الغرض من الاختبار هو تحديد قوة المادة، وصلابتها، وقابليتها للتشغيل الآلي، وخصائص السحب العميق، بالإضافة إلى خصائص الثني والتشكيل واللحام.

2. اختبار مواد الورشة

ليس الغرض من ذلك هو الحصول على بيانات الاختبار، ولكن فقط توفير بيانات لفهم خصائص معالجة المواد.

3. القابلية للتشكيل

قم بتسخين وتشكيل قضيب فولاذي مسطح حتى تظهر تشققات عند الحواف. بعد التشكيل، يجب أن يزيد عرض الفولاذ المسطح بعد التشكيل بمقدار 1 إلى 1.5 مرة من العرض الأصلي دون أن تتشقق المادة.

4. التشكيل على البارد

يشير التشكيل على البارد إلى طرق المعالجة مثل القصوثني المواد وثنيها وتمديدها بدون تسخين. وتشمل عمليات التشكيل على البارد عمليات التشكيل على البارد، والدرفلة على البارد، والتشكيل بالقالب.

5. اختبار الملف

يُظهر اختبار الملف أن الفولاذ ذو الصلابة العالية يصعب برده.

6. اختبار الرسم العميق

يتم الضغط تدريجياً على صفيحة فولاذية مثبّتة تحت تأثير لكمة دائرية، مع زيادة الضغط حتى تظهر شقوق في الصفيحة الفولاذية.

7. اختبار الشرارة

من خلال مراقبة ظاهرة الشرارة التي تنتج عند طحن الفولاذ، يمكن للمرء تحديد نوع الفولاذ.

8. اختبار الحنفية

قم بتعليق جزء من الفولاذ (حديد الزهر بشكل أساسي) بحرية، ثم انقر عليه بخفة للتمييز بين الفولاذ المصبوب (صوت واضح)، والحديد الزهر الرمادي (صوت باهت)، والمسبوكات ذات الشقوق والتجاويف الانكماشية.

9. الفحص البصري

فحص جودة السطح لتحديد العيوب الخارجية (تجاويف الانكماش والشقوق والشقوق).

طرق اختبار المواد

10. اختبار تمدد الأنبوب وحرق الأنبوب

تحديد ما إذا كان التمزق يحدث عند كلا الطرفين عند توسيع الأنبوب. بالنسبة لاختبار التمدد، يتم قلب حافة الأنبوب إلى الخارج حتى تظهر الشقوق.

11. تحديد صلابة المواد من خلال مقارنة المسافات البادئة

ضع كرة من الفولاذ بين لوحين معدنيين مختلفين في الصلابة (مثل الفولاذ والألومنيوم) وشبكهما معاً في ملزمة مقعد. ستختلف أقطار المسافة البادئة السطحية، مما يسمح بمقارنة صلابة اللوحين المعدنيين.

12. تحديد الصلابة بطريقة الارتداد

استخدام التشوه المرن. يتم إسقاط كرة فولاذية من ارتفاع معين؛ المواد ذات الصلابة الأعلى يكون ارتفاع ارتدادها أكبر، بينما المواد الأكثر ليونة يكون ارتفاع ارتدادها أقل.

ثالثًا: اختبار الشد اختبار الشد

تُستخدم قضبان الاختبار القياسية لاختبار الشد. يزداد الحمل تدريجيًا. تحت تأثير القوة الخارجية F، يتعرض المقطع العرضي لقضيب الاختبار لإجهاد الشد، وتستطيل العينة، وأخيرًا تنكسر في المنتصف. قوة الشد الخارجية F (نيوتن)، الاستطالة Δل (مم).

الاستطالة Δل = ل - ل₀

• ل - الطول بعد التمدد (مم);
• l₀ - الطول الأصلي (مم).

1) إذا تضاعفت قوة الشد F، تتضاعف الاستطالة Δl أيضًا، وتتناسب الاستطالة مع الحمل. إذا تمت إزالة الحمل، يعود قضيب الاختبار إلى طوله الأصلي l₀ . تظل الشبكة الذرية دون تغيير تحت الضغط (الحد التناسبي P).

2) إذا زادت قوة الشد، تظل المادة مرنة في البداية، وعندما تُزال القوة الخارجية تعود إلى طولها الأصلي. وتستمر هذه العملية حتى الحد المرن E.

تسمى نسبة الاستطالة إلى الطول الأصلي معدل الاستطالة: أ = (ل - ل₀ ) : l₀ أو أ = Δل : ل₀ .

نتيجة لعمل إجهاد الشد، يتولد إجهاد داخلي في المادة، وتسمى القوة المؤثرة على وحدة المساحة إجهادًا.

σ=F/A₀

المكان

• F - القوة المطبقة (نيوتن);
• A₀ - مساحة المقطع العرضي الأصلية (مم² );
• σ - الإجهاد (ميجا باسكال).

3) إذا زاد الإجهاد، يزداد معدل الاستطالة بشكل كبير حتى يتوقف الحمل عن الزيادة ولكن تستمر المادة في الاستطالة. تبدأ الشبكة الذرية في التحرك، وتصل إلى حد الخضوع. مع زيادة التحميل، يحدث نخر في قضيب الاختبار.

تزداد استطالة المادة زيادة كبيرة. وهذا هو أعلى حد للحمل، ويسمى حد الشد، ويعبر عنه بقوة الشد R_m وهو الحد الأقصى للحمل المؤثِّر على جسم قطره 1 مم² المقطع العرضي، مثل R_m = 800 ميجا باسكال.

4) مع استمرار التحميل، "تتدفق" المادة حتى تنكسر عند النقطة Z.

5) في الممارسة الهندسية، لا يُسمح بالتشوه الدائم لقطع العمل أو أجزاء الماكينة، ويُسمح بالأحمال ضمن نطاق التشوه المرن.

رابعا. اختبار الصلابة

1. اختبار صلابة برينل

يتم تطبيق قوة خارجية F للضغط على كرة فولاذية بقطر D في مادة الاختبار. بعد إزالة الحمل الخارجي، يتم قياس القطر d من المسافة البادئة. صلابة برينل هي

HB = القوة الخارجية F (نيوتن) المطبقة على العينة / مساحة السطح A ₀ من المسافة البادئة (مم ² )

في الاختبار الفعلي، يمكن قراءة قيمة صلابة برينل مباشرةً من قطر المسافة البادئة المقاسة d.

2. اختبار فيكرز للصلابة

مناسب للعينات الرقيقة جداً أو الصغيرة. يقيس الطول القطري للمسافة البادئة الناتجة عن الهرم الماسي على العينة. يرمز لها ب HV، على سبيل المثال، 30HV تشير إلى صلابة فيكرز عند حمولة اختبار 300 نيوتن.

3. اختبار صلابة روكويل

يستخدم كرة فولاذية أو مخروط من الماس كمؤشر، والقياس الرئيسي هو عمق الاختراق. لتعويض أخطاء القياس الناجمة عن الأسطح غير النظيفة، يتم أولاً وضع حمولة مسبقة قدرها 100 نيوتن على المسافة البادئة، ثم يتم ضبط مؤشر مقياس الصلابة على الصفر، ثم يتم وضع قوة إضافية قدرها 1400 نيوتن.

إذا أخذنا طريقة اختبار صلابة روكويل C باستخدام مخروط الماس كمثال، إذا كان عمق الاختراق e = 0.2 مم، فإن وحدة صلابة روكويل HRC = 0، وكل فرق 0.002 مم عن عمق الاختراق هذا يمثل درجة واحدة من صلابة روكويل.

على سبيل المثال: إذا اخترق المخروط 0.14 مم في العينة، فإن الفرق من 0.2 مم يساوي 0.06 مم، وبالتالي فإن صلابة روكويل تساوي 0.06 مم/0.002 مم = 30HRC.

V. اختبار الصدم المسنن

استخدام عينة شق تأثير الحمل الديناميكي. تختلف عن اختبار الشد بالحمل الديناميكي، يمكن لهذه الطريقة قياس صلابة تأثير الشق.

يتم إجراء اختبار الصدم الشق على آلة اختبار الصدم البندولي. تضرب مطرقة البندول مركز الشق في العينة الموضوعة على الدعامات عند كلا الطرفين. بعد انكسار الشق، يشير مؤشر القرص إلى ارتفاع البندول.

صلابة الشق الصدمي

a_k=A_k/S₀

في الصيغة

• S ₀ - مساحة المقطع العرضي للكسور (سم)² );
• A _k - طاقة امتصاص الصدمات (J).