فهم الخواص الميكانيكية للمعادن

تشمل خواص المواد المعدنية أداء الخدمة وأداء العملية. يشير أداء الخدمة إلى الخصائص التي تظهر أثناء الاستخدام (مثل الخواص الميكانيكية والخصائص الفيزيائية والخصائص الكيميائية وغيرها). يشير أداء المعالجة إلى الخواص التي تظهرها المواد المعدنية أثناء عمليات المعالجة المختلفة (مثل أداء الصب وأداء التشكيل وأداء اللحام وأداء المعالجة الحرارية وأداء القطع، إلخ).

بشكل عام، يعتمد اختيار المواد المعدنية بشكل أساسي على الخواص الميكانيكية. تشير الخواص الميكانيكية للمواد المعدنية إلى الخواص المتعلقة أو بما في ذلك علاقة الإجهاد والانفعال التي تظهرها المواد المعدنية تحت تأثير القوة، أي المقاومة التي تظهرها المواد المعدنية تحت تأثير القوة. تشمل الخواص الميكانيكية الشائعة القوة واللدونة والصلابة والمتانة وقوة الكلال وما إلى ذلك.

I. القوة والليونة

1. القوة

تسمى قدرة المواد المعدنية على مقاومة التشوه والكسر تحت تأثير القوة بالمتانة، والتي تقاس عادةً بطريقة اختبار الشد.

قبل الاختبار، يتم تحويل المادة المعدنية المراد اختبارها إلى عينة شد ذات شكل وحجم معينين وفقًا للمعيار GB/T 228.1-2010. أثناء الاختبار، يتم تثبيت العينة القياسية على ماكينة اختبار الشد وتحميلها ببطء (حمل ثابت).

تزداد استطالة العينة مع زيادة القوة حتى تنكسر العينة. يمكن لجهاز التسجيل الأوتوماتيكي لآلة الاختبار رسم منحنى استطالة القوة - الاستطالة الذي يوضح العلاقة بين القوة والاستطالة المقابلة خلال عملية اختبار الشد بأكملها. يوضح الشكل 1 منحنى استطالة القوة والاستطالة للصلب منخفض الكربون الملدن.

كما يتضح من الشكل 1، عندما تكون القوة F تساوي صفرًا، تكون الاستطالة ΔL صفرًا. عندما تزداد القوة تدريجيًا من الصفر إلى النقطة a، تزداد استطالة العينة بالتناسب مع القوة. في هذا الوقت، إذا أزيلت القوة، يمكن أن تعود العينة بالكامل إلى شكلها وحجمها الأصلي، مما يشير إلى أن العينة في مرحلة التشوه المرن.

عندما تتجاوز القوة النقطة (أ)، لا تخضع العينة لتشوه مرن فحسب، بل تخضع أيضًا لتشوه بلاستيكي (أو تشوه دائم)، مما يعني أنه بعد إزالة القوة، لا يمكن للعينة أن تعود تمامًا إلى شكلها وحجمها الأصليين. عندما تزداد القوة إلى النقطة (ب)، تظهر قطعة أفقية (أو على شكل سن المنشار) على المنحنى، مما يشير إلى أن القوة لا تزداد، ولكن العينة تستمر في الاستطالة. وتسمى هذه الظاهرة "الاستسلام".

عندما تتجاوز القوة النقطة d (القوة المناظرة F_{هـ ل} )، تزداد استطالة العينة مع زيادة القوة، مما يشير إلى أن العينة قد خضعت لقدر كبير من التشوه اللدن. عندما تستمر القوة في الزيادة إلى النقطة c (القوة المقابلة F_m )، تُظهِر العينة ظاهرة انخفاض القطر الموضعي، والمعروفة باسم "النخر". عندما تنخفض القوة تدريجيًا إلى النقطة K، تنكسر العينة عند نقطة النخر.

(1) قوة الخضوع

يُطلق على الحد الأدنى للإجهاد الذي تظهر عنده المادة المعدنية الخضوع اسم مقاومة الخضوع، ويُشار إليه بالرمز R _{هـ ل} (MPa)، وهو

R_{هـ ل}=F_{هـ ل}/S₀

المكان

• F_{هـ ل} --الحد الأدنى للقوة (نيوتن) التي تتحملها المادة أثناء الخضوع;
• S₀ -مساحة المقطع العرضي الأصلي للعينة (مم ² ).

لا تُظهر بعض المواد المعدنية (مثل الفولاذ عالي الكربون والحديد الزهر، إلخ) خضوعًا واضحًا أثناء اختبار الشد، مما يجعل من الصعب قياس قوة الخضوع.

في مثل هذه الحالات، تُستخدم قوة الاستطالة المتبقية المحددة R في الهندسة لتعكس مقاومة المادة للخضوع، وهو الإجهاد المقابل للنسبة المئوية المحددة لطول المقياس بعد إزالة قوة الشد. على سبيل المثال، يُرمز إلى الإجهاد عند الاستطالة المتبقية المحددة بـ R_r0.2 .

R_r0.2=F_r0.2/S₀

في الصيغة، F _r0.2 تشير إلى القوة (N) التي تتحملها العينة عندما تكون الاستطالة المتبقية 0.2% بعد إزالة قوة الشد.

تشير مقاومة الخضوع إلى قدرة المواد المعدنية على مقاومة تشوه طفيف في اللدونة. عندما يكون الإجهاد على المادة أقل من مقاومة الخضوع، يحدث تشوه طفيف في اللدونة؛ وعندما يتجاوز مقاومة الخضوع، يحدث تشوه كبير في اللدونة.

(2) قوة الشد

يُطلق على أقصى إجهاد شد يمكن أن تتحمله العينة قبل أن تنكسر قوة الشد، ويُشار إليها بالرمز R_m (ميجا باسكال).

R_m=F_m/S₀

في الصيغة، F_m أقصى قوة (نيوتن) تتحملها العينة قبل أن تنكسر.

تشير قوة الشد إلى قدرة المواد المعدنية على مقاومة أقصى قدر من التشوه أو الكسر البلاستيكي المنتظم. لا تُظهر بعض المواد ذات اللدونة الضعيفة خضوعًا واضحًا أثناء اختبار الشد، ولكن من السهل نسبيًا قياس قوة الشد. لذلك، تُعد قوة الشد أيضًا مؤشرًا مهمًا لقياس قوة المواد.

2. اللدونة

يُطلق على قدرة المواد المعدنية على الخضوع لأقصى تشوه لدن قبل أن تنكسر تحت تأثير القوة اسم اللدونة. كلما زاد التشوه اللدن قبل الكسر، كلما كانت اللدونة أفضل. تشمل مؤشرات اللدونة الشائعة الاستطالة بعد الكسر وانخفاض المساحة، والتي يتم قياسها أيضًا عن طريق اختبارات الشد على العينات.

(1) الاستطالة بعد الكسر

يُطلق على النسبة المئوية للاستطالة المتبقية لطول المقياس بعد انكسار العينة إلى طول المقياس الأصلي الاستطالة بعد الكسر، ويُشار إليها بالرمز A.

أ=(ل_u-L_o)/L_o×100%

المكان

• L_u -طول المقياس بعد كسر العينة (مم);
• L_o -طول المقياس الأصلي للعينة (مم).

(2) تقليل المساحة

يُطلق على النسبة المئوية لأقصى انخفاض في مساحة المقطع العرضي للعينة بعد الكسر إلى مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة اسم انخفاض المساحة، ويُشار إليها بالرمز Z.

Z=(S_o-S_u)/S_o×100%

المكان

• S_u - الحد الأدنى لمساحة المقطع العرضي للعينة بعد الكسر (مم² );
• S_o - مساحة المقطع العرضي الأصلي للعينة (مم² ).

يعد كل من الاستطالة بعد الكسر وتقليل المساحة من مؤشرات الأداء المهمة للمواد. كلما كانت قيمهما أكبر، كانت مرونة المادة أفضل.

II. الصلابة

تشير الصلابة إلى قدرة المادة المعدنية على مقاومة التشوه، خاصةً التشوه الدائم مثل المسافة البادئة أو الخدش، أي القدرة على مقاومة التشوه والتلف اللدن الموضعي. وعمومًا، كلما زادت الصلابة زادت مقاومة التآكل وزادت القوة.

في الإنتاج الحالي، فإن الطريقة الأكثر استخدامًا لقياس الصلابة هي اختبار الصلابة بالمسافة البادئة. ويستخدم هذا الاختبار مسافة بادئة ذات شكل هندسي معين، يتم ضغطها على سطح المادة المعدنية التي يتم اختبارها تحت حمولة معينة. يتم تحديد قيمة الصلابة بناءً على درجة التشوه بعد المسافة البادئة.

وباستخدام نفس المسافة البادئة وتحت نفس الحمل، إذا كانت درجة التشوه بعد المسافة البادئة أكبر، تكون صلابة المادة أقل؛ وعلى العكس، تكون الصلابة أعلى. اختبارات صلابة برينل وصلابة روكويل هي الأكثر استخدامًا في الإنتاج.

1. صلابة برينل

ويتمثل مبدأ قياس صلابة برينل في استخدام كرة من سبيكة صلبة بقطر معين D كمسافة بادئة يتم ضغطها على سطح المعدن الذي يتم اختباره تحت قوة اختبار محددة F (انظر الشكل 2). بعد الحفاظ على القوة لفترة زمنية محددة، تتم إزالة قوة الاختبار، ويتم قياس القطر d للمسافة البادئة على سطح المعدن المختبر. تُحسب قيمة صلابة برينل بضرب نسبة قوة الاختبار إلى مساحة السطح الكروي للمسافة البادئة في ثابت (0.102)، ويُشار إليه بالرمز HBW. الحد الأعلى لنطاق اختبار صلابة برينل هو 650HBW.

يتم التعبير عن قيمة صلابة برينل من خلال رقم الصلابة ورمز الصلابة وظروف الاختبار (قطر الكرة وقوة الاختبار وزمن التثبيت). على سبيل المثال، يشير الرقم 350HBW5/750 إلى قيمة صلابة برينل 350 التي تم قياسها باستخدام كرة سبيكة صلبة قطرها 5 مم تحت قوة اختبار تبلغ 7.35 كيلو نيوتن لمدة 10 إلى 15 ثانية. كلما زادت قيمة الصلابة كلما زادت صلابة المادة المختبرة.

2. صلابة روكويل

يتمثل مبدأ قياس صلابة روكويل في استخدام أداة قياس صلابة روكويل في استخدام أداة قياس صلابة مخروطية ماسية بزاوية قمة 120 درجة أو أداة قياس صلابة كروية فولاذية مقواة بقطر 1.5875 مم. يتم الضغط على المسافة البادئة في سطح المعدن الذي يتم اختباره تحت قوة الاختبار الأولية وقوى الاختبار الأولية والرئيسية مجتمعة (انظر الشكل 3). بعد الحفاظ على القوة لفترة زمنية محددة، تتم إزالة قوة الاختبار الرئيسية، ويتم تحديد صلابة المادة المعدنية بناءً على زيادة عمق المسافة البادئة المتبقية.

في الشكل 3، الموضع 0-0 هو الموضع الابتدائي للمُؤشِّر المخروطي، أي الموضع الذي لا يكون فيه المُؤشِّر ملامسًا لسطح المعدن المختبَر؛ والموضع 1-1 هو العمق h_o من المسافة البادئة تحت قوة الاختبار الأولية التي تبلغ 98.07 نيوتن (10 كجم قدم)؛ الموضع 2-2 هو العمق h₁ للمُؤشِّر بعد تطبيق قوة الاختبار الرئيسية؛ وبعد إزالة قوة الاختبار الرئيسية، يستعيد التشوُّه المرن للمعدن المختبَر، مما يؤدي إلى ارتفاع المؤشِّر إلى الموضع 3-3 بمقدار h₂ .

ولذلك، يمكن قياس صلابة المعدن المختبر من خلال العمق h (عمق المسافة البادئة المتبقية) للتشوه اللدن الناجم عن قوة الاختبار الرئيسية. وكلما زاد عمق المسافة البادئة h، انخفضت صلابة المعدن المختبر؛ وعلى العكس، كلما زادت الصلابة.

للتوافق مع المفهوم القائل بأنه كلما زادت القيمة زادت الصلابة، يتم استخدام ثابت N ناقص h/0.002 كقيمة صلابة روكويل، ويُشار إليها بالرمز HR. يمكن قراءة قيمة صلابة روكويل مباشرة من قرص جهاز اختبار الصلابة.

الموارد البشرية=ن1-ح/0.002

في المعادلة، N هو ثابت. عند استخدام أداة إدخالية ماسية، N=100؛ وعند استخدام أداة إدخالية كروية فولاذية مقواة، N=130.

يتم التعبير عن صلابة روكويل بكتابة قيمة الصلابة قبل الرمز، مثل 60HRC. وترد في الجدول 1 ظروف الاختبار الشائعة ونطاقات تطبيق صلابة روكويل.

الجدول 1 شروط الاختبار الشائعة ونطاقات تطبيق صلابة روكويل (مقتطفات من GB/T 230.1-2009)

ثالثاً. صلابة التأثير

المتانة واللدونة والصلابة هي مؤشرات أداء ميكانيكية تقاس تحت الحمل الساكن. في الواقع، غالبًا ما تعمل العديد من أجزاء الماكينات والأدوات تحت حمل الصدمات. في هذا الوقت، بالإضافة إلى استيفاء المتانة واللدونة والصلابة تحت الحمل الساكن، يجب أن تتمتع أيضًا بالقدرة الكافية لمقاومة حمل الصدمات.

تسمى قدرة المعدن على مقاومة حمل الصدم دون أن يتضرر صلابة الصدم، ويمكن تحديد صلابة المواد المعدنية للصدم من خلال اختبارات الصدم.

اختبار الصدم البندولي هو الطريقة الأكثر استخداماً حالياً في التكنولوجيا الهندسية. يتم تحويل المادة المعدنية المراد اختبارها إلى عينة صدم قياسية واختبارها على آلة اختبار بندول خاصة.

أثناء الاختبار، يتم وضع العينة على دعامة آلة الاختبار، ويتم رفع البندول بكتلة m إلى ارتفاع h₁ بحيث يحصل على قدر معين من الطاقة، ثم يُسمح للبندول بالسقوط الحر لكسر العينة. بعد كسر العينة، يستمر البندول في الارتفاع إلى الأمام حتى يصل إلى ارتفاع h₂ . إن فرق الطاقة الكامنة للبندول أثناء هذه العملية هو الطاقة المستهلكة لكسر العينة، وهي طاقة امتصاص الصدمة، ويُشار إليها بالرمز K، بوحدة J (جول).

وكلما زادت طاقة امتصاص الصدم، زادت صلابة المادة في الصدم، وعلى العكس من ذلك، كلما زادت طاقة امتصاص الصدم، زادت صلابة المادة في الصدم، أي زادت هشاشتها.

IV. قوة الإعياء

غالبًا ما تتعرض العديد من الأجزاء الميكانيكية مثل أعمدة كرنك المحرك، وقضبان التوصيل، والتروس، والنوابض، وما إلى ذلك، لأحمال تتغير بشكل دوري في الحجم والاتجاه. ويسمى هذا النوع من الأحمال بالحمل المتناوب.

تحت تأثير الحمل المتناوب، على الرغم من أن قيمة الإجهاد القصوى التي يتحملها الجزء أقل بكثير من قوة الخضوع الخاصة به، إلا أنه بعد العديد من الدورات، ينكسر الجزء دون تشوه خارجي كبير. ويسمى هذا النوع من الكسر كسر الكلال. غالبًا ما يحدث الكسر فجأة، لذا فهو خطير جدًا ويمكن أن يتسبب في كثير من الأحيان في حوادث خطيرة.

يُطلق على قيمة الإجهاد القصوى التي يمكن أن تتحملها المادة المعدنية دون التسبب في حدوث كسر تحت أحمال متناوبة لا حصر لها اسم قوة إجهاد المادة.

من غير الممكن إجراء عدد لا يحصى من دورات الإجهاد في الاختبارات الفعلية، لذلك يشترط بالنسبة للصلب، عندما يصل عدد دورات الإجهاد إلى 10 دورات إجهاد⁷ مرات، يعتبر الحد الأقصى للإجهاد الذي لا ينكسر عنده الجزء هو قوة إجهاده؛ بالنسبة للمعادن غير الحديدية وبعض أنواع الفولاذ فائق القوة، عندما يكون عدد دورات الإجهاد 10⁸ مرات، يعتبر الحد الأقصى للإجهاد الذي لا ينكسر عنده الجزء هو قوة إجهاده.