قوة الشد وقوة الخضوع وقوة القص: الاختلافات ودليل التطبيق

يرتكب المهندسون، دون قصد، أخطاءً في تصميم المنتج أثناء تحديد قوة المنتج واختيارها. وفي بعض الأحيان، تتعرض المنتجات للفشل بسبب الكسر القصي، في حين يُركز الاهتمام الأكبر على قوة الشد وقوة الخضوع. قد تتعرض المواد المختلفة المستخدمة في تطوير المنتج للفشل بسبب عدم كفاية التصميم فيما يتعلق بمستويات القوة المختلفة. على سبيل المثال، في حين أن تجاوز قوة الخضوع يمكن أن يؤدي إلى تشوه الغلاف البلاستيكي، فإن الملحق الملولب قد يتعرض للفشل بسبب عدم كفاية قوة القص. وبالمثل، بمجرد وصول الدعامات المعدنية إلى حد شدها، فإنها تنكسر. توضح هذه الأمثلة أن المواد المختلفة تتمتع بأنواع مختلفة من القوة، وهو ما يجب أخذه في الاعتبار عند تصميم المنتج وتطويره. ولكن هل هناك فرق واضح بين هذه الخصائص الثلاث؟ يصف هذا الدليل كل خاصية، ويوضح كيف تختلف كل منها عن الأخرى، ويناقش قياسها واختبارها.

ما المقصود بقوة الشد وقوة الخضوع وقوة القص؟

من المرجح أن يسيء معظم الناس تفسير هذه المصطلحات بسبب العلاقة الوثيقة بينها. في الواقع، يعتقد من هم خارج مجالات الفيزياء والميكانيكا والهندسة أحيانًا أنها مصطلحات متطابقة. ومع ذلك، فإن هذه المصطلحات تصف آليات فشل مختلفة. دعونا نتعمق في كل مصطلح على حدة.

ما هي مقاومة الشد؟

تُعد مقاومة الشد إحدى الخصائص الميكانيكية التي لا يمكن تجاهلها في التطبيقات الصناعية. ولهذه الخاصية تأثير حاسم على سلامة وأداء المواد المختلفة المستخدمة في تصنيع المنتجات المتنوعة.

ويمكن ملاحظة هذه الخاصية في الأنشطة اليومية. على سبيل المثال، يمكن للرافعة رفع حمولة ثقيلة باستخدام حبل فولاذي رفيع دون أن ينقطع الحبل. ويرجع ذلك إلى أن الحبل يتمتع بمقاومة شد عالية جدًّا. ولنفترض أن الحمولة تجاوزت مقاومة الشد لدى الحبل الفولاذي؛ فسينكسر الحبل، مما يؤدي إلى وقوع إصابات.

التعريف والوحدات

تُعرَّف مقاومة الشد بأنها أقصى مقدار من الإجهاد الذي يمكن للمادة أن تتحمله قبل أن تنكسر أو تتشقق. وتُحسب بقسمة قوة الشد القصوى على المساحة الأصلية للمقطع العرضي للعينة. وتستند هذه المقاومة إلى مبدأ مفاده أنه عندما يزداد الإجهاد في المادة، فإن الروابط بين ذراتها تتمدد لتنكسر في النهاية.

تكتسب المادة مرونتها عند تعرضها لإجهاد. وعندما يُزال هذا الإجهاد، تعود المادة إلى شكلها الأصلي. ومع ذلك، مع استمرار تعرض المادة للإجهاد، تدخل المادة في المنطقة اللدنة. في هذه المنطقة، يتعرض البناء الذري أو الجزيئي الداخلي للمادة لانزلاق دائم (نتيجة لحركة الانزياح في المعادن البلورية أو فك تشابك السلاسل الجزيئية في البوليمرات)، ويصبح من المستحيل على المادة العودة إلى شكلها الأصلي ^[1].

تُقاس مقاومة الشد بالميغاباسكال (N/mm²). ويلخص الجدول التالي الوحدات الأخرى ذات الصلة.

1 ميجا باسكال ≈ 145 رطل لكل بوصة مربعة

1 كسي = 6.895 ميجا باسكال

صيغة حساب مقاومة الشد

قوة الشد (S) تُعطى بالصيغة التالية؛;

S = F / A

حيث F هي قوة الشد المطبقة بالنيوتن (N) أو بالرطل-قوة (lbf). و A هي المساحة الأصلية للمقطع العرضي للعينة (مم²، م²، أو بوصة²). 

تُسمى أقصى قوة شد تحققها المادة أثناء التحميل بـ«قوة الشد القصوى» (UTS). وبمجرد بلوغ قوة الشد القصوى وتجاوزها، تبدأ المادة في التضيق. ومع زيادة الحمل، يتسارع التضيق حتى تنكسر المادة. تُحسب قوة الشد القصوى بالصيغة التالية:,

UTS=F_{الحد الأقصى}/A₀

المكان F_{الحد الأقصى} هي القوة القصوى التي يمكن تحملها قبل حدوث الكسر، و A₀ هي المساحة المقطعية الأصلية قبل التحميل.

قياس مقاومة الشد

يمكنك قياس مقاومة الشد عن طريق إجراء اختبارات الشد باستخدام آلة الاختبار الشاملة (UTM). وتُعرف آلة الاختبار الشاملة (UTM) أحيانًا باسم آلة اختبار الشد.

تبدأ العملية بإعداد عينة قياسية. بالنسبة للبلاستيك، يتم تشكيل المادة على شكل عينة على شكل عظمة كلب، بينما يتم تصنيع عينة أسطوانية للمعادن. وقبل التصنيع، يتم قياس مساحة المقطع العرضي الأصلية A0.

بعد التحضير، يتم تثبيت العينة على جهاز اختبار الشد (UTM). وتُترك الآلة تقوم بشد العينات بسرعة محكومة. وبينما تواصل الآلة شد العينة، تستمر في تسجيل البيانات التي تشمل القوة والاستطالة المقابلة. يمكنك قراءة سلوك المادة من خلال مراقبة منحنى الإجهاد-الاستطالة الذي تولده الآلة. ويمكن بعد ذلك حساب مقاومة الشد (S) كما هو موضح في المعادلة أعلاه.

ما هي قوة الخضوع؟

تعتبر قوة الخضوع وقوة الشد مصطلحين مرتبطين. بالنسبة للمواد المطاوعة، تصل المادة إلى قوة الخضوع قبل أن تصل إلى قوة الشد القصوى. أما المواد الهشة، فعادةً ما تنكسر قبل حدوث أي خضوع ملحوظ.

قوة الخضوع هي عتبة الإجهاد التي تنتقل عندها المواد من السلوك المرن (التشوه القابل للانعكاس) إلى السلوك اللدني (التشوه الدائم). وتُقاس بالميغاباسكال (MPa). 

لنأخذ على سبيل المثال ما يحدث عندما تسحب طرفي مشبك الورق ببطء. في البداية، يتمدد المشبك قليلاً. وعندما تتوقف عن السحب، يعود المشبك إلى وضعه الأصلي. أما عندما تستمر في السحب بقوة أكبر ثم تتوقف عن ذلك، فإن المشبك لا يعود إلى وضعه الأصلي. عند هذه النقطة، نقول إن المشبك قد بلغ «قوة الخضوع». من الناحية الفنية، يُقال إن المشبك في هذه الحالة قد تعرض لتشوه دائم دون أن ينكسر.

قياسات مقاومة الانحناء

قبل فهم طرق قياس مقاومة الانزلاق، من الضروري فهم المصطلحات المشتقة المستخدمة في حسابها. أحد هذه المصطلحات هو الإجهاد (σ). وهو مقدار القوة التي تتعرض لها المادة لكل وحدة مساحة. ويُحسب بالصيغة التالية:,

σ = F/A،,

حيث تمثل «F» القوة المؤثرة، و«A» مساحة المقطع العرضي. ويحدث الإجهاد الأقصى عندما تُطبق قوة قصوى على مساحة سطح ضيقة جدًّا.

المصطلح الثاني هو الانفعال (ε). وهو قدرة المادة على التمدد أو الانضغاط مقارنةً بحجمها الأصلي. ويُحسب بالصيغة التالية:,

ε = ΔL/L₀،,

 حيث ΔL هو التغير في الطول و L₀ هو الطول الابتدائي.

يُعبِّر معامل يونغ (E) عن مدى صلابة المادة. فارتفاع قيمة E يعني أن المادة تكاد لا تتشوه تحت تأثير الحمل، مثل الفولاذ مقارنة بالمطاط. ويُحسب المعامل كما يلي:

E = σ/ε

يحتفظ المادة بسلوك خطي لعلاقة الإجهاد-الانفعال وفقًا لقانون هوك حتى تصل إلى نقطة الخضوع، وهي العتبة الدقيقة التي يتغلب عندها الإجهاد المطبق بشكل دائم على القوى بين الذرات التي تحافظ على الشبكة البلورية للمادة في حالتها المرنة ^[2].

يُقال إن المادة صلبة إذا كانت تقاوم التشوه. وتتميز هذه المواد بأعلى معامل يونغ. ومع ذلك، فهذا لا يعني أنها تتمتع بأعلى مقاومة انسياب. ويجب أن يحقق التصميم الهندسي الجيد دائمًا التوازن بين هذه الخصائص. لمزيد من التعمق في الفرق بين الصلابة والقوة الإجمالية والصلابة، يرجى الرجوع إلى دليلنا الشامل حول [القوة، والصلابة، والصلابة المادية].

ما هي قوة القص؟

قبل فهم مفهوم مقاومة القص، من المهم فهم ما هي قوة القص. قوة القص هي القوة الداخلية التي تؤثر بشكل موازٍ لسطح ما، بهدف دفع جزء من هذا السطح إلى الانزلاق أو التشوه بالنسبة لجزء آخر منه.

قوة القص هي قدرة المادة على مقاومة القوى التي قد تتسبب في انزلاق البنية الداخلية مقابلها. وعند تطبيق قوى القص، يميل سطح المادة إلى الانزلاق والتشوه. وتعد قوة القص عنصراً أساسياً في العديد من التطبيقات الهندسية التي تتعرض فيها المواد لقوى جانبية.

تلعب مقاومة القص دورًا حيويًا في تصميم وتحليل الهياكل مثل العوارض والأعمدة والوصلات. ويؤدي ضمان وجود مقاومة قص كافية إلى منع حدوث أعطال هيكلية وإطالة عمر المنشآت.

تتجلى مقاومة القص أيضًا في التجارب اليومية. ففي الجسر الفولاذي، تتعرض البراغي التي تربط العناصر الهيكلية في المقام الأول لأحمال قص. وإذا زادت الأحمال بشكل مفرط، فقد تنقطع البراغي، مما يؤدي إلى انفصال الألواح المتصلة. وتُستخدم هذه المقاومة أيضًا في قطع البراغي. يتم تطبيق قوة القطع في الاتجاه المعاكس. تؤدي هذه القوى المتعاكسة إلى انهيار المادة على طول مستوى معين بدلاً من أن تتمدد. وتُعرف قدرة البرغي على مقاومة هاتين القوتين المتعاكستين بمقاومة القص.

قياس واختبار مقاومة القص

تُستخدم اختبارات القص بشكل شائع في علم المواد والهندسة والعديد من الصناعات الأخرى لتقييم مدى ملاءمة المادة لتطبيقات محددة.

في اختبار القص، تُوضع عينة من المادة بين سطحين متوازيين، ويتم تطبيق قوة عليها حتى تتعرض المادة لفشل القص. المعلمة الرئيسية التي يتم قياسها هي إجهاد القص، الذي يُحسب بقسمة القوة المطبقة على مساحة المقطع العرضي للمادة. ويمكن أن توفر النتيجة معلومات حول متانة المادة وقوتها وأدائها في ظل ظروف الإجهاد الواقعية.

ما هي القيم النموذجية لمقاومة الشد، ومقاومة الانزلاق، ومقاومة القص؟

يلخص الجدول التالي مقاومة الشد، ومقاومة الخضوع، ومقاومة القص لمواد مختلفة. وقد تم اشتقاق هذه القيم المرجعية بشكل دقيق من بروتوكولات الاختبار القياسية التي تُجرى في درجة حرارة الغرفة (مثل معيار ASTM E8 للمعادن ومعيار ASTM D638 للبلاستيك) ^[3].

المرجع

[1] مايرز، م. أ.، وتشاولا، ك. ك. (2008). السلوك الميكانيكي للمواد (الطبعة الثانية). مطبعة جامعة كامبريدج. https://doi.org/10.1017/CBO9780511810947

[2] بيليغ، ج. (2012). الخصائص الميكانيكية للمواد. سبرينغر. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[3] ASM International. (1990). دليل ASM، المجلد 2: الخصائص والاختيار: السبائك غير الحديدية والمواد ذات الأغراض الخاصة. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v02.9781627081627