قوة الشد مقابل قوة الخضوع – تحليل الاختلافات

إن قوة الشد وقوة الخضوع مصطلحان مختلفان. ومع ذلك، فإن معرفة متى يتم تحديد كل متغير ولماذا يعد ذلك مهمًا أمر بالغ الأهمية.

وهذا بالضبط ما سنركز عليه في هذه المقالة.

ما هي قوة الشد؟

قوة الشد هي مقدار القوى التي يمكن للمواد أن تتحملها قبل بدء الكسر. عادةً، نقوم بفحص هذا الأمر عندما نخضع المادة لقوة تمدد، وذلك باستخدام جهاز اختبار قوة الأسلاك المعدنية .

وهذا يعني أنها النقطة على منحنى الإجهاد والانفعال حيث تصل المادة إلى أبعد نقطة يمكنها فيها تحمل الشد.

وحدات القياس هي:

• ميجاباسكال(ميجا باسكال)
• رطل لكل بوصة مربعة (Psi)

تعتمد هذه الوحدات على القوة لكل منطقة.

والأمر الأكثر أهمية هو أن هذه الخاصية بالغة الأهمية في التطبيقات التي تتعرض فيها المواد لقوى السحب أو التمدد.

ما هي قوة الخضوع؟

عند قوة الخضوع، تتوقف جميع المواد عن كونها مرنة ويبدأ احتمال التشوه البلاستيكي.

عادةً ما تكون وحدات القياس هي:

• ميجاباسكال(ميجا باسكال)
• رطل لكل بوصة مربعة (psi)

تذكر أن مقاومة الخضوع تساعد في تصميم العديد من المكونات الهيكلية. ومع المعرفة بمقاومة الخضوع، فإنها ستمنع التشوه الكبير للمواد تحت الحمل.

استكشاف الاختلافات في قوة الشد وقوة الخضوع

المقدار ووحدات القياس

يتم قياس كل منهما بوحدة ميجا باسكال (MPa). أو يمكنك استخدام رطل لكل بوصة مربعة (psi).

تذكر أن هذه الوحدات تمثل القوة المطبقة على وحدة المساحة. وعلى الرغم من أوجه التشابه المذكورة أعلاه، فإن حجم هاتين القوتين يختلف بشكل كبير.

عادة ما تكون قوة الشد أعلى مقارنة بقوة الخضوع. خذ على سبيل المثال الفولاذ الهيكلي:

قد تكون قوتها الشد حوالي 400-500 ميجا باسكال، في حين أن قوتها الخضوعية تكون أقل عادةً، حوالي 250-300 ميجا باسكال.

هذا الاختلاف مهم للغاية لأنه يشير إلى قدرة المادة على تحمل ضغوط أعلى قبل الفشل. أي ما هو أبعد من مجرد نقطة التشوه الدائم.

نقطة القياس

بالنسبة لقوة الخضوع، ستحدد قيمتها عند النقطة التي يتغير فيها شكل المادة من التشوه المرن. أي حيث يمكن عكسها إلى التشوه البلاستيكي. وفي الوقت نفسه، لا يمكنك عكس شكل المادة أو حجمها الأصلي.

التشوه المرن هو مرحلة يتم تطبيقها قانون هوك حيث يتناسب الإجهاد مع الانفعال. هذه المرحلة يمكن التنبؤ بها. ولكن الأهم من ذلك، أن قوة الخضوع تساعد في تحديد الحد الأقصى للسلامة.

من المهم قياس قوة الشد عند نقطة لا تستطيع فيها أي مادة تحمل أي درجة من الإجهاد. يجب أن تتذكر أن القوى الأعلى قد تسبب الكسر.

يؤدي الكسر إلى انخفاض قدرة المادة على تحمل الحمل، وهو ما قد يقل بشكل كبير بعد بدء الانكماش. ويحدث الانكماش عندما يحدث انخفاض موضعي في مساحة المقطع العرضي مما ينبئ بفشل وشيك.

ومن ناحية أخرى، تسلط قوة الشد الضوء على نقطة النهاية للفشل.

تحميل

تشير قوة الخضوع إلى مستويات إجهاد أعلى. وعادةً ما تكون هذه نقطة تحميل قبل بدء التشوه الدائم.

في التصميم الهندسي، تعتبر قوة الخضوع أمرًا بالغ الأهمية لأنها تساعد في ضمان قدرة المواد على تحمل الأحمال دون تشوهها بشكل لا رجعة فيه.

يقوم المهندسون بتصميم الهياكل للعمل ضمن المنطقة المرنة، والتي تقع أسفل قوة الخضوع لتجنب التشوه الدائم. من ناحية أخرى، تركز قوة الشد بشكل أكبر على أقصى حمل. أي الحمل الذي يمكن لأي مادة تحمله قبل الكسر.

تعتبر قوة الشد أمرًا بالغ الأهمية لفهم القدرة القصوى على تحمل الأحمال. ومع ذلك، فهي أكثر أهمية عند النظر في هوامش الأمان وظروف الفشل بدلاً من حدود التشغيل اليومية.

السلوك تحت الضغط

إذا تم إزالة الحمل، يمكن للمادة أن تعود إلى شكلها الأصلي. وذلك لأن المادة تتشوه بشكل مرن في البداية، لأنك ستخضعها لضغط متزايد.

بعد تجاوز قوة الخضوع، لا يمكن للمادة أن تعود إلى شكلها الأصلي. لذلك، عند قوة الخضوع، تنتهي المرونة. ستدرك أن التشوه البلاستيكي الدائم يبدأ.

عندما تتعرض أي مادة لمزيد من الضغط، فإنها ستصل إلى نقطة قوة الشد، أي أنها ستكون على وشك الكسر.

يعد هذا السلوك ضروريًا للتنبؤ بأداء مادة معينة في العالم الحقيقي. تتحمل قوة الشد العالية أحمالًا أكبر وتقاوم التشوه الدائم بشكل أفضل.

منحنى الإجهاد والانفعال

في منحنى الإجهاد والانفعال، يتم وصف نقطة الخضوع بأنها المكان الذي ينحرف فيه المنحنى عن الخط المستقيم. الانحراف ضئيل للغاية ويتطلب قياسًا دقيقًا.

ولكن الأهم من ذلك هو أن قمة المنحنى تمثل قوة الشد. ومن ناحية أخرى، يمثل كسر المادة أعلى نقطة قبل أن تبدأ المنحنيات في الانخفاض.

يقدم المنحنى تمثيلًا مرئيًا لانتقال المادة من حالة المرونة إلى حالة الفشل.

الآن، تشير المساحة الواقعة تحت المنحنى حتى نقطة الخضوع إلى إمكانية استعادة الطاقة المرنة. من ناحية أخرى، تشير المساحة الواقعة خلف نقطة الخضوع حتى قوة الشد إلى الكسر بسبب التشوه البلاستيكي.

الأهمية في التطبيقات الهندسية

في التصميم الهندسي، تعتبر قوة الخضوع أحد العوامل المهمة التي يجب مراعاتها عند اختيار المواد للمكونات الهيكلية.

يجب التأكد من عدم حدوث تشوه بلاستيكي في الظروف العادية، وذلك لأنه من شأنه أن يؤثر على سلامة هيكل الأجزاء.

في الهندسة المدنية، تعتبر قوة خضوع المواد الفولاذية والخرسانية أمرًا بالغ الأهمية لتصميمات المباني والبنية الأساسية الأخرى. ولضمان عدم حدوث تشوه دائم قد يؤدي إلى الانهيار، يتم تصميم العوارض والأعمدة للعمل بأقل من قوة خضوعها.

يستخدم المهندسون قوة الخضوع لدمج عوامل الأمان في تصميماتهم. ويتم ذلك من خلال التأكد من أن الحد الأقصى للإجهاد التشغيلي أقل من قوة خضوع المادة. ويحتفظ هذا النهج بسجل للعيوب المادية والأحمال غير المتوقعة.

تؤثر قوة الخضوع أيضًا على متانة العناصر وعمرها الافتراضي. في صناعة السيارات، يضمن الحفاظ على قوة الخضوع قدرة أجزاء السيارات على تحمل الأحمال المتكررة دون تشوه.

من ناحية أخرى، تعتبر قوة الشد أمرًا بالغ الأهمية عند تقييم أقصى حمل يمكن أن تتحمله المادة قبل الفشل التام. لذلك، يساعد فهم قوة الشد في التنبؤ بكيفية وتوقيت فشل المادة بسبب ظروف التحميل الزائد.

سيساعدك على تصميم آليات آمنة لمنع فشل المواد.

تُعد قوة الشد معيارًا أساسيًا عند اختيار التطبيقات عالية الأداء. تتحمل قوة الشد العالية الضغط الداخلي كما هو الحال في نقل السوائل تحت ضغط مرتفع. تظل المواد ذات قوة الشد العالية سليمة وفعّالة في الظروف القاسية.

القوى بين الجزيئات

ترتبط قوة الخضوع ارتباطًا وثيقًا بالبنية الداخلية للمادة. وترتبط بشكل خاص بالمقاومة في جزيئاتها أو ذراتها أثناء المراحل الأولى من التشوه البلاستيكي. التشوه البلاستيكي هو النقطة التي يبدأ عندها شكل المادة في التغير بشكل دائم.

في هذه الحالة، تتأثر المقاومة بعوامل مثل كثافة الخلع. أي أنه كلما زادت كثافة الخلع زادت قوة الخضوع لأنها تعيق حركة الخلع.

وهذا يجعل تشوه المادة بلاستيكيًا أكثر تعقيدًا.

حجم الحبيبات هو عامل آخر يؤثر على المقاومة. فالحبيبات الأصغر حجمًا تعني وجود حدود أكبر للحبيبات، مما قد يعيق الحركات والخلع المحتملة. وهي ظاهرة تسمى تأثير هول-بيتش.

وعلى العكس من ذلك، تتأثر قوة الشد بقدرة قوى التماسك داخل المادة على الاحتفاظ بسلامتها البنيوية عند تعرضها للشد. وتتحكم قوى التماسك في ترابط الذرات في المادة.

في النهاية، عند قوة الشد، يتم تجاوز قوى التماسك مما يتسبب في فشل المادة. في المعادن، تتأثر قوة الشد بالقوى التي تسبب الترابط بين الذرات. من الضروري كسر هذه القوى حتى تنكسر المادة.

خاتمة

إن قوة الشد وقوة الخضوع مختلفتان تمامًا. ولكن الأهم من ذلك هو أن تحليل المتغيرين سيساعدك في اختيار مادة مناسبة لأي تطبيق.

تعتمد قدرة المادة على تحمل أي تأثير تحميل على التحليل الدقيق لهذه المتغيرات.

إذا كنت تبدأ ورشة عمل معالجة المواد، في TSINFA، فسنساعدك في الحصول على أفضل الآلات الخاصة بك عمليات التصنيع. لأي استفسارات، اتصل بنا الآن.