مقدمة

في الهندسة، تتعرض المواد لأنواع مختلفة من الأحمال. يمكن إدراج الأحمال التي يمكن أن تتعرض لها المواد على أنها أحمال شد أو ضغط أو ثني أو قص أو التواء. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تختلف هذه الأحمال بشكل ثابت أو ديناميكي. قد يتعين على المادة مقاومة واحد أو أكثر من هذه الأحمال في نفس الوقت. في هذه الحالة، من الضروري معرفة المادة التي يجب استخدامها تحت أي ظروف. من أجل تجميع المواد، تتم ملاحظة تفاعلاتها تحت أحمال معينة من خلال الاختبارات، وبالتالي يتم الكشف عن الخواص الميكانيكية للمواد.

يمكننا تقسيم اختبارات الحصول على خواص المرونة إلى ساكن وديناميكي. ولكي يكون الاختبار ثابتًا، يجب تطبيق القوة عند تردد 1 هرتز كحد أقصى، وبوتيرة ثابتة ولمرة واحدة فقط. في هذه الحالة، يكون الإجهاد ثابتاً وتكون نسبة الاستطالة أقل من 0.25 في الاختبار الاستاتيكي. تُستخدم الاختبارات الديناميكية لهذه الأنواع من الأحمال لأن الاختبارات الساكنة لا يمكن أن تشكل نموذجاً مناسباً للأحمال المتغيرة فجأة. في الاختبار الديناميكي، يكون الحمل متغيراً ويتم تطبيق تشوه جيبي على العينة. يمكن أيضاً إجراء هذه الاختبارات في درجات حرارة عالية أو منخفضة. ونتيجة للاختبارات الديناميكية، يتم الحصول على معلومات الصلابة والتخميد. يمكننا فحص اختبارات التعب كفرع فرعي للاختبارات الديناميكية. يتم تطبيق الحمل بشكل دوري. يتم إجراء هذه الاختبارات بدورات الشد-السحب، أو الضغط-الضغط، أو الضغط-الضغط العكسي. وكنتيجة لاختبار التعب، يمكن تحديد عمر المواد. كما يتم تحديد قوة التعب ومقاومة التشقق من خلال اختبار التعب.

 

اختبار الشد

يعد اختبار الشد أحد أكثر الاختبارات شيوعاً في الهندسة لتحديد خصائص قوة المواد. ويتم إجراؤه لتحديد الخواص الميكانيكية للمواد متساوية الخواص. ويعتمد هذا الاختبار بشكل أساسي على تطبيق قوة شد على العينة من أوجه متقابلة في نفس الاتجاه، ومراقبة الضغط على المادة حتى تنكسر المادة. وكنتيجة لاختبار الشد، يمكن الحصول على قوة الخضوع وقوة الشد القصوى والليونة ومعامل يونج ومعامل القص ونسبة بواسون للمادة.

منحنيات الإجهاد - الإجهاد

منحنيات الإجهاد والانفعال

يكون إجهاد الشد الاسمي المطبق على المادة أثناء الاختبار على النحو التالي:

حيث F هي قوة الشد وA_0 هي مساحة المقطع العرضي تحت الشد. ويُعرَّف الإجهاد بأنه;

حيث L_0 هو الطول الابتدائي للمواصفات و Δ_L هو استطالة المادة بعد الاختبار.

باستخدام القيم المشتقة من الاختبار، يتم الحصول على منحنى الإجهاد-الإجهاد. ويكشف هذا المنحنى عن نقطة انكسار المادة، وقوة الخضوع، وقوة الشد القصوى، وحالة قابلية الانكسار والضعف. فائدة أخرى هي أنه يعطي معلومات بغض النظر عن أبعاد المادة.

يوضح الشكل أعلاه منحنى الإجهاد-الإجهاد لمادة هشة.

بالنسبة لمعظم المنحنيات، يكون الجزء الابتدائي خطيًّا. يتم الحصول على قيمة مقاومة الخضوع على المنحنى عندما يتم رسم منحنى موازٍ لميل المنحنى من النقطة التي تكون فيها الاستطالة في منحنى الإجهاد-الإجهاد 0.2%. يمكننا تحديد أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة دون حدوث تلف دائم باستخدام مقاومة الخضوع. حتى هذه النقطة، يكون الجسم في منطقة المرونة. بعد ذلك، تدخل المادة في منطقة البلاستيك، حيث تتسبب القوى الموضوعة عليها في حدوث تلف دائم.

إجهاد العائد

يعطينا ميل الخط الوهمي الذي نرسمه لإيجاد قوة الخضوع معامل يونج، وهو خاصية مهمة للمادة. نحصل على معامل يونج من خلال:

تمثل المعادلة التالية نسبة بواسون، وهي سالب نسبة الإزاحة الأفقية إلى الإزاحة الرأسية:

الاختبار

يوضح الشكل معظم مناظر المقاطع العرضية للعينات المستخدمة في اختبار الشد. يمكن تشكيل العينات على شكل صفيحة أو أسطوانة.

يمكن استخدام أنواع مختلفة من التثبيت اعتمادًا على المواد المختلفة ومستويات حساسية القياس. لكل طريقة من طرق الربط مزايا وعيوب خاصة بها.

اختبار الضغط

يوضح اختبار الضغط كيف تتصرف المواد عند ضغطها أو سحقها. يستمر الاختبار عادةً حتى تتحلل المادة أو حتى حد محدد مسبقاً. وبالتالي يتم حساب الحمل الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل التمزق ومدى تدهورها حتى هذه النقطة. من أجل اختبار المادة، غالبًا ما يتم تسخينها أو تبريدها وتعريضها للعديد من اتجاهات قوة الضغط. ومع ذلك، يمكن إجراء الاختبارات تحت إعدادات متنوعة.

المواد ذات قوة الشد العالية لها بشكل عام قوة ضغط منخفضة. ولهذا السبب، يتم فحص هذه المواد عن طريق اختبار الضغط. المواد التي يتم إجراء معظم اختبارات الضغط عليها هي المواد الهشة عمومًا، مثل المواد المركبة، والخرسانة، والخشب، والمعادن، ومواد الطوب؛ والبوليمرات، واللدائن، والرغاوي.

يتم الحصول على منحنى القوة-الإجهاد كنتيجة لاختبار الضغط. ثم يتم تحويل القوة إلى إجهاد لإنشاء منحنى إجهاد-انفعال. يشبه هذا المنحنى إلى حد كبير منحنى الإجهاد-الإجهاد في اختبار الشد. تكون المحاور فقط في اتجاه إظهار التقصير.

إجهاد الانضغاط - % تشوه الضغط

تنطبق الحسابات في اختبار الشد أيضًا على اختبار الانضغاط، حيث يتم التعبير عن الإجهاد الانضغاطي على النحو التالي;

التكسير

يستخدم التكسير للتعبير عن مقدار تقصير المادة أثناء الاختبار.

التعبير عن السحق.

التورم

التورم هو النمو في المقطع العرضي للمادة التي يتم اختبارها. المواد المطاطة أكثر عرضة للتورم. يتم إضفاء الطابع الرسمي عليه من خلال:

الاختبار

عادةً ما تكون المواد الهشة موضوع اختبارات الضغط. يتم توفير خصائص انضغاط الرغاوي الهشة من خلال المواصفة القياسية ISO 844 كمثال من المواصفات القياسية. وترد قيم مساحة المقطع العرضي وأشكاله وقيم درجة الحرارة والرطوبة ونتائج العينة المتوقعة في هذه المواصفة القياسية. وتذكر الضغوط بالكيلو باسكال.

تكون قيمة مرونة الضغط في المعيار كما يلي:

هنا، σ_e، هي القوة عند نهاية منطقة المرونة التقليدية، و h_0 هي السماكة الابتدائية للمادة، و x_e هي المسار الذي تسلكه القوة المولدة للإجهاد.

فيما يلي بعض المعايير التي تم تطويرها لاختبارات الضغط:

ASTM D575-91 - طرق الاختبار القياسية لخصائص المطاط في الضغط

ASTM E9-19 - طرق الاختبار القياسية لاختبار ضغط المواد المعدنية في درجة حرارة الغرفة

TS EN ISO 14126 - مركبات البلاستيك المقوى بالألياف - تحديد خواص الانضغاط في الاتجاه المستوي الداخلي

 

وصف التقنية

يمكن إجراء تقييم السلوك الميكانيكي للعينة في ظل ظروف الشد والضغط لتوفير بيانات خواص المواد الأساسية التي تعتبر حاسمة لتصميم المكونات وتقييم أداء الخدمة. يتم تحديد متطلبات قيم قوة الشد والضغط وطرق اختبار هذه الخواص في معايير مختلفة لمجموعة متنوعة من المواد. يمكن إجراء الاختبار على عينات من المواد المشكّلة آليًا أو على نماذج بالحجم الكامل أو على نماذج مصغرة للمكونات الفعلية. يتم إجراء هذه الاختبارات عادةً باستخدام أداة اختبار ميكانيكية عالمية.

اختبار الشد هو طريقة لتحديد سلوك المواد تحت تحميل الشد المحوري. يتم إجراء الاختبارات عن طريق تثبيت العينة في جهاز الاختبار ثم تطبيق قوة على العينة عن طريق فصل الرؤوس المتقاطعة لآلة الاختبار. يمكن تغيير سرعة الرأس المتقاطع للتحكم في معدل الإجهاد في عينة الاختبار. تُستخدم بيانات الاختبار لتحديد قوة الشد وقوة الخضوع ومعامل المرونة. كما يوفر قياس أبعاد العينة بعد الاختبار أيضًا تقليل المساحة وقيم الاستطالة لتوصيف ليونة المادة. يمكن إجراء اختبارات الشد على العديد من المواد، بما في ذلك المعادن والبلاستيك والألياف والمواد اللاصقة والمطاط. يمكن إجراء الاختبار في درجات حرارة دون درجة الحرارة المحيطة والمرتفعة.

اختبار الانضغاط هو طريقة لتحديد سلوك المواد تحت حمل انضغاطي. يتم إجراء اختبارات الانضغاط عن طريق تحميل عينة الاختبار بين لوحين، ثم تطبيق قوة على العينة عن طريق تحريك الرأسين المتقاطعين معاً. أثناء الاختبار، يتم ضغط العينة، ويتم تسجيل التشوه مقابل الحمل المطبق. يُستخدم اختبار الضغط لتحديد الحد المرن، والحد التناسبي، ونقطة الخضوع، وقوة الخضوع و(لبعض المواد) قوة الانضغاط.

 

المعلومات التحليلية

قوة الانضغاط - قوة الانضغاط هي أقصى إجهاد انضغاطي يمكن أن تتحمله المادة دون حدوث كسر. تتكسر المواد الهشة أثناء الاختبار ولها قيمة قوة انضغاط محددة. يتم تحديد قوة انضغاط المواد المطيلة من خلال درجة تشوهها أثناء الاختبار.

الحد المرن - الحد المرن هو أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة دون حدوث تشوه دائم بعد إزالة الإجهاد.

الاستطالة - الاستطالة هي مقدار الامتداد الدائم للعينة التي تم كسرها في اختبار الشد.

وحدات المرونة - معامل المرونة هو نسبة الإجهاد (أقل من الحد التناسبي) إلى الإجهاد، أي ميل منحنى الإجهاد-الإجهاد. ويعتبر مقياس صلابة أو تيبس المعدن.

الحد التناسبي - الحد التناسبي هو أكبر قدر من الإجهاد يمكن أن تصل إليه المادة دون الانحراف عن العلاقة الخطية لمنحنى الإجهاد-الإجهاد، أي دون حدوث تشوه لدن.

تقليل المساحة - الانخفاض في المساحة هو الفرق بين مساحة المقطع العرضي الأصلي لعينة الشد وأصغر مساحة عند ما بعد الكسر بعد الاختبار.

سلالة - الإجهاد هو مقدار التغير في حجم أو شكل المادة بسبب القوة.

نقطة العائد - نقطة الخضوع هي الإجهاد في مادة ما (عادةً ما يكون أقل من أقصى إجهاد يمكن تحقيقه) حيث تحدث زيادة في الإجهاد دون زيادة في الإجهاد. بعض المعادن فقط لها نقطة خضوع.

قوة المردود - مقاومة الخضوع هي الإجهاد الذي تُظهر عنده المادة انحرافًا محددًا عن علاقة الإجهاد-الإجهاد الخطي. غالبًا ما يستخدم إزاحة 0.2% للمعادن.

قوة الشد القصوى - قوة الشد القصوى، أو UTS، هي أقصى إجهاد شد يمكن أن تتحمله المادة دون حدوث كسر. ويتم حسابها بقسمة الحد الأقصى للحمل المطبق أثناء اختبار الشد على مساحة المقطع العرضي الأصلي للعينة.

 

التطبيقات النموذجية

الشد والضغط خصائص المواد الخام لمقارنتها بمواصفات المنتج

الحصول على بيانات خواص المواد لنمذجة العناصر المحدودة أو غيرها من تصميم المنتجات الأخرى للسلوك الميكانيكي المطلوب وأداء الخدمة المطلوب

محاكاة الأداء الميكانيكي للمكونات أثناء الخدمة

 

متطلبات العينة

يتم إجراء اختبارات الشد القياسية على المعادن واللدائن على عينات اختبار معدة خصيصاً. يمكن أن تكون هذه العينات عبارة عن عينات أسطوانية مشكّلة آلياً أو عينات ألواح مسطحة (عظم الكلب). يجب أن تحتوي عينات الاختبار على نسبة محددة من الطول إلى العرض أو القطر في منطقة الاختبار (المقياس) للحصول على نتائج قابلة للتكرار والامتثال للمعيار طريقة الاختبار المتطلبات. يمكن اختبار المنتجات الأنبوبية والألياف والأسلاك الأنبوبية بالحجم الكامل باستخدام تركيبات خاصة تعزز الإمساك الأمثل وموقع الفشل.

العينة الأكثر شيوعًا المستخدمة في اختبار الضغط هي أسطوانة دائرية قائمة ذات نهايات مسطحة. يمكن استخدام أشكال أخرى، ومع ذلك، فإنها تتطلب تركيبات خاصة لتجنب الالتواء. تعتمد التكوينات الخاصة لاختبار المكونات أو محاكاة الخدمة على آلة الاختبار المحددة التي سيتم استخدامها.

الفرق بين معدات اختبار الشد ومعدات اختبار الضغط

في حالة اختبارات الشد، تمارس ماكينة الاختبار حمل شد أو قوة شد تسحب عينات اختبار الشد بعيدًا عن بعضها البعض. في حالة اختبار الشد البلاستيكي، يتم سحب عينة الاختبار لقياس قوة الشد وغيرها من الخصائص بما في ذلك الصلابة وقوة الخضوع. هناك العديد من المعايير الصناعية الشائعة التي توفر طرقًا متفقًا عليها لاختبارات الشد البلاستيكية. ويتميز كل من ASTM D638 وISO 527-2 بهندسة وأبعاد عينة اختبار موحدة متشابهة ولكن مختلفة. وتتطلب هذه الاختبارات مقابض الشد التي من المتوقع أن تمسك العينة وتضبطها أثناء عملية الاختبار. تختلف هذه الملحقات عن تركيبات الضغط. 

في اختبارات الضغط، تقوم آلة الاختبار بممارسة حمل أو قوة دفع أو ضغط لسحق عينة الاختبار حتى تنكسر أو تنضغط. تتم تغطية اختبارات الضغط لمادة الرغوة الهيكلية البوليمرية الرغوية الهيكلية بواسطة ASTM D1621 التي تحدد نوع ألواح الضغط ومقياس الانحراف المستخدم. توضع عينة الاختبار بين ألواح اختبار الضغط حتى تفشل البنية الخلوية أو تتمزق.

يمكن لآلة الاختبار الشاملة إجراء اختبارات الشد والضغط أو كليهما. يمكن استخدام الرأس المتقاطع لسحب أو ضغط عينة الاختبار التي تقع بين الصفيحة الأساسية والرأس المتحرك.

لا يمكن لتركيبات اختبار الشد، أو المقابض، وأجهزة استشعار الإجهاد (المعروفة باسم مقياس البسط)، إجراء اختبارات الضغط. كما يتم مطابقة مقابض الشد خصيصًا لتغطية هندسة عينة الاختبار وأبعادها الدقيقة. كما أن صوان اختبار الضغط ومقياس الانحراف قادران أيضًا على إجراء اختبار الضغط فقط، وبالتالي فإن كلا المجموعتين من الملحقات مطلوبة في هذه الحالة.

 

إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات حول هذا المنتج, لا تتردد في الاتصال بنا.