الخواص الميكانيكية للمواد: الصلابة والصلادة والمتانة

الخلاصة السريعة

نختار اسم الخاصية وفق ما نقيسه: التشوه المرن، أو الخدش، أو التشوه الدائم، أو الطاقة قبل الكسر. ^[1][2]

• الصلابة ترتبط بمقاومة التشوه المرن؛ والصلادة بمقاومة التشوه الموضعي كالخدش والانغماس. ^[1][2]
• المطيلية تصف التشوه اللدن حتى الكسر، والمتانة تصف الطاقة الممتصة لكل حجم حتى الكسر. ^[2]
• حد الخضوع بداية التشوه اللدن؛ مقاومة الشد القصوى أعلى إجهاد اسمي في اختبار الشد. ^[2]
• إجهاد الشد σ = F/A₀، والانفعال ε = ΔL/L₀ بلا وحدة؛ وفي المجال المرن الخطي E = σ/ε. ^[1]
• في المثال الافتراضي نجد σ = 60 MPa و ε = 0.0006، ومنهما E = 100 GPa بشرط الخطية المرنة.

الصلابة ليست الصلادة

معامل المرونة الأعلى يعني انفعالًا أقل تحت الإجهاد نفسه في المجال الخطي. أما الصلادة فتصف مقاومة تشوه موضعي، مثل أثر الخدش أو الانغماس؛ لذا لا يكفي اختبار إحداهما لتسمية الأخرى. ^[1][2]

المطيلية والمتانة وحد الخضوع

حد الخضوع يبدأ عنده التشوه اللدن؛ ومقاومة الشد القصوى أعلى إجهاد اسمي. المطيلية مقدار التشوه اللدن حتى الكسر. المتانة طاقة ممتصة لكل حجم حتى الكسر، ترتبط بمساحة منحنى الإجهاد والانفعال. ^[2]

عند مقارنة تقريرين، ابحث عن اسم الخاصية ووحدتها وطريقة القياس قبل مقارنة العددين؛ فعبارة «هذه المادة أقوى» وحدها لا تحدد أي نتيجة اختبار تقصد.

من القوة والاستطالة إلى معامل يونغ

في شد محوري نستخدم σ = F/A₀ و ε = ΔL/L₀. الإجهاد بوحدة الباسكال، والانفعال نسبة بلا وحدة. ضمن المجال المرن الخطي σ = Eε، و E معامل يونغ. شروط القياس، ومنها الحرارة، مهمة للمقارنة. ^[1]

مثال شد افتراضي خطوة بخطوة

نختار عينة طولها الأصلي 300 mm ومساحة مقطعها 30 mm²، تحت قوة 1800 N، واستطالتها 0.18 mm. نفترض أن النقطة تقع في المجال المرن الخطي.

نحول المساحة: 30 mm² = 30 × 10⁻⁶ m². بقسمة 1800 على هذه المساحة يكون الإجهاد 60 × 10⁶ Pa، أي 60 MPa.

نحسب الاستطالة النسبية باستخدام الوحدة نفسها للطولين: 0.18 / 300 = 0.0006. ثم نقسم 60 × 10⁶ على 0.0006 لنجد 100 × 10⁹ Pa، أي 100 GPa.

كتابة 0.0006 لا تعني زيادة بمقدار 0.0006 mm؛ الزيادة التي اخترناها هي 0.18 mm. الأول نسبة، والثاني طول. وإذا أدخلنا الاستطالة بالمتر والطول الأصلي بالمليمتر دون تحويل، فلن تعود النسبة في مثالنا صحيحة.