الإجهاد في علم المواد

مقدمة

في علم المواد، يشير الإجهاد إلى القوة المطبقة على المادة لكل وحدة مساحة. وهو مفهوم مهم يستخدم لفهم كيفية استجابة المواد للقوى الخارجية، ويلعب دورًا حاسمًا في تحديد قدرة المادة على تحمل أنواع مختلفة من ظروف التحميل دون فشل. يعد الإجهاد عاملاً رئيسيًا في تصميم المواد والهياكل لضمان قوتها ومتانتها وأدائها في ظل ظروف مختلفة.

تعريف الإجهاد

يُعرّف الإجهاد رياضياً بأنه القوة F المؤثرة على جسم ما مقسومة على مساحة المقطع العرضي A التي يتم تطبيق القوة عليها:

الإجهاد (σ)=F/أ

حيث:

• F هي القوة المؤثرة (بالنيوتن، نيوتن)
• A مساحة المقطع العرضي (بالمتر المربع، م²)
• σ هو الإجهاد، مقيسًا بوحدة الباسكال (باسكال) أو نيوتن لكل متر مربع (نيوتن/م²).

هناك نوعان رئيسيان من الإجهاد في علم المواد: الإجهاد العادي وإجهاد القص.

1-الإجهاد العادي: يحدث عندما يتم تطبيق القوة بشكل عمودي على السطح، إما في حالة الشد أو الانضغاط.

• إجهاد الشد: عندما يتم شد المادة (على سبيل المثال، شد سلك).
• إجهاد الضغط: عندما يتم ضغط المادة (على سبيل المثال، ضغط عمود).

2.إجهاد القص: يحدث عندما يتم تطبيق قوة موازية للسطح، مما يتسبب في انزلاق طبقات المادة بالنسبة لبعضها البعض. على سبيل المثال، قطع قطعة من المعدن بقوة قص.

أنواع الإجهاد في المواد

إجهاد الشد:

lيحدث إجهاد الشد عندما تتعرض المادة لقوة شد. ويؤدي إلى استطالة المادة أو تمددها.

مثالعلى ذلك: شدّ شريط مطاطي.

الإجهاد الانضغاطي:

lيحدث الإجهاد الانضغاطي عندما تتعرض المادة لقوة انضغاطية، مما يؤدي إلى تقصير أو انضغاط المادة.

لمثال: دعامة تدعم وزن المبنى.

إجهاد القص:

ليحدث إجهاد القص عندما يتم تطبيق قوتين متعاكستين موازيتين للسطح، مما يسبب تشوهًا على شكل انزلاق.

لمثال: مقص يقطع الورق.

إجهاد الانحناء:

lإجهاد الانحناء هو مزيج من إجهادات الشد والضغط التي تحدث عند ثني المادة.

لمثال: عارضة تحمل حمولة في المنتصف.

العوامل المؤثرة على الإجهاد

يمكن أن تؤثر عدة عوامل على الإجهاد الذي تتعرض له المادة، بما في ذلك:

-خواص المادة: تؤثر قوة المادة وليونتها ومرونتها على كيفية استجابتها للإجهاد. على سبيل المثال، تميل المعادن إلى أن تكون أكثر ليونة تحت إجهاد الشد، في حين أن السيراميك قد يفشل بسهولة أكبر.

-درجة الحرارة: قد تتسبب درجات الحرارة المرتفعة في إضعاف المواد، مما يقلل من قدرتها على تحمل الإجهاد قبل أن تتشوه أو تنكسر.

-ظروف التحميل: يمكن أن يؤثر معدل ومدة الأحمال المطبقة على استجابة المادة للإجهاد. على سبيل المثال، قد تفشل المادة تحت حمولة عالية الإجهاد يتم تطبيقها بسرعة، ولكنها تتحمل نفس الإجهاد إذا تم تطبيقها ببطء مع مرور الوقت.

العلاقة بين الإجهاد والإجهاد

يرتبط الإجهاد والانفعال ارتباطًا مباشرًا من خلال معامل مرونة المادة . يصف منحنى الإجهاد والانفعال كيفية تشوه المادة تحت مستويات مختلفة من الإجهاد. المناطق الرئيسية لمنحنى الإجهاد والانفعال هي:

1-منطقة المرونة: في هذه المنطقة، تعود المادة إلى شكلها الأصلي بمجرد إزالة الإجهاد. تكون العلاقة بين الإجهاد والانفعال خطية.

2-منطقة اللدونة: بمجرد وصول المادة إلى نقطة الخضوع، تخضع لتشوه دائم.

3.نقطة الانكسار: بعد الوصول إلى إجهاد الشد النهائي، تنكسر المواد أو تنكسر في نهاية المطاف.

تطبيقات الإجهاد في علم المواد

-الهندسة الإنشائية: فهم الإجهاد ضروري في تصميم المباني والجسور وغيرها من الهياكل لضمان قدرتها على تحمل قوى مثل الوزن والرياح والزلازل دون حدوث أي فشل.

-التصنيع: في عمليات مثل الصب والتشكيل واللحام، يجب على المهندسين مراعاة الإجهاد لمنع تشوه المواد أو فشلها أثناء الإنتاج.

- اختيارالمواد: المواد المختلفة لها قدرات متفاوتة لمقاومة الإجهاد. على سبيل المثال، تُستخدم مواد مثل الفولاذ في البناء نظرًا لقدرتها على تحمل ضغوط الشد والضغط العالية.

- تحليلالتعب والفشل: يمكن أن تتسبب دورات الإجهاد المتكررة في إضعاف المواد وفشلها بمرور الوقت. ويساعد فهم الإجهاد في التنبؤ بإجهاد المواد ومنع الأعطال في مكونات مثل أجنحة الطائرات وأجزاء المحرك.

-لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما الفرق بين إجهاد الشد والإجهاد الانضغاطي؟

يحدثإجهاد الشد عندما يتم سحب المادة أو شدها، مما يؤدي إلى الاستطالة. ويحدث الإجهاد الانضغاطي عندما يتم دفع المادة أو ضغطها، مما يؤدي إلى تقصيرها أو سحقها.

كيف تؤثر درجة الحرارة على الإجهاد في المواد؟

يؤدي ارتفاع درجات الحرارة عمومًا إلى إضعاف المواد، مما يقلل من قوتها وقدرتها على تحمل الإجهاد. قد تصبح بعض المواد أكثر ليونة وتتشوه بسهولة، بينما قد تصبح مواد أخرى هشة وتتعطل بسرعة أكبر.

ما هي نقطة الخضوع في منحنى الإجهاد-الإجهاد؟

نقطة الخضوع هي مستوى الإجهاد الذي تبدأ عنده المادة بالتشوه بشكل بلاستيكي ولا يمكنها العودة إلى شكلها الأصلي بمجرد إزالة الإجهاد. بعد هذه النقطة، يحدث تشوه دائم.

ما أهمية فهم الإجهاد في الهندسة الإنشائية؟

يجب على المهندسين فهم الإجهاد لضمان قدرة المباني والجسور والمنشآت الأخرى على تحمل القوى الخارجية مثل الوزن والرياح والنشاط الزلزالي دون أن تنهار أو تتعرض للفشل.

ما هو الإعياء في المواد، وما علاقته بالإجهاد؟

يشيرالتعبإلى ضعف المادة بسبب الإجهاد المتكرر أو الدوري مع مرور الوقت. حتى مستويات الإجهاد الأقل من القوة القصوى للمادة يمكن أن تسبب الفشل إذا تم تطبيقها بشكل مستمر أو في دورات.