ما هي المواد ذات الخصائص المعروفة التي تتمتع بأفضل متانة انكسار؟

مقدمة

صلابة الكسر هي قيمة تشير إلى الطاقة التي يمكن أن تمتصها المادة قبل أن تنكسر. ويعتمد العلماء والمهندسون على هذا الرقم لاختيار المواد المستخدمة في الجسور والطائرات والأدوات اليومية. دعونا نتحدث عن عدة فئات من المواد بعبارات بسيطة وكيفية تفاعلها عند تراكم الإجهاد.

المعادن والسبائك: أبطال المتانة

للمعادن تاريخ استخدام طويل حيث تكون صلابة الكسرمطلوبة وعالية للغاية. من المحتمل أن تظهر نسبة قوة إلى صلابة جيدة جدًا.

- الفولاذ المتصلب: يُظهر صلابة كسر تتراوح بين 100-200ميجا باسكال √م. وهو مطيل بشكل كبير مع قوة عالية ويستخدم للأجزاء عالية الأداء والمكونات الهيكلية.

- الفولاذ عالي المتانة: يوفر هذا الفولاذ حوالي 80-150ميجا باسكال√م. هذا الفولاذ مقاوم لنمو التشققات في ظل التحكم الدقيق في البنية المجهرية ويستخدم في التطبيقات التي تكون فيها الموثوقية هي المفتاح.

- سبائك التيتانيوم (تيتانيوم - 6 ألومنيوم - 4 فاناديوم): تُستخدم هذه السبائك بقيم تتراوح بين 55-110ميجا باسكال√m، وتستخدم هذه السبائك على نطاق واسع بسبب انخفاض وزنها ومقاومتها للتآكل. وتُستخدم على نطاق واسع في إنتاج الطائرات والأجهزة الطبية.

- النظارات المعدنية: يبلغ وزنها حوالي 80-100ميجا باسكال√م. وتتميز بتشوه القص الموضعي نتيجة لطابعها غير المتبلور، مما يؤدي إلى مزيجها غير العادي من القوة والصلابة.

المعادن عرضة لأن تكون أفضل المعادن في صلابة الكسر لأن ذراتها يمكن أن تعيد ترتيب نفسها عند وضعها تحت الضغط. وتؤدي إعادة الترتيب هذه إلى تخفيف التشققات وتشتيت الطاقة قبل حدوث فشل كارثي.

السيراميك الأقوى بين المواد الهشة

يشتهر السيراميك بقوته في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك فهي ليست مقاومة للكسر مثل المعادن. وقد عمل المهندسون بلا كلل على جعل السيراميك أكثر قوة.

- الزركونيا المثبتة بالإيتريا (Y-TZP): تبلغ صلابة الكسر 10-15 ميجا باسكال. ويستخدم التقوية التحويلية، حيث يجعلها الحد الأدنى من التغيير في البنية البلورية أكثر مقاومة لنمو التشقق.

- الألومينا المقواة بالزركونيا (ZTA): مع قيم تتراوح بين 7 و10ميجا باسكال √mتقريبًا، تمثل ZTA تحسينًا على الألومينا النقية مع مزايا كل من الزركونيا والألومينا معًا.

أما السيراميك العادي مثل كربيد السيليكون والألومينا العادية وحتى الماس فيتمتع بأرقام أكثر صلابة. تُعد طرق التقوية المهمة هنا هي طرق التقوية المهمة مثل التقوية التحويلية وسد الشقوق الدقيقة وإدراج جزيئات المرحلة الثانية التي تبطئ أو توقف نمو الشقوق.

المركبات: الصلابة الاتجاهية

تجمع المواد المركبة بين مادتين مختلفتين أو أكثر في مادة واحدة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى نقل خصائص مثل صلابة الكسر إلى احتياجات محددة.

- المركبات المقواة بألياف الكربون: تتمتع هذه المواد بقيم صلابة كسر تتراوح بين 20 و40ميجا باسكال في اتجاه الألياف. وتعد قوتها وخفة وزنها سبباً لاستخدامها في صناعة الطيران والمعدات الرياضية عالية الأداء.

- مركبات الأراميد والمركبات المقواة بالألياف الزجاجية: تبلغ تكلفتها حوالي 10-20ميجا باسكال√متر، وتستخدمها ألواح السيارات ومعدات الحماية نظراً لمقايضتها المعقولة بين المتانة والتكلفة الاقتصادية.

- المركبات الهجينة: مع استغلال الألياف المختلفة، توفر المركبات الهجينة صلابة مصممة خصيصًا. وتستفيد المركبات الهجينة من أفضل ميزات كل مادة.

وتشمل الآليات التي تصبح من خلالها هذه المركبات مقاومة لنمو التشققات انسحاب الألياف، والتجسير، وانحراف الشقوق. تعمل هذه الآليات على إبطاء تقدم الشقوق أثناء تحركها عبر المادة، مما يحسن المتانة بشكل عام.

المواد الفائقة/المتقدمة

لا تتسم جميع المواد المتقدمة بالاتجاهات المعتادة للصلابة.

- الماس: بسبب صلابته، يتمتع الماس بصلابة كسر منخفضة جدًا تبلغ حوالي 5 ميجا باسكال √م.وهذا يعني أنه يتشقق أو ينكسر في ظل ظروف معينة على الرغم من صلابته الشديدة على السطح.

- السيراميك والمركبات ذات البنية النانوية: يتم اختبارها تجريبيًا لمعرفة ما إذا كان يمكن تقويتها. يمكن للبنية الدقيقة أن تغلق مسارات التشقق.

- المعادن المحسنة بالجرافين أو المركبات النانوية المعدنية: من المرجح أن تؤتي الأبحاث في كلا المجالين ثمارها. وتجمع هذه المواد من الجيل التالي بين المعادن والخصائص النانوية أو الجرافين. وتشير المؤشرات المبكرة إلى صلابة وقوة غير عادية.

تواصل المواد عالية الأداء وضع معايير أعلى لصلابة الكسر. وقد يؤدي تطويرها إلى تصميمات أكثر أماناً وكفاءة في المستقبل.

الخلاصة

تحتل المواد ذات المتانة العالية للكسر مركز الغالبية العظمى من التطبيقات الهندسية. تحتل المعادن والسبائك الصدارة في الصلابة بسبب قدرتها على التشوه الخفيف عند تعرضها للتحميل، مما يؤدي إلى إضعاف أطراف الشقوق قبل امتدادها. أما السيراميك في الوقت الحالي، على الرغم من هشاشته التقليدية، إلا أنه يتحسن من خلال آليات التقوية. وتوفر المركبات صلابة اتجاهية والمواد المتقدمة تبشر بالخير في الأفق. كل مجموعة لها مزاياها وعيوبها. لمزيد من المقارنة وقائمة المواد، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هو مقياس صلابة الكسر؟

س: هي مقياس لمقدار الطاقة التي يمكن أن تتحملها المادة قبل أن تتشقق.

و: لماذا تُستخدم المعادن في التطبيقات عالية المتانة؟

س: تتمتع المعادن بالقدرة على التشوه عند طرف الكسر، مما يمنع نمو الكسر.

س: و: هل يمكن استخدام السيراميك في بيئات الضغط العالي؟

س: نعم، على الرغم من أنها تستخدم آليات مثل التقوية التحويلية لتعزيز المقاومة.