معامل القص (معامل الصلابة)

مقدمة في معامل القص

معامل القص، أو معامل الصلابة، هو أحد الخواص الميكانيكية المهمة التي تحدد مقاومة المادة للتشوه الناتج عن إجهاد القص. أي أنه مقياس لدرجة "مقاومة المادة للانزلاق" عند تأثير قوى موازية لسطحها عليها. ويتم التعبير عنها رياضياً كنسبة إجهاد القص إلى إجهاد القص.

الأهمية في المعادن

لا يشير معامل قص المعدن إلى صلابته فحسب، بل يؤثر أيضاً على اعتبارات تصميم المكونات الميكانيكية. ويستخدمه المهندسون للتنبؤ بالتشوه في النوابض والتروس والأعمدة والمثبتات بحيث يمكن للمكونات تحمل قوى التشغيل دون أن تتضرر بشكل دائم. على سبيل المثال

- الصلب: مع معامل القص الذي يتراوح بين 80-85 جيجا باسكال، يعتبر الفولاذ مثاليًا للعوارض الحاملة في ناطحات السحاب.

- الألومنيوم: يتيح معامل القص المنخفض نسبيًا (حوالي 26 جيجا باسكال) إمكانية تحقيق بنية خفيفة الوزن، على سبيل المثال، إطارات السيارات، مع صلابة كافية.

- سبائك التيتانيوم: معامل قص متوسط (حوالي 42 جيجا باسكال) مع قوة عالية مثالية للتطبيقات الفضائية، مثل مكونات المحركات النفاثة.

العوامل المؤثرة في معامل القص

1. درجة الحرارة

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على الصلابة. عندما يتم تسخين المعادن، يميل معامل القص الخاص بها إلى الانخفاض، مما يقلل من صلابتها ولكن يجعلها أكثر قابلية للسحب. على سبيل المثال:

- ينخفض معامل القص في الفولاذ من حوالي 82 جيجا باسكال عند درجة الحرارة المحيطة إلى حوالي 70 جيجا باسكال عند 500 درجة مئوية.

- ينخفض معامل القص للألومنيوم من 26 جيجا باسكال عند 20 درجة مئوية إلى 22 جيجا باسكال عند 200 درجة مئوية.

هذا سلوك مهم في الخدمة في درجات الحرارة العالية، على سبيل المثال، شفرات التوربينات أو أجزاء محرك السيارات.

2. تركيب السبائك

قد ترفع عناصر السبائك معامل القص أو تخفضه. دراسات حالة:

- البرونز (نحاس + قصدير): يزيد معامل القص من 47 جيجا باسكال للنحاس النقي إلى 30-40 جيجا باسكال للبرونز على حساب الصلابة لتحسين مقاومة التآكل.

- سبائك الألومنيوم (ألومنيوم + نحاس أو مغ): تزيد السبائك الصغيرة الحجم من معامل القص من 26 جيجا باسكال إلى 28-30 جيجا باسكال تقريبًا، مما يؤدي إلى تحسين الأداء الميكانيكي في أجسام الطائرات.

- سبائك التيتانيوم (Ti + Al + V): يتم الحفاظ على معامل القص عند حوالي 42 جيجا باسكال ولكن قوة الشد أكبر، وتكون المادة مناسبة للاستخدام في مجال الطيران عالي الإجهاد.

3- البنية المجهرية وحجم الحبيبات

تتسم الحبيبات الأصغر في المعادن بمعامل قص أعلى، بسبب إعاقة حركة الخلع. على سبيل المثال، تتمتع عوارض الفولاذ المشغول على البارد بصلابة أعلى قليلاً من الفولاذ الملدّن في ظروف مماثلة.

تطبيقات معامل القص

1- الهندسة الإنشائية: يساعد معامل القص في تصميم المباني والجسور والهياكل المقاومة للزلازل من خلال حساب مقاومة المواد لإجهادات القص الناتجة عن الرياح أو القوى الزلزالية.

2- المكونات الميكانيكية: لها دور مهم في تصميم النوابض وممتصات الصدمات والتروس والمحامل، والتي تحتاج إلى مقاومة أو امتصاص قوى القص دون تشوه دائم.

3- اختبار المواد: يُستخدم لفحص كيفية قص المواد مثل المعادن والبوليمرات والمواد المركبة، مما يوفر الجودة والأداء في التصنيع.

4- الهندسة الجيوتقنية: حاسمة في تحديد ثبات التربة للبناء والأساسات من خلال تحليل معامل القص للمواد تحت الأرض.

5- هندسة الطيران والسيارات: المساعدة في تصميم هياكل السيارات وأجنحة الطائرات لمقاومة إجهادات القص من أجل الصلابة والسلامة والأداء.

6- التصنيع: حاسم في عمليات تشكيل المعادن وصب البلاستيك، حيث يتم تشكيل المواد تحت قوى القص للحصول على أفضل جودة للمنتج.

معامل القص للمواد الشائعة

فيما يلي جدول بقيم معامل القص (G) للم واد الشائعة. معامل القص هو مقياس لمقاومة المادة لتشوه القص ويرتبط بصلابتها.

يوضح هذا الجدول كيف أن معامل القص يمتد على عدة مراتب من حيث الحجم، ويوضح نطاق صلابة المعادن والبوليمر والسيراميك والمركب. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هو معامل القص؟

يقيس مقاومة المادة لتشوه إجهاد القص، مما يشير إلى صلابتها.

ما أهمية معامل القص في المعادن؟

يتم استخدامه في التنبؤ بسلوك المعادن عند تعرضها لقوى الالتواء والقص، وهو أمر حيوي لسلامة الهيكل.

كيف تؤثر درجة الحرارة على معامل القص؟

تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تقليل معامل القص، مما يجعل المعادن أكثر ليونة ولكن أقل صلابة.

هل يمكن لعناصر السبائك تغيير معامل القص للمعدن؟

نعم، تسمح السبائك للمهندسين بتصميم الصلابة لتطبيقات محددة.

كيف يتم قياس معامل القص؟

من خلال تطبيق إجهاد قص معروف ومراقبة إجهاد القص الناتج، ثم حساب نسبة الإجهاد إلى الإجهاد.