قوة الشد: الأساسيات والأمثلة
ما هي قوة الشد
تشيرقوة الشد إلى أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة أثناء شدها أو سحبها قبل أن تنكسر أو تتشوه بشكل دائم. وهي خاصية أساسية للمواد، خاصةً المعادن واللدائن والمواد المركبة، وتلعب دورًا حاسمًا في التصميم الهيكلي واختيار المواد وأداء المنتج. تُقاس قوة الشد عادةً بوحدات الضغط، مثل الباسكال (Pa) أو الميجاباسكال (MPa)، وتعكس مدى مقاومة المادة للكسر تحت الشد.
قوة الشد ومعامل يونغ
غالبًا ما يتم الخلط بين قوة الشد ومعامل يونغ (المعروف أيضًاباسم معامل المرونة)، لكنهما يمثلان خواص مواد مختلفة.
- يقيس معامل يونغ قدرة المادة على مقاومة التشوهالمرن تحتالشد. وهو يقيس مقدار تمدد المادة أو انضغاطها تحت قوة معينة، حتى نقطة الخضوع (قبل حدوث التشوه الدائم).
- أماقوة الشد فهي النقطة القصوى للإجهاد قبل أن تفشل المادة وتتفكك.
بعبارات بسيطة:
- يخبرك معامل يونغ بمدى صلابة المادة.
- تخبركقوة الشد مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها المادة قبل أن تنكسر.
كلتا الخاصيتين حاسمتان في تحديد أداء المادة، خاصةً بالنسبة للمكونات التي ستتعرض للإجهاد أو الإجهاد.
العوامل المؤثرة على قوة الشد
يمكن أن تؤثر عدة عوامل على قوة الشد للمادة:
1-تركيب المادة: يؤثر نوع وترتيب الذرات في المادة على قدرتها على مقاومة التمدد. تتمتع المعادن مثل الفولاذبقوة شد عالية بسبب تركيبها البلوري، بينما تكون بعض البوليمرات أضعف.
2-درجة الحرارة: يمكن لدرجات الحرارة المرتفعة أن تقلل من قوة الشد للمادة من خلال التسبب في تحرك الذرات بحرية أكبر، مما يؤدي إلى مقاومة أقل للتمدد. وعلى العكس من ذلك، قد تجعل درجات الحرارة المنخفضة جدًا بعض المواد هشة وأكثر عرضة للكسر.
3-بنية الحبيبات: يمكن أن تؤثر محاذاة الحبيبات وحجمها في المادة على قوة شدها. تميل المواد ذات الحبيبات الدقيقة إلى الحصول على قوة شد أفضل لأن الحبيبات الأصغر حجمًا توفر نقاط مقاومة أكثر للخلع.
4-طرق المعالجة: يمكن أن تؤدي تقنيات مثل الشغل على البارد أو المعالجة الحرارية إلى تحسين قوة الشد عن طريق تعديل البنية الداخلية للمادة، مما يؤدي إلى تحسين مقاومة التشوه.
5-الشوائب والعيوب: ستعمل أي عيوب أو شقوق أو شوائب داخل المادة كمركّزات للإجهاد وتقلل من قوة الشد.
6-معدل الإجهاد: تؤثر السرعة التي يتم بها سحب المادة أيضًا على قوة شدها. وعادةً ما تؤدي معدلات الإجهاد الأسرع إلى ارتفاع قوة الشد المقاسة بسبب الوقت الأقل الذي تستغرقه المادة للتشوه بشكل بلاستيكي.
قوة الشد للمواد المختلفة
تختلف قوة الشد اختلافًا كبيرًا بين المواد المختلفة. فيما يلي بعض المواد الشائعة وقوة شدها النموذجية:
|
المواد |
قوة الشد (ميجا باسكال) |
أمثلة على الاستخدامات |
|
الفولاذ |
250 - 2,000 |
العوارض الإنشائية، قضبان التسليح، قطع غيار السيارات |
|
الألومنيوم |
90 - 570 |
مكونات الطائرات، والتغليف، والهياكل خفيفة الوزن |
|
500 - 1,400 |
صناعة الطيران، والزراعات الطبية، والهندسة عالية الأداء |
|
|
النحاس |
210 - 400 |
الأسلاك الكهربائية والسباكة والتطبيقات الصناعية |
|
الخرسانة |
2 - 5 |
الأساسات والجسور والمباني |
|
البلاستيك (البولي إيثيلين) |
20 - 40 |
التغليف، والحاويات، والتطبيقات خفيفة الوزن |
|
3,500 - 6,000 |
الفضاء، والمعدات الرياضية، وقطع غيار السيارات |
|
|
الخشب |
30 - 150 |
البناء والأثاث والنجارة |
لمزيد من المواد، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).
الأسئلة المتداولة
ما الفرق بين قوة الشد وقوة الخضوع؟
قوة الشد هي أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر، بينما قوة الخضوع هي النقطة التي تبدأ عندها المادة في التشوه بشكل بلاستيكي. تمثل مقاومة الخضوع نهاية السلوك المرن للمادة وبداية التشوه الدائم.
ما هي المادة التي تتمتع بأعلى قوة شد؟
تتميّزألياف الكربون بأعلى قوة شد، حيث تتراوح بين 3500 ميجا باسكال و6000 ميجا باسكال، ما يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الأداء مثل معدات الطيران والمعدات الرياضية.
هل يمكن تحسين قوة الشد؟
نعم، يمكن تحسين قوة الشد في كثير من الأحيان من خلال المعالجات الحرارية أو الشغل على البارد أو عمليات صناعة السبائك. على سبيل المثال، يمكن تقوية الفولاذ من خلال عمليات التبريد والتلطيف.
كيف تؤثر درجة الحرارة على قوة الشد؟
في درجات الحرارة المرتفعة، تعاني المواد عمومًا من انخفاض قوة الشد لأن الروابط الذرية تضعف مما يجعلها أكثر عرضة للتشوه. وعلى العكس من ذلك، في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، يمكن أن تصبح المواد مثل المعادن هشة، مما يقلل من قوة شدها.
كيف تُقاس قوة الشد؟
تُقاس قوة الشد باستخدام اختبار الشد. يتم شد عينة تحت ظروف محكومة ويتم تسجيل مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر. تعطي نتائج الاختبار قوة الشد القصوى وقوة الخضوع والخصائص الأخرى ذات الصلة.
