قوة العائد: الأساسيات والأمثلة

مقدمة

عندما نفكر في قوة المواد - سواءً كان الفولاذ المستخدم في المبنى، أو الألومنيوم في الطائرات، أو النحاس في الكابلات - فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو قوة الخضوع. إنها واحدة من أهم الخواص الميكانيكية التي يأخذها المهندسون في الاعتبار عند تصميم أي شيء يحتاج إلى تحمل الأحمال دون انحناء أو فشل. وبعبارات بسيطة، تخبرنا قوة الخضوع عن النقطة التي لا تعود عندها المادة تتشوه بشكل مرن (تنبثق مرة أخرى إلى الشكل الأولي) ولكنها تبدأ في التشوه بشكل دائم. ويضمن وجود هذه الخاصية عدم ترهل الجسور وعدم اعوجاج أجنحة الطائرات وعدم التواء المعدات تحت الضغط.

أساسيات قوة الخضوع

ما هي قوة الخضوع؟

قوة الخضوع هي مقدار الإجهاد الذي يمكن أن تقاومه المادة قبل أن تبدأ في التشوه بشكل دائم. وحتى هذه اللحظة، تتصرف المادة بشكل مرن - ستعود إلى شكلها الأصلي عند إزالة الحمل. ولكن بمجرد تجاوز نقطة الخضوع، يصبح التشوه بلاستيكيًا، ولن تستعيد المادة شكلها بالكامل حتى عند إزالة الحمل.

في علم وهندسة المواد، تعتبر قوة الخضوع معلمة تصميم ذات أهمية. يتم تصميم الهياكل والأجزاء بحيث تكون أقل بكثير من هذه القيمة، حيث يمكن استخدامها لتحقيق الموثوقية والسلامة على المدى الطويل.

قوة الخضوع وقوة الشد

من المغري أن نساوي بين قوة الخضوع وقوة الشد، ولكن يتم استخدامهما لوصف مرحلتين مختلفتين من مراحل سلوك المواد.

- قوة الخضوع هي بداية التشوه البلاستيكي - النقطة التي تبدأ عندها المادة في تغيير شكلها بشكل دائم.

- أما مقاومة الشد، من ناحية أخرى، فهي أقصى إجهاد يمكن أن تتحمله المادة أثناء تمددها قبل أن تفشل في النهاية.

على سبيل المثال، قد تبدأ عينة من الفولاذ في الاستسلام عند 300 ميجا باسكال ولكن لا تنكسر إلا عند 600 ميجا باسكال. يمكن للمهندسين إجراء تنبؤات حول كيفية تصرف المواد عند تعرضها لأحمال مختلفة - مرنة أو بلاستيكية أو حتى عند الكسر في نهاية المطاف، إذا كانوا يعرفون كلا الرقمين.

التشوه المرن مقابل التشوه البلاستيكي

من أجل فهم قوة الخضوع بشكل أفضل، من المفيد تصور كيفية تشوه المواد. أسفل المنطقة المرنة، تتحرك الذرات مؤقتًا من موضعها الابتدائي ولكنها ترتد عند تحرير الحمل - أي تمدد شريط مطاطي. وبعد نقطة الخضوع تقع منطقة اللدونة حيث يتم إصلاح الروابط الذرية أو تتحرك الخلع داخل البنية البلورية. بعد دخول هذه المنطقة، لا يمكن عكس التشوه - أي ثني مشبك الورق بحيث يبقى مثنيًا.

منحنى الإجهاد والانفعال ومخطط قوة الخضوع

منحنى الإجهاد-الإجهاد هو التمثيل الأكثر عمومية لسلوك مادة الشد. يبدأ المنحنى كخط مستقيم يمثل التشوه المرن. ومعامل المرونة هو الاسم الذي يطلق على ميل هذا الخط. نقطة المردود- هي موضع بداية الانحراف عن الخطية.

بالنسبة لبعض المواد، يمكن التعرف على هذا الحد الأقصى بسهولة. بالنسبة للبعض الآخر، يستخدم المصممون طريقة إزاحة (عادةً 0.2% من الإجهاد) لتحديد قوة الخضوع بشكل صحيح. لا يخبرنا هذا المنحنى بمكان حدوث الخضوع فحسب، بل يوفر الكثير من المعلومات حول الصلابة والليونة والقوة القصوى.

العوامل المؤثرة على قوة الخضوع

تركيب المادة

يؤثر التركيب الكيميائي للمادة بشكل كبير على قوة خضوعها. إن تضمين عناصر التقوية، على سبيل المثال، إضافة الكربون إلى الحديد لإنتاج الفولاذ، أو التيتانيوم إلى الألومنيوم، يزيد من صلابة المادة بشكل كبير. تقوم العناصر المضافة بإغلاق حركة الخلع داخل التركيب البلوري، مما يجعل المادة أكثر صلابة للتشوه.

درجة الحرارة

تلعب درجة الحرارة أيضًا دورًا مهمًا. فمع زيادة درجة الحرارة، تنتقل الطاقة إلى الذرات ويمكنها التحرك بحرية، مما يقلل من قوة الخضوع للمادة. ولهذا السبب، تصبح المعادن لينة عند تسخينها وتتصلب عند تبريدها. بالنسبة للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، يتم استخدام مواد ذات قوة خضوع ثابتة مثل سبائك التيتانيوم.

عمليات التصنيع

تتمتع طرق المعالجة مثل التشكيل والدرفلة والشغل على البارد والمعالجة الحرارية بالقدرة على تغيير البنية المجهرية للمادة بشكل كبير. على سبيل المثال، ينتج عن الشغل على البارد خلخلة تساهم في قوة الخضوع من خلال تصلب الإجهاد، في حين أن المعالجة الحرارية يمكن أن تقلل من حجم الحبيبات وتزيد من التماثل.

قياس قوة الخضوع

يتم قياس قوة الخضوع عادةً عن طريق اختبار الشد. في الاختبار، يتم سحب العينة ببطء وتسجيل كل من الإجهاد والانفعال. يسمح منحنى الإجهاد والانفعال الناتج للمهندسين بتحديد نقطة الخضوع.

وهو اختبار معياري - يتم إنشاء قطع الاختبار بأحجام دقيقة، ويتم سحبها بمعدلات مضبوطة ويتم عرضها بدقة. إنها معلومات مهمة مطلوبة لتأهيل المواد المستخدمة في البناء والفضاء والسيارات وغيرها من الصناعات المتعلقة بالسلامة.

تطبيقات قوة الخضوع

قوة الخضوع ليست نتيجة اختبار - إنها مفهوم تصميم في العالم الحقيقي.

-البناء: يُصنع الفولاذ والخرسانة المسلحة بحيث تظل قوة الخضوع أقل من قوة الخضوع عند ذروة التحميل حتى تكون المباني والجسور آمنة ومتينة.

-السيارات: يجب أن تقاوم إطارات ومكونات السيارات الاهتزازات والصدمات والضغوطات المتكررة دون تشوه دائم.

-الفضاء الجوي: يجب أن تحتفظ مواد الطائرات، وهي عادةً سبائك الألومنيوم أو التيتانيوم، بقوتها على ارتفاعات ودرجات حرارة عالية.

- الإلكترونيات: حتى المكونات الصغيرة مثل الموصلات أو النوابض تعتمد على قوة الخضوع للحفاظ على الشكل وضغط التلامس مع مرور الوقت.

جدول مقارن للمواد الشائعة

تشير هذه القيم إلى نطاق القوة للمواد النموذجية في الهندسة. يتميز التيتانيوم بنسبة عالية من القوة إلى الوزن، بينما يتمتع الفولاذ بتوازن ثابت بين التكلفة والقوة والليونة.

لمزيد من المعلومات عن المواد والمواد التقنية، يرجى الاطلاع على Stanford Advanced Materials (SAM).

الخلاصة

بشكل عام، قوة الخضوع هي أكثر من مجرد جزء من الرياضيات الميكانيكية - إنها فكرة جوهرية تربط بين علم المواد والتصميم الهندسي. من تشكيل أجنحة الطائرات إلى بناء ناطحات السحاب إلى إنتاج الرقائق الإلكترونية، فإن معرفة كيف ومتى تستسلم المواد تساعد الابتكارات على الحفاظ على سلامة وقوة الابتكارات.

الأسئلة المتداولة

ما الفرق بين قوة الخضوع وقوة الشد؟

قوة الخضوع هي بداية التشوه الدائم، في حين أن قوة الشد هي حد الكسر الإجهادي.

ما أهمية قوة الخضوع في الهندسة؟

لأنها تضمن قدرة المكوّن على تحمّل الأحمال المطبقة دون حدوث ضرر دائم - وهو أمر بالغ الأهمية للسلامة والأداء.

كيف يتم تحديد قوة الخضوع؟

من خلال اختبار الشد، حيث يتم شد العينة إلى النقطة التي تبدأ فيها بالتشوه بشكل بلاستيكي ويتم تسجيل الإجهاد المرتبط بها.

يمكن تعزيز قوة الخضوع.

نعم-يمكن تعزيز قوة الخضوع عن طريق صناعة السبائك، أو المعالجة الحرارية، أو الشغل على البارد، أو أي تغيير آخر في البنية المجهرية.

هل تؤثر درجة الحرارة على قوة الخضوع؟

نعم. تميل درجات الحرارة المرتفعة إلى تقليل قوة الخضوع، لكن درجات الحرارة المنخفضة تجعلها أكبر.