الرئيسية / الفعاليات العلمية / مقالات / الاختبارات الميكانيكية للمواد الهندسية (Mechanical Tests for Engineering Materials) اعداد: د.علي صادق العذاري

الاختبارات الميكانيكية للمواد الهندسية (Mechanical Tests for Engineering Materials) اعداد: د.علي صادق العذاري

يعرف اختبار المواد الهندسية بأنه: قياس خصائص المواد وسلوكها في شروط شتى،وتفيد النتائج المستخلصة من هذا القياس في تحديد المواد وصفاتها المميزة في مختلفالاستعمالات. يمكن أن يُجرى الاختبار على نموذج مصغر للآلة أو المادة، وقد يستعاضعن ذلك ببناء نموذج رياضي بالاعتماد على خصائص المادة وسلوكها المعروفين مسبقاًللتنبؤ بقدرات النموذج.
ثمة عدد كبير من الاختبارات للمواد من أهمها : الاختبار الميكانيكي واختبارات الخصائص الحراريةواختبارات الخصائص الكهربائية واختبارات تلف الصدأ والإشعاع والتلف البيولوجيوالاختبارات غير المخرِّبة. وقد قامت هيئات وطنية وعالمية كالمنظمة العالميةللمعايرة International Organization for Standardization (ISO) ومقرها جنيف والجمعيةالأمريكية للاختبار والمواد American Society for Testing and Materials (ASTM) في فيلادلفيا بوضع طرائق اختبارقياسية.
الاختباراتالميكانيكية:
يتعطل معظم الآلاتوالقطع ومكوناتها نتيجة تصدعها أو تشوهها الزائد. ومنعاً لحدوث هذا التعطل يقومالمصمم عادة بدراسات تحليلية على نموذج رياضي أو دراسات تجريبية على نموذج حقيقيلمعرفة مدى تحمل الآلة للإجهادات ولأوضاع العمل،كما يقوم باختبار المواد التي يجبتصنيع كل جزء من الآلة منها لضمان حسن أدائها، وفيما يلي بعض الاختبارات التي يمكنتوظيفها للوصول إلى هذه الغاية.
1-اختبار الشد والضغط(Tensile and Compressive Test) : يعتبر اختبار الشد من اهم الاختبارات الميكانيكية حيث تستطيل كل مادة عند تعرضها للشد(strain)وتنهار إذا مااستمرت هذه العملية. ويحدد اختبار بسيط للشد السكوني نقطة انهيار المادة بعداستطالتها. ويتطلب هذا الاختبار توافر عينة اختبار أسطوانية او مستطيلة المقطع أو يكون جزؤها الأوسطأصغر قطراً من نهايتيها، وآلة اختبار تطبق مختلف الأحمال وتقيسها وتسجلها، ومجموعةمناسبة من المقابض(grips) للإمساك بعينةالاختبار. تقوم آلة الاختبار بشد جزء صغير من العينة يسمى عادة مقطع الاختبارشداً متسقاً ويستخدم بعدئذ مقياس الاستطالة(extensometer) لقياس طول جزء الاختبار يسمى الطول القياسيgauge length) )عند مختلف الأثقال توصلاً لحسابالشدحيث يتم رسم مخطط يمثل العلاقة بين الاجهاد والانفعال نحصل منه على العديد من خواص المادة قيد الاختبار ومنها:
:ا) معامل المرونة (Modulus of Elasticity): وهو قيمة ثابتة لكل مادة يمثل مقياسا لقابلية المادة على التشوه الطولي
ب)اجهاد الخضوع او نقطة الخضوع (:(Yield Strength or Yield Pointوهو قيمة تمثل بداية التشوه الدائمي للنموذج المقاس تحت تاثير الحمل المسلط ويستخدم كقيمة قصوى عند تصميم المواد المطيلية .
ج) الإجهاد الأقصى (Ultimate Strength ): وهي اعلى قيمة للاجهاد المسلط على النموذج قيد الفحص قبل بدء حصول عملية الفشل .

أما اختبارات الانضغاط فتحدد استجابة المادة لحمل ساحق(Crushing) أولحمل استنادي كما في حالة دعامات المنازل ويكون للعينات شكل أسطواني ويكون الطولالمعياري في اختبار الانضغاط مساوياً طول العينة كله.
ويجب الانتباه في هذه الاختبارات إلى وجوب إبقاء قطعالاختبار قصيرة وغليظة منعاً لانثنائها في أثناء الاختبار.
2- اختبارا القص واللي(Torsional Test): تشير اختبارات القص في مستو إلى قيمة التشوه في المادةنتيجة للقوى المطبقة مماسياً، وتطبق مبدئياً على المواد ذات الصفائح الرقيقة سواءكانت معدنية أو مركبة كاللدائنالمقواة بأليافالزجاج. تتولد في اختبار الليإجهادات شد على وجهي العنصر المعرض للي وتتولد إجهادات ضغط مقابلة على الوجهالآخر.
ويمكن استخدام هذا الاختبار فيقياس مقاومة الشد للمواد التي يصعب إجراء اختبار الشد عليها مباشرة إذ يختلف تشوهالمادة على وجهي العنصر المختبر باختلاف مقاومتيه للشد والضغط وبذلك يمكن معرفةقيمة مقاومة المادة للشد.
3-اختبارقابلية السحب: قابلية السحب(: (Ductibility هي سمة للمادة تبين قابليتها للتشوه تشوهاً دائماً نتيجة لتطبيق إجهادعليها, وتتشوه المادة عادة فيالبداية تشوهاً مرناً يزول بزوال الإجهاد الموضعي ثم يصبح دائماً. فمثلاً تأخذأسطوانة فولاذية شكل عنق متطاول نتيجة شدها، وتكون المادة قابلة للسحب إذا كان هذاالتشوه دائماً لا تعود معه الأسطوانة إلى شكلها السابق. ويمكن التعبير عن قابليةالأسطوانة للسحب بالشد وبتقلص المساحة في واحدة المساحة أو بالمتانة(Toughness) التي هي كميةالقدرة اللازمة لإحداث تشوه دائم في المادة.
4-اختبار الصلادة(Hardness Test) : يتم اختبار صلابة مادة مابضغط كرةفولاذية مقسّاة (اختباربرينل (Brinell)أو مخروط منالفولاذ أوالألماس) اختبار روكويل( Rockwell او هرم ماسي (اختبار فيكرز (Vickersعلى سطح القطعة التي يجري عليهاالاختبار. ويجري معظم اختبارات الصلابة باستخدام آلات تسجل قيماً اختيارية تتناسبعكساً مع عمق تغلغل الكرة أو المخروط في القطعة. ويجب الانتباه إلى أن اختبار صلابةالمطاط واللدائن، وفق هذه الطريقة، لا يعطي نتائج ذات معنى لأن التشوه، نتيجة تغلغلالكرة أو المخروط، قد يكون مؤقتاً.

الشكل –(2) جهاز اختبار الصلادة
وينجز بعض الاختبارات ديناميكياً بإسقاط ثقل ذي قيمة معروفةمن ارتفاع محدد ويتم ذلك عادة في الاختبارات المعدة لقياس تأثيرالاحتكاك.
5- اختبار الصدم (Impact Test): تستعمل أكثر اختبارات الصدم شيوعاًنواساً ثقلياًمتأرجحاًيضرب قضيباً ذا أثلام مصنوعاً من المادة المختبرة. ويستخدم ارتفاع النواس قبل الصدم وبعده لحساب القدرة اللازمة لتصدع القضيب وبالتاليلحساب قوة صدمه. وتتباين بعض المواد في مقاومتها للصدم بتباين درجات حرارة الوسطالمحيط إذ تصبح شديدة القابلية للكسر في درجات الحرارة المنخفضة جداً. وقد أظهر بعضالاختبارات أن تدني مرونة المادة ومقاومتها غالباً ما يكون فجائياً عند درجة حرارةمعينة تدعى درجة الحرارة الانتقالية للمادة.

الشكل –(3) جهاز اختبار الصدمة
6-اختبار مقاومة التصدع:(Fracture Test) أدت المتطلبات المتشددة المفروضة على المواد المستخدمةفي برامج الفضاء إلى إجراء تبدلات أساسية في فلسفة التصميم، إذ طلب المصممون منالمختصين في هندسة المواد تطوير اختبارات كمية قادرة على قياس نزوع مادة إلى التشقق((crack واستبقيت الطرائق التقليدية لتحليل الإجهاد واختبارات خصائص المواد، ولكن تغيّرتعليل النتائج فأصبح معيار الانهيار(Failure) هو النزوع المفاجئ إلى التشقق وليس إلى التكسر(Fracture) . لقد أظهرت الاختبارات أن الشقوق تحددبالانفلاق، إذ تنفصل قطعتان من المادة، تقعان في مستوٍ شاقولي واحد، فتتجه إحداهماإلى الأعلى والأخرى إلى الأسفل، وبانزلاق الحواف، إذ تنشطر المادة في مستوٍ أفقيتتجه قطعة منها نحو اليسار والأخرى نحو اليمين، وبالتمزق، إذ تنشطر المادة فتتحركقطعة قطرياً إلى الأعلى نحو اليسار وتتحرك الأخرى قطرياً إلى الأسفل نحواليمين.
7- اختبار تغيرالأبعاد:(Creep Test) تغير الأبعادهو التبدل البطيءفي أبعاد المادة نتيجة لإجهاد طويل الأمد. تطبق على المادة في اختبار تغيّر الأبعادأثقال أقل من تلك التي تحدث صدعاً آنياً، ويقاس تشوه الأبعاد عادة باستخدام مقياسالتمدد في مدة معينة يبقى فيها الحمل ثابتاً.
كما يقاس في الاختبار ذاته زمن الانهيار تابعاً لمستوىالإجهاد في شكل منحن يسمى منحني التمزق الناتج من الإجهاد (Rupture Stress)أو التمزقالناتج من تغير الأبعاد، ويستفاد من هذا المنحني في استقراء سلوك المواد والتنبؤ بهمستقبلاً. وأخيراً تجدرالإشارة إلى وجود بعض المواد التي تستعيد أبعادها الأصليةبعد زوال الإجهاد المؤثر فيها وتسمى المواد اللزجة – المرنةVisco-elastic Materials). ).
8-اختبار الكلال :(Fatigue Tesyt)يعرفالكلالبأنه انهيار المواد نتيجة تطبيق الإجهادات عليها تطبيقاًمتكرراً , ويقاس باختبارات ميكانيكية تتضمن تطبيقاً متكرراً. لإجهادات مختلفة تراوحبين قيمتين صغرى وعظمى على نحو دوري، وتستخدم معظم آلات اختبار الكلال ثقلاً دواراًغير منتظم لتوليد هذا الحمل الدوري. ويقال إن المادة تعاني كلالاً منخفض الدورة إذاانهارت عند (10000 دورة) أو أقل.
تكون الإجهادات التي تتعرض لها المادة عادة ذات طبيعةعشوائية وليست دورية ولهذا تم تطوير عدة نظريات للتلف الناتج من الكلال التراكمي(Cumulative Fatigue Damage) لتمكن الباحثين من استقراء سلوك المادة تحت تأثيرإجهادات عشوائية اعتماداً على معطيات الاختبار الدوري. ولأن معظم هذه النظريات غيرقابل للتطبيق على أكثر المواد فقد استخدمت في مخابر اختبار المواد تقانة جديدةنسبياً تتضمن تطبيقاً ميكانيكياً لإجهادات كلال عشوائية موافقة إحصائياً للشروطالفعلية.يتضمن كلال المواد عدداًمن الظواهر منها الانزلاق الذري(Atomic Slip) وابتداء التشقق وانتشاره ولهذا فإن اختبارالكلال يقيس عدد الدورات المطلوب لإحداث شق إضافة إلى عدد الدورات اللازملانهيار المادة.

الشكل –(4) جهاز اختبار الكلال

شاهد أيضاً

REACTIVE POWDER CONCRETE خرسانة المساحيق الفعالة(RPC)

خرسانة المساحيق الفعالة (RPC) هي جيل جديد من الخرسانة عالية الكثافة والقوة تسمح لصناعة الخرسانة …

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *