الخشونة (علم المواد)

في علم المواد ، تُعرَّف النتوءات بأنها "عدم انتظام السطح، أو خشونة سطحه، أو وعورته" (من الكلمة اللاتينية asper التي تعني "خشن" ^{[ 1 ]} )، ولها آثارٌ في الفيزياء وعلم الزلازل على سبيل المثال . فالأسطح "الناعمة" النموذجية، حتى تلك المصقولة حتى تُصبح لامعة كالمرآة، لا تزال غير ناعمة تمامًا على المستوى المجهري. فهي خشنة، ذات نتوءات حادة أو خشنة أو وعرة، تُسمى "النتوءات". وتوجد نتوءات السطح على مستويات متعددة، غالبًا في شكل هندسي متماثل ذاتيًا أو كسري . ^{[ 2 ]} وقد رُبط البُعد الكسري لهذه البنى بميكانيكا التلامس التي تظهر عند السطح البيني من حيث الاحتكاك وصلابة التلامس .

إن فهم مفهوم النتوءات أمر ضروري لأي فهم لمجال علم الاحتكاك ، وهو الدراسة العلمية للاحتكاك والتآكل والتشحيم .

بالتوسع في الربط بين النتوءات وعلم الزلازل، تُعدّ النتوءات بالغة الأهمية في فهم الصدوع الجيوفيزيائية من خلال التشوه المرن. تميل هذه الصدوع، مثل صدع سان أندرياس، إلى أن تكون غير متجانسة للغاية نظرًا لوفرة النتوءات. في النمذجة، يمكن أن تصل أجزاء صغيرة منها إلى نقاط فشل مخبرية؛ ومع ذلك، يمكن تلخيص متوسط ​​الإجهاد من خلال نسبة مساحة النتوءات الكلية إلى المساحة الكلية للصدع نفسه، مما يؤدي إلى إجهادات صافية ناتجة عن انخفاض النتوءات. ^{[ 3 ]}

يُستخدم برنامج Asperity أيضًا في عملية نمذجة التلامس، والتي تُستخدم للتنبؤ بالمساحة الحقيقية لسطح التلامس، بالإضافة إلى الإجهادات السطحية وتحت السطحية التي تزيد الاحتكاك والتآكل على السطح البيني. يؤدي هذا الاحتكاك إلى تشوه الأسطح الخشنة مجهريًا، ويأتي هذا التشوه في شكلين: مرن ومرن-لدن. ومع ذلك، يمكن إبطاء هذا التشوه عن طريق إضافة نوع من مواد التشحيم إلى الأسطح. ^{[ 4 ]}

باستخدام نظرية الأسطح الخشنة التي اقترحها غرينوود وويليامسون، والمراجع الموجودة في نظرية المرونة الهيدروديناميكية، يمكن إنشاء نموذج نظري لتفسير النتوءات الموجودة في نقاط التلامس المشحمة تحت الأحمال العالية. يمكن استخدام هذا النموذج لحساب نسبة بين سُمك طبقة التشحيم النظرية والخشونة الكلية للأسطح. ويمكن الاستفادة من هذه النسبة عند مناقشة الحمل الكلي على سطح التلامس. ^{[ 5 ]}

عندما تتلامس سطحان أملسان ظاهريًا، فإنهما في البداية يتلامسان فقط عند عدد قليل من نقاط النتوءات. تغطي هذه النقاط جزءًا صغيرًا جدًا من مساحة السطح. ينشأ الاحتكاك والتآكل عند هذه النقاط، ولذا يصبح فهم سلوكها مهمًا عند دراسة المواد المتلامسة. عند تعرض السطحين لحمل ضغط، تتشوه النتوءات عبر أنماط التشوه اللدن ثم المرن، وهو ما يمكن ملاحظته في منحنى الإجهاد والانفعال للمادة المعنية، مما يزيد من مساحة التلامس بين السطحين حتى تصبح مساحة التلامس كافية لتحمل الحمل.

إن العلاقة بين التفاعلات الاحتكاكية وهندسة النتوءات معقدة وغير مفهومة بشكل كامل. وقد أشارت بعض الدراسات إلى أن زيادة الخشونة قد تؤدي، في ظروف معينة، إلى تفاعلات احتكاكية أضعف، بينما قد تُظهر الأسطح الأكثر نعومة مستويات عالية من الاحتكاك نتيجةً لارتفاع مستويات التلامس الحقيقي. ^{[ 6 ]}

تُقدّم معادلة أرتشارد نموذجًا مُبسّطًا لتشوّه النتوءات عندما تتعرّض المواد المتلامسة لقوة. ونظرًا لانتشار النتوءات القابلة للتشوّه في الهياكل الهرمية ذاتية التشابه ^{[ 7 ]،} فإنّ مساحة التلامس الحقيقية عند السطح البيني تُظهر علاقة خطية مع الحمل العمودي المُطبّق. ^{[ 2 ]}

• خشونة السطح
• صقل (المعادن)

• تعريف كلمة " asperity " في قاموس ويكشنري