قوة المواد

• التحميل العرضي – قوى تُطبَّق عموديًا على المحور الطولي للعنصر. يتسبب التحميل العرضي في انحناء العنصر وانحرافه عن وضعه الأصلي، مصحوبًا بإجهادات شد وضغط داخلية نتيجة لتغير انحناء العنصر. ^{[ 1 ]} كما يُحدث التحميل العرضي قوى قص تُسبب تشوهًا قصيًا للمادة وتزيد من الانحراف العرضي للعنصر.
• التحميل المحوري – تكون القوى المؤثرة متوازية مع المحور الطولي للعنصر. وتتسبب هذه القوى في تمدد العنصر أو انكماشه. ^{[ 2 ]}
• التحميل الالتوائي - فعل الالتواء الناتج عن زوج من أزواج القوى المتساوية والمتعاكسة الاتجاه والمطبقة خارجيًا والتي تعمل على مستويات متوازية أو عن طريق زوج خارجي واحد مطبق على عنصر مثبت أحد طرفيه ضد الدوران.

يُعبّر عن الإجهاد أحادي المحور بالمعادلة التالية

${\displaystyle \sigma ={\frac {F}{A}},}$

حيث F هي القوة المؤثرة على مساحة A. ^{[ 3 ]} يمكن أن تكون المساحة هي المساحة غير المشوهة أو المساحة المشوهة، اعتمادًا على ما إذا كان الإجهاد الهندسي أو الإجهاد الحقيقي هو محل الاهتمام.

• الإجهاد الانضغاطي (أو الانضغاط ) هو حالة الإجهاد الناتجة عن حمل مُطبق يعمل على تقليل طول المادة ( عنصر الانضغاط ) على طول محور الحمل المُطبق؛ أي أنه حالة إجهاد تُسبب انضغاط المادة. ومن أبسط حالات الانضغاط الانضغاطي الانضغاطي أحادي المحور الناتج عن تأثير قوى دافعة متعاكسة. وتكون مقاومة المواد للانضغاط أعلى عمومًا من مقاومتها للشد. ومع ذلك، فإن المنشآت المُحمّلة بالانضغاط عُرضة لأنماط فشل إضافية، مثل الانبعاج ، والتي تعتمد على هندسة العنصر.
• الإجهاد الشدّي هو حالة الإجهاد الناتجة عن حمل مُطبّق يميل إلى إطالة المادة على طول محور هذا الحمل، أي الإجهاد الناتج عن سحب المادة. لا تتأثر قوة الهياكل ذات مساحة المقطع العرضي المتساوية والمُعرّضة للشد بشكل المقطع العرضي. تكون المواد المُعرّضة للشد عُرضةً لتركيزات الإجهاد ، مثل عيوب المادة أو التغيرات المفاجئة في الشكل الهندسي. مع ذلك، تستطيع المواد ذات السلوك المطيل (كالعديد من المعادن مثلاً) تحمّل بعض العيوب، بينما قد تنهار المواد الهشة (كالخزف وبعض أنواع الفولاذ) عند مستوى أقل بكثير من أقصى قوة تحمل لها.
• إجهاد القص هو حالة الإجهاد الناتجة عن الطاقة المُجتمعة لقوتين متعاكستين تعملان على طول خطوط عمل متوازية عبر المادة، أي الإجهاد الناتج عن انزلاق أسطح المادة بالنسبة لبعضها البعض. ومن الأمثلة على ذلك قص الورق بالمقص [ ^{4 ] أو} الإجهادات الناتجة عن التحميل الالتوائي.

يمكن التعبير عن مقاومة المواد بعدة معايير للإجهاد الميكانيكي . ويُستخدم مصطلح " قوة المادة" عند الإشارة إلى هذه المعايير. وهي كميات فيزيائية ذات أبعاد متجانسة مع الضغط والقوة لكل وحدة مساحة . ولذلك، فإن وحدة القياس التقليدية للقوة هي ميجا باسكال (MPa) في النظام الدولي للوحدات ، ووحدة الرطل لكل بوصة مربعة (psi) في النظام الأمريكي . وتشمل معايير القوة: مقاومة الخضوع، ومقاومة الشد، ومقاومة الإجهاد، ومقاومة التشقق، وغيرها.

• مقاومة الخضوع هي أقل إجهاد يُحدث تشوهًا دائمًا في المادة. في بعض المواد، مثل سبائك الألومنيوم ، يصعب تحديد نقطة الخضوع، لذا تُعرَّف عادةً بأنها الإجهاد اللازم لإحداث انفعال لدني بنسبة 0.2%. ويُسمى هذا إجهاد الخضوع بنسبة 0.2%. ^{[ 5 ]}

• قوة الضغط هي حالة حدية لإجهاد الضغط تؤدي إلى الفشل في المادة بطريقة الفشل المطيل (الخضوع النظري اللانهائي) أو الفشل الهش (التمزق نتيجة انتشار الشقوق، أو الانزلاق على طول مستوى ضعيف - انظر قوة القص ).
• قوة الشد، أو قوة الشد القصوى، هي حالة حدية لإجهاد الشد تؤدي إلى فشل الشد، إما بطريقة الفشل المطيل (الخضوع كمرحلة أولى من الفشل، ثم تصلب جزئي في المرحلة الثانية، والكسر بعد تشكل ما يُعرف بـ"العنق") أو الفشل الهش (الكسر المفاجئ إلى قطعتين أو أكثر عند مستوى إجهاد منخفض). يمكن التعبير عن قوة الشد إما بالإجهاد الحقيقي أو الإجهاد الهندسي، ولكن الإجهاد الهندسي هو الأكثر شيوعًا.
• تُعدّ مقاومة الإجهاد مقياسًا أكثر تعقيدًا لقوة المادة، إذ تأخذ في الاعتبار عدة دورات تحميل خلال فترة خدمة الجسم، ^{[ 6 ]} وعادةً ما يكون تقييمها أصعب من مقاييس المقاومة الساكنة. وقد ذُكرت مقاومة الإجهاد هنا كنطاق بسيط (${\displaystyle \Delta \sigma =\sigma _{\mathrm {max} }-\sigma _{\mathrm {min} }}$). في حالة التحميل الدوري، يمكن التعبير عنه بشكل مناسب كسعة عادة عند متوسط ​​إجهاد صفري، إلى جانب عدد الدورات حتى الفشل في ظل حالة الإجهاد تلك.

• مقاومة الصدمات هي قدرة المادة على تحمل حمل مفاجئ، وتُقاس بالطاقة. غالبًا ما تُقاس باستخدام اختبار إيزود أو اختبار شاربي ، وكلاهما يقيس طاقة الصدمة اللازمة لكسر العينة. يؤثر الحجم ومعامل المرونة وتوزيع القوى وقوة الخضوع على مقاومة الصدمات للمادة. لكي تتمتع مادة أو جسم ما بمقاومة صدمات عالية، يجب أن تتوزع الإجهادات بالتساوي في جميع أنحاء الجسم. كما يجب أن يكون حجمه كبيرًا، ومعامل مرونته منخفضًا، وقوة خضوعه عالية. ^{[ 7 ]}

• تشوه المادة هو التغير في شكلها الهندسي الناتج عن تطبيق الإجهاد (نتيجة للقوى المؤثرة، ومجالات الجاذبية، والتسارع، والتمدد الحراري ، وما إلى ذلك). ويُعبَّر عن التشوه بمجال إزاحة المادة. ^{[ 8 ]}
• الإجهاد ، أو التشوه المُخفَّض ، مصطلح رياضي يُعبِّر عن اتجاه تغير التشوه في مجال المادة. الإجهاد هو التشوه لكل وحدة طول. ^{[ 9 ]} في حالة التحميل أحادي المحور، تؤدي إزاحة العينة (على سبيل المثال، عنصر قضيب) إلى حساب الإجهاد كحاصل قسمة الإزاحة على الطول الأصلي للعينة. بالنسبة لحقول الإزاحة ثلاثية الأبعاد، يُعبَّر عنه كمشتقات لدوال الإزاحة بدلالة موتر من الدرجة الثانية(بستة عناصر مستقلة).
• الانحراف هو مصطلح يصف مقدار الإزاحة التي يتعرض لها عنصر هيكلي عند تعرضه لحمل مطبق. ^{[ 10 ]}

• المرونة هي قدرة المادة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد زوال الإجهاد. في العديد من المواد، تتناسب العلاقة بين الإجهاد المطبق والانفعال الناتج تناسبًا طرديًا (حتى حد معين)، ويكون الرسم البياني الذي يمثل هاتين الكميتين خطًا مستقيمًا. ميل هذا الخط هو معامل المرونة، وهو أحد أنواع عديدة تعتمد على الانفعال المحدد قيد الدراسة: معامل الحجم ، معامل القص ، معامل يونغ ، أو معامل الموجة P (يكفي أي اثنين منها لمعرفة الاثنين الآخرين). يمكن استخدام معامل المرونة لتحديد علاقة الإجهاد بالانفعال في الجزء المرن الخطي من منحنى الإجهاد-الانفعال. تقع المنطقة المرنة الخطية إما أسفل نقطة الخضوع، أو إذا لم يكن من السهل تحديد نقطة الخضوع على الرسم البياني للإجهاد-الانفعال، فإنها تُعرَّف عادةً بأنها تقع بين 0 و0.2% من الانفعال، وتُعرَّف دائمًا بأنها منطقة انفعال لا يحدث فيها خضوع (تشوه دائم). ^{[ 11 ]}

• اللدونة أو التشوه اللدن هي عكس التشوه المرن، وتُعرَّف بأنها إجهاد غير قابل للاسترداد. ويستمر التشوه اللدن بعد زوال الإجهاد المُطبَّق. معظم المواد في فئة المرونة الخطية قادرة عادةً على التشوه اللدن. أما المواد الهشة، كالخزف، فلا تتعرض لأي تشوه لدن، وتنكسر تحت إجهاد منخفض نسبيًا، بينما المواد المطيلية، كالمعادن والرصاص والبوليمرات، تتشوه لدنًا بشكل أكبر بكثير قبل بدء الكسر.

تأمل الفرق بين جزرة وعلكة ممضوغة. الجزرة لا تتمدد إلا قليلاً قبل أن تنكسر. أما العلكة الممضوغة، فتتشوه بشكل كبير قبل أن تنكسر في النهاية.

توجد أربع نظريات للفشل: نظرية إجهاد القص الأقصى، ونظرية إجهاد الضغط الأقصى، ونظرية طاقة الانفعال الأقصى، ونظرية طاقة التشوه الأقصى (معيار فون ميزس للفشل). من بين هذه النظريات الأربع، تُطبق نظرية إجهاد الضغط الأقصى فقط على المواد الهشة، بينما تُطبق النظريات الثلاث المتبقية على المواد المطيلية. ومن بين هذه النظريات الثلاث الأخيرة، تُقدم نظرية طاقة التشوه أدق النتائج في معظم حالات الإجهاد. تتطلب نظرية طاقة الانفعال قيمة نسبة بواسون لمادة الجزء، وهي قيمة يصعب الحصول عليها في كثير من الأحيان. أما نظرية إجهاد القص الأقصى فهي نظرية متحفظة. بالنسبة لإجهادات الضغط أحادية الاتجاه البسيطة، تكون جميع النظريات متكافئة، أي أنها تُعطي النتيجة نفسها.

• تفترض نظرية إجهاد القص الأقصى أن الفشل سيحدث إذا تجاوز مقدار إجهاد القص الأقصى في الجزء قوة القص للمادة التي تم تحديدها من خلال الاختبار أحادي المحور.
• تنص نظرية الإجهاد العمودي الأقصى على أن الفشل سيحدث إذا تجاوز الإجهاد العمودي الأقصى في الجزء إجهاد الشد الأقصى للمادة، كما هو محدد من خلال اختبار أحادي المحور. وتختص هذه النظرية بالمواد الهشة فقط. يجب أن يكون إجهاد الشد الأقصى أقل من أو يساوي إجهاد الشد الأقصى مقسومًا على معامل الأمان. كما يجب أن يكون مقدار إجهاد الضغط الأقصى أقل من إجهاد الضغط الأقصى مقسومًا على معامل الأمان.
• تفترض نظرية طاقة الانفعال القصوى أن الفشل سيحدث عندما تساوي طاقة الانفعال لكل وحدة حجم بسبب الإجهادات المطبقة في جزء ما طاقة الانفعال لكل وحدة حجم عند نقطة الخضوع في الاختبار أحادي المحور.
• نظرية طاقة التشوه القصوى ، والمعروفة أيضًا بنظرية طاقة التشوه القصوى للفشل أو نظرية فون ميزس-هينكي . تفترض هذه النظرية أن الفشل يحدث عندما تتساوى طاقة التشوه لكل وحدة حجم، الناتجة عن الإجهادات المطبقة في جزء ما، مع طاقة التشوه لكل وحدة حجم عند نقطة الخضوع في اختبار أحادي المحور. يمكن تقسيم الطاقة المرنة الكلية الناتجة عن الانفعال إلى جزأين: أحدهما يُسبب تغيرًا في الحجم، والآخر يُسبب تغيرًا في الشكل. طاقة التشوه هي مقدار الطاقة اللازمة لتغيير الشكل.
• أسس آلان أرنولد غريفيث وجورج رانكين إيروين علم ميكانيكا الكسر . وتُعرف هذه النظرية المهمة أيضاً بالتحويل العددي لصلابة المادة في حالة وجود الشقوق.

تعتمد قوة المادة على بنيتها المجهرية . ويمكن للعمليات الهندسية التي تخضع لها المادة أن تُغير بنيتها المجهرية. وتشمل آليات التقوية التي تُغير قوة المادة: التصلب بالتشكيل ، وتقوية المحلول الصلب ، والتصلب بالترسيب ، وتقوية حدود الحبيبات .

تُصاحب آليات التقوية تحذيرٌ مفاده أن بعض الخصائص الميكانيكية الأخرى للمادة قد تتدهور في محاولة لجعلها أقوى. على سبيل المثال، في تقوية حدود الحبيبات، على الرغم من أن مقاومة الخضوع تصل إلى أقصى حد لها مع انخفاض حجم الحبيبات، إلا أن أحجام الحبيبات الصغيرة جدًا تجعل المادة هشة في نهاية المطاف. عمومًا، تُعد مقاومة الخضوع للمادة مؤشرًا كافيًا على قوتها الميكانيكية. وبالنظر إلى أن مقاومة الخضوع هي المعيار الذي يتنبأ بالتشوه اللدن في المادة، يمكن اتخاذ قرارات مدروسة بشأن كيفية زيادة قوة المادة بناءً على خصائصها الميكروية والنتيجة النهائية المرجوة. تُعبر القوة عن القيم الحدية لإجهاد الضغط ، وإجهاد الشد ، وإجهاد القص التي قد تؤدي إلى الفشل. ولعل تأثيرات التحميل الديناميكي هي أهم الاعتبارات العملية لنظرية المرونة، وخاصة مشكلة الإجهاد الدوري . غالبًا ما يؤدي التحميل المتكرر إلى بدء تشققات تنمو حتى يحدث الفشل عند مقاومة الشد المتبقية المقابلة للهيكل. تبدأ الشقوق دائمًا عند تركيزات الإجهاد، وخاصة التغيرات في المقطع العرضي للمنتج أو العيوب في التصنيع، بالقرب من الثقوب والزوايا عند مستويات إجهاد اسمية أقل بكثير من تلك المذكورة لقوة المادة.