اختبار الشد

اختبار الشد ، المعروف أيضًا باختبار الشد ، ^{[ 1 ]} هو اختبار أساسي في علم وهندسة المواد ، حيث تُعرَّض العينة لشدٍّ مُتحكَّم به حتى الفشل. تشمل الخصائص التي تُقاس مباشرةً من خلال اختبار الشد: مقاومة الشد القصوى ، ومقاومة الكسر ، والاستطالة القصوى ، ونسبة التناقص في المساحة. ^{[ 2 ]} ومن هذه القياسات، يُمكن تحديد الخصائص التالية: معامل يونغ ، ونسبة بواسون ، ومقاومة الخضوع ، وخصائص التصلب الإجهادي . ^{[ 3 ]} يُعد اختبار الشد أحادي المحور الأكثر شيوعًا للحصول على الخصائص الميكانيكية للمواد المتجانسة . تستخدم بعض المواد اختبار الشد ثنائي المحور . ويكمن الاختلاف الرئيسي بين أجهزة الاختبار هذه في كيفية تطبيق الحمل على المواد.

قد يكون لاختبار الشد أغراض متنوعة، مثل:

• اختر مادة أو عنصرًا لتطبيق ما
• لفهم حالة تدهور التراث الثقافي ( علم التراث ) واختيار المواد المناسبة لمعالجة الحفظ . ^{[ 4 ]}
• توقع كيف ستتصرف المادة أثناء الاستخدام: القوى العادية والقوى القصوى .
• تحديد ما إذا كانت متطلبات المواصفات أو اللوائح أو العقود مستوفاة، أو التحقق من ذلك.
• حدد ما إذا كان برنامج تطوير منتج جديد يسير على المسار الصحيح
• إثبات صحة المفهوم
• إثبات جدوى براءة الاختراع المقترحة
• توفير بيانات قياسية للوظائف العلمية والهندسية ووظائف ضمان الجودة الأخرى
• توفير أساس للتواصل التقني
• توفير وسيلة تقنية لمقارنة عدة خيارات
• تقديم الأدلة في الإجراءات القانونية

يعتمد تحضير عينات الاختبار على أغراض الاختبار وعلى طريقة الاختبار أو المواصفات المعتمدة . عادةً ما يكون لعينة الشد مقطع عرضي قياسي. تتكون من كتفين ومقطع قياس بينهما. يكون الكتفان ومقطع الإمساك أكبر عمومًا من مقطع القياس بنسبة 33% ^{[ 5 ]} ليسهل الإمساك بهما. كما يسمح القطر الأصغر لمقطع القياس بحدوث التشوه والانهيار في هذه المنطقة. ^{[ 2 ] [ 6 ]}

يمكن تصنيع أكتاف عينة الاختبار بطرق مختلفة لتتوافق مع مختلف أنواع المقابض في جهاز الاختبار (انظر الصورة أدناه). لكل نظام مزايا وعيوب؛ فعلى سبيل المثال، الأكتاف المصممة للمقابض المسننة سهلة ورخيصة التصنيع، لكن محاذاة العينة تعتمد على مهارة الفني. من ناحية أخرى، يضمن المقبض المثبت بدبوس محاذاة جيدة. كما تضمن الأكتاف والمقابض الملولبة محاذاة جيدة، ولكن يجب على الفني معرفة كيفية ربط كل كتف بالمقبض بطول قطر واحد على الأقل، وإلا فقد تتلف الخيوط قبل أن تنكسر العينة. ^{[ 7 ]}

في عمليات الصب والتشكيل الكبيرة ، من الشائع إضافة مادة إضافية مصممة ليتم إزالتها من المسبوكة، وذلك لصنع عينات اختبار منها. قد لا تمثل هذه العينات تمثيلاً دقيقاً للقطعة بأكملها، نظراً لاختلاف بنية الحبيبات في أجزائها. أما في القطع الصغيرة، أو عند اختبار أجزاء حيوية من المسبوكة، فقد يتم التضحية بقطعة كاملة لصنع عينات الاختبار. ^{[ 8 ]} بالنسبة للقطع المصنعة من قضبان معدنية ، يمكن صنع عينة الاختبار من نفس قطعة القضيب.

بالنسبة للمواد اللينة والمسامية، مثل الأقمشة غير المنسوجة المصنعة بتقنية الغزل الكهربائي من الألياف النانوية، عادةً ما تكون العينة عبارة عن شريط عينة مدعوم بإطار ورقي لتسهيل تثبيته على الجهاز وتجنب تلف الغشاء. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

أنماط مختلفة للأكتاف لعينات الشد. المفاتيح من أ إلى ج مخصصة للعينات الدائرية، بينما المفتاحان د و هـ مخصصان للعينات المسطحة. المفتاح:

أ. كتف ملولب للاستخدام مع خيط. ب. كتف مستدير للاستخدام مع مقابض مسننة. ج. كتف طرفي للاستخدام مع طوق مشقوق. د. كتف مسطح للاستخدام مع مقابض مسننة.

هـ. كتف مسطح مزود بفتحة نافذة لتثبيت المسكة

تسمية عينة الاختبار

يمكن تحديد قابلية تكرار جهاز الاختبار باستخدام عينات اختبار خاصة مصنوعة بدقة لتكون متشابهة قدر الإمكان. ^{[ 8 ]}

تُحضّر عينة قياسية بمقطع دائري أو مربع على طول طول القياس، وذلك حسب المعيار المستخدم. يجب أن يكون طرفا العينة بطول كافٍ وسطح مناسب لضمان تثبيتها بإحكام أثناء الاختبار. يُوحّد طول القياس الأولي (Lo) في العديد من البلدان، ويتغير تبعًا لقطر العينة (Do) أو مساحة مقطعها العرضي (Ao) كما هو موضح.

توضح الجداول التالية أمثلة على أبعاد عينات الاختبار والتفاوتات المسموح بها وفقًا لمعيار ASTM E8.

أكثر آلات الاختبار شيوعًا في اختبارات الشد هي آلة الاختبار الشاملة . ^{[ 12 ]} تحتوي هذه الآلة على رأسين متحركين؛ يُضبط أحدهما وفقًا لطول العينة، بينما يُدار الآخر لتطبيق الشد على العينة. ^{[ 13 ]} آلات الاختبار إما كهروميكانيكية أو هيدروليكية . ^{[ 6 ]} انظر المقالة المرجعية للاطلاع على مثال لاختبار الشد الميكانيكي لمواد تُستخدم في الصناعة الطبية لعلاج الجروح. ^{[ 14 ]}

تستخدم الآلة الكهروميكانيكية محركًا كهربائيًا ونظام تخفيض سرعة التروس ومسمارًا واحدًا أو اثنين أو أربعة مسامير لتحريك رأس الرفع لأعلى أو لأسفل. ويمكن تحقيق نطاق واسع من سرعات رأس الرفع بتغيير سرعة المحرك. ويمكن التحكم في سرعة رأس الرفع، وبالتالي معدل التحميل، بواسطة معالج دقيق في وحدة التحكم المؤازرة ذات الحلقة المغلقة. أما آلة الاختبار الهيدروليكية فتستخدم مكبسًا أحاديًا أو ثنائي الفعل لتحريك رأس الرفع لأعلى أو لأسفل. كما تتوفر أنظمة اختبار يدوية التشغيل. وتتطلب التكوينات اليدوية من المشغل ضبط صمام إبرة للتحكم في معدل التحميل. وتُظهر مقارنة عامة أن الآلة الكهروميكانيكية قادرة على تحقيق نطاق واسع من سرعات الاختبار وإزاحات رأس رفع طويلة، بينما تُعد الآلة الهيدروليكية حلاً فعالاً من حيث التكلفة لتوليد قوى عالية. ^{[ 15 ]}

يجب أن تتمتع الآلة بالقدرات المناسبة لعينة الاختبار. هناك أربعة معايير رئيسية: قدرة تحمل القوة، والسرعة، والدقة، والصحة . تشير قدرة تحمل القوة إلى قدرة الآلة على توليد قوة كافية لكسر العينة. يجب أن تكون الآلة قادرة على تطبيق القوة بسرعة أو ببطء كافيين لمحاكاة التطبيق الفعلي بدقة. وأخيرًا، يجب أن تكون الآلة قادرة على قياس طول القياس والقوى المطبقة بدقة متناهية؛ فعلى سبيل المثال، قد لا تعمل آلة كبيرة مصممة لقياس الاستطالات الطويلة مع مادة هشة تتعرض لاستطالات قصيرة قبل الكسر. ^{[ 7 ]}

يُعدّ محاذاة عينة الاختبار في جهاز الاختبار أمرًا بالغ الأهمية، لأنه في حال عدم محاذاتها، سواءً بزاوية أو بانحراف جانبي، سيُسلط الجهاز قوة انحناء عليها. ويُعدّ هذا الأمر بالغ الخطورة على المواد الهشة ، لأنه سيؤثر بشكل كبير على دقة النتائج. ويمكن تقليل هذه المشكلة باستخدام قواعد كروية أو وصلات على شكل حرف U بين المقابض وجهاز الاختبار. ^{[ 7 ]} إذا كان الجزء الأولي من منحنى الإجهاد والانفعال منحنيًا وليس خطيًا، فهذا يدل على عدم محاذاة العينة في جهاز الاختبار. ^{[ 16 ]}

تُقاس الإجهادات عادةً باستخدام مقياس التمدد ، ولكن تُستخدم مقاييس الإجهاد أيضًا بشكل متكرر على عينات الاختبار الصغيرة أو عند قياس نسبة بواسون . ^{[ 7 ]} تحتوي أجهزة الاختبار الحديثة على أنظمة قياس رقمية للزمن والقوة والاستطالة، تتكون من مستشعرات إلكترونية متصلة بجهاز جمع البيانات (غالبًا ما يكون جهاز كمبيوتر) وبرمجيات لمعالجة البيانات وإخراجها. ومع ذلك، لا تزال الأجهزة التناظرية تفي بمتطلبات دقة اختبار الشد للمعادن الصادرة عن ASTM وNIST وASM، بل وتتجاوزها، ولا تزال تُستخدم حتى اليوم.

عينات اختبار الشد المصنوعة من الألومنيوم بعد الكسر

جانب "الكأس" من نمط الفشل المميز "الكأس-المخروط"

بعض الأجزاء تُظهر شكل "الكوب" وبعضها يُظهر شكل "المخروط".

تتضمن عملية الاختبار وضع العينة في جهاز الاختبار وتمديدها تدريجيًا حتى تنكسر. خلال هذه العملية، يُسجل استطالة مقطع القياس مقابل القوة المطبقة. تُعالج البيانات بحيث لا تكون مرتبطة بشكل محدد بهندسة العينة. يُستخدم قياس الاستطالة لحساب الانفعال الهندسي ، ε ، باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \varepsilon ={\frac {\Delta L}{L_{0}}}={\frac {L-L_{0}}{L_{0}}}}$

حيث ΔL هو التغير في طول القياس، _و L₀ هو طول القياس الابتدائي، و L هو الطول النهائي. يُستخدم قياس القوة لحساب الإجهاد الهندسي ، σ، باستخدام المعادلة التالية: ^{[ 6 ]}

${\displaystyle \sigma ={\frac {F_{n}}{A}}}$

حيث F هي قوة الشد و A هي مساحة المقطع العرضي الاسمية للعينة. يقوم الجهاز بإجراء هذه الحسابات مع ازدياد القوة، بحيث يمكن تمثيل نقاط البيانات بيانيًا في منحنى الإجهاد والانفعال . ^{[ 6 ]}

عند التعامل مع المواد المسامية واللينة، مثل الأغشية النانوية الليفية المصنعة بالغزل الكهربائي، يصبح تطبيق معادلة الإجهاد المذكورة أعلاه إشكاليًا. إذ يعتمد سمك الغشاء على الضغط المُطبق أثناء قياسه، مما يؤدي إلى قيم سمك متغيرة. ونتيجة لذلك، تُظهر منحنيات الإجهاد والانفعال المُحصل عليها تباينًا كبيرًا. في هذه الحالة، يُوصى بتطبيع الحمل بالنسبة لكتلة العينة بدلًا من مساحة المقطع العرضي (A) للحصول على نتائج شد موثوقة. ^{[ 17 ]}

يمكن استخدام اختبار الشد لاختبار الزحف في المواد، وهو تشوه لدن بطيء للمادة نتيجة إجهادات ثابتة مطبقة على مدى فترات زمنية طويلة. ويُعزى الزحف عمومًا إلى الانتشار وحركة الانخلاعات. وبينما توجد طرق عديدة لاختبار الزحف، يُعد اختبار الشد مفيدًا لمواد مثل الخرسانة والسيراميك التي تتصرف بشكل مختلف تحت الشد والضغط، وبالتالي تمتلك معدلات زحف مختلفة تحت الشد والضغط. لذا، يُعد فهم زحف الشد أمرًا بالغ الأهمية في تصميم الخرسانة للهياكل التي تتعرض للشد، مثل خزانات المياه، أو لضمان السلامة الهيكلية العامة. ^{[ 18 ]}

يتبع اختبار الزحف بالشد عمومًا نفس عملية الاختبار القياسية، وإن كان ذلك عادةً عند إجهادات أقل للبقاء ضمن نطاق الزحف بدلًا من التشوه اللدن. بالإضافة إلى ذلك، قد تتضمن معدات اختبار الزحف بالشد المتخصصة مكونات فرن مدمجة ذات درجة حرارة عالية للمساعدة في الانتشار. ^{[ 19 ]} تُثبَّت العينة عند درجة حرارة وشد ثابتين، ويُقاس الانفعال على المادة باستخدام مقاييس الانفعال أو مقاييس الليزر. يمكن مطابقة الانفعال المقاس مع المعادلات التي تحكم آليات الزحف المختلفة، مثل زحف قانون القوة أو زحف الانتشار (انظر الزحف لمزيد من المعلومات). يمكن الحصول على مزيد من التحليل من خلال فحص العينة بعد الكسر. إن فهم آلية الزحف ومعدله يُساعد في اختيار المواد وتصميمها.

يُعدّ محاذاة العينة أمرًا بالغ الأهمية لاختبار الزحف تحت الشد. سيؤدي التحميل غير المتمركز إلى تطبيق إجهاد انحناء على العينة. يمكن قياس الانحناء من خلال تتبع الإجهاد على جميع جوانب العينة. ويمكن تعريف نسبة الانحناء على أنها الفرق بين الإجهاد على أحد وجهي العينة (${\displaystyle \varepsilon _{1}}$) ومتوسط ​​الإجهاد (${\displaystyle \varepsilon _{0}}$): ^{[ 20 ]}

${\displaystyle {\text{نسبة الانحناء}}={\frac {\varepsilon _{1}-\varepsilon _{0}}{\varepsilon _{0}}}\times 100}$

ينبغي ألا تتجاوز نسبة الانحناء 1% على السطح الأعرض للعينات المحملة، وأقل من 2% على السطح الأرق. وقد ينتج الانحناء عن عدم محاذاة مشبك التحميل أو عدم تماثل عملية تصنيع العينات. ^{[ 20 ]}

• فيديو عن اختبار الشد
• تعرف على المزيد حول اختبار الشد ASTM D638
• admet.com: أساسيات اختبار الشد - مجلة الجودة