صلابة

في علم المواد وعلم المعادن ، تُعرف المتانة بقدرة المادة على امتصاص الطاقة والتشوه اللدن دون أن تنكسر. ^{[ 1 ]} المتانة هي القوة التي تقاوم بها المادة التمزق. أحد تعريفات متانة المادة هو كمية الطاقة التي يمكن للمادة امتصاصها لكل وحدة حجم قبل أن تنكسر . يختلف هذا المقياس للمتانة عن مقياس متانة الكسر ، الذي يصف قدرة المواد على مقاومة الكسر. ^{[ 2 ] تتطلب} المتانة توازنًا بين القوة والمطيلية . [ ^{1 ]}

ترتبط المتانة بالمساحة تحت منحنى الإجهاد والانفعال . ولكي تكون المادة متينة، يجب أن تتمتع بالقوة والمتانة معًا. على سبيل المثال، المواد الهشة (مثل السيراميك) التي تتميز بالقوة ولكن بمتانة محدودة لا تُعتبر متينة؛ وعلى العكس، فإن المواد شديدة المتانة ذات القوة المنخفضة لا تُعتبر متينة أيضًا. ولكي تكون المادة متينة، يجب أن تتحمل إجهادات وانفعالات عالية. وبشكل عام، تشير القوة إلى مقدار القوة التي يمكن للمادة تحملها، بينما تشير المتانة إلى مقدار الطاقة التي يمكن للمادة امتصاصها قبل أن تنكسر.

يمكن تحديد المتانة بتكامل منحنى الإجهاد والانفعال. ^{[ 1 ]} وهي طاقة التشوه الميكانيكي لكل وحدة حجم قبل الكسر. الوصف الرياضي الصريح لها هو: ^{[ 3 ]}

$${\displaystyle {\tfrac {\mbox{energy}}{\mbox{volume}}}=\int _{0}^{\varepsilon _{f}}\sigma \,d\varepsilon }$$

أين

• ${\displaystyle \varepsilon }$السلالة
• ${\displaystyle \varepsilon _{f}}$الإجهاد الناتج عن الفشل
• ${\displaystyle \sigma }$الإجهاد

إذا تم تقييد الحد الأعلى للتكامل حتى نقطة الخضوع، فإن الطاقة الممتصة لكل وحدة حجم تُعرف باسم معامل المرونة . رياضياً، يمكن التعبير عن معامل المرونة بضرب مربع إجهاد الخضوع في ضعف معامل يونغ للمرونة. أي،

يمكن قياس متانة المادة باستخدام عينة صغيرة منها. يستخدم جهاز اختبار نموذجي بندولًا لتشويه عينة مشقوقة ذات مقطع عرضي محدد. ويُحسب مقدار الطاقة التي امتصتها العينة أثناء تشوهها خلال الاصطدام بالبندول بطرح ارتفاع سقوط البندول من ارتفاع ارتفاعه بعد تشويه العينة، ثم ضرب الناتج في وزن البندول . وتُعد اختبارات شاربي وإيزود لقوة الصدمة المشقوقة من الاختبارات النموذجية التي تُجريها الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) لتحديد المتانة.

يتم قياس صلابة الشد (أو طاقة التشوه ، U _T ) بوحدات الجول لكل متر مكعب (J·m ⁻³ )، أو ما يعادلها نيوتن متر لكل متر مكعب (N·m·m ⁻³ )، في النظام الدولي للوحدات ، وبوحدة بوصة- رطل-قوة لكل بوصة مكعبة (in·lbf·in ⁻³ ) في الوحدات الأمريكية المعتادة :

• 1.00  نيوتن.متر.متر ⁻³ ≃ 0.000 145  بوصة.رطل.بوصة ⁻³
• 1.00  بوصة·رطل·بوصة ⁻³ ≃ 6.89  كيلو نيوتن·م·م ⁻³ .

في نظام SI ، يمكن حساب وحدة صلابة الشد بسهولة باستخدام المساحة أسفل منحنى الإجهاد والانفعال ( σ – ε )، مما يعطي قيمة صلابة الشد، كما هو موضح أدناه: ^{[ 4 ]}

• U _T = المساحة الواقعة أسفل منحنى الإجهاد والانفعال ( σ – ε ) = σ × ε
• U _T [=] F/A × ΔL/L = (N·m ⁻² )·(بدون وحدة)
• U _T [=] N·m·m ⁻³
• U _T [=] J·m ⁻³

تُعدّ سبيكة الكروم والكوبالت والنيكل (CrCoNi) ، المكونة من كميات متساوية تقريبًا ، أقوى مادة تم اكتشافها حتى الآن. ^{[ 5 ]} فهي تقاوم التصدع حتى في درجات حرارة منخفضة للغاية تقترب من الصفر المطلق. ويجري النظر في استخدامها كمادة في بناء المركبات الفضائية. ^{[ 6 ]}

• صلابة
• تقوية المطاط
• الصدمة (الميكانيكا)
• اختبار صلابة الأقراص