تقوية العضلات

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 12 صور
الموسوعة الحرة

منحنى الإجهاد-الانفعال أحادي المحور الظاهري الذي يوضح السلوك اللدن النموذجي لتصلب المواد بالتشكيل تحت ضغط أحادي المحور. بالنسبة للمواد التي تتصلب بالتشكيل، يزداد إجهاد الخضوع مع ازدياد التشوه اللدن . يمكن تحليل الانفعال إلى انفعال مرن قابل للاسترداد ( εe ) وانفعال غير مرن ( εp ). الإجهاد عند الخضوع الأولي هو σ0 .

التصلب بالتشكيل ، أو ما يُعرف أيضًا بالتصلب بالانفعال ، هو العملية التي تزداد من خلالها قدرة المادة على تحمل الأحمال (قوتها) أثناء التشوه اللدن (الدائم). هذه الخاصية هي ما يميز المواد المطيلية عن المواد الهشة. [ 1 ] قد يكون التصلب بالتشكيل مرغوبًا فيه، أو غير مرغوب فيه، أو غير ذي أهمية، وذلك بحسب التطبيق.

يحدث هذا التقوية نتيجة لحركة الانخلاعات وتوليدها داخل البنية البلورية للمادة. [ 2 ] يمكن تقوية العديد من المعادن غير الهشة ذات درجة انصهار عالية نسبيًا ، بالإضافة إلى بعض البوليمرات، بهذه الطريقة. [ 3 ] غالبًا ما تُقسّى السبائك التي لا تخضع للمعالجة الحرارية ، بما في ذلك الفولاذ منخفض الكربون، بالتشكيل على البارد. بعض المواد لا يمكن تقويتها بالتشكيل على البارد في درجات حرارة منخفضة، مثل الإنديوم ، [ 4 ] بينما لا يمكن تقوية مواد أخرى إلا من خلال التشكيل على البارد، مثل النحاس والألومنيوم النقيين. [ 5 ]

تصلب العمل غير المرغوب فيه

من أمثلة التصلب غير المرغوب فيه أثناء التشغيل الآلي ، تصلب سطح قطعة العمل بشكل غير مقصود في المراحل الأولى من عملية القطع ، مما يُلحق الضرر بالأداة في المراحل اللاحقة. بعض السبائك أكثر عرضة لهذه الظاهرة من غيرها؛ فالسبائك الفائقة مثل إنكونيل تتطلب استراتيجيات تشغيل آلية تراعي هذه الظاهرة.

بالنسبة للأجسام المعدنية المصممة للانثناء، مثل النوابض ، عادة ما يتم استخدام سبائك متخصصة لتجنب التصلب الناتج عن العمل (نتيجة التشوه البلاستيكي ) وإجهاد المعدن ، مع الحاجة إلى معالجات حرارية محددة للحصول على الخصائص اللازمة.

تقوية العمل المتعمدة

من أمثلة التصلب المرغوب فيه أثناء التشغيل ما يحدث في عمليات تشكيل المعادن التي تُحدث تشوهًا لدنيًا مقصودًا لتغيير شكل المعدن. تُعرف هذه العمليات بالتشكيل على البارد . وتتميز بتشكيل قطعة العمل عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة إعادة التبلور ، وعادةً ما تكون درجة حرارة الغرفة . [ 6 ] تُصنف تقنيات التشكيل على البارد عادةً إلى أربع مجموعات رئيسية: الضغط ، والثني ، والسحب ، والقص . تشمل تطبيقاتها تشكيل رؤوس البراغي والمسامير الرأسية، وتشطيب الفولاذ المدلفن على البارد . في التشكيل على البارد، يُشكل المعدن بسرعة وضغط عاليين باستخدام قوالب من فولاذ الأدوات أو الكربيد . يزيد التشكيل على البارد من صلابة المعدن، وقوة خضوعه ، وقوة شده . [ 7 ]

نظرية

قبل التصليد بالتشكيل، تُظهر الشبكة البلورية للمادة نمطًا منتظمًا وخاليًا تقريبًا من العيوب (لا تكاد توجد انخلاعات). ويمكن إنشاء هذه الشبكة الخالية من العيوب أو استعادتها في أي وقت عن طريق التلدين . ومع ازدياد تصليد المادة بالتشكيل، تزداد تشبعها بالانخلاعات الجديدة، مما يمنع المزيد من الانخلاعات من التكوّن (تتطور مقاومة لتكوّن الانخلاعات). وتتجلى هذه المقاومة لتكوّن الانخلاعات في صورة مقاومة للتشوه اللدن؛ ومن هنا تأتي عملية التقوية الملحوظة.

في البلورات المعدنية، تُعدّ هذه العملية قابلة للانعكاس، وتحدث عادةً على مستوى مجهري بفعل عيوب تُسمى الانخلاعات، والتي تنشأ نتيجةً لتقلبات في مجالات الإجهاد الموضعية داخل المادة، مما يؤدي إلى إعادة ترتيب الشبكة البلورية مع انتشار الانخلاعات عبرها. عند درجات الحرارة العادية، لا تُزال الانخلاعات بالتلدين، بل تتراكم وتتفاعل فيما بينها، لتشكل نقاط تثبيت أو عوائق تُعيق حركتها بشكل كبير. ويؤدي هذا إلى زيادة في مقاومة الخضوع للمادة، وبالتالي انخفاض في مطيليتها.

يؤدي هذا التشوه إلى زيادة تركيز الانخلاعات التي قد تُشكّل لاحقًا حدودًا حبيبية منخفضة الزاوية تُحيط بالحبيبات الفرعية. ينتج عن التشكيل على البارد عمومًا مقاومة خضوع أعلى نتيجةً لزيادة عدد الانخلاعات وتأثير هال-بيتتش للحبيبات الفرعية، وانخفاض في المطيلية. يمكن عكس آثار التشكيل على البارد عن طريق تلدين المادة في درجات حرارة عالية حيث يُقلّل الاستعادة وإعادة التبلور من كثافة الانخلاعات.

يمكن التنبؤ بقابلية المادة للتصلب بالتشكيل عن طريق تحليل منحنى الإجهاد والانفعال ، أو دراستها في سياقها من خلال إجراء اختبارات الصلابة قبل وبعد العملية. [ 8 ] [ 9 ]

التشوه المرن واللدن

التصلب بالتشكيل هو نتيجة للتشوه اللدن، وهو تغير دائم في الشكل. ويختلف هذا عن التشوه المرن، الذي يكون قابلاً للانعكاس. لا تقتصر معظم المواد على أحد هذين النوعين فقط، بل تجمع بينهما. ينطبق النقاش التالي بشكل أساسي على المعادن، وخاصة الفولاذ، الذي خضع لدراسات مستفيضة. يحدث التصلب بالتشكيل بشكل ملحوظ في المواد المطيلية كالمعادن. المطيلية هي قدرة المادة على الخضوع لتشوهات لدنة قبل الكسر (على سبيل المثال، ثني قضيب فولاذي حتى ينكسر في النهاية).

يُستخدم اختبار الشد على نطاق واسع لدراسة آليات التشوه. وذلك لأن معظم المواد، تحت تأثير الضغط، تتعرض لظواهر بسيطة (عدم تطابق الشبكة البلورية) وأخرى معقدة (الانبعاج) قبل حدوث التشوه اللدن أو الكسر. ولذا، فإن العمليات الوسيطة التي تحدث للمادة تحت تأثير الضغط أحادي المحور قبل حدوث التشوه اللدن تجعل اختبار الضغط محفوفًا بالصعوبات.

تتشوه المادة عمومًا بشكل مرن تحت تأثير قوى صغيرة ؛ وتعود بسرعة إلى شكلها الأصلي عند زوال القوة المؤثرة. تُسمى هذه الظاهرة بالتشوه المرن . ويصف قانون هوك هذا السلوك في المواد . تتصرف المواد بمرونة حتى تتجاوز القوة المؤثرة حد المرونة ، المعروف أيضًا بإجهاد الخضوع. عند هذه النقطة، تتشوه المادة بشكل دائم ولا تعود إلى شكلها الأصلي عند زوال القوة. تُسمى هذه الظاهرة بالتشوه اللدن . على سبيل المثال، إذا شُدّ نابض لولبي إلى حد معين، فسيعود إلى شكله الأصلي، ولكن بمجرد أن يتجاوز حد المرونة، سيبقى مشوهًا ولن يعود إلى حالته الأصلية.

يؤدي التشوه المرن إلى تمدد الروابط بين الذرات بعيدًا عن نصف قطرها الأصلي، دون بذل طاقة كافية لكسر هذه الروابط. أما التشوه اللدن، فيؤدي إلى كسر الروابط بين الذرات، وبالتالي يتضمن إعادة ترتيب الذرات في المادة الصلبة.

الانخلاعات ومجالات إجهاد الشبكة

في مصطلحات علم المواد، تُعرَّف الانخلاعات بأنها عيوب خطية في البنية البلورية للمادة. وتكون الروابط المحيطة بالانخلاع مُجهدة مرنًا بفعل هذا العيب مقارنةً بالروابط بين مكونات الشبكة البلورية المنتظمة. ولذلك، تنكسر هذه الروابط عند إجهادات أقل نسبيًا، مما يؤدي إلى تشوه لدن.

تتميز الروابط المتوترة حول الانخلاع بوجود حقول إجهاد شبكية . فعلى سبيل المثال، توجد روابط متوترة بالضغط مباشرةً بجوار انخلاع الحافة، وروابط متوترة بالشد بعد نهاية انخلاع الحافة. ​​تُشكل هذه الروابط حقول إجهاد ضغط وحقول إجهاد شد، على التوالي. تُشابه حقول الإجهاد الحقول الكهربائية في بعض النواحي. تحديدًا، تخضع حقول إجهاد الانخلاعات لقوانين مماثلة للتجاذب والتنافر؛ ولتقليل الإجهاد الكلي، تنجذب إجهادات الضغط إلى إجهادات الشد، والعكس صحيح.

إن النتائج المرئية ( العيانية ) للتشوه اللدن هي نتيجة لحركة الانخلاعات المجهرية . فعلى سبيل المثال، يتم استيعاب تمدد قضيب فولاذي في جهاز اختبار الشد من خلال حركة الانخلاعات على المستوى الذري.

زيادة في حالات الخلع والتصلب الناتج عن العمل

الشكل 1: يعتمد إجهاد الخضوع لمادة مرتبة على الجذر التربيعي لعدد الانخلاعات الموجودة.

يُعدّ ازدياد عدد الانخلاعات مؤشرًا كميًا على التصلب بالتشكيل. يحدث التشوه اللدن نتيجةً لتطبيق شغل على المادة، حيث تُضاف طاقة إليها. علاوة على ذلك، تُطبّق هذه الطاقة دائمًا بسرعة وبكمية كافية ليس فقط لتحريك الانخلاعات الموجودة، بل أيضًا لإنتاج عدد كبير من الانخلاعات الجديدة عن طريق إحداث صدمة أو تشكيل كافٍ للمادة. تتولد الانخلاعات الجديدة بالقرب من مصدر فرانك-ريد .

تزداد مقاومة الخضوع في المواد المُشكَّلة على البارد. وباستخدام حقول إجهاد الشبكة البلورية، يُمكن إثبات أن البيئة المليئة بالانخلاعات تُعيق حركة أي انخلاع منفرد. ولأن حركة الانخلاعات مُعاقة، لا يُمكن حدوث تشوه لدن عند الإجهادات العادية . عند تطبيق إجهادات تتجاوز بقليل مقاومة الخضوع للمادة غير المُشكَّلة على البارد، تستمر المادة المُشكَّلة على البارد في التشوه باستخدام الآلية الوحيدة المتاحة: التشوه المرن، حيث يستمر النمط المنتظم لتمدد أو انضغاط الروابط الكهربائية (دون حركة الانخلاعات )، ويبقى معامل المرونة دون تغيير. في النهاية، يصبح الإجهاد كافيًا للتغلب على تفاعلات حقل الإجهاد، ويستأنف التشوه اللدن.

مع ذلك، تنخفض مطيلية المادة المُصلَّدة بالتشكيل. المطيلية هي مدى قدرة المادة على الخضوع للتشوه اللدن، أي مدى إمكانية تشكيل المادة لدنًا قبل الكسر. المادة المُشكَّلة على البارد هي في الواقع مادة عادية (هشة) تم تمديدها بالفعل إلى جزء من نطاق تشوهها اللدن المسموح به. إذا تم إعاقة حركة الانخلاعات والتشوه اللدن بشكل كافٍ بسبب تراكم الانخلاعات، ووصل تمدد الروابط الإلكترونية والتشوه المرن إلى حدهما الأقصى، يحدث نمط ثالث من التشوه: الكسر.

قياس التصلب الناتج عن العمل

قوة القص،τ{\displaystyle \tau }يعتمد معدل حدوث الانخلاع على معامل القص، G، ومقدار متجه بورغرز ، b، وكثافة الانخلاع.ρ⊥{\displaystyle \rho _{\perp }}:

τ=τ0+جيαبρ⊥1/2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }

أينτ0{\displaystyle \tau _{0}}هي القوة الجوهرية للمادة ذات الكثافة المنخفضة للعيوب البلورية وα{\displaystyle \alpha }هو عامل تصحيح خاص بالمادة.

كما هو موضح في الشكل 1 والمعادلة أعلاه، يعتمد تصلب المادة بالتشكيل على الجذر النصفي لعدد الانخلاعات. تتميز المادة بقوة عالية في حال وجود مستويات عالية من الانخلاعات (أكثر من 10¹⁴ انخلاع لكل متر مربع ) أو في حال عدم وجودها. أما وجود عدد متوسط ​​من الانخلاعات (بين 10⁷ و10⁹ انخلاع لكل متر مربع ) فيؤدي عادةً إلى قوة منخفضة.

مثال

كمثالٍ متطرف، في اختبار الشد، يُعرَّض قضيب فولاذي للإجهاد حتى ما قبل الطول الذي ينكسر عنده عادةً. يُزال الحمل تدريجيًا، فيخفف الفولاذ جزءًا من إجهاده بانخفاض طوله. يُسمى هذا الانخفاض في الطول بالاستعادة المرنة، والنتيجة هي قضيب فولاذي مُقسّى بالتشكيل. نسبة الطول المستعاد (الطول المستعاد/الطول الأصلي) تساوي إجهاد الخضوع مقسومًا على معامل المرونة. (هنا نناقش الإجهاد الحقيقي لتفسير الانخفاض الحاد في القطر في اختبار الشد هذا). الطول المستعاد بعد إزالة الحمل عن المادة قبل انكسارها مباشرةً يساوي الطول المستعاد بعد إزالة الحمل قبل دخولها مرحلة التشوه اللدن.

يحتوي قضيب الفولاذ المُقسّى بالتشكيل على عدد كبير من الانخلاعات بحيث يمنع تفاعل مجال الإجهاد أي تشوه لدن. ويتطلب التشوه اللاحق إجهادًا يتناسب خطيًا مع الانفعال المُلاحظ ، وميل منحنى الإجهاد مقابل الانفعال هو معامل المرونة، كما هو معتاد.

ينكسر قضيب الفولاذ المُقسّى بالتشكيل عندما يتجاوز الإجهاد المُطبّق إجهاد الكسر المعتاد، ويتجاوز الانفعال انفعال الكسر المعتاد. يُمكن اعتبار هذا حد المرونة، ويصبح إجهاد الخضوع مساويًا لصلابة الكسر ، وهي أعلى بكثير من إجهاد خضوع الفولاذ غير المُقسّى بالتشكيل.

تكون قيمة التشوه اللدن الممكنة معدومة، وهي أقل من قيمة التشوه اللدن الممكنة لمادة غير مُقسّاة بالتشكيل على البارد. وبالتالي، تنخفض مطيلية القضيب المُشكّل على البارد.

يمكن أن يؤدي التكهف الكبير والمطول أيضًا إلى تصلب الإجهاد.

العلاقات التجريبية

هناك وصفان رياضيان شائعان لظاهرة التصلب بالتشكيل. معادلة هولومون هي علاقة قانون القوة بين الإجهاد ومقدار الانفعال اللدن: [ 10 ]

σ=كϵصن{\displaystyle \sigma =K\epsilon _{p}^{n}\,\!}

حيث σ هو الإجهاد، وK هو دليل القوة أو معامل القوة، و εp هو الانفعال اللدن، و n هو أس تصلب الانفعال . معادلة لودويك مشابهة ولكنها تتضمن إجهاد الخضوع: [ 11 ]

σ=σy+كϵصن{\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K\epsilon _{p}^{n}\,\!}

إذا تعرضت مادة ما لتشوه مسبق (عند درجة حرارة منخفضة)، فإن إجهاد الخضوع سيزداد بمعامل يعتمد على مقدار الانفعال البلاستيكي المسبق ε 0 :

σ=σy+ك(ϵ0+ϵص)ن{\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K(\epsilon _{0}+\epsilon _{p})^{n}\,\!}

يعتمد الثابت K على بنية المادة ويتأثر بعملية التصنيع، بينما n خاصية للمادة تقع عادةً في النطاق 0.2-0.5. ويمكن وصف مؤشر تصلب الإجهاد كما يلي:

ن=دسجل⁡(σ)دسجل⁡(ϵ)=ϵσدσدϵ{\displaystyle n={\frac {d\log(\sigma )}{d\log(\epsilon )}}={\frac {\epsilon }{\sigma }}{\frac {d\sigma }{d\epsilon }}\,\!}

يمكن حساب هذه المعادلة من ميل منحنى العلاقة بين لوغاريتم (σ) ولوغاريتم (ε). وبإعادة ترتيب المعادلة، يمكن تحديد معدل تصلب المادة عند إجهاد وانفعال معينين.

دσدϵ=نσϵ{\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\epsilon }}=n{\frac {\sigma }{\epsilon }}\,\!}

التصلب بالتشكيل في مواد محددة

فُولاَذ

يُعدّ الفولاذ مادة هندسية مهمة، تُستخدم في العديد من التطبيقات. ويمكن تقوية الفولاذ بالتشكيل على البارد عند درجات حرارة منخفضة . وعادةً ما تؤدي زيادة التشكيل على البارد إلى انخفاض معامل تقوية الإجهاد . وبالمثل، تميل أنواع الفولاذ عالية المقاومة إلى إظهار معامل تقوية إجهاد منخفض .

نحاس

كان النحاس أول معدن شائع الاستخدام في صناعة الأدوات والأواني، لكونه من المعادن القليلة المتوفرة في حالتها غير المؤكسدة، فلا يتطلب صهر خام . يسهل تليين النحاس بالتسخين ثم التبريد (لا يتصلب بالتبريد السريع، كالتبريد في الماء البارد). في هذه الحالة المُلدّنة ، يمكن طرقه وتشكيله بطرق أخرى، وصولاً إلى الشكل النهائي المطلوب، ولكنه يصبح أكثر صلابة وأقل مرونة مع استمرار العمل. إذا استمر العمل بعد تجاوز صلابة معينة، سيميل المعدن إلى التكسر، لذا يُعاد تليينه دوريًا أثناء التشكيل. يتوقف التليين عندما تقترب قطعة العمل من شكلها النهائي المطلوب، وبذلك يتمتع المنتج النهائي بالقوة والصلابة المطلوبتين. تستغل تقنية النقش البارز هذه الخصائص للنحاس، مما يُمكّن من صناعة مجوهرات ومنحوتات متينة (مثل تمثال الحرية ).

الذهب والمعادن الثمينة الأخرى

تُصنع معظم المجوهرات الذهبية والفضية بالصب ، مع استخدام قليل أو معدوم للتشكيل على البارد ؛ مما قد يجعل المعدن ليناً وقابلاً للثني نسبياً، وذلك بحسب نوع السبيكة. مع ذلك، قد يلجأ الصائغ عمداً إلى استخدام التصليد بالتشكيل لتقوية القطع القابلة للارتداء والمعرضة للإجهاد، مثل الخواتم .

الألومنيوم

يجب تصميم القطع المصنوعة من الألومنيوم وسبائكه بعناية فائقة لتقليل الانحناء أو توزيعه بالتساوي، إذ قد يؤدي ذلك إلى تصلب المادة، وبالتالي إلى تشققها نتيجة الإجهاد، مما قد يتسبب في انهيار كارثي . ولهذا السبب ، تخضع الطائرات الحديثة المصنوعة من الألومنيوم لعمر تشغيلي محدد (يعتمد على نوع الأحمال التي تتعرض لها)، وبعد انقضاء هذا العمر يجب إخراج الطائرة من الخدمة.

مراجع

  1. ↑ سكيلز، م.؛ كورنوتا، ج. أ.؛ سويتزنر، ن.؛ فيلو، ب. (1 ديسمبر 2023). "الحساب الآلي لمعاملات تصلب الإجهاد من بيانات إجهاد الشد مقابل الانفعال للفولاذ منخفض الكربون الذي يُظهر استطالة نقطة الخضوع" . التقنيات التجريبية . 47 (6): 1311-1322 . doi : 10.1007/s40799-023-00626-4 . ISSN 1747-1567 . 
  2. ↑ ديجارمو، بلاك وكوهسر 2003 ، ص 60 . 
  3. ^ فان ميليك، هرمون النمو. جوفارت، جنيه؛ Meijer، HEH (2003)، “حول أصل تصلب الإجهاد في البوليمرات الزجاجية”، بوليمر ، 44 (8): 2493-2502 ، دوى : 10.1016 / s0032-3861 (03) 00112-5
  4. ↑ سوينسون، سي إيه (1955)، "خواص الإنديوم والثاليوم في درجات الحرارة المنخفضة"، مجلة Physical Review ، 100 (6): 1607-1614 ، Bibcode : 1955PhRv..100.1607S ، doi : 10.1103/physrev.100.1607
  5. ↑ سميث وهاشمي 2006 ، ص 246 . 
  6. ↑ ديجارمو، بلاك وكوهسر 2003 ، ص 375 . 
  7. ↑ ديرينجر-ني، "عملية التشكيل على البارد والتشكيل بالدرفلة على البارد" ، 29 أبريل 2014
  8. ↑ تشنغ، واي تي؛ تشنغ، سي إم (1998)، "نهج القياس للانضغاط المخروطي في المواد الصلبة المرنة اللدنة مع التصلب بالتشكيل" (ملف PDF) ، مجلة الفيزياء التطبيقية ، 84 (3): 1284-1291 ، Bibcode : 1998JAP....84.1284C ، doi : 10.1063/1.368196
  9. ↑ براووتو، يونان (2013). دمج الميكانيكا في أبحاث علم المواد: دليل لباحثي المواد في الأساليب التحليلية والحسابية والتجريبية . Lulu.com. ISBN 978-1-300-71235-0.
  10. ↑ هولومون، جيه آر (1945). "التشوه الشدّي". معاملات AIME . 162 : 268-277 .
  11. ^ لودفيك ، بول (1909). Elemente der Technologischen Mechanik . سبرينغر برلين هايدلبرغ. رقم ISBN 9783662392652.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )

فهرس

  • ديغارمو، إي. بول؛ بلاك، جيه تي؛ كوهسر، رونالد أ. (2003)، المواد والعمليات في التصنيع (  الطبعة التاسعة)، وايلي، ISBN 978-0-471-65653-1.
  • سميث، ويليام ف.؛ هاشمي، جواد (2006)، أسس علم وهندسة المواد (الطبعة الرابعة  )، ماكجرو هيل، ISBN 978-0-07-295358-9.