الهشاشة التعريف والأمثلة والأسباب والمواد المستخدمة في ذلك

عندما يتحطم الزجاج إلى ألف قطعة، ولكن المعدن ينحني بدلاً من أن ينكسر، فأنت ترى الهشاشة في العمل. تؤثر هذه الخاصية الرئيسية على كل شيء بدءاً من شاشة هاتفك الذكي إلى مواد البناء. دعونا نستكشف ما تعنيه الهشاشة حقًا، ولماذا هي مهمة، وكيف تشكل العالم من حولنا.

ما هي البراعة؟

البراعة هو ميل المادة إلى الانكسار فجأة دون أن تنحني أولاً. فكر في قلم رصاص - يمكنك كسره بسهولة دون سابق إنذار. يحدث هذا لأن المواد الهشة لا يمكن أن تتمدد كثيراً قبل أن تنكسر.

العلم وراء الهشاشة بسيط جداً:

• تنكسر المواد الهشة بعد تشوهات صغيرة جدًا (أقل من 5% إجهاد)
• فهي لا تظهر أي تشوه البلاستيك قبل الكسر
• وعادةً ما يكون لديهم الصلابة ولكن منخفضة الصلابة

الهشاشة مقابل الهشاشة: اعرف الفرق بينهما

غالباً ما يخلط الناس بين هذين المصطلحين، لكنهما ليسا متشابهين:

• هش تصف خاصية مادية لا تتغير
• هش يعني سهولة تلف شيء ما في مواقف معينة

على سبيل المثال، يكون الحديد الزهر هشًا دائمًا (خاصية دائمة)، في حين أن المزهرية الزجاجية الرقيقة هشة (بسبب شكلها وليس فقط مادتها).

أمثلة على المواد الهشة

المواد الهشة موجودة في كل مكان حولنا. فيما يلي بعض الأمثلة الشائعة:

تشمل المواد الهشة الأخرى ما يلي:

• السيراميك المستخدم في الإلكترونيات
• الجرافيت في أقلام الرصاص
• PMMA (أكريليك/زجاج شبكي)
• الطباشير

تشترك جميع هذه المواد في شيء واحد، وهو أنها تنكسر دون سابق إنذار تقريبًا ودون أي ثني تقريبًا أولاً.

أسباب الهشاشة

لماذا تكون بعض المواد هشة بينما يمكن أن تنحني مواد أخرى؟ هناك عدة عوامل تسبب الهشاشة:

1. الترابط الذري

تحدد الطريقة التي تتصل بها الذرات الهشاشة. فالمواد ذات الروابط التساهمية أو الأيونية القوية (مثل السيراميك) تقاوم الحركة، مما يجعلها هشة. هذه الروابط الصلبة لا تسمح للذرات بالانزلاق على بعضها البعض.

2. عيوب البنية المجهرية

الشقوق والعيوب الصغيرة تجعل المواد أكثر هشاشة. عندما يتم تطبيق القوة، تصبح هذه العيوب نقاط بداية لتشققات أكبر. في المواد الهشة، لا شيء يمنع هذه الشقوق من الانتشار بسرعة.

3. تأثيرات درجة الحرارة

تصبح العديد من المواد أكثر هشاشة عند البرودة. ويحدث ذلك بسبب:

• تقل حركة الذرات عند درجات الحرارة المنخفضة
• لا يمكن للمواد امتصاص الكثير من الطاقة
• تنتشر التشققات المجهرية بسهولة أكبر

وتسلط كارثة تيتانيك الضوء على هذا الأمر - حيث كانت درجة حرارة انتقال فولاذ السفينة من درجة حرارة قابلة للسحب إلى هشّة تبلغ 32 درجة مئوية، مما يعني أنه كان هشاً بالفعل عندما اصطدمت السفينة بجبل جليدي في مياه درجة حرارتها -2 درجة مئوية.

4. التقصف الهيدروجيني

يمكن أن تتسلل ذرات الهيدروجين إلى الهياكل المعدنية وتضعف الروابط. ويتسبب ذلك في نحو 70% من أعطال أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ ويمكن أن يقلل من قوة المعدن بمقدار 50-80%.

5. قضايا المعالجة

تؤثر طريقة صنع المواد على الهشاشة:

• التبريد: التبريد السريع يخلق ضغطًا داخليًا
• الشوائب: العناصر الأجنبية تعطل البنية المادية
• سوء المعالجة الحرارية: ينشئ خصائص غير متساوية

دراسات حالة واقعية

كارثة تيتانيك

أصبح هيكل تيتانيك الفولاذي هشًا في مياه المحيط الأطلسي المتجمدة. وأظهر التحليل الحديث أن الفولاذ كان يحتوي على نسبة عالية من الكبريت، مما رفع درجة حرارة انتقاله من درجة حرارة الدكتايل إلى الهشاشة إلى 32 درجة مئوية. في المياه التي كانت درجة حرارتها -2 درجة مئوية، كان الفولاذ هشاً للغاية، لذلك تصدع بدلاً من أن ينبعج عند الاصطدام بالجبل الجليدي.

أعطال شفرات التوربينات الخزفية

خسر صانع محرك نفاث $2 مليون دولار عندما تحطمت شفرات التوربينات الخزفية أثناء الاختبار. لم يستطع السيراميك الهش التعامل مع التغيرات السريعة في درجات الحرارة (الصدمة الحرارية) التي تجاوزت 400 درجة مئوية.

انهيار جسر كيبيك 1988

فشل هذا الجسر عندما انكسرت مكونات الفولاذ في ظروف الشتاء الباردة. وقد علّم هذا الفشل المهندسين أن يختبروا المواد بعناية في درجات الحرارة الفعلية التي ستواجهها أثناء الخدمة.

المواد الهشة في الهندسة

غالباً ما يستخدم المهندسون المواد الهشة على الرغم من مخاطرها. لماذا؟ لأنها تقدم فوائد مهمة:

• صلابة فائقة: مقاومة التآكل والخدش
• قوة انضغاطية عالية: دعم الأحمال الثقيلة
• مقاومة درجات الحرارة: العمل في الحرارة الشديدة
• الثبات الكيميائي: مقاومة التآكل

على سبيل المثال, مكونات السيراميك في التصنيع الدقيق توفر صلابة استثنائية ومقاومة للحرارة على الرغم من هشاشتها. وبالمثل, عمليات تصنيع الزجاج يجب مراعاة هشاشة المادة لمنع التشقق.

اختبار وقياس الهشاشة

يستخدم المهندسون العديد من الاختبارات لقياس مدى هشاشة المادة:

اختبار تشاربي للصدم التصادمي

يقيس هذا الاختبار مقدار الطاقة التي تمتصها المادة أثناء الكسر. تتأرجح مطرقة وتكسر عينة مسننة. تمتص المواد الهشة طاقة قليلة جداً.

صلابة الكسر (KIC)

تُظهر هذه القيمة (تقاس بوحدة MPa√m) مدى مقاومة المادة لنمو التشققات. الأرقام الأقل تعني المزيد من الهشاشة:

• زجاج 0.7 - 0.8 ميجا باسكال (هش للغاية)
• الخرسانة: 0.2-1.4 ميجا باسكال √م (هش)
• الفولاذ الطري: 40-60 ميجا باسكال √م (مطيل)

مؤشر الهشاشة

يقارن هذا بين قوة الشد وصلابة الكسر. الأرقام الأعلى تعني المزيد من الهشاشة. على سبيل المثال، ثنائي سيليكات الليثيوم (سيراميك الأسنان) له مؤشر هشاشة يبلغ 7.2.

تخفيف الهشاشة

كيف يمكن للمهندسين العمل مع المواد الهشة بأمان؟ تساعد عدة استراتيجيات:

1. الاختيار الذكي للمواد

اختر المادة المناسبة لكل وظيفة. على سبيل المثال, التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي للألومنيوم توفر ليونة أفضل من الحديد الزهر للأجزاء التي تحتاج إلى التعامل مع قوى الصدمات.

2. تعديلات التصميم

• تجنب الزوايا الحادة التي يتركز فيها الضغط
• إضافة تعزيزات في نقاط الضعف
• تصميم للضغط بدلاً من الشد

3. المواد المركبة

اجمع بين المواد الهشة والمطاطية للحصول على أفضل ما في العالمين. على سبيل المثال, مركبات ألياف الكربون إضافة مرونة إلى المواد الأساسية القوية ولكن الهشة.

4. تقنيات المعالجة

• المعالجة الحرارية المناسبة لتقليل الإجهاد الداخلي
• تبريد دقيق لمنع حدوث صدمة حرارية
• المعالجات السطحية لسد الشقوق المجهرية

الهشاشة في الصناعات المختلفة

الطيران والفضاء

يوازن مهندسو الفضاء الجوي بين الوزن والقوة والسلامة عند استخدام المواد الهشة. يجب أن تتحمل مكونات السيراميك في المحركات النفاثة درجات الحرارة القصوى ولكنها عرضة للتلف الناتج عن الصدمات. تستخدم صناعة الطيران الحديثة مواد مركبة خاصة للتغلب على الهشاشة مع الحفاظ على قوة عالية.

الأجهزة الطبية

وغالباً ما تستخدم الغرسات والأدوات الطبية التيتانيوم الذي يوازن بين القوة وانخفاض الهشاشة. تصنيع المكونات الطبية آلياً يجب أن تصنع أجزاء لا تتعطل داخل الجسم.

الإنشاءات

الخرسانة هشة بطبيعتها، لذا يقوم البناؤون بتقويتها بحديد التسليح الفولاذي. وهذا يخلق مادة مركبة تتعامل مع كل من قوى الضغط (الخرسانة) والشد (الفولاذ).

الإلكترونيات

تستخدم لوحات الدوائر والمكونات الإلكترونية ركائز خزفية هشة. يجب تصميمها بعناية لمنع التشققات أثناء التدوير الحراري (التسخين والتبريد).

مستقبل المواد الهشة

يعمل العلماء والمهندسون على العديد من التطورات المثيرة:

1. مواد ذاتية الشفاء يمكنها إصلاح الشقوق الصغيرة قبل انتشارها
2. المواد النانوية بهياكل خاصة تقاوم نمو التشققات
3. تصاميم مستوحاة من البيولوجيا التي تنسخ حلول الطبيعة للهشاشة
4. مركبات متطورة التي تجمع بين الخواص الهشة والقابلة للسحب

ستساعدنا هذه الابتكارات على استخدام المواد الهشة في المزيد من الأماكن بأمان.

الخاتمة

الفهم الهشاشة يساعد المهندسين والمصممين على اتخاذ خيارات ذكية بشأن المواد. بينما تجلب المواد الهشة مثل الزجاج والسيراميك والحديد الزهر خصائص قيّمة مثل الصلابة ومقاومة درجات الحرارة، إلا أنها تجلب أيضًا مخاطر الفشل المفاجئ.

من خلال اختيار المواد بعناية، والتصميم بعناية، واستخدام تقنيات التصنيع المناسبة، يمكننا الاستفادة من نقاط قوة المواد الهشة مع تقليل نقاط ضعفها. سواء في التفريز الدقيق باستخدام الحاسب الآلي الرقمي أو المنتجات اليومية، فإن التحكم في الهشاشة هو المفتاح لإنشاء عناصر آمنة وموثوقة.

تذكّر: الهشاشة ليست دائماً سيئة، ولكن يجب فهمها واحترامها في الهندسة والتصنيع.