Strength vs. Stiffness vs. Hardness: A Simple Guide to Mechanical Properties in Design Engineering

إن تعلم الفرق الحقيقي بين القوة والصلابة والصلادة هو درس مهم للغاية. إنه مهم لكل مصمم أو مهندس. إنها أفضل طريقة لاختيار المادة المناسبة للوظيفة.

لقد كتبت هذه المقالة لك. سيكون الأمر مفيدًا إذا كنت قد شعرت بالارتباك بسبب هذه الكلمات. سأشرح هذه الخصائص الميكانيكية الرئيسية. سأفعل ذلك بطريقة بسيطة. سوف تتعلم ما يعنيه كل مصطلح. سترى لماذا هم ليسوا نفس الشيء. وسوف تفهم كيف تساعدك على اتخاذ خيارات أفضل في عملك في التصميم الهندسي. أعدك أنه لا توجد رياضيات صعبة. سأستخدم اللغة الإنجليزية البسيطة فقط. سيساعدك هذا على تعلم هذه الأفكار الأساسية.

ما هي الخواص الميكانيكية ولماذا يجب أن تهتم بها؟

لنبدأ من البداية. إذن، ما هي الخصائص الميكانيكية؟ يمكنك التفكير فيها على أنها شخصية المادة. تخبرنا هذه الخصائص كيف ستتصرف المادة. على سبيل المثال، ماذا يحدث عندما ندفعها أو نسحبها أو نحاول خدش سطحها. يجب أن نفهم هذه الخصائص. يساعدنا هذا في معرفة ما إذا كان الجزء سينحني أو ينكسر أو يتآكل بمرور الوقت.

بالنسبة لأي نوع من التصميم الهندسي، هذه هي بعض أهم المعلومات التي يجب الحصول عليها. عندما تعرف خصائص المادة، فإنه يشبه وجود رمز سري. تساعدك هذه المعرفة في اختيار أفضل مادة لمشروعك. هل تحتاج إلى جزء يمكنه تحمل وزن ثقيل دون أن ينكسر؟ أنت بحاجة إلى النظر إلى قوتها. هل تحتاج إلى جزء لن ينحني أو ينثني؟ ثم عليك أن تهتم بصلابته. هل تحتاجها لمقاومة الخدوش والانبعاجات؟ هذا كله يتعلق بالصلابة. إن اتخاذ الخيار الصحيح هنا هو أساس التصميم الهندسي الجيد.

ما هي قوة المادة، حقًا؟

القوة هي خاصية أساسية للمادة، مما يعني أنها خاصية أساسية للغاية. بطريقة بسيطة، تخبرك قوة المادة بكمية القوة التي يمكن للمادة التعامل معها. إنه الحد قبل أن ينحني بشكل دائم أو ينكسر. تشير القوة إلى أقصى إجهاد يمكن للمادة أن تتحمله. عندما تجهد مادة ما، فإنك تضع عليها حمولة. إذا كانت الحمولة كبيرة جدًا، فسوف تفشل المادة.

هناك أنواع مختلفة من القوة. على سبيل المثال، تُظهر قوة الضغط مدى قدرة المادة على تحمل الضغط. تشرح قوة الشد والخضوع ما يحدث عند سحبها. الفكرة الرئيسية هي أن القوة تدور حول مقدار الحمولة التي يمكن للمادة أن تتحملها. إنه الحد قبل حدوث شيء سيئ، مثل تغيير دائم في الشكل، وهو ما يسمى بالتشوه. يمكن للمادة ذات القوة العالية أن تقاوم قوة كبيرة دون أن تنكسر. قوة المادة هي رقم مهم للغاية. سوف تجده في أي ورقة بيانات للمادة.

ما هي الضجة الكبيرة بشأن الصلابة؟ هل هي نفسها القوة؟

هذا هو المكان الذي يختلط فيه الكثير من الناس. يعتقدون أن الصلابة هي نفسها القوة. هذا ليس صحيحا! الفرق بين القوة والصلابة هو شيء مهم جدا يجب معرفته. الصلابة هي مدى مقاومة المادة للانحناء أو التمدد. يحدث هذا عندما يتم وضع قوة عليها. لا يتعلق الأمر بكسر المادة. يتعلق الأمر بتغير شكلها أو تشوهها. المادة ذات الصلابة العالية لا تنحني أو تنثني بسهولة.

دعني أعطيك مثالا. قضيب زجاجي لديه صلابة عالية. من الصعب جدا ثنيه. لكن قوتها منخفضة. إذا حاولت ثنيه كثيرًا، فإنه ينكسر ببساطة. الشريط المطاطي لديه صلابة منخفضة جدًا. يتمدد بسهولة بقوة قليلة. لكنها قد تكون قوية جدًا ويصعب كسرها. الفكرة الرئيسية للصلابة تدور حول مقاومة التشوه. لذلك، عندما تحتاج إلى جزء للحفاظ على شكله تحت الحمل، فأنت تبحث عن صلابة عالية. يمكننا أيضًا التحدث عن أنواع مختلفة من الصلابة. وتشمل هذه صلابة الانحناء وصلابة الالتواء وصلابة القص. صلابة الجسم هي جزء مهم جدا من تصميمه.

١. كيف تتناسب الصلابة مع أحجية التصميم الهندسي؟

الآن يمكننا التحدث عن الصلادة. الصلادة تختلف تمامًا عن القوة والصلابة. الصلادة هي مقياس لمدى مقاومة المادة للتغيرات في سطحها. وهذا يعني مدى قدرتها على منع الخدوش والانبعاجات أو التآكل العام. الماس هو مثال مثالي. لديها صلابة عالية جدا. يمكنك استخدام الماس لخدش أي مادة أخرى تقريبًا.

تقيس الصلادة قدرة المادة على مقاومة التغيرات الدائمة في الشكل في منطقة صغيرة. يُعرف هذا أيضًا باسم التشوه البلاستيكي الموضعي. غالبًا ما نقوم باختبار الصلادة لمعرفة هذه القيمة. ربما تكون قد سمعت عن اختبارات مثل اختبارات روكويل أو فيكرز للصلادة. تعمل هذه الاختبارات عن طريق الضغط على نقطة صغيرة وصلبة في سطح المادة. ثم يقيسون حجم العلامة التي تركت. الصلادة العالية مهمة للأجزاء التي تحتك ببعضها البعض. كما أنها مهمة لأدوات القطع المستخدمة في أشياء مثل التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي. صلادة المادة هي حمايتها الأولى ضد تلف سطحها.

هل يمكننا رؤية القوة والصلابة على منحنى الإجهاد والانفعال؟

إذن، كيف يمكننا قياس هذه الخصائص؟ يستخدم المهندسون أداة مفيدة جدًا تسمى منحنى الإجهاد والانفعال. لنتخيل هذا. نأخذ قطعة صغيرة من مادة ما ونسحبها. نقيس القوة التي نستخدمها (الإجهاد). نقيس أيضًا مقدار تمدد المادة (الانفعال). إذا وضعنا هذه النقاط على الرسم البياني، فسنحصل على منحنى الإجهاد والانفعال. يعطينا هذا الرسم البياني الكثير من المعلومات.

يوضح الرسم البياني كيف تتصرف المادة عندما يكون هناك حمولة عليها. في البداية، عندما نسحب، سوف تتمدد المادة. لكنها ستعود إلى شكلها الأصلي إذا تركناها. وهذا ما يسمى بالتشوه المرن. يخبرنا انحدار الخط في هذا الجزء الأول عن صلابة المادة. إذا كان الخط أكثر انحدارًا، فإن الصلابة تكون أعلى. إذا استمرينا في السحب، فسنصل إلى نقطة تبدأ فيها المادة في التمدد بشكل دائم. هذا هو التشوه البلاستيكي. النقطة التي يبدأ عندها هذا التمدد الدائم هي قوة الخضوع. قمة منحنى الإجهاد والانفعال هي قوة الشد القصوى. بعد هذه النقطة، سوف تنكسر المادة بعد فترة وجيزة. لذلك، يُظهر لنا منحنى الإجهاد والانفعال الواحد كلاً من القوة والصلابة.

ما الفرق بين قوة الشد مقابل قوة الخضوع؟

دعونا نلقي نظرة فاحصة على رقمين من منحنى الإجهاد والانفعال: قوة الخضوع وقوة الشد القصوى. إن معرفة الفرق بين قوة الشد مقابل قوة الخضوع أمر مهم جدًا لاتخاذ تصميمات آمنة. قوة الخضوع هي مقدار الإجهاد الذي يجعل المادة تتغير من التمدد المؤقت إلى التمدد الدائم. بمعنى آخر، هي النقطة التي تنحني فيها المادة وتبقى منحنية. لن تعود إلى شكلها الأصلي. هذه هي نقطة الخضوع.

قوة الشد القصوى هي أقصى إجهاد يمكن للمادة أن تتحمله أثناء سحبها. بعد هذه النقطة، تبدأ في أن تصبح رقيقة ثم تنكسر. قد تعتقد أن هذا هو أهم رقم. ولكن بالنسبة للمصمم، فإن قوة الخضوع غالبًا ما تكون أكثر أهمية. لماذا هذا؟ لأنك عادة لا تريد أن تنحني أجزائك بشكل دائم أثناء استخدامها. بمجرد أن يمر جزء ما بالتشوه البلاستيكي، فإنه يفشل في وظيفته. لذلك، عادةً ما نصمم الأجزاء للتأكد من أن الإجهاد على المادة يكون دائمًا أقل من قوة خضوع المادة.

كيف يرتبط معامل المرونة بصلابة المادة؟

عندما يتحدث المهندسون عن الصلابة، فإنهم يستخدمون رقمًا خاصًا. يسمى هذا الرقم معامل المرونة أو معامل يونغ. هذا المعامل هو مقياس لصلابة المادة. إنها خاصية أساسية ومهمة للغاية للمادة الرئيسية. يتم حساب معامل المرونة من منحنى الإجهاد والانفعال. إنه انحدار الجزء المستقيم من المنحنى. المادة التي لديها معامل يونغ عالي لديها أيضًا خط شديد الانحدار. هذا يعني أن لديها صلابة عالية.

لذلك، عندما تنظر إلى ورقة بيانات المادة، فإن معامل المرونة (أو معامل يونغ) هو الرقم الذي يخبرك عن صلابته. يعني الرقم الأكبر صلابة أكبر. وهذا يعني أن المادة ستقاوم التشوه بشكل أفضل. على سبيل المثال، الفولاذ لديه معامل أكبر بكثير من الألومنيوم. هذا يعني أن الفولاذ لديه صلابة أعلى. هذا المعامل هو قيمة أساسية للمادة نفسها. لا يتغير مع شكل الجزء. وهذا يجعله خاصية مادية حقيقية تعطي رقمًا لصلابة المادة. العلاقة بين الصلابة ومعامل المرونة مباشرة وواضحة.

القوة مقابل الصلابة: أيهما أكثر أهمية في اختيار المواد؟

هذا سؤال شائع في التطبيقات الهندسية. الجواب دائما: يعتمد على الوظيفة التي تحتاج إلى القيام بها. إن مسألة القوة مقابل الصلابة هي خيار يجب عليك اتخاذه. هل تقوم بتصميم خطاف لرافعة كبيرة؟ يجب أن يحمل الخطاف وزنًا ثقيلًا جدًا دون أن ينكسر. في هذه الحالة، تكون القوة هي الخاصية الأكثر أهمية. أنت بحاجة إلى العثور على مادة ذات قوة خضوع عالية. أنت تهتم بإجمالي الحمولة التي يمكن للمادة أن تتحملها.

ولكن ماذا لو كنت تقوم بتصميم أرضية لمبنى جديد؟ أنت لا تريد أن تشعر الأرضية بالارتداد عند المشي عليها. يجب أن تقاوم الانحناء والتشوه الناتج عن وزن الأشخاص والأثاث. بالنسبة لهذه الوظيفة، تكون الصلابة أكثر أهمية من القوة. يمكنك اختيار مادة ذات معامل مرونة عالي. الصلابة والانحراف هما نقيضان. الصلابة العالية تعني كمية صغيرة من الانحناء. الغرض من اختيار المواد هو العثور على المادة ذات المزيج الصحيح من القوة والصلابة لمشروعك.

١. الصلابة مقابل القساوة: هل هما متصلان؟

هذا شيء آخر غالبًا ما يخطئ فيه الناس: الصلابة مقابل الصلادة. غالبًا ما يعتقد الناس أن المادة الصلبة يجب أن تكون صلبة أيضًا. في بعض الأحيان يكون هذا صحيحًا، ولكن ليس دائمًا. يجب أن تتذكر أن الصلابة تدور حول مقاومة الانحناء (التشوه). من ناحية أخرى، تدور الصلادة حول مقاومة الخدوش والانبعاجات على السطح.

دعونا نفكر في بلاط السيراميك للأرضية. لديها صلادة عالية جدا. من الصعب جدا خدشها. كما أن لديها صلابة عالية جدًا؛ لا تنحني على الإطلاق. في هذه الحالة، تكون كل من الصلابة والصلادة عالية. الآن، فكر في قطعة من الفولاذ الزنبركي. لديها صلابة عالية جدًا، ولكن صلادتها قد تكون أقل من بلاط السيراميك. يمكنك تصميم مادة بحيث يكون لها طلاء صلب جدًا على السطح ولكن يكون لها مركز بصلابة أقل. تشرح الخاصيتان طرقًا مختلفة تتصرف بها المادة. عندما تقوم باختيار المواد، عليك أن تفكر فيها واحدة تلو الأخرى.

كيف تجد بيانات موثوقة حول القوة والصلابة والخشونة؟

إذن، من أين يمكنك الحصول على كل هذه المعلومات؟ لا يمكنك فقط تخمين هذه القيم. أنت بحاجة إلى بيانات مادية موثوقة يمكنك الوثوق بها. أفضل الأماكن للعثور عليها هي في الكتيبات الهندسية. هذه الكتب الكبيرة مليئة بالمخططات والجداول الخاصة بالخصائص المادية لجميع المعادن والبلاستيك والسيراميك الشائعة.

مكان رائع آخر للبحث فيه هو أوراق البيانات التي يقدمها لك بائعو المواد. عندما تقرر شراء نوع معين من الفولاذ أو الألومنيوم، سيقدم لك الصانع ورقة. ستدرج هذه الورقة قوة الخضوع وقوة الشد القصوى ومعامل المرونة والصلادة. يجب أن تتعلم كيفية قراءة أوراق البيانات هذه بعناية. أخيرًا، تضع مجموعات مثل الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) القواعد الخاصة بكيفية اختبار هذه الخصائص. يساعد هذا في التأكد من أنه عندما تبلغ إحدى الشركات عن صلادة الفولاذ الخاص بها، يمكن مقارنتها بمعلومات من شركة أخرى. استخدم دائمًا البيانات من مصدر تعرف أنه جدير بالثقة.

أشياء أساسية يجب تذكرها

أعلم أننا تحدثنا عن الكثير من الأشياء، لكنني أريدك أن تغادر بفكرة واضحة جدًا عن الأساسيات. فيما يلي أهم النقاط التي يجب تذكرها.

• القوة هي مدى قدرة المادة على تحمل الحمولة قبل أن تنكسر أو تتغير شكلها بشكل دائم. فكر: ما مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل أن تفشل؟
• الصلابة هي مدى مقاومة المادة للانحناء أو التمدد. يتم قياسه بواسطة معامل المرونة. فكر: ما مقدار انحنائه عندما أدفعه؟
• الصلادة هي مدى مقاومة المادة للخدوش والانبعاجات على سطحها. فكر: ما مدى قدرته على وقف تلف السطح؟
• هذه الخصائص الثلاثة مختلفة عن بعضها البعض. يمكن أن تكون المادة قوية ولكنها ليست صلبة، أو يمكن أن تكون صلبة ولكنها ليست صلبة.
• منحنى الإجهاد والانفعال هو رسم بياني مفيد جدًا يساعدنا على رؤية وقياس قوة وصلابة المادة.
• لاتخاذ تصميمات آمنة، عادةً ما تكون قوة الخضوع أكثر أهمية من قوة الشد القصوى. هذا لأنك لا تريد أن تغير الأجزاء شكلها بشكل دائم.
• وظيفتك في اختيار المواد هي اختيار مادة ذات المزيج الصحيح من هذه الخصائص للوظيفة المحددة التي تحتاجها من أجلها.