مفهوم اختبار الشد
اختبار الشد هو أحد أهم وأبسط الاختبارات الفيزيائيّة التي تُجرى على مجموعة مختلفة من المواد، بغية تحديد مدى قابليتها للاستخدام في التطبيقات الهندسيّة والإنشائيّة المتنوعة لضمان سلامة وجودة تلك التطبيقات، إذ يتضمّن هذا الاختبار تسليط قوة شد على عينة ما ذات مواصفات قياسيّة محددة، ويكون ذلك بإمساك أطرافها المتقابلة بمعدات خاصة وسحبها للخارج، ومن الجدير بالذكر أنّ عملية تسليط القوة بشكل محوري (طولي) يستمر بهذه الطريقة لحين انكسار العينة، عندها يُمكن تحديد عددًا من المواصفات التي تتمتع بها، نذكر منها مقدار الإجهاد والضغط والتشوه وغيرها الكثير من الخصائص التي تميز العينة عن غيرها.
أهمية اختبار الشد
تُساعد النتائج المستخلصة من اختبار الشد الفنيين والمهندسين في تحديد مجموعة من خصائص العينة المراد دراستها، وبالتالي يُمكنهم إنشاء ملف تعريف كامل لها، وفيما يلي سنأتي على ذكر أبرز خصائص شد العينة بالتفصيل:
- قوة الشد : هي أقصى درجة شد (سحب) يُمكن تسجيلها، والتي تنتهي عادةً بتدمير العينة.
- الحد المرن: هي أعلى درجة شد (سحب) يمكن أن تتحملها العينة قبل أن تظهر عليها تشوهات دائمة غير قابلة للزوال.
- المرونة: هي قدرة العينة على العودة إلى حجمها وشكلها الأصلي دون ظهور أية تشوهات دائمة عليها عند إزالة القوة المؤثرة عليها.
- اللدونة: هي قدرة العينة على العودة إلى حجمها وشكلها الأصلي دون ظهور أية تشوهات دائمة عليها عند إزالة القوة المؤثرة عليها بعد مدة زمنية معينة، ممّا سبق نجد أنّ اللدونة تشبه المرونة إلى حد بعيد لكن مع إضافة عامل الوقت أثناء إجراء الاختبار.
- الصلابة: هي قدرة العينة على مقاومة التشوهات عند تعرّضها لقوة الشد.
- معامل المرونة: هو مقياس يُحدد درجة صلابة العينة، وتجدر الإشارة إلى أنّه يُسمى أحيانًا بمعامل يونغ، ويمكن قياس هذا المعامل عن طريق قانون يُعرف باسم هوك، وهو قانون يُعنى بدراسة العلاقة الخطية في الجزء الأول من الاختبار بين قوة الشد المطبقة ومقدار استطالة العينة، إذ يوضح معامل المرونة التناسب الثابت بين المتغيرين، كما يظهر قدرة العينة إلى العودة إلى حالتها الأصلية بدون أية تشوهات دائمة حال زوال القوة المؤثرة عليها.
- الاستطالة: هو مقياس يُحدد التغيّر في النسبة المئويّة لطول العينة قبل وبعد تطبيق قوة الشد عليها.
- نسبة بواسون: هو مقياس يُقارن بين التشوه الجانبي والمحوري (الطولي) للعينة بعد تركيز قوة الشد عليها.
خطوات إجراء اختبار الشد
تتضمن عملية إجراء اختبار الشد على عينة ما مجموعة من الخطوات، وفيما يلي سنأتي على ذكرها بالتفصيل:
- تحضير معدات وأدوات إجراء اختبار الشد، والتي تتضمن ما يلي:
- آلة اختبار شد تُلائم طبيعة ونوع العينة المراد اختبارها.
- مقياس تمدد يرصد مراحل تمدد العينة أثناء إجراء الاختبار.
- أجهزة أو برامج إلكترونية خاصة لتشغيل آلة اختبار الشد وتسجيل القياسات والنتائج أثناء إجراء الاختبار.
- مقابض شد تلائم طبيعة ونوع العينة، إذ تختلف المقابض حسب مبدأ عملها وطبيعة الوجه الذي تمتلكه، فأنواع المقابض حسب مبدأ عملها تكون مقابض إسفينية أو تشديد ذاتي أو مقص، في حين أن المقابض عادةً ما تكون ذات وجه مسنن بغية إمساك طرفي العينة بإحكام.
- تجهيز عينة الاختبار عن طريق صب مادة العينة في قوالب خاصة يُلائم شكلها متطلبات جهاز اختبار الشد المراد استخدامه، والتي تكون عادةً على شكل عظمة الكلب.
- وضع المقابض العلوية (الثابتة) والسفلية (المتحركة) المخصصة لإجراء اختبار الشد في الجهاز، بإذ يتلاءم نوعها ومكان وجودها مع طبيعة وطول العينة.
- وضع العينة في مكانها الصحيح بين المقابض لتجنّب تطبيق قوى شد جانبي تؤدي إلى انحناء العينة أثناء إجراء الاختبار، الأمر الذي سيؤدي في النهاية إلى التأثير سلبًا على صحة ودقة النتائج.
- إيصال مقياس التمدد بطول العينة لمراقبة وتحديد مقدار التغير في طولها أثناء إجراء الاختبار.
- بدء الاختبار عن طريق فصل المقابض الشد بسرعة ثابتة بالاعتماد على حجم وشكل العينة، خلال الاختبار ستتمدد العينة ثم ستبدأ بالتشوّه لحين كسرها، وبمجرد كسر العينة ينتهي اختبار الشد.
حسابات اختبار الشد
بعد انتهاء اختبار الشد يستعين الفنّي أو المهندس بنتائجها لإجراء مجموعة من العمليات الحسابيّة التي تُفيد في تحديد خصائص ومواصفات العيّنة، وفيما يلي سنأتي على ذكر أبرز تلك الحسابات:
- حساب الانفعال (Strain): وهو التشوّه الذي تتعرّض له العيّنة خلال إجراء الاختبار، ويكون ذلك باستخدام المعادلة التالية:
إذ أنّ:
- : الانفعال.
- : التغيّر في طول العينة.
- : طول العيّنة الأصلي.
- : طول العينة قبل كسرها.
- حساب الإجهاد (Stress): وهو متوسّط كميّة قوة الشد المُطبّقة على وحدة مساحة العينة، ويكون ذلك باستخدام المعادلة التالية:
إذ أنّ:
- : الإجهاد (باسكال أو نيوتن/م²).
- : قوة الشد ( نيوتن ).
- : المساحة (متر مربع).
- حساب معامل المرونة (Modulus of Elasticity): وهي الطاقة الكامنة في العينة والمسؤولة عن إعادتها إلى حجمها وشكلها الأصليين حال زوال القوّة المؤثرة عليها دون أيّة تشوهات دائمة، والذي يُطلق عليه أيضًا اسم معامل يونغ (Modulus of Young's)، ويكون ذلك باستخدام المعادلة التالية:
إذ أنّ:
- Y: معامل المرونة (باسكال أو نيوتن/م² ).
- : الإجهاد (باسكال).
- : الانفعال.
- حساب نسبة الاستطالة (Percentage of Elongation): وهي نسبة التغير في طول العينة قبل إجراء الاختبار وقبل كسرها عند نهايته، ويكون ذلك باستخدام المعادلة التالية:
إذ أنّ:
- Elongation%: نسبة الاستطالة (النسبة المئوية %).
- : التغير في طول العينة.
- : طول العينة الأصلي.
- حساب نسبة النقصان في مساحة مقطع العينة (Percentage of Reduction In Area): وهي نسبة التغير في مساحة مقطع العينة قبل إجراء الاختبار وقبل كسرها عند نهايته، ويكون ذلك باستخدام المعادلة التالية:
إذ أنّ:
- RA%: نسبة النقصان في مساحة المقطع.
- A∆: التغير في مساحة مقطع العينة.
- A0: مساحة مقطع العينة الأصلي.
- Af: مساحة مقطع العينة قبل كسرها.
الخلاصة
يستخدم اختبار الشد للتحقق من قوة ومتانة العديد من المواد المستخدمة في التطبيقات الهندسية مثل المباني، ويعمل بمبدأ تعريض هذه المواد لقوة شديدة للتأكد حتى تنكسر، ويمكن بعد ذلك أخذ عدة قياسات، واستخدامها في معادلات، ثم التوصل إلى مدى قوة المادة وتطابقها مع مواصفات ومعايير الأمان المطلوبة.
