نتائج اختبار الشد للفولاذ ومنحنيات الإجهاد–الانفعال

ما الذي يقيسه اختبار الشد للفولاذ فعليًا؟

اختبار الشد للفولاذ هو تجربة مضبوطة يُسحب فيها عيِّن معدني على امتداد محور محدد واحد حتى يصل إلى الخضوع، ويتشوه، ويتعنق، وعادةً ما ينكسر. تسجل الآلة القوة والإزاحة؛ ويُحسَب منحنى الإجهاد–الانفعال المُبلَّغ عنه من تلك القياسات ومن الأبعاد المأخوذة قبل الاختبار وبعده. ولذلك فهو ليس تصنيفًا مباشرًا لدرجات الفولاذ مستقلًا عن إعداد الاختبار.

العيِّنة ومحور التحميل واختبار درجة حرارة الغرفة

المقطع المعياريالمقطع المعياري الجزء المُنقَّص من عينة الشد الواقع بين نهايتي التثبيت، حيث يُقصد أن يحدث التشوه والكسر.

تحتوي العيِّنة على مقطع مُخفَّض يُسمى مقطع القياس، يقع بين نهايتين أعرض تلائمان فكَّي آلة الاختبار. ويجب قياس مساحة مقطعها العرضي الابتدائية، $A_0$، وطول القياس الابتدائي، $L_0$، قبل التحميل. وقد تكون العيِّنات مستديرة أو مسطحة، كما تُحدَّد أبعادها وشكل الكتفين وترتيب الفكوك وطول القياس وفقًا للمواصفة المطبَّقة. ولا تنتج العيِّنة المسطحة المقطوعة موازيةً لاتجاه الدرفلة بالضرورة الاستطالة نفسها التي تنتجها عيِّنة مقطوعة عرضيًا على ذلك الاتجاه، لأن الدرفلة قد تُحدث اختلافات اتجاهية في البنية المجهرية والاستجابة الميكانيكية.

ينبغي أن يمر محور التحميل عبر خط الوسط المقصود للعيِّنة. ويؤدي عدم المحاذاة إلى إدخال انحناء، بحيث يمكن أن يتعرض أحد جانبي مقطع القياس لإجهاد أكبر من الجانب الآخر. وعندئذ تقيس الآلة استجابةً تعكس الشد والانحناء غير المقصود معًا. كما يمكن لانزلاق العيِّنة داخل الفكوك، أو سوء تشغيل الكتف، أو تلف السطح، أو وضع علامة غير صحيحة لطول القياس، أن يغير النتيجة.

تغطي ASTM E8/E8M-21 اختبار شد المواد المعدنية عند درجة حرارة الغرفة. وتشمل إجراءات تحديد مقاومة الخضوع، واستطالة نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقص المساحة. وبالمثل، تحدد ISO 6892-1:2019 طريقة اختبار شد للمواد المعدنية عند درجة حرارة الغرفة، وتعرّف الخواص الميكانيكية التي يمكن الحصول عليها من ذلك الاختبار. ولذلك فإن «درجة حرارة الغرفة» جزء من وصف الاختبار، وليست افتراضًا يمكن حذفه. أما النتيجة الناتجة عن عيِّنة مُسخَّنة أو عن اختبار في فرن ذي درجة حرارة مرتفعة، فتندرج ضمن حالة اختبار مختلفة.

متوسط معدل الانفعال (s^-1)

تُحمَّل العيِّنة تحميلًا رتيبًا، لكن معدل التحميل مهم. فقد تتحكم آلة الاختبار في سرعة العارضة المتحركة، أو معدل الانفعال، أو أي معلَمة أخرى مرتبطة بالمعدل، تبعًا للمواصفة والإجراء. وتتضمن بيانات NIST لفولاذ ASTM A1008 معدلات انفعال متوسطة تبلغ ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. وتفصل بينها أربعة مراتب أسّية. وعند المعدلات الأعلى، يمكن أن يتغير إجهاد الجريان المقاس، وقد تنزاح قيم مقاومة الخضوع والشد الظاهرية.

الخواص الميكانيكية المُبلَّغ عنها من الاختبار

يُحسَب الإجهاد الهندسي بقسمة القوة على مساحة المقطع العرضي الابتدائية للعيِّنة:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

ويُحسَب الانفعال الهندسي بقسمة التغير في طول القياس على قيمته الابتدائية:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}.$$

وتصف جامعة ميشيغان التكنولوجية وGeorgia Tech هاتين الاصطلاحيتين باستخدام أساس مساحة المقطع الابتدائية وطول القياس الابتدائي نفسه. وبناءً على ذلك، لا يُحدِّث الإجهاد الهندسي مساحة المقطع بصورة مستمرة مع تضيق العيِّنة.

استطالة نقطة الخضوعاستطالة نقطة الخضوع الامتداد اللدن الذي يحدث خلال فترة انفعال قابلة للقياس، ويبقى خلالها الإجهاد الهندسي ثابتًا تقريبًا أو يتبع نمطًا مميزًا لنقطة الخضوع.

يشير الجزء المستقيم المبكر من المنحنى إلى السلوك المرن التناسبي. ويحدد DOE Fundamentals Handbook حد التناسب، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر على منحنى هندسي نموذجي للفولاذ الإنشائي. ويمكن تحديد مقاومة الخضوع من خلال نقطة خضوع مميزة أو باستخدام طريقة إزاحة محددة، وهي عادةً انفعال إثبات أو إزاحة بنسبة 0.2% عندما لا تظهر نقطة خضوع حادة. وتُظهر بعض أنواع الفولاذ استطالةً عند نقطة الخضوع؛ إذ تمتد العيِّنة لدنًا خلال مجال انفعال قابل للقياس بينما يبقى الإجهاد شبه ثابت أو يتغير بطريقة مميزة. وتُدرج ASTM E8/E8M-21 صراحةً استطالة نقطة الخضوع ضمن الكميات التي يحددها الاختبار.

مقاومة الشد، التي تُسمى أيضًا مقاومة الشد القصوى في كثير من التقارير، هي أكبر إجهاد هندسي. وتحدث قبل بدء التعنق الموضعي أو حوله. وبعد بدء التعنق، تستمر المساحة الفعلية في منطقة العنق في الانخفاض، بينما يظل الإجهاد الهندسي مستخدمًا للمساحة $A_0$؛ ولذلك يمكن للمنحنى المرسوم أن ينخفض حتى مع ارتفاع الإجهاد الحقيقي الموضعي. ويميّز المحتوى المخبري الصادر عن MIT عام 2004 بين مقاومة الشد المأخوذة من منحنى الإجهاد–الانفعال الهندسي ومقاومة الشد الحقيقية التي تراعي نقص مساحة المقطع العرضي.

الاستطالة هي الزيادة الدائمة في طول القياس المحدد بعد الكسر، معبَّرًا عنها بنسبة مئوية. وتعتمد قيمتها بدرجة كبيرة على طول القياس؛ إذ يمكن لطول قياس قصير أن يتضمن قدرًا أكبر من التعنق الموضعي، وغالبًا ما يعطي نسبة مئوية مختلفة عن تلك التي يعطيها طول أطول. ويُحسَب نقص المساحة من المساحة الابتدائية وأصغر مساحة نهائية عند منطقة الكسر. وهو يصف التقلص الموضعي، ولا يمكن استخدامه بالتبادل مع الاستطالة.

استخدمت تجربة في جامعة Syracuse عيِّنات شد مسطحة وفق ASTM من فولاذ كربوني 1018 لتحديد إجهاد الخضوع والإجهاد الأقصى وإجهاد الانهيار. ويوضح هذا المثال سبب ضرورة إرفاق تفاصيل العيِّنة والإجراء حتى مع تسمية مألوفة مثل 1018.

لماذا لا يمكن فصل النتيجة عن طريقة اختبارها؟

إن قيمة مُبلَّغًا عنها مثل «مقاومة خضوع الفولاذ: 350 MPa» غير مكتملة. إذ يحتاج القارئ إلى معرفة الدرجة وحالة المنتج، وهندسة العيِّنة، واتجاه التحميل، والمساحة الابتدائية، وطول القياس، ودرجة الحرارة، ومعدل الانفعال أو متطلبات سرعة الآلة، وطريقة قياس مقياس الاستطالة أو الإزاحة، وتعريف مقاومة الخضوع، والمواصفة المطبَّقة.

يمكن لتقنية القياس أن تغير المنحنى. فقد استخدمت أعمال NIST بشأن ASTM A1008 تقنية الارتباط الرقمي للصور لتحديد الإزاحة والانفعال عند معدلات الانفعال المحددة، بدلًا من الاعتماد فقط على انتقال العارضة المتحركة. ويشمل انتقال العارضة المتحركة مطاوعة الآلة والفكوك؛ ولذلك لا يعادل تلقائيًا التشوه داخل مقطع القياس. كما أفاد National Bureau of Standards بأن إجهادات الإثبات في أنواع الفولاذ غير القابل للصدأ والمعادن غير الحديدية يمكن أن تتأثر بالتشوه اللدن السابق، وفترات التوقف، والإجهاد الداخلي، والتصلد بالتشوه.

وعند المعدلات الأعلى من ذلك، يصبح الفرق أكثر وضوحًا. ويعرض تقرير صادر عن NIST بشأن الفولاذ الإنشائي منحنيات لمعدلات انفعال عالية لفولاذ أعمدة محيطية ذي مقاومة خضوع محددة تبلغ 50 ksi. ولا يمكن مقارنة هذه المنحنيات مباشرةً بمنحنى مختبري بطيء عند درجة حرارة الغرفة كما لو أن الدرجة وحدها هي العامل المهم. فنتيجة الاختبار هي قياس للفولاذ، إلى جانب عيِّنة وطريقة وحالة محددة. وعند حذف هذه التعريفات، يفقد الرقم معناه الهندسي.

كيفية حساب الإجهاد الهندسي والانفعال الهندسي

تسجل آلة الشد القوة والإزاحة، لكن منحنى الإجهاد–الانفعال يتطلب اختزال هذه القياسات باستخدام أبعاد العينة المحددة. وتشير الكميات الهندسية التي تُرسم عادةً إلى العينة قبل التحميل، لا إلى شكلها المتغير باستمرار. ويجعل هذا الاختيار النتائج سهلة الحساب والمقارنة، شريطة الإبلاغ عن هندسة العينة، وطول القياس، ومواصفة الاختبار، وطريقة القياس.

الإجهاد الهندسي: القوة مقسومة على المساحة الابتدائية

يُحسب الإجهاد الهندسي بقسمة قوة الشد المطبقة على مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة:

$${\sigma }_e=\frac{F}{A_0}$$

هنا، ${\sigma }_e$ هو الإجهاد الهندسي، و$F$ هي قوة الشد، و$A_0$ هي مساحة المقطع العرضي المقاسة قبل بدء الاختبار. وبالنسبة إلى عينة مسطحة مستطيلة الشكل،

$$A_0=w_0{t}_0$$

حيث إن $w_0$ هو العرض الأصلي للعينة، و$t_0$ هو سُمكها الأصلي. وبالنسبة إلى عينة مستديرة،

$$A_0=\frac{\pi d_0^2}{4}$$

حيث إن $d_0$ هو القطر الابتدائي.

تُسجل القوة عادةً بوحدة النيوتن (N)، بينما قد تُسجل المساحة بالملليمتر المربع (mm²). ويكون الإجهاد الناتج عندئذٍ بوحدة N/mm²، وهي مكافئة عددياً للميغاباسكال (MPa)، لأن $1{\text{N/mm}}^2=1\text{MPa}$. وإذا عُبِّر عن القوة بالكيلونيوتن وعن المساحة بالملليمتر المربع، فيجب تحويل القوة إلى نيوتن قبل حساب الإجهاد بوحدة MPa. كما يمكن الإبلاغ عن الإجهاد بوحدة الباسكال أو الرطل لكل بوصة مربعة (psi)، لكن يجب تطبيق تحويل الوحدات بصورة متسقة.

إن استخدام $A_0$ مقصود. فعندما تُسحب عينة فولاذية، تنخفض مساحة مقطعها العرضي عادةً نتيجة التقلص المرن ثم التشوه اللدن. وبعد بدء تكوّن العنق الموضعي، يتركز النقصان في منطقة أصغر. ولا يعيد الإجهاد الهندسي حساب المقام في كل لحظة؛ بل يستمر في قسمة القوة المقاسة على المساحة الموجودة قبل التحميل. ويحافظ هذا العُرف على حالة مرجعية مشتركة لكل نقطة على المنحنى.

والنتيجة ليست مماثلة للإجهاد الحقيقي. إذ يستخدم الإجهاد الحقيقي المساحة الآنية، ويُكتب عادةً على النحو ${\sigma }_t=F/A$، حيث إن $A$ هي المساحة المحلية الحالية. وبالتالي، قد ينخفض المنحنى الهندسي بعد بلوغ القوة القصوى، حتى في الوقت الذي يستمر فيه الإجهاد المحلي في منطقة العنق في الارتفاع. وتميّز المواد المختبرية لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لعام 2004 بين مقاومة الشد المستخلصة من منحنى الإجهاد–الانفعال الهندسي ومقاومة الشد الحقيقية التي تأخذ في الحسبان انخفاض مساحة المقطع العرضي.

الانفعال الهندسي: الاستطالة مقسومة على طول القياس الابتدائي

الانفعال الهندسي هو التغير في طول القياس مقسوماً على طول القياس الأصلي:

$${\epsilon }_e=\frac{L-L_0}{L_0}$$

ويورد معهد جورجيا للتكنولوجيا الصيغة المكافئة ${\epsilon }_e=(l-l_0)/l_0$. وفي هذه الصيغ، يمثل $L_0$ أو $l_0$ طول القياس الأصلي، بينما يمثل $L$ أو $l$ طول القياس المقاس أثناء الاختبار. والفرق بينهما، $L-L_0$، هو الاستطالة.

ليس للانفعال وحدة فيزيائية، لأنه ناتج عن قسمة طول على طول. ويُكتب عادةً في صورة عدد عشري، أو يُضرب في 100 ويُعبَّر عنه كنسبة مئوية. فإذا نتجت استطالة مقدارها 0.25 mm عن طول قياس أصلي قدره 50.00 mm، فإن

$${\epsilon }_e=\frac{0.25}{50.00}=0.005$$

أي أن الانفعال الهندسي يبلغ 0.5%.

ويظل طول القياس الأصلي في المقام حتى بعد استطالة العينة، لأن الانفعال الهندسي يمثل تغيراً مُطبَّعاً نسبةً إلى الهندسة الابتدائية. وهذا يجعل القيمة المُبلَّغ عنها معتمدة على طول القياس المحدد، لا على حركة رأس آلة الاختبار وحدها. فاستطالة مقدارها 2 mm تعني انفعالاً قدره 4% على طول قياس يبلغ 50 mm، لكنها تعني انفعالاً قدره 2% فقط على طول قياس يبلغ 100 mm. ولذلك لا يمكن مقارنة نتائج الاستطالة بصورة مسؤولة عندما تختلف تعريفات طول القياس.

وتعرّف جامعة ميشيغان التكنولوجية الانفعال الهندسي بأنه الإزاحة مقسومة على طول القياس الابتدائي، بينما تستخدم في تعريفها للإجهاد الهندسي الحمل مقسوماً على مساحة المقطع العرضي الابتدائية. وهذه التعريفات بسيطة، لكنها لا تكون قابلة لإعادة الإنتاج إلا عند معرفة $L_0$ و$A_0$ وطريقة قياس الإزاحة.

الوحدات وأبعاد العينة واختزال البيانات

يبدأ اختزال البيانات قبل تسجيل أول قراءة للقوة. إذ يسجل المشغّل نوع العينة، والعرض، والسُّمك أو القطر، وطول القياس، ثم يحسب $A_0$ انطلاقاً من الأبعاد المحددة. وتوفر آلة الشد القوة بوصفها دالة في الزمن أو الإزاحة. بينما يوفر مقياس الاستطالة، أو مقياس الانفعال، أو النظام البصري التغير في طول القياس. ويُختزل كل زوج من القراءات باستخدام $F/A_0$ و$(L-L_0)/L_0$، وبذلك يُنتَج منحنى الإجهاد–الانفعال الهندسي.

وتُعدّ طريقة قياس الإزاحة مهمة. إذ تشمل حركة رأس الآلة التشوهَ في القابضات، وإطار الآلة، والمكونات الأخرى، في حين يقيس مقياس الاستطالة مقطع قياس محدداً. ويمكن لتقنية الارتباط الرقمي للصور أن تقيس الإزاحة ومجالات الانفعال المحلية بصرياً. وقد فحصت الاختبارات التي أجراها NIST على فولاذ ASTM A1008 معدلات انفعال متوسطة قدرها ${10}^{-5}$ و${10}^{-3}$ و${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$، مع استخدام الارتباط الرقمي للصور لقياس الإزاحة والانفعال. ولذلك يرتبط المنحنى الناتج بكل من معدل التحميل وطريقة القياس.[1][1] Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2021.[2][2] Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization. ISO standard, 2019.[3][3] Properties of Metals. U.S. Department of Energy. DOE Fundamentals Handbook reference.

تغطي ASTM E8/E8M-21 اختبارات الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، وتتناول مقاومة الخضوع، والاستطالة عند نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. كما تحدد ISO 6892-1:2019 اختبارات الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية والخواص الميكانيكية المستخلصة منها. ولا تقتصر هذه المواصفات على تحديد المعادلات، بل تضبط أيضاً هندسة العينة، والمحاذاة، وطول القياس، ومعدل التحميل، وإجراءات الإبلاغ عن النتائج. ويضع المنحنى النموذجي للفولاذ الإنشائي الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية تسميات للحد التناسبي، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر، لكن كل تسمية تعتمد على عملية القياس والاختزال السابقة هذه. ولا يكون المنحنى قابلاً لإعادة الإنتاج إلا بقدر قابلية الأبعاد والأساليب التي تستند إليها محاوره لإعادة الإنتاج.

قراءة منحنى الإجهاد والانفعال الهندسي

يمثل منحنى الشد سجلًا لاستجابة عينة محددة مع ازدياد الحمل. ولا يُعد ترتيبًا عالميًا لدرجات الفولاذ. إذ تعتمد النتيجة المُبلغ عنها على شكل العينة، ومساحة مقطعها العرضي الابتدائية، وطول القياس، ومعدل التحميل، وطريقة استخدام مقياس الاستطالة أو الإزاحة، ومعيار الاختبار، والاصطلاح المستخدم لحساب الإجهاد والانفعال.

بالنسبة إلى منحنى الإجهاد والانفعال الهندسي، يكون الإجهاد الهندسي:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

حيث تمثل $F$ الحمل المطبق، وتمثل $A_0$ مساحة المقطع العرضي الابتدائية للعينة. ويكون الانفعال الهندسي:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

حيث يمثل $L_0$ طول القياس الابتدائي، ويمثل $L$ طول القياس المقاس أثناء التحميل. ترد هذه التعريفات في مراجع تعليمية من جامعة ميشيغان التكنولوجية ومعهد جورجيا للتكنولوجيا. ونظرًا إلى بقاء المساحة والطول الأصليين في مقامي المعادلتين، فإن المنحنى لا يُظهر مباشرةً الإجهاد والانفعال الموضعيين المتغيرين بعد بدء تقلص العينة.

يغطي المعيار ASTM E8/E8M-21 اختبارات الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، وتحديد مقاومة الخضوع، واستطالة نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. ويحدد المعيار ISO 6892-1:2019 طريقة اختبار شد عند درجة حرارة الغرفة، كما يعرّف الخواص الميكانيكية التي يمكن الحصول عليها منه. ولذلك يجب قراءة المنحنى إلى جانب سجل الاختبار، لا بمعزل عنه.

الاستجابة المرنة وحد التناسب

عند نقطة الأصل، يكون كل من الحمل والتشوه مساويًا للصفر. وخلال الجزء الأول من المنحنى، يزداد الإجهاد تقريبًا بما يتناسب مع الانفعال. وإذا أزيل الحمل في هذه المنطقة، تعود العينة إلى أبعادها الأصلية، باستثناء أخطاء تجريبية صغيرة. وهذا هو التشوه المرن: إذ تنزاح الروابط الذرية، لكن المادة لم تكتسب تغيرًا دائمًا في شكلها.

يمثل ميل هذا الجزء المستقيم الأولي معامل يونغ، $E$:

$$E=\frac{\Delta \sigma }{\Delta \epsilon }$$

وبالنسبة إلى فولاذ اختُبر في ظروف اعتيادية، يكون هذا الميل عادةً قريبًا من 200 GPa، رغم أن القيمة المقاسة قد تختلف تبعًا للمحاذاة، ودقة مقياس الاستطالة، ودرجة الحرارة، والجزء المختار من البيانات. ولا ينبغي الخلط بينه وبين مقاومة الخضوع. فالمعامل يصف الصلابة، في حين تصف مقاومة الخضوع الإجهاد المرتبط ببدء التشوه اللدن أو ببلوغ مقدار محدد منه.

يسمي كتيب أساسيات DOE نهاية الجزء الخطي تمامًا حد التناسب. وبعد هذه النقطة، قد يظل المنحنى مرنًا جزئيًا، لكنه لم يعد متناسبًا تمامًا. وقد تستعيد عينة أُزيل حملها بعد تجاوز حد التناسب بقليل معظم انفعالها، مع احتفاظها باستطالة دائمة صغيرة. وبمجرد بدء التشوه اللدن، يمكن النظر إلى الانفعال الكلي بوصفه مجموع الانفعال المرن والانفعال اللدن:

$${\epsilon }_{\mathrm{total}}={\epsilon }_{\mathrm{elastic}}+{\epsilon }_{\mathrm{plastic}}$$

ويكتسب هذا التمييز أهمية عند تفسير الاستطالة. فالانفعال الظاهر على آلة الاختبار هو الانفعال الكلي؛ ولا يختفي عند إزالة الحمل إلا المكوّن المرن.

مقاومة الخضوع واستطالة نقطة الخضوع

يمثل الخضوع الانتقال إلى جريان لدن كبير. وفي فولاذ ذي نقطة خضوع مميزة، قد يرتفع المنحنى إلى نقطة خضوع عليا، ثم يهبط إلى نقطة خضوع دنيا، قبل أن يستمر خلال منطقة مسطحة نسبيًا. وتسمى الاستطالة المرتبطة بذلك استطالة نقطة الخضوع. وتستمر العينة في الاستطالة بينما لا يتغير الإجهاد الهندسي إلا قليلًا، وقد تنتشر نطاقات لودرز على طول القياس.

يرتبط هذا السلوك عادةً ببعض أنواع الفولاذ منخفض الكربون، بما في ذلك بعض منتجات الصفائح والمنتجات الإنشائية، لكن لا ينبغي افتراض حدوثه في كل درجة فولاذ أو في كل سجل اختبار. فقد لا يُظهر الفولاذ ذو الخضوع المستمر نقطة خضوع عليا أو دنيا حادة. ويمكن للتشغيل على البارد، وتاريخ التلدين، والكربون والنيتروجين البينيين، والتقادم، وهندسة العينة، ومعدل الانفعال أن تغير سمة نقطة الخضوع أو تزيلها.

عندما لا يمكن قياس نقطة خضوع مميزة، قد يحدد المعيار طريقة الإزاحة. ويُحصل على إجهاد الإثبات المألوف البالغ 0.2% برسم خط موازٍ للميل المرن الابتدائي، مع إزاحته بمقدار انفعال قدره 0.002؛ ويحدد تقاطع هذا الخط مع المنحنى القيمة المُبلغ عنها. ولا ينبغي التعامل مع «مقاومة الخضوع» و«إجهاد الإثبات البالغ 0.2%» بوصفهما تسميتين متبادلتين، إلا إذا أوضح المعيار المعمول به والتقرير هذه المطابقة. ويوثق تقرير صادر عن المكتب الوطني للمعايير بشأن إجهادات الإثبات في الفولاذ غير القابل للصدأ والمعادن غير الحديدية تأثيرات التشوه اللدن السابق، وفترات التوقف، والإجهاد الداخلي، والتصلد بالتشغيل على هذه القياسات.

بعد الخضوع، يتراكم الانفعال اللدن. وتؤدي إزالة الحمل عند أي نقطة إلى استرداد مرن، لكن العينة تظل أطول، وبعد تحميل كافٍ تصبح أضيق مما كانت عليه في البداية. وقد يتبع إعادة التحميل مسارًا مزاحًا بسبب التصلد بالتشغيل.

مقاومة الشد القصوى، وتكوّن العنق، والكسر

بعد استطالة نقطة الخضوع، أو بعد الخضوع المستمر عندما لا توجد هضبة، يرتفع المنحنى عمومًا من جديد، إذ يزيد التصلد الانفعالي الإجهاد اللازم لإحداث مزيد من التشوه اللدن. ويُعد أعلى إجهاد هندسي مقاومة الشد القصوى (UTS)، وتسمى المقاومة القصوى في كتيب أساسيات DOE. وتحسب هذه القيمة باستخدام المساحة الأصلية $A_0$، رغم أن العينة تكون قد استطالت بالفعل وتغير مقطعها العرضي.

يبدأ التشوه الموضعي عادةً عند بلوغ مقاومة الشد القصوى. ويتكون عنق في جزء القياس، فيتركز الانفعال في منطقة أصغر. وتنخفض المساحة الفعلية داخل العنق بسرعة، ولذلك يمكن للإجهاد الحقيقي الموضعي أن يواصل الارتفاع حتى أثناء هبوط المنحنى الهندسي. ومن ثم، لا يعني الفرع الهابط أن إجهاد مقاومة المادة الموضعي قد اختفى ببساطة؛ بل يعكس استخدام المساحة الأصلية في حساب الإجهاد الهندسي.

تميز ملاحظات مختبر مواد الهندسة المدنية في MIT لعام 2004 بين مقاومة الشد المستخرجة من منحنى هندسي ومقاومة الشد الحقيقية، التي تأخذ في الحسبان انخفاض مساحة المقطع العرضي. ويكتسب هذا التمييز أهمية خاصة عند مقارنة أنواع الفولاذ المطيل ذات أبعاد قياس مختلفة أو قياسات مختلفة لنقصان المساحة.

النقطة النهائية هي الكسر، الذي يحدده كتيب DOE بعد منطقة تكوّن العنق. وتتأثر الاستطالة المُبلغ عنها ونقصان المساحة تأثرًا كبيرًا بطول القياس، وهندسة العينة، وموضع الكسر، وطريقة إعادة مطابقة القطع المكسورة. فعلى سبيل المثال، استخدمت تجربة الفولاذ الكربوني 1018 في جامعة سيراكيوز عينات شد مسطحة وفق ASTM لتحديد إجهاد الخضوع، والإجهاد الأقصى، وإجهاد الانهيار؛ وتصف هذه القيم تكوين الاختبار المحدد، لا خاصية مجردة لدرجة الفولاذ وحدها.

ويغير معدل الانفعال وطريقة القياس المنحنى أيضًا. وقد أبلغت NIST عن اختبارات لفولاذ ASTM A1008 عند معدلات انفعال متوسطة قدرها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$، باستخدام الارتباط الرقمي للصور لقياس الإزاحة والانفعال. كما نشرت NIST منحنيات لمعدلات الانفعال العالية لفولاذ أعمدة محيطية ذي مقاومة خضوع محددة تبلغ 50 ksi. ولا ينبغي مقارنة المنحنيات الناتجة عن تلك الظروف مباشرةً باختبار بطيء عند درجة حرارة الغرفة قائم على مقياس الاستطالة، من دون التحقق أولًا من المعيار والتعريفات.

مقاومة الخضوع، وإجهاد الإثبات، ومعنى «الخضوع»

لا تشير كلمة «الخضوع» إلى خاصية عالمية واحدة لكل منحنى إجهاد–انفعال للفولاذ. فهي تصف الانتقال من تشوه قابل للاسترجاع في معظمه إلى تشوه يبقى بعد إزالة الحمل، لكن القيمة المُبلَّغ عنها تعتمد على كيفية ظهور ذلك الانتقال وعلى القاعدة التي يفرضها معيار الاختبار. يغطي ASTM E8/E8M-21 اختبارات الشد للمعادن في درجة حرارة الغرفة وتحديد مقاومة الخضوع، واستطالة نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان مساحة المقطع. ويحدد ISO 6892-1:2019 طريقة مماثلة لاختبار الشد في درجة حرارة الغرفة، لكن لا يزال يتعين قراءة التعريفات ومتطلبات الإبلاغ من المعيار الحاكم، بدلاً من استنتاجها من رسم بياني مألوف.

تفرض الكميات الهندسية المعتادة اصطلاحاً معيناً منذ البداية. فالإجهاد الهندسي هو $F/A_0$، حيث إن $F$ هو الحمل و$A_0$ هي مساحة المقطع العرضي الابتدائية للعينة؛ والانفعال الهندسي هو $(l-l_0)/l_0$، استناداً إلى طول القياس الابتدائي $l_0$. وتصف جامعة ميشيغان التكنولوجية وGeorgia Tech هذه التعريفات. ولذلك فإن مقاومة الخضوع المُبلَّغ عنها تخص عينةً وهندسةً وتعريفاً لطول القياس ومعدل تحميل ونظام قياس وتفسيراً محدداً، ولا تخص منحنى مجرداً منفصلاً عن الاختبار.

سلوك نقطة الخضوع مقابل مقاومة خضوع محددة التعريف

تُظهر بعض أنواع الفولاذ منخفض الكربون ظاهرةً واضحة عند نقطة الخضوع. إذ يبلغ المنحنى نقطة الخضوع العليا، ثم يهبط، ويستمر بعد ذلك عبر منطقة سفلية مسطحة نسبياً من الانفعال اللدن. وقد تتحرك نطاقات لودرز على طول طول القياس أثناء هذا الامتداد. وفي مثل هذا السلوك، تبدو المادة وكأنها «تخضع» عبر حدث يمكن تمييزه، ولذلك يمكن الإبلاغ عن مقاومة الخضوع العليا أو الدنيا، واستطالة نقطة الخضوع، والكميات ذات الصلة وفقاً للطريقة المنطبقة.

أما أنواع الفولاذ الأخرى فلا تُظهر هبوطاً حاداً في الحمل. فقد تنتقل أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، والعديد من الدرجات الأعلى مقاومة، وأنواع الفولاذ المختبرة في ظروف مختلفة، تدريجياً من التشوه المرن إلى التشوه اللدن. ولا توجد نقطة واحدة يمكن اختيارها على نحو يمكن الدفاع عنه بمجرد البحث عن انحناء في المنحنى. كما أن حد التناسب، الذي يحدد نهاية التناسب الصارم بين الإجهاد والانفعال، ليس تلقائياً هو مقاومة الخضوع. ويضع كتيب الأساسيات الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية حد التناسب، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر على منحنى هندسي نموذجي لفولاذ إنشائي، لكن هذه التسميات تمثل خواص متميزة.

وتكمن أهمية هذا التمييز في أن المنحنى قد يبدو ناعماً، مع أنه ينتج قيمة خضوع محددة رسمياً. ويسمح ASTM E8/E8M-21 بالإبلاغ استناداً إلى سلوك نقطة الخضوع عندما يكون ذلك السلوك موجوداً، ويستخدم إجراءات محددة عندما يكون غائباً. وبالمثل، يعرّف ISO 6892-1:2019 الخواص الميكانيكية التي يمكن الحصول عليها بالاختبار، لكن طريقته والمعلمة المختارة تتحكمان في النتيجة. ولا يستطيع الرسم البياني وحده إثبات أي تعريف استُخدم.

إجهاد الإثبات وإنشاءات الإزاحة

يوفر إجهاد الإثبات بديلاً قابلاً لإعادة الإنتاج عندما لا توجد نقطة خضوع واضحة. يسجل الاختبار منحنى التحميل، ثم يحدد الإجهاد الذي يُحدث انفعالاً دائماً محدداً بعد إزالة الحمل. ومن الإنشاءات الشائعة طريقة الإزاحة البالغة 0.2%: إذ يُرسم خط موازٍ للميل المرن الابتدائي بدءاً من انفعال مقداره 0.002، ويعطي تقاطعه مع المنحنى إجهاد الإثبات عند 0.2%، الذي يُكتب غالباً $R_{p0.2}$ في الاصطلاح المتبع في ISO. ويعتمد الرمز الدقيق، وقيمة الإزاحة، وتحديد الميل، وإجراء القبول، على المعيار ومواصفة المادة.

وهذا إنشاء اصطلاحي، وليس حدثاً فيزيائياً مفاجئاً عند انفعال مقداره 0.2% بالضبط. فإجهاد الإثبات عند 0.2% ومقاومة الخضوع الدنيا يجيبان عن سؤالين مختلفين. إذ يسأل الأول عن الإجهاد الموافق لمعيار محدد للانفعال المتبقي؛ بينما يحدد الثاني سمةً من سمات استجابة المادة الملحوظة للحمل. وقد يؤدي إطلاق اسم «مقاومة الخضوع» على كليهما ببساطة إلى إخفاء هذا الاختلاف.

ويوضح تقرير المكتب الوطني للمعايير حول إجهادات الإثبات في أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ والمعادن غير الحديدية سبب ضرورة تفسير نتائج الإثبات بعناية. فقد يغير التشوه اللدن السابق منحنى التحميل اللاحق، كما يمكن لعينة تُترك فترة من الزمن قبل إعادة تحميلها أن تُظهر إجهاد إثبات مختلفاً عن عينة اختُبرت بصورة متواصلة. ويؤثر الإجهاد الداخلي أيضاً في بدء التشوه الدائم الظاهري: إذ يمكن لإجهادات الشد والضغط المتبقية أن تجعل أحد الاتجاهين يبدأ الخضوع قبل الآخر. وبالتالي فإن إجهاد الإثبات المُبلَّغ عنه يتأثر بتاريخ العينة، وليس بتركيب السبيكة وحده.

وتضيف اختيارات القياس طبقة أخرى من التعقيد. فقد استخدمت تحقيقات NIST وفق ASTM A1008 معدلات انفعال متوسطة قدرها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$، مع استخدام الارتباط الرقمي للصور من أجل قياس الإزاحة والانفعال. وهذه اختبارات مختلفة مادياً، حتى عندما تبقى الدرجة الاسمية دون تغيير. وقد تشمل قراءة إزاحة رأس الاختبار مطاوعة الآلة والمقابض، في حين يقيس مقياس الانفعال المثبت على طول القياس أو نظام الارتباط الرقمي للصور كمية مختلفة.

التقسية بالتشوه، وفترات الاستراحة، والإجهاد الداخلي

بعد الجريان اللدن الأولي، يزداد تصلب الفولاذ عادةً بالتشوه؛ إذ يتطلب الانفعال اللدن الإضافي إجهاداً متزايداً لأن تفاعلات الانخلاعات ترفع مقاومة التشوه. ولذلك يرتفع المنحنى بعد هضبة الخضوع أو بعد تجاوز إجهاد الإثبات. وهذا الارتفاع ليس نقطة خضوع أخرى، بل هو إجهاد الجريان المتغير لمادة تغيرت بنيتها المجهرية وحالة إجهادها الداخلي بالفعل.

عند إزالة الحمل عن عينة تصلبت بالتشوه، يستعيد جزء من انفعالها، بينما يبقى الانفعال اللدن. وقد تتبع إعادة التحميل مساراً مرناً مزاحاً، ويمكن أن تنتج إجهاد إثبات ظاهرياً أعلى. وقد تتيح فترة الاستراحة حدوث عمليات استرجاع أو تغيرات مرتبطة بتقادم الانفعال، ولذلك لا يلزم أن تطابق الاستجابة اللاحقة استجابة إعادة التحميل الفورية. ويتعامل تقرير المكتب الوطني للمعايير حول إجهاد الإثبات مع هذه التأثيرات بوصفها متغيرات تجريبية أساسية، لا اضطرابات بسيطة.

ولهذا فإن القول إن «الفولاذ A له مقاومة خضوع أعلى من الفولاذ B» لا يكون ذا معنى إلا عندما تشترك القيمتان في معيار الاختبار، ودرجة الحرارة، ومعدل الانفعال، وهندسة العينة، وتعريف طول القياس، ومعيار الخضوع. فعلى سبيل المثال، يعرض تقرير NIST عن الفولاذ الإنشائي منحنيات عند معدلات انفعال عالية لفولاذ أعمدة محيطية محدد بمقاومة خضوع قدرها 50 ksi؛ ولا يجعل هذا التعيين القيمة قابلة للتبادل مع إجهاد إثبات عند 0.2% قيس في اختبار بطيء. فالخضوع هو تعريف مُبلَّغ عنه يُطبَّق على استجابة مقاسة. ومن دون كلا الجزأين، يكون الرقم ناقصاً.

المنحنيات الهندسية مقابل منحنيات الإجهاد–الانفعال الحقيقية

لا يبيّن مخطط اختبار الشد خاصيةً ماديةً واحدةً بديهيةً بذاتها. إذ يعتمد شكله جزئيًا على كيفية تحويل القوة والاستطالة وأبعاد العينة إلى إجهاد وانفعال. يغطي المعيار ASTM E8/E8M-21 اختبار الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، وتحديد مقاومة الخضوع، والاستطالة عند نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. ويحدّد المعيار ISO 6892-1:2019 طريقةً مماثلةً لاختبار الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، كما يعرّف الخواص الميكانيكية المستخلصة منه. ولا يلغي أيٌّ من المعيارين ضرورةَ بيان اصطلاح الإجهاد–الانفعال المستخدم.

يُحسب الإجهاد الهندسي بقسمة القوة المطبقة على مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

ويستخدم الانفعال الهندسي طول القياس الأصلي:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

ترد هذه التعريفات في مراجع تعليمية من جامعة Michigan Technological University وGeorgia Tech، حيث تكتب Georgia Tech الإجهاد الهندسي على صورة $F/A_0$، والانفعال الهندسي على صورة $(l-l_0)/l_0$. وقد تصبح العينة أرقّ وأطول بكثير أثناء الاختبار، لكن الحساب الهندسي يستمر في استخدام $A_0$ و$L_0$. ويجعل هذا الاختيار مقارنةَ النتائج سهلة، شريطة الإبلاغ أيضًا عن هندسة العينة، وطول القياس، والمعيار، وإجراء الاختبار.

لماذا يمكن أن ينخفض الإجهاد الهندسي بعد بدء التشكّل العنقي

قبل التشكّل العنقي، يكون التشوه متجانسًا تقريبًا على امتداد طول القياس. ويحمل المقطع المخفّض بأكمله الحمل، كما يمكن للتصلّد بالتشوه اللدن أن يزيد القوة اللازمة لمواصلة الاستطالة. وعلى المنحنى الهندسي، يؤدي ذلك إلى ارتفاع الإجهاد بعد الخضوع إلى أن يبلغ الحمل قيمته القصوى. وتعطي قسمة هذا الحمل الأقصى على $A_0$ مقاومةَ الشد القصوى الهندسية، التي تُسمّى غالبًا مقاومة الشد أو المقاومة القصوى.

يغيّر التشكّل العنقي نمط التشوه. إذ تبدأ منطقة موضعية بالانكماش بسرعة أكبر من بقية طول القياس، فتتكوّن عند العنق مساحة مقطع عرضي أصغر. وبعد هذه النقطة، لا تعود العينة تتشوه بصورة متجانسة. ويستمر التصلّد بالتشوه في رفع إجهاد الجريان المحلي، لكن تقلّص المساحة قد يخفض الحمل الكلي بسرعة تفوق الزيادة في الإجهاد اللازم لتشويه المادة الناتجة عن التصلّد. وبما أن آلة الاختبار تسجّل الحمل، ولأن الإجهاد الهندسي يساوي ببساطة الحمل مقسومًا على $A_0$ الثابتة، فإن الإجهاد الهندسي المرسوم ينخفض.

ولا يعني هذا الانخفاض أن التشوه قد توقف أو أن المادة فقدت فجأةً كل مقاومتها للجريان اللدن الموضعي. بل يعني أن الحمل الكلي الذي تحمله العينة قد انخفض. وقد تظل المادة المحلية داخل العنق تتعرض لإجهاد وانفعال متزايدين. ويحدّد كتيّب أساسيات وزارة الطاقة الأمريكية حدَّ التناسب، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر على منحنى نموذجي للإجهاد–الانفعال الهندسي للفولاذ الإنشائي؛ ولذلك فإن الفرع الهابط بين المقاومة القصوى والكسر هو سمة من سمات التمثيل المختار، وليس خريطةً مباشرةً لسلوك المادة المتجانس في كل موضع من العينة.

ويكتسب هذا التمييز أهميةً عند مقارنة أنواع الفولاذ أو الاختبارات. فالفولاذ ذو مقاومة الشد القصوى الهندسية الأعلى لا يتحمل تلقائيًا إجهادًا محليًا أعلى في كل مرحلة من مراحل التشوه بعد التشكّل العنقي. كما تعتمد النتيجة على المساحة الأصلية، وشكل العينة، وطول القياس، ومعدل التحميل، والمحاذاة، والموضع الذي يُقاس عنده الانفعال.

المساحة الآنية والإجهاد الحقيقي

يستخدم الإجهاد الحقيقي المساحة التي تحمل الحمل في تلك اللحظة:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}=\frac{F}{A_i}$$

حيث إن $A_i$ هي مساحة المقطع العرضي الآنية. ويُعرَّف الانفعال الحقيقي عادةً بدمج الاستطالة التفاضلية على طول الطول الحالي:

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln \left(\frac{L}{L_0}\right)$$

وعند حدوث تشوه متجانس، يمكن الربط بين الكميات الهندسية والحقيقية بواسطة:

$${\sigma }_{\mathrm{true}}={\sigma }_{\mathrm{eng}}(1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

و

$${\epsilon }_{\mathrm{true}}=\ln (1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}})$$

ولا تكون هذه التحويلات مفيدة إلا ما دام التشوه متجانسًا بدرجة كافية، وما دامت الافتراضات المطلوبة سارية. وهي ليست تصحيحًا عامًا لكل نقطة بعد التشكّل العنقي.[4][4] Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. Massachusetts Institute of Technology. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004.

يميّز مرجع مختبر مواد الهندسة المدنية في MIT لعام 2004 صراحةً بين مقاومة الشد المستخلصة من منحنى الإجهاد–الانفعال الهندسي ومقاومة الشد الحقيقية التي تأخذ في الحسبان انخفاض مساحة المقطع العرضي. وقد يكون الفرق كبيرًا بالقرب من الكسر، لأن مساحة العنق المحلية قد تكون أصغر بكثير من $A_0$. فإذا أثرت قوة مقدارها 20 kN على مساحة أصلية قدرها $100{\text{mm}}^2$، فإن الإجهاد الهندسي يساوي 200 MPa. وإذا كانت مساحة العنق الفعلية في تلك اللحظة $50{\text{mm}}^2$، فإن الإجهاد الحقيقي المحلي الاسمي المستند إلى تلك المساحة يساوي 400 MPa. ويصف الرقمان القوة نفسها، لكن باستخدام تعريفين مختلفين للمساحة.

وليس قياس $A_i$ أمرًا بسيطًا. فقد يقيس مقياس الاستطالة متوسط الاستطالة على امتداد طول قياس، في حين يستطيع الارتباط الرقمي للصور تحديد مجالات الإزاحة والانفعال المحلية. وفي عمله على فولاذ ASTM A1008، أبلغ NIST عن إجراء اختبارات عند معدلات انفعال متوسطة قدرها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$، مع استخدام الارتباط الرقمي للصور لقياس الإزاحة والانفعال. ومن ثم، فإن المنحنى الظاهري يعكس استجابة المادة وطريقة القياس المختارة ومعدل الانفعال في آنٍ واحد.

التشوه المتجانس والتشكّل العنقي وتفسير ما بعد التشكّل العنقي

يكون التحويل التقليدي من بيانات الإجهاد–الانفعال الهندسية إلى الحقيقية أكثر قابليةً للدفاع عنه خلال التشوه المتجانس وحتى بدء التشكّل العنقي. ويمثّل الحمل الهندسي الأقصى بدايةَ التشكّل العنقي المنتشر المعتادةً تحت تحميل الشد، رغم أن السلوك المحلي وبنية المادة قد يعقّدان هذا التفسير. وقبل هذه النقطة، يمكن لمساحة واحدة وقياس واحد لطول القياس أن يمثّلا بصورة معقولة جزءًا كبيرًا من العينة الفعّالة.

بعد بدء التشكّل العنقي، يصبح مجال التشوه متمركزًا بدرجة كبيرة. ويتغير المقطع العرضي على امتداد العنق، ويتطور تقوّس على السطح، ولا تعود حالة الإجهاد أحادية المحور تمامًا. وقد تتعرض المادة القريبة من العنق لإجهادات عرضية إلى جانب الإجهاد المحوري. ولذلك، فإن ضرب الإجهاد الهندسي في $1+{\epsilon }_{\mathrm{eng}}$ بعد الحمل الأقصى لا يستعيد منحنى موثوقًا للإجهاد الحقيقي المحلي.

ويتطلب التحويل بعد التشكّل العنقي بيانات مناسبة عن الهندسة والتشوه المحليين؛ مثل القطر أو المساحة الدنيا المتغيرة للعنق، وقياسات الانفعال المحلية، وعند الحاجة، تصحيحًا لتقوّس العنق وحالة الإجهاد ثلاثية المحاور الناتجة عنه. ويمكن لقياس مساحة الكسر أن يدعم حسابات نقصان المساحة، لكنه لا يعيد بناء التاريخ الكامل لما بعد التشكّل العنقي. ولذلك، فإن الاستخدام الآلي لمعادلات التشوه المتجانس قد يُسند قيمًا مضللةً من الناحية الفيزيائية إلى الفرع الهابط.

ينبغي أن تبيّن التقارير ما إذا كانت المنحنيات هندسية أم حقيقية، وكيف قِيست المساحة والانفعال، والموضع الذي تصبح فيه افتراضات التجانس غير صالحة بسبب التشكّل العنقي. وتكتسب هذه الدقة أهميةً خاصة عند مقارنة النتائج التقليدية عند درجة حرارة الغرفة بالبيانات ذات المعدل العالي؛ فعلى سبيل المثال، يعرض تقرير لـ NIST عن الفولاذ الإنشائي منحنيات لمعدلات انفعال عالية لفولاذ أعمدة محيطية ذي مقاومة خضوع محددة قدرها 50 ksi. فتسمية المنحنى ليست إلا البداية؛ إذ تحدد تعريفاته وظروف الاختبار معنى الأرقام المرسومة.

كيف يغيّر معدل الانفعال الاستجابة المبلّغ عنها للفولاذ

معدل الانفعال هو السرعة التي تتشوه بها عيّنة الشد، ويُعبَّر عنه عادةً بالثواني العكسية (s⁻¹). وينبغي إدراجه إلى جانب درجة الفولاذ، وهندسة العيّنة، ودرجة الحرارة، واصطلاح الإجهاد–الانفعال في أي وصف للاختبار. فالمنحنى المقاس عند ${10}^{-5}{\text{s}}^{-1}$ لا يمكن اعتباره تلقائياً قابلاً للتبادل مع منحنى مقاس عند ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$، حتى عندما تكون كلتا العيّنتين مستخرجتين من الصهرة الفولاذية نفسها.

والسبب فيزيائي وإجرائي على حد سواء. فالتشوه اللدن يتطلب حركة الانخلاعات، وتتفاعل هذه الحركة مع الزمن المتاح لتجاوز العوائق، ولتطور تركّزات الإجهاد المحلية، ولانتشار التشوه عبر طول القياس. ولذلك يمكن أن يتغير المنحنى المبلّغ عنه في منطقة الخضوع، وميله بعد الخضوع، ومقاومته القصوى للشد، وليونته الظاهرية. ويجب تحديد مقدار كل تغير للمادة وظروف الاختبار المعنية؛ ولا ينبغي التعامل معه بوصفه نسبة مئوية عامة تنطبق على جميع أنواع الفولاذ.

سلسلة معدلات الانفعال لفولاذ ASTM A1008 لدى NIST

اختبرت NIST فولاذ ASTM A1008 عند متوسطات لمعدل الانفعال مقدارها 10^-5 و10^-3 و10^-1 s^-1. Strong evidence

تجعل دراسة أجراها المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) المقارنة ملموسة باستخدام فولاذ ASTM A1008. أُجريت الاختبارات عند معدلات انفعال متوسطة قدرها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$. وتمتد هذه المعدلات عبر أربعة مراتب عشرية، رغم أن تسميات الاختبار تتضمن ثلاث حالات منفصلة وليست قانوناً مادياً مستمراً. وتوضح البيانات الناتجة سبب عدم اكتمال تعليق المنحنى الذي يغفل معدل الانفعال.

تمثل الحالة الأبطأ تشوهاً تراكم على مدى زمني طويل نسبياً، في حين يفرض المعدل ${10}^{-1}{\text{s}}^{-1}$ التشوه بسرعة أكبر بكثير. ولا يقتصر التغير على إزاحة أفقية في الرسم البياني. فقد ينتقل بدء الخضوع والاستجابة اللاحقة للجريان، كما قد يتغير شكل المنحنى عندما يصبح الانفعال اللدن أكثر تمركزاً. وبالتالي قد تختلف مقاومة الخضوع المبلّغ عنها عند أحد المعدلات عن قيمة جرى الحصول عليها عند معدل آخر، حتى عند استخدام حساب الإجهاد الهندسي نفسه.

استخدم NIST أيضاً الارتباط الرقمي للصور (DIC) لقياس الإزاحة والانفعال. وهذه التفاصيل مهمة. إذ تتضمن إشارة إزاحة العارضة المتقاطعة مطاوعة الآلة، وقد تتضمن تشوهاً خارج مقطع القياس المقصود؛ بينما يستطيع DIC قياس الإزاحة السطحية المحلية والكشف عن تركّز الانفعال. ولذلك قد يبلّغ مختبران عن منحنيات انفعال مختلفة المظهر لأنهما قاسا كميات فيزيائية مختلفة، وليس لأن الفولاذ تصرف بصورة مختلفة.

وتظل التعريفات الهندسية المعتادة مهمة. فالإجهاد الهندسي هو الحمل مقسوماً على مساحة المقطع العرضي الابتدائية للعيّنة، $F/A_0$، والانفعال الهندسي هو التغير في طول القياس مقسوماً على طول القياس الابتدائي، $(l-l_0)/l_0$، وفقاً لما توضحه Georgia Tech وMichigan Technological University. ولا تزيل هذه التعريفات الاعتماد على معدل الانفعال؛ وإنما تحدد فقط كيفية تحويل الحمل والإزاحة المقاسين إلى إحداثيات مرسومة بيانياً.

حساسية المعدل في سلوك الخضوع والجريان

يُعد الخضوع حساساً بصفة خاصة لطريقة إجراء الاختبار وتفسيره. يغطي ASTM E8/E8M-21 اختبارات الشد عند درجة حرارة الغرفة وتحديد مقاومة الخضوع، واستطالة نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. وقد تُستخلص قيمة الخضوع من نقطة خضوع مميزة، أو منصة خضوع، أو طريقة الإزاحة، تبعاً لاستجابة المادة وإجراء الإبلاغ. فإذا غيّر معدل الانفعال الانتقال من التشوه المرن إلى التشوه اللدن، فقد يتغير مقياس الخضوع المختار حتى قبل النظر في منحنى الجريان اللاحق.

بعد الخضوع، يمكن أن يؤثر معدل الانفعال في الإجهاد اللازم لاستمرار الجريان اللدن. ففي اختبار أسرع، قد تتطلب العيّنة إجهاداً أعلى عند انفعال لدن معين مقارنةً باختبار أبطأ. وتصف هذه العبارة نوع الاستجابة المدروسة في سلسلة NIST لفولاذ ASTM A1008، ولا تمثل قاعدة ثابتة لكل درجة فولاذ أو درجة حرارة أو مجال معدلات. وقد يختلف التأثير أيضاً عبر المنحنى؛ فالتغير المحدود قرب الخضوع لا يتنبأ بالتغير في الجريان المنتظم أو الترقق أو انفعال الكسر.

ويضيف موضع القياس مصدراً آخر للحساسية الظاهرية لمعدل الانفعال. فإذا جرى حساب متوسط الانفعال على طول قياس كبير، فقد يُخفَّف أثر العنق الموضعي في الانفعال المبلّغ عنه. أما إذا تتبع DIC منطقة أصغر، فيظهر التمركز في وقت أبكر وبشدة أكبر. ويستخدم الإجهاد الهندسي أيضاً المساحة الأصلية، ولذلك لا يُظهر الفقدان الآني في المساحة أثناء الترقق. ويميّز MIT بين مقاومة الشد الهندسية هذه ومقاومة الشد الحقيقية، التي تراعي النقصان في مساحة المقطع العرضي. ومن ثم يجب قراءة المعدل، وتعريف الانفعال، واصطلاح المساحة معاً.

الاختبارات شبه الساكنة مقابل بيانات معدلات الانفعال العالية

تُعد معظم اختبارات الشد العادية عند درجة حرارة الغرفة شبه ساكنة. ويحدد ASTM E8/E8M-21 وISO 6892-1:2019 طرائق الاختبار عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، لكن الطريقة القياسية لا تجعل كل نتيجة مستقلة عن معدل الانفعال. إذ تظل سرعة الاختبار، وطريقة التحكم في معدل الانفعال، وطول القياس، ونظام مقياس الاستطالة أو DIC، وتعريف الخاصية المختار، عوامل تؤثر في الاستجابة المبلّغ عنها.

ويُعد اختبار المنشآت عند معدلات الانفعال العالية مقارنةً مختلفة. إذ يعرض تقرير لـ NIST عن الفولاذ الإنشائي منحنيات إجهاد–انفعال شد عند معدلات انفعال عالية لفولاذ أعمدة محيطية ذي مقاومة خضوع محددة قدرها 50 ksi. وتتناول هذه المنحنيات ظروف تحميل بعيدة كل البعد عن اختبار شد مخبري اعتيادي. ويتمثل غرضها في وصف استجابة الفولاذ تحت تشوه سريع ذي صلة بتحليل الأحداث الإنشائية، وليس استبدال منحنى تأهيل عند درجة حرارة الغرفة.

ولا ينبغي وضع منحنى شبه ساكن فوق مجموعة البيانات ذات المعدل العالي وقراءته بوصفه ترتيباً بسيطاً للمقاومة. فقد تختلف العيّنات، ومعدلات التحميل، وأجهزة القياس، وربما إجراءات معالجة المنحنيات. وحتى عندما يستخدم كلا الرسمين الإجهاد الهندسي والانفعال الهندسي، فإن تطابق المحورين لا يعني تطابق التجربة.

والقاعدة العملية صارمة: لا تُقارن المنحنيات إلا عندما تكون معدلات الانفعال متطابقة، أو تُذكر المعدلات بوضوح وتُناقش الفروق باعتبارها جزءاً من النتيجة. فقيمة الشد من دون معدلها تمثل قياساً جزئياً.

قياس الانفعال: إزاحة الرأس المتحرك، ومقاييس الانفعال، والارتباط الرقمي للصور

لا تقيس آلة الشدّ الانفعال مباشرةً ما لم يُركَّب فيها جهاز لقياس الانفعال أو تُستخدم طريقة بصرية. ويكون قياسها الأساسي هو القوة، في حين يسجّل الرأس المتحرك المسافة التي يقطعها الجزء المتحرك من الآلة. ويمكن تحويل هذه المسافة إلى انفعال ظاهري، لكنها لا تمثل تلقائياً استطالة الجزء الفولاذي ذي طول القياس.

انفعال طول القياس وإزاحة الآلة

يُعرَّف الانفعال الهندسي انطلاقاً من طول قياس محدد:

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0}$$

حيث إن $L_0$ هو طول القياس الابتدائي، و$L$ هو المسافة الحالية بين علامتي القياس. ويُستخدم المقطع العرضي الابتدائي في حساب الإجهاد الهندسي:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}$$

تَرِد هذه التعريفات في المراجع التعليمية الصادرة عن جامعة ميشيغان التكنولوجية وGeorgia Tech، حيث يُكتب الإجهاد الهندسي على صورة $F/A_0$، والانفعال الهندسي على صورة $(L-L_0)/L_0$. ويكتسب طول القياس المحدد أهمية كبيرة. إذ يعمل طول القياس الأكبر على حساب متوسط التشوه عبر كمية أكبر من المادة، وينتج عادةً استطالة مُبلَّغاً عنها تختلف عن تلك الناتجة من طول قياس أقصر، ولا سيما بعد بدء تشكّل العنق.

تشمل إزاحة الرأس المتحرك ما هو أكثر من استطالة العينة. فجزء من الحركة ينتج عن التشوه المرن لإطار التحميل، والمقابض، والتجهيزات الملولبة، وخلية الحمل، وغيرها من مكوّنات الآلة. ويمكن لمطاوعة هذا النظام أن تجعل الانفعال المحسوب أكبر من اللازم إذا قُسمت قراءة الرأس المتحرك مباشرةً على طول قياس العينة. كما يضيف استقرار المقبضين وانزلاقهما مصدراً آخر للاستطالة الظاهرية. وحتى الحركة الصغيرة عند الفكين قد تؤثر بوضوح في عينة قصيرة أو في الجزء الأول منخفض الانفعال من المنحنى.

ويؤدي المحاذاة دوراً في تغيير النتيجة أيضاً. فقد يجعل الانحناء الناجم عن التحميل اللامركزي أحد جانبي العينة يستطيل أكثر من الجانب الآخر، في حين يمكن للاحتكاك أو التثبيت غير المتساوي أن يعيدا توزيع الإجهاد بالقرب من الكتفين. ولذلك قد تسجّل الآلة منحنى سلساً للقوة مقابل الإزاحة حتى عندما لا يتشوه الجزء ذو طول القياس بشكل منتظم. وتحدّ مقاييس الانفعال من هذه المشكلات من خلال قياس المسافة بين نقطتين على العينة نفسها. ومع ذلك، لا بد من ضبط طول القياس، وطريقة التثبيت، وفئة الدقة، وموضع إزالة المقياس.

يغطي ASTM E8/E8M-21 اختبار الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، ويتناول مقاومة الخضوع، والاستطالة عند نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. ويحدد ISO 6892-1:2019 طريقة اختبار شد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، كما يعرّف الخصائص التي يمكن الحصول عليها منها. ولا يحوّل أيٌّ من المعيارين مسافة حركة الرأس المتحرك إلى قيمة انفعال عامة صالحة في جميع الحالات؛ إذ تظل الخاصية المُبلَّغ عنها مرتبطة بهندسة العينة، وتعريف طول القياس، وإعداد الاختبار، وإجراء القياس.

وتصبح هذه التفرقة حاسمة بعد بلوغ مقاومة الشد القصوى. إذ يواصل الإجهاد الهندسي استخدام $A_0$، رغم تقلص مقطع العينة. وتُميّز ملاحظات مختبر المواد في MIT لعام 2004 بين مقاومة الشد الهندسية هذه ومقاومة الشد الحقيقية، التي تأخذ في الحسبان تغيّر مساحة المقطع العرضي. كما تصبح إزاحة الرأس المتحرك وصفاً ضعيفاً للتشوه الموضعي بعد تشكّل العنق، لأن الاستطالة تتركز في منطقة صغيرة بدلاً من توزعها بانتظام على طول القياس.

الارتباط الرقمي للصور في دراسة NIST

استخدم المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، في دراسته لفولاذ ASTM A1008، الارتباط الرقمي للصور (DIC) لقياس الإزاحة والانفعال. ويتتبع الارتباط الرقمي للصور حركة نمط سطحي سُجِّل في صور متعاقبة. ويقارن البرنامج مناطق صغيرة من الصور، تُسمى غالباً مجموعات فرعية، ويحسب إزاحتها بين الإطارات؛ وتوفّر المشتقات المكانية لتلك الإزاحات حقول الانفعال.

وتختلف هذه الطريقة عن قراءة واحدة لمقياس الانفعال. فمقياس الانفعال يعطي التغير في المسافة بين نقطتين محددتين، في حين يستطيع الارتباط الرقمي للصور حساب الإزاحة عند نقاط عديدة على سطح العينة المرئي. وفحصت دراسة NIST معدلات انفعال متوسطة مقدارها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. وبما أن كلاً من معدل الانفعال وتقنية القياس يؤثران في الاستجابة المسجَّلة، فلا ينبغي التعامل مع المنحنيات الناتجة على أنها ترتيب للمواد مستقل عن شروط الاختبار.

ولا يحل الارتباط الرقمي للصور محل قياس القوة الذي تجريه آلة الشد. إذ تظل القوة مستمدة من خلية الحمل، كما يتطلب حساب الإجهاد تعريفاً للمساحة. وبدلاً من ذلك، يوفّر الارتباط الرقمي للصور قياساً مكانياً للتشوه يمكن إقرانه بالقوة لتحديد موضع استطالة العينة أو خضوعها أو تركز الانفعال فيها. وهو أسلوب يُستخدم في دراسات محددة، بما في ذلك دراسة NIST لفولاذ ASTM A1008، وليس اشتراطاً بأن يستخدم كل اختبار شد وفق ASTM التصوير البصري.

حقول الانفعال الموضعية بالقرب من تشكّل العنق والكسر

قبل الخضوع، قد يكون الانفعال شبه منتظم على طول جزء ذي طول قياس ومحاذاة جيدة. وقد يظل التشوه اللدن موزعاً على نطاق واسع لبعض الوقت، ولا سيما في عينة ذات هندسة مستقرة وحالة سطحية مناسبة. ثم يصبح التشوه غير منتظم. إذ يتشكل عنق، وتنخفض مساحة المقطع العرضي الموضعية، ويرتفع الانفعال الموضعي بسرعة أكبر من متوسط الانفعال على طول القياس.

ويعطي مقياس الانفعال التقليدي متوسطاً على طول القياس الخاص به. وقد يخفي هذا المتوسط شريطاً ضيقاً يحدث فيه معظم الامتداد اللدن. ويكشف الارتباط الرقمي للصور هذا التغير مباشرةً: إذ تُظهر خرائط الانفعال المحوري بدء التوضع، وحركته أو نموه، والتركيز الحاد حول العنق. وبالقرب من الكسر، قد يتغير الحقل بشدة عبر مسافات أصغر بكثير من طول القياس الأصلي. ولذلك فإن الاستطالة النهائية المقاسة بعد إعادة تركيب نصفي العينة المكسورة لا تعادل الانفعال الموضعي عند سطح الكسر.

وتفسر هذه التفرقة أيضاً سبب إمكانية هبوط المنحنى بعد مقاومة الشد القصوى الهندسية، في حين تواصل المادة القريبة من العنق التصلب. إذ ينخفض الحمل لأن نقصان المساحة يتجاوز الزيادة في إجهاد الجريان الموضعي. ويتطلب تفسير الإجهاد الحقيقي معرفة المساحة المتغيرة، في حين يساعد القياس البصري الكامل للحقل على إظهار موضع حدوث نقصان المساحة وتركيز الانفعال. ويضع المنحنى النموذجي للفولاذ الإنشائي الصادر عن وزارة الطاقة الأمريكية تسميات للحد التناسبي، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر، لكن هذه المعالم لا تكتسب معناها إلا عند تعريف قياسات الإزاحة والمساحة التي تستند إليها.

هندسة العينة، والمعايير، ومصادر تشتّت نتائج الاختبار

يمثل منحنى الشد جزئيًا سجلًا للعينة ولإعداد الاختبار، وليس لسبيكة الفولاذ وحدها. فقد يختبر مختبران فولاذًا كربونيًا 1018 متماثلًا اسميًا، ثم يبلّغان عن إجهادات مختلفة للخضوع أو الإجهاد الأقصى أو الكسر إذا استخدما قياسات مختلفة للمقطع العرضي، أو أطوال قياس مختلفة، أو معدلات انفعال مختلفة، أو طرقًا مختلفة لاكتشاف التشوه. وتوضح تجربة جامعة سيراكيوز على الفولاذ الكربوني 1018 هذه النقطة باستخدام عينات شد مسطحة وفق ASTM لتحديد إجهاد الخضوع، والإجهاد الأقصى، وإجهاد الكسر. ولا تكون هذه القيم ذات معنى إلا عند إرفاق أبعاد العينة واصطلاحات الحساب بها.

يغطي المعيار ASTM E8/E8M-21 اختبار الشد عند درجة حرارة الغرفة للمواد المعدنية، وتحديد مقاومة الخضوع، والاستطالة عند نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. ويحدد المعيار ISO 6892-1:2019 طريقة اختبار شد عند درجة حرارة الغرفة، كما يعرّف الخواص الميكانيكية التي يمكن الحصول عليها منه. ويرتبط المعياران أحدهما بالآخر، غير أن النتيجة المعرّفة فقط بأنها «مقاومة شد وفق ASTM» أو «استطالة وفق ISO» تظل ناقصة ما لم تُذكر أيضًا فئة العينة وأبعادها ومعدل الاختبار وطريقة الإبلاغ عن النتائج.

العينات المسطحة وفق ASTM وأبعاد طول القياس

تتكون العينة المسطحة وفق ASTM من جسم عريض، وجزء مختزل للقياس، ونهايات مكبّرة للإمساك بها. ويُفترض أن يحتوي الجزء المختزل على موضع الكسر، في حين تحد أنصاف أقطار الانتقال من تركّز الإجهاد بين طول القياس والكتفين. وتختلف التكوينات القياسية والمصغّرة في العرض والسُّمك وطول القياس وأبعاد النهايات. وتستخدم إحدى الهندسات المسطحة الشائعة وفق ASTM طول قياس يبلغ 50 mm وعرض قياس يبلغ 12.5 mm، لكن لا يجوز افتراض هذا البعد لكل عينة. وينبغي الاحتفاظ بالهندسة المسطحة المعلنة وفق ASTM في تجربة سيراكيوز مع نتائجها، بدل استبدالها بوصف عام من قبيل «عينة على شكل عظمة الكلب».

لا يساوي طول القياس الطول الكلي لشريط المعدن. فهو الطول الابتدائي المحدد بالعلامات أو بجهاز قياس الاستطالة، والذي يُحسب على امتداده الانفعال الهندسي. والانفعال الهندسي هو

$${\epsilon }_{\mathrm{eng}}=\frac{L-L_0}{L_0},$$

حيث يمثّل $L_0$ طول القياس الابتدائي. ويؤدي طول القياس الأطول عمومًا إلى توزيع التشوه المقاس على كمية أكبر من المادة، وقد ينتج عنه انخفاض نسبة الاستطالة المبلّغ عنها عندما تهيمن المنطقة المتضيقة على التشوه النهائي. ولذلك، لا يكون لعبارة «استطالة بنسبة 18%» معنى واضح من دون تحديد أساس طول القياس.

ويؤثر سُمك العينة وعرضها أيضًا في النتيجة. فأي خطأ صغير في أي من البعدين يغيّر المساحة الابتدائية المحسوبة، ومن ثم يغيّر كل قيمة من قيم الإجهاد الهندسي. وقد تؤدي آثار التشغيل، والنتوءات، والشقوق الحافية، وفرط التسخين، والتشوه اللدن المتبقي الناجم عن التشغيل على البارد، والتآكل إلى بدء الكسر قبل الأوان. وقد لا تتطابق عينة مقطوعة عرضيًا بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة مع عينة مقطوعة طوليًا، لأن الدرفلة تغيّر النسيج وتوزيع الشوائب والعيوب.

قياس المساحة، والمحاذاة، والإمساك

يستخدم الإجهاد الهندسي المساحة الأصلية للمقطع العرضي:

$${\sigma }_{\mathrm{eng}}=\frac{F}{A_0}.$$

وهذا هو الاصطلاح الموضح من جانب جامعة ميشيغان التكنولوجية وجامعة جورجيا التقنية، حيث تُقاس $A_0$ قبل التحميل. وينبغي تحديد المساحة الابتدائية عند جزء القياس، باستخدام أدوات معايرة وقيم مسجلة للسُّمك والعرض، بدلًا من أبعاد الرسم الاسمية. وإذا كانت العينة مخروطية أو ملتوية أو ناقصة الأبعاد موضعيًا، فقد يخفي القياس في موضع واحد فقط الجزء المتحكم في النتيجة. وتوفر القياسات المتعددة على امتداد طول القياس وسيلة للتحقق.

وتتسم المحاذاة بالأهمية نفسها. وينبغي أن يتطابق الخط المركزي للعينة مع محور التحميل. إذ تؤدي عدم المحاذاة الزاويّة أو عملية الإمساك غير المتساوية إلى إدخال انحناء، بحيث يحمل أحد الطرفين إجهادًا أكبر من الآخر. وقد يُظهر المنحنى الناتج خضوعًا أو كسرًا قبل الأوان، رغم أن متوسط حمل الآلة يبدو معقولًا. ويجب أن تمسك أجهزة الإمساك بالنهايات المكبّرة من دون انزلاق أو سحق أو ترك علامات على الجزء المختزل. وقد تتسبب أجهزة الإمساك المسننة في إتلاف عينة مسطحة رقيقة؛ كما قد يؤدي عدم كفاية قوة التثبيت إلى إزاحة يفسرها جهاز قياس الاستطالة على أنها انفعال.

وينبغي أن يحدد سجل الاختبار جهاز قياس الاستطالة أو طريقة قياس الإزاحة، وطول القياس الخاص به، ونقطة إزالته عند الاقتضاء. واستخدم اختبار NIST للفولاذ ASTM A1008 تقنية الارتباط الرقمي للصور، وفحص متوسطات معدلات انفعال مقدارها ${10}^{-5}$، و${10}^{-3}$، و${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$. ويُعد تغيّر المعدل وتغيّر طريقة القياس جزءًا من التجربة المبلّغ عنها، وليس مجرد تفاصيل خلفية تخص المختبر. فلا يمكن مقارنة فولاذ إنشائي ذي إجهاد خضوع محدد يبلغ 50 ksi، اختُبر عند معدل انفعال مرتفع كما هو موثق في تقرير NIST عن الفولاذ الإنشائي، مباشرةً بمنحنى مختبري بطيء من دون بيان هذا الاختلاف.

الاستطالة ونقصان المساحة بعد الكسر

تُحسب الاستطالة عادةً بعد الكسر، وذلك بضم القطعتين المكسورتين إحداهما إلى الأخرى وقياس المسافة النهائية بين علامتي القياس:

$$A=\frac{L_f-L_0}{L_0}\times 100\%.$$

وهذه هي الاستطالة الكلية على امتداد طول القياس المحدد. وهي تشمل الاستطالة المنتظمة قبل التضيق، والاستطالة الموضعية داخل منطقة التضيق. وقد تتمدد المنطقة المحلية القريبة من الكسر بدرجة كبيرة، في حين تتمدد أجزاء من طول القياس بدرجة طفيفة جدًا. ولذلك يلتقط طول القياس القصير قدرًا أكبر من التشوه المتضيق، وقد يسجل نسبة أعلى من طول قياس أطول للعينة المكسورة نفسها.

ويقيس نقصان المساحة انكماش مساحة المقطع العرضي في منطقة التضيق:

$$\mathrm{RA}=\frac{A_0-A_f}{A_0}\times 100\%,$$

حيث تمثّل $A_f$ أصغر مساحة عند الكسر. وليس هذا اسمًا آخر للاستطالة. فقد تُظهر عينة 1018 المطيلة نقصانًا كبيرًا في المساحة، حتى عندما تختلف استطالتها المقاسة على أساس طول القياس عن استطالة واردة في تقرير آخر.

وينبغي كذلك تحديد أساس حساب إجهاد الكسر في تجربة سيراكيوز؛ ويكون ذلك عادةً بقسمة حمل الكسر على المساحة الأصلية إذا كانت القيمة هندسية. أما إجهاد الكسر الحقيقي فيستخدم المساحة المنخفضة عند منطقة التضيق. ويميز معهد MIT بين مقاومة الشد المستمدة من منحنى هندسي ومقاومة الشد الحقيقية التي تأخذ في الحسبان انخفاض مساحة المقطع العرضي. ولذلك ينبغي أن يذكر كل سجل اختبار طول القياس، و$A_0$، والمساحة النهائية عند استخدامها، وموضع الكسر، وطريقة قياس الانفعال، وما إذا كان الإجهاد والانفعال كميتين هندسيتين أم حقيقتين.

كيفية الإبلاغ عن نتائج اختبار الشد للفولاذ ومقارنتها

لا تكون منحنيات الشد قابلة للمقارنة إلا بقدر قابلية المعلومات المرفقة بها للمقارنة. فقد يخفي المخطط الذي يبيّن الإجهاد مقابل الانفعال اختلافات في شكل العينة، وطول القياس، وسرعة الاختبار، وموضع مقياس التمدد، واصطلاح تعريف الإجهاد. وقد تغيّر هذه الاختلافات نقطة الخضوع الظاهرية، وارتفاع قمة مقاومة الشد، والاستطالة المبلّغ عنها، من دون أن يطرأ أي تغير على الفولاذ نفسه.

الحد الأدنى من المعلومات المرافقة للمنحنى

ينبغي أن يحدّد كل منحنى تصنيف الفولاذ بدقة كما ورد أو كما تم تحديده، مثل ASTM A1008 أو ASTM A36 أو SAE J403 1018 أو EN 1.4301. كما أن شكل المنتج مهم؛ فالصفائح الرقيقة، والصفائح السميكة، والقضبان، والأسلاك، والأنابيب، أو العينة المشغّلة آليًا المأخوذة من منتج ملحوم، لا تُظهر بالضرورة الاستجابة نفسها. سجّل تعريف الصهيرة أو التشغيلة حيثما كان متاحًا، إلى جانب السمك أو القطر، وحالة السطح، وأي معالجة حرارية.

اذكر اتجاه العينة بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة أو الحدادة أو البثق أو اللحام. فمصطلحا «طولي» و«عرضي» ليسا تسميتين قابلتين للتبادل. أدرج هندسة العينة: مقطع مسطح أو دائري، والعرض، والسمك أو القطر، وأبعاد المقطع المخفّض، وتفاصيل الكتفين وأنصاف الأقطار، وطول القياس الابتدائي $L_0$. وتبقى قيمة الاستطالة ناقصة من دون طول القياس. فلا يمكن مقارنة استطالة مبلّغ عنها قدرها 25% على طول قياس يبلغ 50 mm مباشرةً مع استطالة قدرها 25% قيسَت على طول مختلف.

اذكر معيار الاختبار المطبّق وإصداره. يغطي ASTM E8/E8M-21 اختبار الشد للمواد المعدنية عند درجة حرارة الغرفة وتحديد مقاومة الخضوع، واستطالة نقطة الخضوع، ومقاومة الشد، والاستطالة، ونقصان المساحة. ويحدّد ISO 6892-1:2019 طريقة اختبار شد للمواد المعدنية عند درجة حرارة الغرفة، كما يعرّف الخواص الميكانيكية التي يمكن الحصول عليها من هذا الاختبار. ويتناول هذان المعياران قياسات متشابهة، إلا أنه ينبغي التحقق من متطلبات العينات، وطرائق التحكم، وقواعد الحساب، واصطلاحات الإبلاغ الخاصة بكل منهما، بدلاً من معاملتهما على أنهما متطابقان.

ينبغي إيراد درجة الحرارة بجانب المنحنى، لا في حاشية منفصلة. أبلغ عن درجة حرارة الاختبار، وبيّن ما إذا كانت مضبوطة أم مقيسة فقط. واذكر معدل الانفعال، أو سرعة رأس الحمل، أو معدل الإجهاد، أو نمط التحكم، بما في ذلك النقطة التي انتقلت فيها الآلة من التحكم بالقوة إلى التحكم بالانفعال. وقد درس اختبار أجرته NIST على فولاذ ASTM A1008 متوسط معدلات انفعال قدرها ${10}^{-5}$ و${10}^{-3}$ و${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$، مع استخدام قياس الارتباط بين الصور الرقمية للإزاحة والانفعال. وكان المعدل وطريقة القياس متغيرين تجريبيين.

صف كيفية الحصول على الانفعال: باستخدام مقياس تمدد، أو إزاحة رأس الحمل، أو قياس الارتباط بين الصور الرقمية، أو قيمة محسوبة. إذ إن حركة رأس الحمل تشمل تشوه الآلة ومقابض التثبيت؛ ولذلك لا تمثل تلقائيًا انفعال القياس. اذكر طول قياس مقياس التمدد، ودقته، ونقطة إزالته، وما إذا كان قد التقط التضيق الموضعي.

سمِّ المحاور باعتبارها كميات هندسية أو حقيقية. فالإجهاد الهندسي هو $F/A_0$، حيث إن $F$ هو الحمل و$A_0$ هي المساحة الابتدائية؛ أما الانفعال الهندسي فهو $(L-L_0)/L_0$، وفقًا لما توضحه كل من جامعة ميشيغان التكنولوجية وGeorgia Tech. ويستخدم الإجهاد الحقيقي المساحة الآنية، بينما يراكم الانفعال الحقيقي التغيرات التدريجية في الطول. ويميّز MIT بين مقاومة الشد المستخرجة من منحنى هندسي ومقاومة الشد الحقيقية التي تأخذ في الحسبان نقصان مساحة المقطع العرضي.

ينبغي أن يعرّف التقرير اصطلاح الخضوع أو إجهاد الإثبات: مقاومة الخضوع العليا أو الدنيا، أو إجهاد إثبات الإزاحة بنسبة 0.2%، أو إزاحة أخرى، أو الحد التناسبي، أو قيمة تم الحصول عليها بخوارزمية محددة. واذكر مقاومة الشد، والاستطالة المنتظمة إن قيسَت، والاستطالة الكلية وطول قياسها، ونقصان المساحة، وملاحظات الكسر. وسجّل موضع العنق، والشفتين القصّيتين، ومظهر الكأس والمخروط، والانشطار، والانفصال الطبقي، وما إذا كان الكسر قد حدث داخل مقطع القياس.

مقارنة الدرجات من دون خلط التعريفات

لا ترتّب درجات الفولاذ بوضع منحنيات ناتجة عن إجراءات مختلفة على مخطط واحد واعتبار الخط الأعلى هو الفولاذ الأقوى. فقد يعكس منحنى ناتج عن قضيب دائري ومنحنى ناتج عن صفيحة اتجاهات مختلفة وظروف تقييد مختلفة. كما يمكن لطول قياس قصير أن ينتج استطالة كلية مختلفة عن تلك الناتجة باستخدام طول قياس طويل. وقد يرفع معدل الانفعال المرتفع إجهاد الجريان المقاس؛ وتوضح نتائج NIST الخاصة بـ ASTM A1008 عند ${10}^{-5}$ و${10}^{-3}$ و${10}^{-1}{\mathrm{s}}^{-1}$ سبب ضرورة إرفاق المعدل بالنتيجة. وتجيب منحنيات NIST ذات المعدل المرتفع لفولاذ أعمدة المحيط ذي مقاومة الخضوع المحددة البالغة 50 ksi عن سؤال هندسي مختلف عن ذلك الذي يجيب عنه اختبار شبه ساكن عند درجة حرارة الغرفة.

يمكن لاصطلاحات المساحة أن تعكس الاستنتاجات الظاهرية بعد بدء التضيق. فالإجهاد الهندسي يواصل قسمة الحمل على $A_0$، ولذلك ينخفض عادةً بعد بلوغ الحمل الأقصى. أما الإجهاد الحقيقي فيستخدم المقطع المتناقص، وقد يواصل الارتفاع خلال جزء من مرحلة التضيق. ووصف القمة الهندسية بأنها «مقاومة الشد الحقيقية» يخلط بين كميتين مختلفتين.

كما تحدد المعايير كيفية قياس الخضوع، وإجهاد الإثبات، والاستطالة، ونقصان المساحة. وتحدّد وزارة الطاقة الأمريكية الحد التناسبي، ومقاومة الخضوع، والمقاومة القصوى، ونقطة الكسر على منحنى هندسي نموذجي، إلا أن هذه النقاط المسماة لا تحدد إجراءً حسابيًا عالميًا واحدًا. ولا تكون مقارنة درجة ما قابلة للدفاع عنها إلا عندما يكون شكل العينة، والاتجاه، ودرجة الحرارة، والمعدل، والتعريفات، والمعيار متوافقة، أو عندما تُصحّح الاختلافات وتُوضّح حدودها صراحةً.

منهجية منضبطة للتفسير

ابدأ بملف القوة-الإزاحة الخام، لا بالصورة المنشورة. تحقّق من معدل أخذ العينات، وأحمال الصفر، واستقرار العينة في المقابض، وإزالة مقياس التمدد، ومطاوعة الآلة، وأي بيانات محذوفة أو مُنعّمة. وتأكد من عدم تحويل وحدات القوة والإزاحة مرتين.

بعد ذلك تحقّق من المدخلات البُعدية. أعد قياس العرض، والسمك أو القطر، والمساحة الابتدائية، وطول القياس، والمساحة النهائية الدنيا، أو افحص القيم المسجّلة. فالأخطاء الصغيرة في المساحة تؤثر في كل قيمة للإجهاد الهندسي؛ كما تؤثر أخطاء طول القياس في الانفعال والاستطالة.

ثم أعد إنتاج المنحنى من البيانات الخام باستخدام التعريفات الهندسية أو الحقيقية المعلنة. حدّد الحد التناسبي، وإجهاد الخضوع أو الإثبات، والحمل الأقصى، والاستطالة المنتظمة، ونقطة الكسر، ونقصان المساحة، باستخدام الطريقة المعلنة. وقارن هذه النقاط بالتقرير، لا بالخط المرسوم وحده.

وأخيرًا افحص عدم اليقين وموضع الفشل. أدرج التشتت بين الاختبارات المكررة، وعدم اليقين البُعدي، ودقة مقياس التمدد، وتغير درجة الحرارة، وتغير المعدل. ولا تقبل تفسيرًا متعلقًا بالمعالجة المعدنية قبل التحقق من عيوب الاختبار، واتجاه العينة، وملاحظات العنق أو الكسر. وبعد ذلك فقط ينبغي إسناد الاختلافات إلى التركيب، أو المعالجة، أو البنية المجهرية، أو التصلّد بالتشغيل.

المراجع

1. [1]ASTM International. Standard Specification for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2021. https://store.astm.org/e0008_e0008m-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. ISO standard, 2019. https://www.iso.org/standard/78322.html
3. [3]U.S. Department of Energy. Properties of Metals. DOE Fundamentals Handbook reference. https://engineeringlibrary.org/reference/properties-of-metals-doe-handbook
4. [4]Massachusetts Institute of Technology. Civil Engineering Materials Laboratory: Laboratory 2. MIT OpenCourseWare laboratory material, 2004. https://ocw.mit.edu/courses/1-103-civil-engineering-materials-laboratory-spring-2004/e9253657127a6630f10b61b392b1d2d9_lab_2.pdf