ما هو الفرق بين إجهاد الخضوع ومقاومة الشد

 عند اختيارنا لمادة ما في استخدامٍ هندسي كالحديد أو الألمنيوم مثلا ً يجب معرفة الخصائص الميكانيكية لها. وأهم هذه الخصائص التي يجب معرفتها هي إجهاد الخضوع (Yield Strength) ومقاومة الشد (Tensile Strength). وكلتا الخاصتين متشابهتان في مقدار قياسهما لمقاومة فشل أو انهيار أو كسر أو تشويه مادة ما، فما هو الفرق بين إجهاد الخضوع ومقاومة الشد؟ 

إجهاد الخضوع (Yield Strength): هي أكبر قوة تتعرض لها مادة ما مسبِّبةً تغيير في شكلها الأصلي، وعندما يتم نزع هذه القوة تعود المادة لشكلها الأصلي دون حدوث أي تشوه في المادة، وتُقاس بوحدة الباسكال (نيوتن/متر مربع). 

يتم تحديد مقدار قوة إجهاد الخضوع باستخدام اختبار خاص يسمّى اختبار الشد (Tensile Test)، حيث يتم رسم منحنى بياني من القيم التي يتم رصدها خلال الاختبار الحاصل، ويسمّى حينها المنحنى بمنحنى إجهاد الشد (Stress Strain Curve). 

يتم رسم المنحنى من خلال أخذ قيم متعددة من قوة الشد الحاصلة على المادة والتي تُرسم على محور الصادات (Y-axis)، وقيم يتم رصدها من خلال جهاز الاختبار تمثِّل مقدار التمدد الذي تتعرض له المادة قبل انكسارها وترسم هذه القيم على محور السينات (X- axis)، والنقطة التي يبدأ فيها المنحنى بالانحراف عن الشكل التصاعدي الذي تتخذه القيَم تُعتبر مقدار إجهاد الخضوع لتلك المادة. 

بإمكانك مشاهدة المنحنى لمادة ما من خلال الرابط الآتي: https://cutt.us/Kgm3Y 

مقاومة الشد (Tensile Strength): يُرمز لها بالرمز  UTS(Ultimate Tensile Strength)، والتي تعني أقصى حِمل أو قوة شد تتحمله المادة قبل أن تنكسر 

يتم قياسها أيضاً بنفس اختبار قياس قوة إجهاد الخضوع وهو اختبار الشد، ومن نفس المنحنى الذي يتم رسمه بعد الاختبار  يُمكن تحديد قوة مقاومة الشد للمادة وذلك من خلال القانون الآتي: (σf = Pf/Ao)، حيث يمثل الرمز (σf) مقدار قوة مقاومة الشد مقاسةً بوحدة باسكال، والرمز (Pf) هو مقدار القوة المعرّضة لها المادة عند الانكسار، والرمز (Ao) هو مساحة المقطع العرضي الأصلي للمادة قبل تأثير أي قوى عليها. 

ويجب للمُخَتبِر الذي يقوم بإجراء الاختبار أن يعلم أن مقاومة الشد تختلف باختلاف درجة الحرارة، فمثلاً مقاومة الشد لمادة النحاس تبلغ 220 ميجا باسكال (MPa) بينما تنخفض إلى 220 MPa في درجة حرارة الغُرفة، ولتعويض هذا الاختلاف الحاصل يتم استخدام عامل أمان (Safety Factor) في عملية الحساب، وهو عامل يكون في العادة جزء صغير من مقاومة الشد الأصلية الذي يؤخذ في اعتبارات التصميم. 

وأهم الفروق في إجهاد الخضوع ومقاومة الشد: 

1- يتم قياس قوة إجهاد الخضوع عند نقطة تشوه المادة والتي تسمَّى (Plastic Deformation). 

2- يتم قياس قوة الشد عند نقطة انكسار المادة. 

3- في التصميم لا يتم الاهتمام بمقاومة الشد للمواد المرنة، لأنها تخضع لتشوه عالٍ قبل انكسارها، بينما يتم الاهتمام بمقدار قوة إجهاد الخضوع في تلك المواد. 

4- في التصميم الهندسي وخاصةً الإنشائي يتم الاهتمام بمقدار مقاومة الشد في التحميل الأُحاديّ المحور، بينما يتم الاهتمام بمقدار قوة إجهاد الخضوع في التحميل المتعدد المحاور. 

5- تصل المادة لمرحلة التشوه ولا يُمكن إعادتها إلى شكلها الأصلي بعد أن تتعرض لقوى أكبر من قوة إجهاد الخضوع، بينما يتم الوصول إلى قوة الشد بعد أن يحدث تشوه واضح في المادة. 

6- المواد المرنة أو الهشّة تمتلك مقاومة شد ضعيفة مقارنة بالمواد الصلبة الأخرى، حيث يُمكن الحصول على قيمة مقاومة الشد بأقل التكاليف. 

7- في غالبية المواد تكون مقاومة الشد لمادة ما أعلى كقيمة عددية من قوة إجهاد الخضوع لنفس المادة. 

8- مقاومة الشد يُمكن قياسها وحسابها بدقّة تصل 100%، بينما قوة إجهاد الخضوع في غالبية المواد يتم تقديرها حسابيّاً.