الاختبارات الهندسية للمواد
يتضمن الموضوع :
الاختبار الميكانيكي
اختبارا القص واللي السكونيين
اختبار قابلية السحب
اختبار الصلابة
اختبار الصدم
اختبار مقاومة التصدع
اختبار تغير الأبعاد
الكلال
اختبار الخصائص الحرارية
اختبار الخصائص الكهربائية
اختبار تلف الصدأ والإشعاع والتلف البيولوجي
التلف البيولوجي
الاختبارات بالترددات فوق الصوتية
اختبار المواد بالصدى النبضي وبطريقة الظل
وغيرها من الاختبارات
اختبار المواد
اختبار المواد materials testing هو قياس خصائص المواد وسلوكها في شروط شتى، وتفيد النتائج المستخلصة من هذا القياس في تحديد المواد وصفاتها المميزة في مختلف الاستعمالات. يمكن أن يُجرى الاختبار على نموذج مصغر للآلة أو المادة، وقد يستعاض عن ذلك ببناء نموذج رياضي بالاعتماد على خصائص المادة وسلوكها المعروفين مسبقاً للتنبؤ بقدرات النموذج.
ثمة خمسة اختبارات رئيسة للمواد هي: الاختبار الميكانيكي واختبارات الخصائص الحرارية واختبارات الخصائص الكهربائية واختبارات تلف الصدأ والإشعاع والتلف البيولوجي والاختبارات غير المخرِّبة. وقد قامت هيئات وطنية وعالمية كالمنظمة العالمية للمعايرة International Organisation for Standardization (ISO) ومقرها جنيف والجمعية الأمريكية للاختبار والمواد American Society for Testing and Materials (ASTM) في فيلادلفية بوضع طرائق اختبار قياسية.
الاختبار الميكانيكي
يتعطل معظم الآلات والقطع ومكوناتها نتيجة تصدعها أو تشوهها الزائد. ومنعاً لحدوث هذا التعطل يقوم المصمم عادة بدراسات تحليلية على نموذج رياضي أو دراسات تجريبية على نموذج حقيقي لمعرفة مدى تحمل الآلة للإجهادات ولأوضاع العمل،كما يقوم باختبار المواد التي يجب تصنيع كل جزء من الآلة منها لضمان حسن أدائها، وفيما يلي بعض الاختبارات التي يمكن توظيفها للوصول إلى هذه الغاية.
اختبار الشد والضغط: تستطيل كل مادة عند تعرضها للشد strain وتنهار إذا ما استمرت هذه العملية. ويحدد اختبار بسيط للشد السكوني نقطة انهيار المادة بعد استطالتها. ويتطلب هذا الاختبار توافر عينة اختبار أسطوانية أو يكون جزؤها الأوسط أصغر قطراً من نهايتيها، وآلة اختبار تطبق مختلف الأحمال وتقيسها وتسجلها، ومجموعة مناسبة من المقابض grips للإمساك بعينة الاختبار. تقوم آلة الاختبار بشد جزء صغير من العينة (يسمى عادة مقطع الاختبار) شداً متسقاً ويستخدم بعدئذ مقياس الاستطالة extensometer لقياس طول جزء الاختبار (يسمى طول المعيار guage) عند مختلف الأثقال توصلاً لحساب الشد.
(الشكل -1) رسم تخطيطي لآلات الاختبار الميكانيكي
أ. آلة ذات حمل ثابت ب: آلة ذات معدل إزاحة ثابت ج: ألة ذات معدل حمل ثابت
أما اختبارات الانضغاط فتحدد استجابة المادة لحمل ساحق crushing أو لحمل استنادي كما في حالة دعامات المنازل ويكون للعينات شكل أسطواني ويكون الطول المعياري في اختبار الانضغاط مساوياً طول العينة كله.
ويجب الانتباه في هذه الاختبارات إلى وجوب إبقاء قطع الاختبار قصيرة وغليظة منعاً لانثنائها في أثناء الاختبار.
يمكن تصنيف آلات الاختبار التقليدية في ثلاثة أنواع هي: الآلات ذات الحمل الثابت constant load وذات معدل الحمل الثابت rate constant load وذات معدل الإزاحة الثابتrate constant desplacement ويبين الشكل - 1 رسماً تخطيطاً لهذه الأنواع الثلاثة. تستخدم الآلات ذات الحمل الثابت أثقالاً لتطبيق الحمل وقياسه في حين تستخدم الآلات ذات معدل الحمل الثابت وحدتي تحميل وقياس منفصلتين ويستخدم مكبس هيدروليكي عادة لتطبيق الأحمال، ويتم التحكم في آلات الاختبار ذات معدل الإزاحة الثابت بوساطة مسننات لولبية.
اختبارا القص واللي السكونيين: تشير اختبارات القص في مستو إلى قيمة التشوه في المادة نتيجة للقوى المطبقة مماسياً، وتطبق مبدئياً على المواد ذات الصفائح الرقيقة سواء كانت معدنية أو مركبة كاللدائن المقواة بألياف الزجاج. تتولد في اختبار اللي إجهادات شد على وجهي العنصر المعرض للي وتتولد إجهادات ضغط مقابلة على الوجه الآخر.
ويمكن استخدام هذا الاختبار في قياس مقاومة الشد للمواد التي يصعب إجراء اختبار الشد عليها مباشرة إذ يختلف تشوه المادة على وجهي العنصر المختبر باختلاف مقاومتيه للشد والضغط وبذلك يمكن معرفة قيمة مقاومة المادة للشد.
اختبار قابلية السحب: قابلية السحب ductibility هي سمة للمادة تبين قابليتها للتشوه تشوهاً دائماً نتيجة لتطبيق إجهاد عليها.
وتتشوه المادة عادة في البداية تشوهاً مرناً يزول بزوال الإجهاد الموضعي ثم يصبح دائماً. فمثلاً تأخذ أسطوانة فولاذية شكل عنق متطاول نتيجة شدها، وتكون المادة قابلة للسحب إذا كان هذا التشوه دائماً لا تعود معه الأسطوانة إلى شكلها السابق. ويمكن التعبير عن قابلية الأسطوانة للسحب بالشد وبتقلص المساحة في واحدة المساحة أو بالمتانة toughness التي هي كمية القدرة اللازمة لإحداث تشوه دائم في المادة.
اختبار الصلابة: يتم اختبار صلابة مادة ما hardness بضغط كرة فولاذية مقسّاة (اختبار برينيلBrinell)أو مخروط من الفولاذ أو الألماس (اختبار روكويل Rockwell) على سطح القطعة التي يجري عليها الاختبار. ويجري معظم اختبارات الصلابة باستخدام آلات تسجل قيماً اختيارية تتناسب عكساً مع عمق تغلغل الكرة أو المخروط في القطعة. ويجب الانتباه إلى أن اختبار صلابة المطاط واللدائن، وفق هذه الطريقة، لا يعطي نتائج ذات معنى لأن التشوه، نتيجة تغلغل الكرة أو المخروط، قد يكون مؤقتاً.
وينجز بعض الاختبارات دينامياً بإسقاط ثقل ذي قيمة معروفة من ارتفاع محدد ويتم ذلك عادة في الاختبارات المعدة لقياس تأثير الاحتكاك.
اختبار الصدم: تستعمل أكثر اختبارات الصدم شيوعاً نواساً ثقلياً متأرجحاً يضرب قضيباً ذا أثلام مصنوعاً من المادة المختبرة. ويستخدم ارتفاع النواس قبل الصدم وبعده لحساب القدرة اللازمة لتصدع القضيب وبالتالي لحساب قوة صدمه. وتتباين بعض المواد في مقاومتها للصدم بتباين درجات حرارة الوسط المحيط إذ تصبح شديدة القابلية للكسر في درجات الحرارة المنخفضة جداً. وقد أظهر بعض الاختبارات أن تدني مرونة المادة ومقاومتها غالباً ما يكون فجائياً عند درجة حرارة معينة تدعى درجة الحرارة الانتقالية للمادة.
(الشكل 2) اختبار ميكانيكي نوعي لمقاومة التصدع
اختبار مقاومة التصدع: أدت المتطلبات المتشددة المفروضة على المواد المستخدمة في برامج الفضاء إلى إجراء تبدلات أساسية في فلسفة التصميم، إذ طلب المصممون من المختصين في هندسة المواد تطوير اختبارات كمية قادرة على قياس نزوع مادة إلى التشقق crack واستبقيت الطرائق التقليدية لتحليل الإجهاد واختبارات خصائص المواد، ولكن تغيّر تعليل النتائج فأصبح معيار الانهيار failure هو النزوع المفاجئ إلى التشقق وليس إلى التكسر fracture (أنظر الشكل 2). لقد أظهرت الاختبارات أن الشقوق تحدد بالانفلاق، إذ تنفصل قطعتان من المادة، تقعان في مستوٍ شاقولي واحد، فتتجه إحداهما إلى الأعلى والأخرى إلى الأسفل، وبانزلاق الحواف، إذ تنشطر المادة في مستوٍ أفقي تتجه قطعة منها نحو اليسار والأخرى نحو اليمين، وبالتمزق، إذ تنشطر المادة فتتحرك قطعة قطرياً إلى الأعلى نحو اليسار وتتحرك الأخرى قطرياً إلى الأسفل نحو اليمين.
اختبار تغير الأبعاد: تغير الأبعاد creep هو التبدل البطيء في أبعاد المادة نتيجة لإجهاد طويل الأمد. تطبق على المادة في اختبار تغيّر الأبعاد أثقال أقل من تلك التي تحدث صدعاً آنياً، ويقاس تشوه الأبعاد عادة باستخدام مقياس التمدد في مدة معينة يبقى فيها الحمل ثابتاً.
كما يقاس في الاختبار ذاته زمن الانهيار تابعاً لمستوى الإجهاد في شكل منحن يسمى منحني التمزق الناتج من الإجهادstress rupture أو التمزق الناتج من تغير الأبعاد، ويستفاد من هذا المنحني في استقراء سلوك المواد والتنبؤ به مستقبلاً. وأخيراً تجدر الإشارة إلى وجود بعض المواد التي تستعيد أبعادها الأصلية بعد زوال الإجهاد المؤثر فيها وتسمى المواد اللزجة - المرنة viscoelastic.
الكلال: يعرف الكلال fatigue بأنه انهيار المواد نتيجة تطبيق الإجهادات عليها تطبيقاً متكرراً . ويقاس باختبارات ميكانيكية تتضمن تطبيقاً متكرراً. لإجهادات مختلفة تراوح بين قيمتين صغرى وعظمى على نحو دوري، وتستخدم معظم آلات اختبار الكلال ثقلاً دواراً غير منتظم لتوليد هذا الحمل الدوري. ويقال إن المادة تعاني كلالاً منخفض الدورة إذا انهارت عند 10000 دورة أو أقل.
تكون الإجهادات التي تتعرض لها المادة عادة ذات طبيعة عشوائية وليست دورية ولهذا تم تطوير عدة نظريات للتلف الناتج من الكلال التراكمي comulative fatigue damage لتمكن الباحثين من استقراء سلوك المادة تحت تأثير إجهادات عشوائية اعتماداً على معطيات الاختبار الدوري. ولأن معظم هذه النظريات غير قابل للتطبيق على أكثر المواد فقد استخدمت في مخابر اختبار المواد تقانة جديدة نسبياً تتضمن تطبيقاً ميكانيكياً لإجهادات كلال عشوائية موافقة إحصائياً للشروط الفعلية.
يتضمن كلال المواد عدداً من الظواهر منها الانزلاق الذري atomic slip وابتداء التشقق وانتشاره. ولهذا فإن اختبار الكلال قد يقيس عدد الدورات المطلوب لإحداث شق إضافة إلى عدد الدورات اللازم لانهيار المادة.
اختبار الخصائص الحرارية
ويتناول الناقلية الحرارية والحرارة النوعية والتمدد الحراري.
الناقلية الحرارية: إن الحرارة التي تسري في جسم صلب بانتقال الإلكترونات الحرة انتقالاً فيزيائياً وباهتزازات الذرات والجزيئات تتوقف عن السريان عندما تتساوى درجات الحرارة في جميع نقاط الجسم الصلب وتتساوى كذلك مع درجة حرارة الوسط المحيط. ويحدث سريان إجمالي للحرارة في الجسم (عند الوصول إلى حالة التوازن الحراري) يعتمد في قيمته على التباين الحراري بين مختلف نقاط الناقلية الحرارية تجريبياً بتحديد درجة الحرارة تابعاً للزمن على امتداد طول القضيب أو على سطح صفائح مسطحة، في حين يتم التحكم آنياً في الدخل الخارجي والخرج الحراريين من سطوح القضيب أو من حواف الصفيحة.
الحرارة النوعية: تعرف بأنها الحرارة الممتصة في واحدة الكتلة لإحداث تغير بقيمة درجة واحدة للحرارة. وتقاس الحرارة النوعية للمواد الصلبة عموماً بطريقة الغمر drop method التي تتم بغمر كتلة معروفة من المادة ذات درجة حرارة معلومة في كتلة من الماء لها درجة حرارة معروفة القيمة ثم قياس درجة حرارة توازن المزيج الناتج.
تحسب عندئذٍِِ الحرارة النوعية بقياس الحرارة التي امتصها الماء والوعاء وتكون مساوية للحرارة التي أطلقتها المادة الساخنة.
التمدد الحراري: يقاس التمدد الحراري بطريقة خطية ويعرف بأنه التغير في واحدة طول المادة الذي يسببه تغير درجة الحرارة بقيمة درجة واحدة. تتم هذه القياسات بوساطة المجاهر لأن مواد كثيرة لا يزيد تمددها على أجزاء من المكرومتر.
اختبار الخصائص الكهربائية
يتطلب فهم الخصائص الكهربائية شرحاً موجزاً لنظرية سحابة الإلكترونات الحرة للناقلية الكهربائية لأن الناقلية الكهربائية هي سريان تيار من الإلكترونات في جسم صلب. وبعض المواد كالمعادن نواقل جيدة للكهرباء لامتلاكها إلكترونات حرة ليست مرتبطة ارتباطاً دائماً بالذرات بل تؤلف سحابة إلكترونية حول الذرات وتكون حرة الحركة داخل الجسم الصلب في حين تكون هذه الإلكترونات مقيّدةً، إلى حد ما، في مواد أخرى كاللدائن ولا تؤلف سحابة إلكترونية حرة لذلك فهي تقاوم مرور التيار.
وتؤثر الحرارة في الناقلية الكهربائية للمواد الناقلة والعازلة. وفي حين تنخفض ناقلية المواد الناقلة مع زيادة الحرارة فإن الناقلية الكهربائية للمواد العازلة تزداد مع هذه الزيادة. وتؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة كبيرة في عدد الإلكترونات الحرة في مواد محددة مثل السيليكون والجرمانيوم والكربون التي تسمى أنصاف النواقل، فهي تعمل عوازل في درجة الصفر المطلق وتصبح ناقلة جيدة عند درجة حرارة الغرفة. وتغير الأشابة ناقلية المواد نصف الناقلة بتوفيرها عدداً من الإلكترونات الحرة.
تقاس ناقلية مادة ما عادة بتمرير تيار معروف الشدة عند جهد ثابت في حجم محدد من المادة وتحديد المقاومة بالأوم فتكون الناقلية الكلية مساويةً مقلوب المقاومة الكلية.
رد مع اقتباس
