ماذا تعني قوة الفولاذ في الواقع؟
القوة ليست رقما واحدا. الخاصية التي تهم تعتمد على السؤال المطروح. قوة الخضوع هي الضغط الذي يبدأ عنده الفولاذ بالتشوه بشكل دائم؛ قوة الشد هي أقصى ضغط تتحمله قبل التمزق؛ تصف قوة التعب سلوكها تحت التحميل المتكرر؛ وتصف قوة الزحف سلوكها تحت الحمل المستمر عند درجة حرارة عالية. يمكن وصف منتجين مصنوعين من نفس الفولاذ بأرقام قوة مختلفة جدًا اعتمادًا على أي منهما مقتبس.
النقطة الثانية لا تقل أهمية: لا يمكن استخلاص القوة الجوهرية لقطعة معينة من الفولاذ بشكل موثوق من تركيبها وحده. يحدد التركيب نطاق الخصائص التي يمكن أن تحققها الدرجة، وتحدد المعالجة الحرارية والعمل البارد وحجم القسم مكان وجود المادة المسلمة ضمن هذا النطاق. يأتي الرقم الذي يصمم المهندسون وفقًا له من مواصفات مدعومة بالاختبار.
الوحدات: MPa، N/mm2 وksi
الباسكال الواحد هو نيوتن واحد من القوة المؤثرة على متر مربع واحد.
واحد ميغاباسكال، أو MPa، يساوي مليون باسكال.
نظرًا لأن المتر المربع الواحد يساوي مليون مليمتر مربع، فإن الMPa الواحد يساوي بالضبط نيوتن واحد لكل مليمتر مربع، N/mm2.
يبلغ الميجا باسكال الواحد حوالي 145 رطلاً لكل بوصة مربعة، لذا فإن 1000 رطل لكل بوصة مربعة يساوي 6.9 ميجا باسكال تقريبًا.
يعد العمل في MPa مناسبًا لأنه يتوافق مع وحدات المساحة المستخدمة في الرسومات الهندسية. ضرب الإجهاد بالميجا باسكال في مساحة المقطع العرضي بالملليمتر المربع يعطي القوة مباشرة بالنيوتن.
من الدرجة إلى سعة التحميل
الحساب العملي هو التحويل من خاصية مادية محددة إلى حمل مسموح به. الصيغة العامة هي أن الحمل يساوي الإجهاد مضروبًا في المساحة. بالنسبة للعضو المحمل محوريًا:
| خطوة | تعبير | ملحوظة |
| قدرة الشد لعضو التوتر | ف=أ س سيجما | A هي مساحة المقطع العرضي الصافية بالملم2، وسيجما هو الضغط المسموح به بوحدة MPa، وP بالنيوتن |
| الإجهاد المسموح به على أساس العائد | تسمح سيجما بـ=قوة الخضوع / عامل الأمان | عامل السلامة عادة ما يكون من 1.5 إلى 2.0 للأعمال الإنشائية |
| كود الضغط المسموح به لأنابيب الضغط | تسمح سيجما=بأقل من ثلثي الخضوع أو ثلث قوة الشد | النموذج المستخدم بواسطة رموز أنابيب الضغط مثل ASME B31.3 |
| فحص الاستطالة | امتداد إبسيلون=/ الطول الأصلي | يؤكد أن القسم يمكن أن يتشوه بدلاً من الكسر |
كمثال عملي، أنبوب غير ملحوم بحد أدنى محدد لمقاومة الخضوع يبلغ 240 ميجا باسكال وقسم صافي يبلغ 2 000 مم2 لديه حمولة ناتجة تبلغ 480 000 نيوتن، أو حوالي 49 طن، قبل تطبيق أي عامل أمان. مع عامل أمان قدره 1.5، ينخفض الحمل القابل للاستخدام إلى 320 000 N. يكون الحساب جيدًا فقط مثل قيمة القوة المحددة: إذا كانت قوة الخضوع الفعلية عند الحد الأدنى للمواصفات بدلاً من القيمة النموذجية، فإن النتيجة هي النتيجة المضمونة.
لاحظ أن القيمة الدنيا المحددة هي الإدخال الصحيح للتصميم. يؤدي استخدام قيمة نموذجية أو متوسطة من شهادة المطحنة بدلاً من الحد الأدنى المحدد إلى إزالة جزء من هامش الأمان بشكل فعال.
حيث يتوقف الحساب ويبدأ الاختبار
يتم تحديد الخضوع وقوة الشد عن طريق الاختبارات الميكانيكية، وليس عن طريق الحساب. الطريقة الأساسية هي اختبار الشد وفقًا لمعيار ASTM E8/E8M أو EN ISO 6892-1. يتم سحب القسيمة المجهزة آليًا في آلة يتم التحكم فيها والتي تسجل القوة والتمدد بشكل مستمر. قوة الخضوع هي القوة التي تبدأ عندها المادة في التشوه بشكل لدن مقسومة على مساحة المقطع العرضي الأصلية؛ قوة الشد هي القوة القصوى التي تتحملها مقسومة على نفس المساحة الأصلية. يوفر اختبار الصلابة مؤشرًا سريعًا للقوة، ويثبت اختبار التأثير وفقًا لمعيار ASTM E23 أو EN ISO 148-1 المتانة، وهي خاصية منفصلة.
توجد عائلات مادية مختلفة عند مستويات قوة مختلفة جدًا. يتم تحديد الفولاذ الكربوني الإنشائي من حوالي 235 إلى 355 ميجا باسكال؛ يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج مثل UNS S32205 قوة إنتاج لا تقل عن 450 ميجا باسكال مع قوة شد لا تقل عن 620 ميجا باسكال، وهو ما يقرب من ضعف قوة الدرجات الأوستنيتي القياسية 304 و316؛ وتصل قوة الشد للفولاذ المتأرجح من النوع 18Ni إلى 2 000 ميجاباسكال تقريبًا بعد التقادم. هذه الاختلافات، وليس الشبكة الحديدية الأساسية، تفسر سبب اختلاف أرقام القوة بشكل كبير بين الدرجات.
المخاطر الشائعة في حسابات القوة
الخلط بين قوة الخضوع وقوة الشد وتطبيق عامل الأمان الخاطئ.
استخدام المساحة الإجمالية بدلاً من المساحة الصافية حيث تعمل فتحات المسامير أو الأخاديد أو بدل التآكل على تقليل القسم.
تجاهل الانخفاض في الإجهاد المسموح به عند درجة حرارة مرتفعة، حيث يحكم الزحف فوق عتبة نطاق الزحف.
بافتراض أن درجة القوة الأعلى تحل تلقائيًا مشكلة الانحراف؛ يتم التحكم في الصلابة بواسطة معامل المرونة، وهو في الأساس نفس الشيء بالنسبة لجميع أنواع الفولاذ.
تجاهل اللحام، والذي عادة ما يكون أضعف نقطة في العضو المجمع ويجب فحصه بشكل منفصل.
التعليمات
س: هل يمكنني حساب قوة الشد للصلب من تركيبه الكيميائي؟
لا. يحدد التركيب العائلة ونطاق الملكية، لكن القوة المحققة تعتمد على المعالجة الحرارية والعمل البارد وحجم القسم. يجب أن تأتي قيم التصميم من المواصفات الحاكمة، والتي يدعمها اختبار الشد.
س: ماذا يعني MPa في مواصفات الفولاذ؟
MPa لتقف على ميغاباسكال. واحد ميجا باسكال يساوي مليون باسكال، وهو بالضبط نيوتن واحد لكل مليمتر مربع. إنها الوحدة القياسية للضغط والقوة في مواصفات الفولاذ المترية.
س: كيف يتم قياس قوة الخضوع في اختبار الشد؟
يتم سحب القسيمة المُشكَّلة في آلة يتم التحكم فيها بينما يتم تسجيل القوة والتمدد. قوة الخضوع هي القوة عند بداية التشوه الدائم مقسومة على مساحة المقطع العرضي الأصلية، والتي تم اختبارها وفقًا لمعيار ASTM E8/E8M أو EN ISO 6892-1.
س: أي الفولاذ أقوى، الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج أو الأوستنيتي؟
يتمتع الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج مثل UNS S32205 بضعف قوة الخضوع تقريبًا للدرجات الأوستنيتي القياسية 304 أو 316 ومقاومة أفضل للتكسير الناتج عن التآكل الإجهادي، في حين توفر الدرجات الأوستنيتي بشكل عام قابلية تشكيل وقابلية لحام أفضل. يعتمد الاختيار على شروط الخدمة، وليس على القوة وحدها.
س: ما هو أقوى الفولاذ المتوفر تجارياً؟
يصل الفولاذ الماراجينج من عائلة 18Ni إلى قوة شد تبلغ 2 000 ميجا باسكال تقريبًا بعد التقادم، وهي أعلى بكثير من الفولاذ الهيكلي والأدوات والفولاذ المقاوم للصدأ. يتم استخدامها في تطبيقات الطيران والأدوات المتخصصة حيث تبرر هذه القوة التكلفة.
س: هل الفولاذ الأقوى يعطي دائمًا هيكلًا أكثر صلابة؟
لا، تعتمد الصلابة على معامل المرونة وعزم القصور الذاتي للقسم، ومعامل المرونة هو نفسه بالنسبة لجميع أنواع الفولاذ. تؤدي درجة القوة الأعلى إلى رفع الحمل الذي يحدث عنده الخضوع، وليس الانحراف تحت حمل الخدمة العادي.
