تصف المطيلية مقدار التشوه اللدن الذي يتحمله الفولاذ قبل الكسر. وترتبط المتانة بمقاومة الكسر والطاقة المصاحبة له، ويحدد نوع الاختبار المعنى الدقيق للقيمة. أما الهشاشة فتصف كسرًا يحدث مع تشوه لدن محدود في الظروف المعنية. قد يُظهر الفولاذ استطالة جيدة في اختبار الشد عند درجة حرارة الغرفة، ثم يتعرض لكسر هش في جزء بارد أو محزز أو شديد التقييد عند رأس الشق.
ما الخاصية التي يقيسها كل اختبار؟
توضح مقاومة الشد وإجهاد الخضوع مستويات الإجهاد. ولا تكفي أي منهما وحدها لوصف المطيلية أو مقاومة امتداد شق موجود وصفًا كاملًا.
| القياس | الكمية المعلنة | حدود التفسير |
|---|---|---|
| الاستطالة بعد الكسر | A، % | الزيادة الدائمة في طول قياس ابتدائي محدد، وتشمل مساهمة التضيق الموضعي. |
| النقص في مساحة المقطع | Z أو RA، % | انكماش المقطع عند الكسر، ويتأثر بالعينة وطريقة القياس. |
| الشغل تحت منحنى الشد | طاقة لكل حجم ابتدائي، عادة MJ/m³ | يعتمد على مسار الإجهاد والانفعال المقاس وظروف الاختبار. |
| اختبار شاربي بحز على شكل V | الطاقة الممتصة، J | كسر عينة محززة ببندول عند درجة حرارة محددة. |
| متانة الكسر في حالة الانفعال المستوي | KIc، MPa√m | اختبار صالح بعينة ذات شق تعب مسبق وسلوك مرن خطي غالب وتقييد مرتفع. |
| تقييم الكسر المرن اللدن | JIc، kJ/m²؛ CTOD، mm | مقاومة بدء الشق أو نموه، مع شروط صلاحية خاصة بكل معامل. |
مرّر داخل الجدول لرؤية جميع الأعمدة ←
قراءة المطيلية في اختبار الشد
لقياس الاستطالة بعد الكسر، تُجمع قطعتا العينة وفق الطريقة المعتمدة، ويُقارن طول القياس النهائي Lᵤ بالطول الابتدائي L₀. ويُحسب نقص المساحة بمقارنة مساحة المقطع الابتدائية S₀ بأصغر مساحة Sᵤ بعد الكسر:
A = 100 × (Lᵤ − L₀) / L₀
Z = 100 × (S₀ − Sᵤ) / S₀
في مثال حسابي، إذا كان L₀ = 50 mm وLᵤ = 62.5 mm، فإن A = 25%. وإذا كانت S₀ = 80 mm² وSᵤ = 40 mm²، فإن Z = 50%. تصف النسبتان تغيرين هندسيين مختلفين، ولذلك لا يُشترط تساويهما.
تشير الاستطالة المنتظمة إلى الاستطالة عند القوة القصوى؛ ومن هذه المرحلة يتطور التضيق المنتشر بصورة ملحوظة. ولا تعني التسمية أن الانفعال متطابق في كل نقطة من طول القياس. تشمل الاستطالة بعد الكسر مساهمة منطقة التضيق. وقد تتضمن قراءة مقياس الاستطالة عند لحظة الكسر انفعالًا مرنًا، لذا تُراجع تسمية النتيجة وطريقة قياسها قبل مقارنتها بطول مقاس بعد إزالة الحمل. توزيع الاستطالة الموضعية على طول قياس ابتدائي أكبر قد يخفض النسبة المعلنة لعينات متقاربة في بقية الخصائص. يجب توحيد طول القياس والمقطع والاتجاه ودرجة الحرارة عند المقارنة. وتعتمد ASTM E8 وE8M قواعد مختلفة لطول القياس في معظم العينات الدائرية؛ تحويل البوصة إلى المليمتر وحده لا يعالج هذا الاختلاف.
تتأثر قابلية تشكيل الصفائح أيضًا بمسار الانفعال وجودة الحواف وهندسة الثني ومقاومة الكسر الموضعية. ولا تحدد قيمة استطالة الشد وحدها أقل نصف قطر للثني أو حدًا آمنًا للتشكيل.
طاقة الشد وطاقة شاربي
تمثل المساحة تحت منحنى الإجهاد والانفعال الهندسي حتى الكسر الشغل لكل وحدة من الحجم الابتدائي لمنطقة القياس، بشرط اتساق تعريف الإجهاد والانفعال. يُستخدم الانفعال كنسبة عشرية؛ وعند تكامل إجهاد بوحدة MPa تكون النتيجة MJ/m³. استعمال محور الانفعال المئوي دون القسمة على 100 يسبب خطأ بمقدار 100 ضعف. بعد التضيق تبقى النتيجة مقياسًا للشغل على مستوى العينة، بينما يصبح الانفعال داخل منطقة التضيق شديد التفاوت. كما أن ضرب مقاومة الشد في الاستطالة لا يعطي مساحة المنحنى الفعلي.
يقيس شاربي الطاقة الممتصة أثناء صدم قضيب محزز. تبلغ أبعاد إحدى العينات الكاملة الشائعة ذات الحز V مقدار 55 × 10 × 10 mm، بعمق حز 2 mm؛ ويضرب البندول الوجه المقابل للحز. تعتمد الطاقة بالجول على حجم العينة وهندسة الحز ورأس الضرب والاتجاه ودرجة الحرارة. تحدد ASTM E23 وISO 148-1 طرق الاختبار، بينما تأتي معايير القبول من مواصفة المنتج أو قواعد الإنشاء المطبقة.
قد تتطلب المنتجات الرقيقة عينات مصغرة. تُفسر طاقتها وسلوك انتقالها وفق المتطلبات المناسبة؛ وقد يؤدي التحويل بمجرد نسبة مساحات المقاطع إلى استنتاج مضلل. تُذكر النتائج الفردية والمتوسط المطلوب والأبعاد ودرجة حرارة الاختبار. ولا توجد علاقة تحويل مباشرة وعامة من هذه الطاقة إلى KIc أو JIc.
ما الذي تضيفه متانة الكسر؟
تستخدم اختبارات ميكانيكا الكسر شقًا حادًا مُنشأ مسبقًا بالتعب لقياس مقاومة بدء الشق أو امتداده. يتطلب اعتماد KIc استيفاء شروط صلاحية الانفعال المستوي والسلوك المرن الخطي الغالب. تجمع وحدته MPa√m بين الإجهاد والجذر التربيعي للطول. ولا تُعتمد القيمة الأولية KQ بوصفها KIc إلا بعد اجتياز الفحوص المطلوبة. الطريقة المعنية هي ASTM E399، ويستبعد نطاقها الحالي توصيف الكسر الانفلاقي.
عندما يصاحب الكسر تشوه لدن ملحوظ، يمكن استخدام J وإزاحة فتح رأس الشق CTOD. تمثل J طاقة لكل مساحة شق: 1 kJ/m² = 1 N/mm. تصف قيمة JIc المستوفية للشروط بدء التمزق المستقر، ويصف منحنى مقاومة J تطور المقاومة مع امتداد الشق. أما CTOD فهو إزاحة، تُعطى عادة بالمليمتر. تتناول ASTM E1820 هذه القياسات، وتقدم ASTM E1921 إطارًا للفولاذ الفريتي الذي يتعرض لكسر انفلاقي في منطقة الانتقال.
يتطلب استخدام القيم لتقييم جزء فعلي معرفة حجم العيب والهندسة والإجهادات المطبقة والمتبقية ودرجة الحرارة وتاريخ التحميل. وتحتاج الأحمال الدورية والتشقق بفعل البيئة إلى تقييم خاص. لا تكفي الاستطالة العالية وحدها لحسم قدرة الجزء على تحمل الشقوق.
الظروف التي تعزز السلوك الهش
يمكن أن تشجع الحرارة المنخفضة والتحميل السريع والتقييد العالي عند رأس الشق الكسر الانفلاقي في الفولاذ الفريتي القابل له. يؤثر السمك وشكل الشق في التقييد، فيحدان من التشوه اللدن حول رأسه. كما تتغير الاستجابة بتغير التركيب الكيميائي وبنية الحبيبات وتاريخ المعالجة.
- يساعد تنعيم الحبيبات غالبًا على تحسين مقاومة الانفلاق في الفولاذ الفريتي، وقد يضعفها نمو الحبيبات.
- يغير التشغيل على البارد المقاومة والمطيلية المتبقية. وتغير المعالجة الحرارية الأطوار وتوزيعها؛ ويتوقف أثرها في المتانة على الدرجة ودورة المعالجة.
- ينشئ اللحام خصائص موضعية مختلفة في معدن اللحام والمنطقة المتأثرة حراريًا. شهادة اللوح الأساسي لا تصف جميع مناطق الوصلة الملحومة.
- قد تقلل الشوائب غير المعدنية والانفصال التركيبي والتعرض لظروف مسببة للتقصف مقاومة الكسر الموضعية. ينبغي أن تمثل مادة الاختبار حالة التوريد أو الحالة بعد التعرض في الخدمة.
يظهر الفولاذ الفريتي عادة نطاقًا حراريًا يتغير فيه سلوك الكسر. وتحتاج درجة حرارة الانتقال إلى معيار محدد، مثل طاقة ممتصة معينة أو نسبة سطح كسر قصي، مع بيان ترتيب الاختبار. قد تعطي المعايير وأحجام العينات المختلفة درجات انتقال مختلفة. يحتفظ الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عادة بمتانة مفيدة عند الحرارة المنخفضة دون الانتقال الفريتي الحاد نفسه؛ وتظل الدرجة وحالة المنتج واللحامات بحاجة إلى التحقق.
إجراء اختبار شاربي عند −20°C لا يكفي وحده لاعتماد التشغيل عند −20°C. يأخذ تقييم الخدمة في الحسبان قواعد التصميم وأدنى حرارة للمعدن وسمك المقطع والإجهادات والعيوب والتصنيع والأحمال. كما لا تتيح الصلادة تحديد المتانة بعلاقة تحويل عامة.
ما الذي يُراجع في تقرير الاختبار؟
- حدد الدرجة ورقم الصهرة أو الدفعة والسمك وحالة التوريد وموقع أخذ العينة. افصل بين المعدن الأساسي ومعدن اللحام والمنطقة المتأثرة حراريًا.
- للاستطالة، سجل المعيار واتجاه العينة وهندستها وطول القياس الابتدائي، وحدد إن كانت النتيجة منتظمة أو عند الكسر أو بعده.
- لشاربي، راجع إصدار المعيار وأبعاد العينة والحز والاتجاه وترتيب رأس الضرب والحرارة والنتائج الفردية وقاعدة القبول.
- لمتانة الكسر، حدد المعامل واتجاه الشق المسبق ودرجة الحرارة وسرعة التحميل والأبعاد وبيان الصلاحية. احتفظ بتسمية النتيجة الأولية إذا لم تُستوفَ الشروط.
- قارن النتائج بمتطلبات المنتج والمشروع المحددة. قد تستند مشاريع الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأستراليا وكندا إلى معايير وإصدارات مختلفة؛ اسم البلد وحده لا يثبت تكافؤ التقارير.
مثلًا، تجيب عبارتا «استطالة 25% على طول 50 mm» و«60 J عند −20°C» عن سؤالين مختلفين. دون بقية تفاصيل الاختبار، لا تؤسس أي منهما ترتيبًا كاملًا للمطيلية أو قيمة تصميمية لمتانة الكسر أو أدنى حرارة للخدمة. يربط دليل اختيار فئة مقاومة الفولاذ هذه المراجعات بالمواصفة، وتشرح مقارنة S275 وS355 السياق الخاص بهاتين الدرجتين.