قوة الانحناء

يقدم

تخضع المواد الهندسية لمجموعة واسعة من القوى، بدءًا من الشد والضغط وصولًا إلى الانحناء والالتواء.  تُعد قوة الانحناء  أحد المعايير الرئيسية لتقييم أداء المادة في التطبيقات الصناعية والهندسية. بمعنى آخر، هي قدرة المادة على مقاومة الكسر تحت أحمال الانحناء. تُعد هذه الخاصية أساسية في العديد من الصناعات، مثل الهندسة المدنية، وصناعة السيارات، والفضاء، والسيراميك، والمركبات، والبوليمرات.

---

تعريف قوة الانحناء

تشير قوة الانحناء  إلى أقصى إجهاد انحناء يمكن للمادة تحمله قبل الكسر. باختصار، يشير هذا المعيار إلى قدرة المادة  على مقاومة الانحناء أو الكسر  تحت أحمال الانحناء.

وتستخدم بعض المصادر مصطلحات أخرى مثل:

• معامل الكسر

• قوة الانحناء

• مقاومة التمزق العرضي

ويستخدم أيضًا للإشارة إلى نفس الخاصية.

---

أهمية قوة الانحناء

لماذا من المهم التحقق من هذه الميزة؟

1. التصميم الهيكلي:  تتعرض العوارض والجسور ومكونات البناء باستمرار لأحمال الانحناء.

2. المركبات والبوليمرات:  في العديد من المكونات خفيفة الوزن، تعتبر قوة الانحناء المعيار الأساسي لاختيار المواد.

3. صناعة السيارات والطيران:  يجب أن تكون هياكل السيارات وأجنحة الطائرات مقاومة للانحناء وكذلك الإجهاد الشد.

4. المواد الهشة مثل السيراميك والخرسانة:  تتمتع هذه المواد عمومًا بقوة ضغط عالية ولكن قوة انحناء منخفضة.

---

العوامل المؤثرة على قوة الانحناء

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على قوة انثناء المادة:

1. التركيب الكيميائي للمادة:  محتوى الكربون في الفولاذ، أو المواد المضافة في البوليمر، أو نسبة الألياف في المادة المركبة.

2. البنية الدقيقة:  حجم الحبيبات، الطور واتجاه الألياف.

3. حجم العينة:  سمك وعرض العينة لهما تأثير مباشر على النتائج.

4. حالة السطح:  الشقوق والخدوش والعيوب السطحية سوف تقلل من قوة الانحناء.

5. الظروف البيئية:  درجة الحرارة والرطوبة والاتصال بالمواد المسببة للتآكل.

6. طريقة التحميل:  سواء كان الاختبار من ثلاث نقاط أو من أربع نقاط.

---

طريقة قياس قوة الانحناء

1. اختبار الانحناء ثلاثي النقاط

هذه الطريقة تضع العينة على دعامتين وتُطبّق الحمل على المركز. إنها بسيطة نسبيًا، لكن الإجهاد يتركز في مركز العينة.

2. اختبار الانحناء بأربع نقاط

تعتمد هذه الطريقة على تطبيق الحمل باستخدام بكرتين متساويتي البعد عن المركز، مما يُعرِّض مساحة أكبر من العينة لإجهاد موحد. تتميز هذه الطريقة بدقة عالية، وهي مناسبة أكثر للمواد غير المتجانسة، مثل المواد المركبة.

---

صيغة لحساب قوة الانحناء

أ) اختبار  النقاط الثلاث

σf=3FL2bd2\sigma_f = \frac{3FL}{2bd^2}   σ   f   ​=  2   ب   د   2   3   F   L 

ب) التفتيش من أربع نقاط

σf=3FL4bd2\sigma_f = \frac{3FL}{4bd^2}   σ   f   ​=  4   ب   د   2   3   F   L 

أين:

• $F$  : حمل الكسر (نيوتن)

• $L$  : المسافة بين دعامتين (مم)

• $b$  : عرض العينة (مم)

• $d$  : سمك العينة (مم)

---

الخصائص المتعلقة بقوة الانحناء

1. معامل الانحناء:  المنحدر الأولي لرسم الإجهاد والانفعال عند الانحناء، مما يشير إلى قدرة المادة على مقاومة تشوه الانحناء.

2. الصلابة:  كمية الطاقة الممتصة قبل الفشل.

3. سلوك الكسر:  قابل للسحب أو هش.

---

قيم قوة الانحناء للمواد المختلفة

• الفولاذ المعتدل  :  حوالي 250 إلى 350 ميجا باسكال.

• الألومنيوم:  حوالي 200 إلى 300 ميجا باسكال.

• البولي كربونات: حوالي 80 إلى 120 ميجا باسكال. 

• المواد المركبة من ألياف الكربون:   أكبر من 500 ميجا باسكال.

• السيراميك:  تتراوح قوته بين 100 إلى 300 ميجا باسكال، ولكنه هش.

• الخرسانة:  حوالي 3 إلى 6 ميجا باسكال (أقل بكثير من المعدن).

تظهر هذه القيم أن المواد المختلفة لها خصائص انحناء مختلفة جدًا اعتمادًا على بنيتها.

ASME BPVC Standard 2023 القسم الثامن 1

---

مزايا وعيوب استخدام اختبارات قوة الانحناء

فائدة

• طريقة سريعة وسهلة لمقارنة المواد.

• يمكن فحص المواد الهشة التي لا يمكن اختبارها تحت التوتر.

• توفير بيانات مفيدة للتصميم الصناعي.

عيب

• النتائج حساسة لحجم العينة وشكلها.

• قد تكون النتائج صالحة فقط في ظل ظروف تحميل معينة.

• إن وجود الشقوق أو العيوب السطحية قد يؤدي إلى تغيير النتائج بشكل كبير.

---

التطبيقات الصناعية لقوة الانحناء

1. صناعات البناء والهندسة المدنية

   • يجب أن تتمتع العوارض والجسور بقوة انثناء عالية.

   • تم تصميم الخرسانة المسلحة والمواد المركبة المستخدمة في البناء مع وضع هذه الخاصية في الاعتبار.

2. سيارة

   • تتعرض مكونات الهيكل والجسم للمركبة لأحمال الانحناء.

   • اختيار المادة المناسبة يمكن أن يحسن من سلامة سيارتك.

3. الفضاء الجوي

   • تتطلب أجنحة الطائرات ومكونات ألياف الكربون قوة انثناء عالية.

4. البوليمرات والمركبات

   • تم تصميم المواد الهندسية خفيفة الوزن لتحل محل المعدن.

5. صناعة السيراميك

   • يتم إجراء الأبحاث على المكونات الخزفية المتقدمة  مثل  التوربينات والسيراميك الحيوي.

---

مثال عددي لحساب قوة الانحناء

افترض أن عينة ذات الأبعاد التالية تم اختبارها في اختبار ثلاثي النقاط:

• طول الفتحة  $مم$

• العرض  $10\; مم$

• السمك   $مم\; د=5مم$

• حمل الفشل  $F=200N$

احسب:

σf=3×200×1002×10×25=120 ميجا باسكال\sigma_f = \frac{3 \times 200 \times 100}{2 \times 10 \times 25} = 120 \,   ميجا باسكال   σf   =  2   ×   10   ×   253   ×   200   ×   100   =   120   ميجا   باسكال 

لذلك فإن قوة الانحناء لهذه العينة هي  120 ميجا باسكال  .

---

المعايير الدولية ذات الصلة

• ASTM D790   – للبلاستيك والمركبات.

• ISO 178   – ينطبق على المواد البوليمرية.

• ASTM C1161   – للسيراميك.

• ASTM E290   – للمعادن.

---

ختاماً

تُعد قوة الانحناء  من أهم الخصائص الميكانيكية للمادة، إذ تُمثل قدرتها على مقاومة الكسر تحت تأثير أحمال الانحناء. وتلعب هذه الخاصية دورًا أساسيًا في تصميم واختيار المواد في مجموعة واسعة من الصناعات، بما في ذلك  البناء  ، والسيارات، والفضاء، والسيراميك، والمركبات.

باستخدام اختبارات قياسية ثلاثية ورباعية النقاط، يُمكن الحصول على قيمة دقيقة لهذه المعلمة. وفي نهاية المطاف، يُسهّل الفهم السليم لقوة الانحناء اختيار المادة المناسبة لكل تطبيق، ويضمن سلامة وكفاءة الهياكل والمعدات الصناعية.