العوامل المؤثرة على الخواص الميكانيكية لمواد البناء

  العوامل المؤثرة على الخواص الميكانيكية لمواد البناء

أظهرت التجارب العملية أن الصفات الميكانيكية للمواد (حد التناسب ، حد المرونة ، حد الخضوع أو السيلان ، وحد المتانة ) تتأثر بعدة عوامل وهي :

شدة الحرارة :

يؤدي ارتفاع الحرارة في اغلب المواد إلى تناقص في مقاومة العنصر وتزايد في صفاته اللدنة (التشوهات النسبية المتبقية بعد الانقطاع ẟ، تشوه المقطع العرضي في منطقة الانقطاع Ψ) ، وإلى تزايد في المقاومة عند انخفاض درجات الحرارة .

الشكل رقم (1)

وفي الشكل رقم 1 توضح عدة خطوط بيانية لحالة الشد لأهم الخواص الميكانيكية للفولاذ المنخفض الكربون (C= 0.15%) عند درجات الحرارة المختلفة . ب

يبين المخطط البياني (شكل رقم 1-a) أن نسبة انخفاض مقاومة العنصر نتيجة ارتفاع درجة الحرارة حتى 400^o درجة مئوية تصل إلى 50% من قيمته عند درجة حرارة الغرفة (20^o – 50^o) . وبارتفاع درجة الحرارة يقل طول منطقة اللدونة (السيلان) وتقريبا يختفي نهائيا عند درجة حرارة 400^o .

ويؤدي أيضا ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض في معامل مرونة العنصر E ، وإلى تزايد في معامل التشوه  العرضي µ بينما يؤدي انخفاضها إلى العكس تماما ، (الشكل رقم 1-c ) . إن الخواص اللدنة (ẟ،Ψ) تقل بازدياد الحرارة حتى 300^o ، ولكنها تزداد بعد ارتفاع الحرارة اللاحقة ، (الشكل رقم 1-b) .

• إن استمرار تأثير الحرارة العالية (أكثر من 800^o درجة مئوية) يؤدي إلى تناقص جديد في مقاومة العنصر بشكل واضح ، ويمكن أن يتحطم العنصر تحت تأثير درجة حرارة الغرفة ،  اقل من حد التناسب الذي نحصل عليه عند درجة حرارة الغرفة ، وهذا الإجهاد سيستمر تأثيره وقتا طويلا ويدعى بحد المقاومة الطويل الأمد للمادة .

ويعرف حد المقاومة الطويل الأمد بأنه الإجهاد الذي يسبب انهيار العنصر المعرض لدرجة حرارة معينة وبعد فترة زمنية مفروضة ، ويقصد بمقاومة الفولاذ للحرارة قدرته في الحفاظ على المقاومة العالية عند درجات الحرارة المرتفعة . إن العناصر الإنشائية التي تعمل في درجات حرارة عالية يتم تصنيعها من فولاذ خاص مقاوم للحرارة يحتوي على خليط من السبائك الخاصة.

وتتناقص مقاومة البيتون نتيجة ارتفاع درجة الحرارة بشكل ملحوظ وعندما تبلغ الحرارة (200^o – 400^o) . ويؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تناقص المقاومة بمرتين وإلى تناقصها بثلاث مرات عندما تصل الحرارة إلى 500^o .

ولكن تناقص الحرارة وعودتها إلى وضعها الطبيعي لا يؤدي إلى تزايد في مقاومة العنصر . وإن الحرارة أيضا تؤدي إلى زيادة تشوهات البيتون وتناقص معامل مرونته ، حيث يتناقص معامل مرونة البيتون سبع عشرة مرة وذلك عندما تبلغ حرارته 500^o .

سرعة التجربة:

إن طريقة تنفيذ  التجربة تؤثر بشكل ملحوظ على النتائج الحاصلة عند تعيين الخواص الميكانيكية للمادة . ولهذا حتى نستطيع مقارنة نتائج التجارب المخبرية لمواد البناء بشكل دقيق لا بد من وضع طريقة معينة للاختبار .

وعند اختبار المعادن مثلا نلاحظ أنه كلما زادت سرعة تطبيق الحمولة على العينة فإن قدرة تحمل العينة تزداد (حد التناسب ، حد الخضوع ، وحد المتانة ) وتكون أكبر من قيمتها الحقيقية ، بينما تكون التشوهات الحاصلة أقل بالمقارنة مع حالة التحميل البطيء .

وينصح دائما عند معرفة حد الخضوع (حد السيلان ) أثناء إجراء التجارب المخبرية ألا تزيد الإضافات الحاصلة في قيم الإجهادات في مجال المرونة عن (100 kgf / cm²) في الثانية الواحدة وذلك لأهمية حد الخضوع أثناء تصميم وحساب المنشآت الهندسية على المتانة والاستقرار .

زيادة حد الخضوع الاصطلاحي عند تكرار التحميل :

إذا كان التحميل على العينة لم يتجاوز حد المرونة ، فعند إزالة الحمل تزول كل التشوهات وعند إعادة التحميل فإن العينة  تسلك نفس سلوكها في الحالة الأولى .

أما إذا كانت العينة محملة بإجهاد أكبر من حد المرونة ، مثلا حتى الإجهاد الموافق للنقطة K من الرسم البياني في الشكل رقم 1 ، فخط إزالة التحميل سيكون موافقا للمستقيم KL الذي يوازي الخط OA . أي أن القسم المرن من التشوه LM يزول ، أما القسم اللدن لنفس قسم التشوه (الخط OL) سيبقى .

إذا أعيد تحميل المادة من جديد ، فإن الخط البياني سيمر بالمستقيم LK حتى النقطة K نفسها . إن الاستطالة الدائمة عند الانفصال ستقاس بمقدار القسم LR ، أي أن لها مقدارا أقل من حالة التحميل الابتدائي حتى الانفصال وذلك بعد مرة واحدة فقط من إعادة التحميل .

إذن عند تطبيق حمولات متكررة ، على عينة مشدودة ، قيمها أكبر من حد الخضوع ، يزداد حد التناسب إلى المقدار الذي وصلت إليه الإجهادات في التحميل السابق . وإذا كان هناك فترة توقف بين إزالة التحميل وتكراره فإن حد التناسب يزداد بشكل أكثر .

كما أن الرسم البياني LKEN الذي حصلنا عليه بواسطة تكرار التحميل لا يحتوي على مساحة الخضوع التي تظهر في المواد اللدنة ، ولذلك يعين حد الخضوع الاصطلاحي للعينات التي خضعت للإزالة وإعادة التحميل . ومن البديهي أن يكون هذا الحد أعلى من حد الخضوع في حالة التحميل الأولى .

إن ظاهرة زيادة حد التناسب وتقليل لدونة المادة عند تكرار التحميل تسمى التمتين الانفعالي .

• يعتبر التمتين الانفعالي في حالات كثيرة ظاهرة غير مرغوب فيها ، لأن المعدن الصلد انفعاليا يصبح أكثر هشاشة . ولكنه بصورة عامة يكون مفيدا في حالات كثيرة أخرى ويجري تحقيقه صناعيا ، مثلا في العناصر التي تقع تحت تأثير أحمال متغيرة (التعب) .

تأثير الزمن على التشوه – التأثير اللاحق المرن – الزحف – الارتخاء :