الظواهر عند التحميل الساكن
إن تشوه المادة تحت تأثير الإجهاد ظاهرة معقدة جدًا، ولذلك لا بد من تبسيطها بطرق مختلفة كي يمكن فهمها. ومن هذه التبسيطات افتراض أن الأحمال تُطبَّق تدريجيًا، كما يُفعل مثلًا مع العينات أثناء اختبار الشد والضغط.
إذا خضع القضيب الفولاذي المشدود إلى حمل يزداد تدريجيًا وتم قياس استطالته ℇ، نحصل على المخطط المبين في الشكل.
_1= حدّ التناسب _2 =حد المرونة 3 =الحد الأدنى للسيولة 3’= الحد الأعلى للخضوع
في البداية تكون الاستطالة صغيرة جدًا ومتناسبة مع الإجهاد، كما يقتضي قانون هوك. ومنذ إجهاد معيّن تتوقف التناسبية وتبدأ الاستطالة بالازدياد أسرع. ومن الصعب تحديد الموضع الدقيق لهذا الحدّ التناسبي. وكلما كانت القياسات أدق، ظهر هذا الحدّ عند قيمة أقل. وبالنسبة لمعظم المواد يقع عند δ=0، وعندئذ لا يمثّل قانون هوك إلا أول تقريب للسلوك المرن، أي الحد الأول من تطور متسلسلة تايلور للدالة ℇ=ℇ (δ) في جوار مبدأ الإحداثيات. إذا أُزيل الحمل عن القضيب، يُلاحظ أنه عندما لم يكن الإجهاد كبيرًا جدًا، تزول أيضًا التشوهات وفقًا لقانون هوك. لكن هذا أيضًا يتغير إذا جرى تجاوز إجهاد معيّن يقع قريبًا من حد التناسب، وهو ما يُسمّى حد المرونة؛ عندها تتكوّن التشوهات الكلية من جزء مرن (راجع) وجزء غير مرن (دائم). ولا يمكن أيضًا تحديد حد المرونة تحديدًا دقيقًا، وهو يقع أدنى كلما زادت دقة القياس.
ومع ذلك، نظرًا إلى أن لها أهمية تقنية كبيرة، لأنها تمثل حد الأهمية في معظم حسابات مقاومة المواد، وفي الوقت نفسه الحد الذي تظهر عنده أولى الأضرار الدائمة، فإنها تُعرَّف بصرامة عند فحص العينات وفق اتفاقية معتمدة، ولذلك يُشار، مثلًا، إلى حد 0,2% على أنه ذلك الإجهاد الذي تبلغ عنده الاستطالة الدائمة 0,2%.
بعد تجاوز حد المرونة مباشرةً تزداد التشوهات فجأة ويمكن ملاحظتها بالعين المجردة؛ وعند إجهاد يكاد يكون ثابتًا يستطيل القضيب باستمرار. ويُسمّى هذا الإجهاد حدّ الخضوع.
في آلات الاختبار الهيدروليكية للمواد يمكن ملاحظة، بعد بدء الخضوع، هبوط في الإجهاد أكثر أو أقل وضوحًا، كما هو مبين في الرسم البياني بالمنحنى المتقطع؛ وعندئذ يسمى الحد الأقصى حد الخضوع العلوي، أما إجهاد الخضوع الثابت الذي يتلو ذلك فيسمى حد الخضوع السفلي.
بعد بلوغ استطالة معينة، تكون غير مرنة تقريبًا بالكامل، يبدأ الإجهاد بالازدياد من جديد، فتتصلب المادة. وفي هذه منطقة التحميل يحدث انخفاض ملحوظ في المقطع العرضي للقضيب نتيجة الانكماش الجانبي (غير المرن)، ويعتمد المسار اللاحق لمخطط الإجهاد والانفعال أساسًا على ما إذا كان في حساب الإجهاد تُقسَّم قوة الشد P المؤثرة في القضيب على المقطع الأصلي Fo أم على المقطع الحالي F. وللأغراض التقنية يهم الإجهاد P/F. وهذا الإجهاد يمر بحد أقصى يُسمّى مقاومة المادة، وعندما يُتجاوز هذا الحد الأقصى يضيق القضيب بشدة في موضع واحد وينقطع. ويزداد «الإجهاد الحقيقي» P/F حتى الانهيار.
يختلف سلوك المعادن الأخرى في كثير من الجوانب عما وُصف هنا. فالانسياب غالبًا لا يكون واضحًا، ويبدأ التقسية مباشرة بعد تجاوز حد المرونة.
في المواد الهشة (الحجر، الزجاج، الخرسانة) تكون التشوهات غير المرنة صغيرة عمومًا، ويؤدي مقدار صغير من الاستطالة إلى الفشل. وتمثل الاستطالة الكلية التي تتحملها المادة حتى الفشل مقياسًا لقابلية المادة للتمدد (وعكسها: الهشاشة)، وتُحدَّد هذه القيمة بدقة للصلب في الشروط الفنية. غير أنه، وبما أن التشوه الإضافي قبيل الفشل يتركز في محيط موضع المقطع المتضيق، فإن قيمة الاستطالة عند الفشل تختلف تبعًا لما إذا كان طول القياس يُتخذ على جزء أكبر أو أصغر من القضيب، لذلك وللحصول على نتائج واضحة وقابلة للمقارنة فيما بينها يجب اعتماد قاعدة محددة مسبقًا. وعادة ما تُقاس الاستطالة عند الفشل بحيث يُحدد على قضيب دائري القطر d قبل الاختبار طول القياس l = 10 d، ثم تُحسب من استطالته ∆l الاستطالة عند الفشل ℇSl= ∆1/1.
إذا لزم فحص قضبان ذات مقطع مختلف، فإن طول القياس يُحدَّد وفقًا لقطر القضيب الأسطواني الدائري الذي يملك المساحة المقطعية نفسها.