שני מספרים למשיכה
תלו משקולת על חוט מתכת, והוא נמתח מעט. תלו משקולת כבדה פי שניים, והוא נמתח פי שניים. חוט עבה יותר נמתח פחות, וחוט ארוך יותר נמתח יותר, ולכן מהנדסים משווים בין חומרים בעזרת שני מספרים שמבטלים את השפעת גודל הדגם. מאמץ הוא הכוח מחולק בשטח החתך, ביחידות של מגה־פסקל (ניוטון למילימטר רבוע). עיבור הוא ההתארכות מחולקת באורך המקורי, והוא מוצג כאן באחוזים.
מכונת מתיחה מושכת דגם לאט ורושמת את שניהם. כשמשרטטים אותם זה כנגד זה מתקבלת עקומת המאמץ–עיבור של החומר, והיא מספרת כמעט כל מה שצריך לדעת על התנהגותו תחת עומס. ככל שהקטע הישר הראשון תלול יותר, החומר קשיח יותר: השיפוע הזה הוא מודול יאנג שלו. הנקודה הגבוהה ביותר היא חוזק המתיחה שלו. המרחק שהעקומה מגיעה אליו ימינה הוא המידה שבה החומר נמתח לפני שהוא נשבר.
מתכות: קפיציות, ואז פלסטיות
בהתחלה מוט פלדה מתנהג כמו קפיץ קשיח מאוד. האטומים בגבישים שלו מתרחקים מעט זה מזה, ואם משחררים, הם חוזרים מיד למקומם. משכו חזק יותר, והמוט נכנע: מישורים שלמים של אטומים מתחילים להחליק זה על זה בתוך גרעיני הגביש. ההחלקה הזאת קבועה. שחררו עכשיו, והמוט מתקצר רק בחלק הקפיצי הקטן של המתיחה, ונשאר ארוך יותר.
ההחלקה היא גם מה שהופך מתכות לחסונות. כל גרעין שהחליק נעשה קשה מעט יותר להחלקה נוספת, ולכן המוט נושא עומס גדול יותר ככל שהוא נמתח, עד שבמקום אחד הוא מתחיל להצטר מהר יותר משאר המוט. הצוואר הזה נושא עומס הולך וקטן, חללים זעירים נפתחים בתוכו ומתחברים, והמוט נקרע לשניים. פלדה רכה נמתחת ביותר מרבע מאורכה לפני שזה קורה, וזו אזהרה ברורה מראש.
חומרים מרוכבים: סיבים חזקים בדבק קל
סיב דק של זכוכית או של פחמן חזק להפליא לאורכו, כי הוא דק מכדי להכיל את הפגמים שמחלישים חתיכה עבה. אבל לבדו, צרור של סיבים רפוי כמו שיער. שקעו אותם בשרף פלסטי כמו אפוקסי, והשרף מחלק ביניהם את העומס ומחזיק אותם בשורה. התוצאה היא חומר מרוכב.
חומרים מרוכבים אינם נכנעים. הקו שלהם בגרף המאמץ–עיבור עולה ישר עד שהסיבים החלשים ביותר נקרעים, העומס קופץ אל שכניהם, וכל הדגם כושל ברגע אחד ומשאיר אחריו מברשת של סיבים קרועים.
חוזק לכל קילוגרם
כאן חומר מרוכב מסיבי פחמן חזק בערך פי שלושה וחצי מפלדה רכה, ובכל זאת הוא שוקל חמישית ממנה. חלקו את חוזק המתיחה בצפיפות, ותקבלו את החוזק הסגולי שלו: כ־940 קילוניוטון־מטר לקילוגרם לסיבי פחמן, לעומת 55 לפלדה רכה, פי שבעה־עשר. זו הסיבה שכנפי מטוסים, אופני מרוץ וחכות דיג עשויים ממנו, אף שהוא לא נותן שום אזהרה לפני שהוא נשבר, וצריך לתכנן אותו עם מרווח ביטחון רחב.
נסו: בחרו NiTi בחומר, קבעו את מתיחה על 5% ולחצו על שחרור. המוט קופץ בחזרה לאורכו המקורי. עשו אותו דבר עם פלדה רכה, והוא נשאר ארוך יותר בכמעט 5%.
מתכת שקופצת בחזרה
ניקל–טיטניום, סגסוגת זוכרת צורה, נראה כאילו הוא שובר את הכללים. בטמפרטורת החדר הגבישים שלו מסודרים במבנה קובי שנקרא אוסטניט. משכו אותו, ובסביבות 450 מגה־פסקל שורות בגביש עוברות בזו אחר זו לסידור מוארך ומוטה שנקרא מרטנזיט. המוט נמתח בכשישה אחוזים כמעט בלי כוח נוסף: זה הקטע השטוח בעקומה שלו. שחררו, והגבישים חוזרים לסידור הקודם, כך שהמוט חוזר לאורכו המקורי. הסופר־אלסטיות הזאת משמשת במסגרות משקפיים ששורדות גם כשמתיישבים עליהן, בחוטים ליישור שיניים ובתומכנים שמחזיקים עורקים פתוחים.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
כל עקומה היא ערך אופייני; עקומות אמיתיות משתנות לפי הסגסוגת, הטיפול התרמי שלה, הטמפרטורה ומהירות המשיכה. המאמץ הוא הכוח מחולק בשטח החתך המקורי, ולכן העקומה יורדת כשנוצר במתכת צוואר, אף שהפלדה שבצוואר נושאת מאמץ גדול מאי־פעם. חומר מרוכב חלש בהרבה לרוחב הסיבים שלו מאשר לאורכם, ולכן בחלקים אמיתיים מערימים שכבות בכמה כיוונים, והם יוצאים פחות חזקים מהערך שמוצג כאן. המאמץ שבו מופיע הקטע השטוח בעקומה של ניקל–טיטניום עולה עם הטמפרטורה, וזיכרון הצורה שלו בחימום אינו מוצג. עומס חוזר ונשנה, שגורם לרוב הכשלים האמיתיים דרך התעייפות החומר, נשאר מחוץ למודל.