כניעה (הנדסה)

הגדרה

לעיתים קרובות קשה להגדיר באופן מדויק את נקודת הכניעה כיוון שקיים מגוון גדול של חומרים ושונות בין חומרים ובין עקומת המאמץ-מעוות של כל חומר וחומר. בנוסף, ישנן מספר דרכים להגדרת נקודת הכניעה.
גבול אלסטי אמיתי
המאמץ הנמוך בו נעים נקעים, הגדרה זו משמת לעיתים רחוקות, כיוון שנקעים נעים גם במאמצים נמוכים מאוד וגילוי תנועה מסוג זה קשה מאוד.
גבול פרופורציונלי
הגבול כולל את התחום בו המאמץ פרופורציונלי למעוות (חוק הוק), ולכן עקום מאמץ-מעוות בתחום זה הוא ליניארי. ולכן השיפוע (גראדיאנט) יהיה שווה למודול האלסטיות של החומר.
גבול אלסטי (חוזק לכניעה)
מעבר לגבול האלסטי, תתרחש דפורמציה קבועה. הגבול האלסטי הוא אפוא נקודת המאמץ הנמוכה ביותר שבה ניתן למדוד עיוות קבוע. מדידת הגבול באמצעות תהליך זה דורשת העמסה ופריקה ידניים ודיוק המדידה תלוי בטיב הציוד ובמיומנות המפעיל. עבור אלסטומרים, כגון גומי, הגבול הגמיש הוא הרבה יותר גדול מהגבול הפרופורציונלי. בנוסף מדידות מעוות מדויקות חשפו כי מעוות פלסטי מתחיל גם במשטר מאמצים נמוך.
נקודת כניעה
הנקודה בעקומת המאמץ-מעוות שבה שיפוע העקומה יורד ודפורמציה פלסטית מתחילה להתרחש.
היסט נקודת כניעה (מאמץ מוכח)
כאשר יש קושי בהגדרה פשוטה של נקודת הכניעה בהתבסס על צורת עקומת המאמץ מעוות, נגדיר נקודת כניעה שרירותית באמצעות הזחה של נקודת הכניעה. ערך זה מוגדר בדרך כלל על 0.1% או 0.2% מעוות. ערך זה הוא תוצאה של המאמץ המקביל להעמסה לא פרופציונלית כאשר השינוי יחסית לאורך ההתחלתי הוא 0.2% או 1% (למשל: ) עבור רוב השימושיים ההנדסיים נשתמש ב. ערך זה מוכפל במקדם ביטחון על מנת להבטיח ערך נמוך יותר מנקודת הכניעה המוסטת (). בפלדות בעלות חוזק גבוה וסגסוגות אלומיניום קשה להבחין בנקודת הכניעה ולכן שימוש בשיטת היסט נקודת הכניעה יעילה במקרים אלה.
נקודת כניעה עליונה ותחתונה
חלק מהמתכות, כגון פלדה קלה, מגיעות לנקודת כניעה עליונה לפני שהן יורדות במהירות לנקודת כניעה נמוכה יותר. התגובה החומרית היא ליניארית עד לנקודת הכניעה העליונה, אך נקודת הכניעה התחתונה משמשת בהנדסת מבנים כערך שמרני.

חוזק  תאורטי לכניעה

חוזק הכניעה התאורטי ניתן להערכה על ידי בחינת תהליך הכניעה ברמה האטומית. בגביש מושלם, תוצאת גזירה היא תזוזת מישור אטומים שלם במרווח בשיעור b יחסית למישור מתחת. על מנת שהאטומים ינועו, יש להפעיל כוח רב כדי להתגבר על אנרגיית הסריג ולהזיז את האטומים במישור העליון מעל האטומים התחתונים על אתר הסריג החדש. המאמץ הנדרש כדי להתגבר על התנגדות סריג מושלם לגזירה הוא חוזק הכניעה התאורטי, .

גזירה

עקומת המאמץ-תזוזה עבור מישור אטומים משתנה סינוסיאדלית, כאשר שיא המאמץ מתרחש כאשר מופעל כח על אטום לנוע מעל גבי אטום אחר ולאחר מכן ירידה במאמץ כאשר האטום המאולץ מגיע לאתר סריג פנוי.
כאשר הינו המרווח המפריד בין מישורי האטומים. עבור מאמץ גזירה: ועבור הזזות קטנות: (נחליף את ב, הזזות קטנות- מרחק בין אטומי יחיד) נקבל את המשוואה הבאה:
עבור הזזות קטנות של כאשר a הוא המרחק הבין אטומי באותו מישור, ניתן לכתוב את הביטוי הבא:
ולכן ניתן להעריך את חוזק הכניעה התאורטי כ:ׂ

קריטריון כשל

קריטריון כשל, המתבטא לעיתים קרובות כמישור כשל, הוא השערה לגבי הגבול האלסטי תחת שילוב מאמצים. קיימות שתי פרשנויות בנוגע לקריטריוני כשל, הראשונה מתמטית המתבססת על גישות סטטיסטיות ואילו השנייה מנסים לספק הצדקה המבוססת על עקרונות פיזיקליים מבוססים. כיוון שניתן לבטא את המאמץ והמעוות באמצעות טנזורים, ניתן לנרמל את הטנזורים ולצמצם את מספר המאמצים הפועלים במקביל מתשעה לשלושה בכיוונים הראשיים. הסימונים של המאמצים בכיוונים הראשיים, יסומנו: . 
נציג את קריטריוני הכשל הנפוצים הנוגעים לחומר איזוטרופי (מאפיינים אחידים בכל הכיוונים), קריטריוני כשל אחרים הוצעו ומשמשים מצבים וחומרים אחרים.

גורמים המשפיעים על החוזק לכניעה

המאמץ בו מתרחש הכשל תלוי במספר גורמים, אחד הוא קצב הדפורמציה (קצב העיבור) ובאופן משמעותי יותר הטמפ' בה מתרחשת הדפורמציה. באופן כללי חוזק הכניעה עולה עם קצב העיבור ויורד עם עליית הטמפ'. כאשר לטמפ' אין השפעה מכרעת על החוזק, החומר מציג אנומליה מסוימת והדבר אופייני עבור סגסוגות-על. תכונה המובילה לשימוש עבור אפליקציות בהן נדרש לעמוד בטמפ' וחוזק גבוהים.
מחקרים ראשוניים שנעשו על ידי אלדר ופיליפס מצאו קשר בין חוזק לכניעה וקצב עיבור (עבור טמפ' קבועה), הקשר הוצג על ידי המשוואה הבאה:
כאשר C הוא קבוע, m הוא מקדם הקשיית מעוותים. המקדם מושפע מהטמפ' ועולה בהתאמה. חומרים עבורם המקדם גדול מ~0.5 נוטים להציג יכולות סופר-פלסטיות. ניתן לחלץ את המקדם m באמצעות לוגאריתמים על שני אגפי המשוואה:
 
בהמשך, נוספו משוואות מורכבות יותר שעסקו בו-זמנית בטמפ' ובקצב המעוות:
כאשר וA הם קבועים וZ הוא מקדם טמפ' פיצוי המעוות שמתואר בדרך כלל ע"פ מקדם זנר-הולמן [אנ']
הוא אנרגיית האקטיבציה עבור דפורמציית חום, T- טמפ' במעלות קלווין.

הקשיית מעוותים

כאשר חומר חווה דפורמציה, נקעים חדשים נוצרים בסריג וצפיפות הנקעים הכללי בחומר עולה. צפיפות הנקעים הגדלה מעלה את החוזק לכניעה של החומר, כיוון שהמאמץ הנדרש כעת 'חייב' להניע גם את הנקעים החדשים במבנה הסריגי של הגביש. נקעים חדשים שנוצרו יכולים לבוא במגע גם עם נקעים קודמים בחומר ובכך להעלות את מאמץ הכניעה עוד.
המשוואה השלטת במקרה זה היא:
כאשר הינו מאמץ הכניעה, G הינו מודול הגזירה, b- ההגבר של וקטור בורגס והוא צפיפות הנקעים.

חיזוק על ידי תמיסה מוצקה

תמיסה מוצקה מכילה בתוכה אטומים מיסודות שונים ומגדלים שונים, תוך כדי סגסוג החומר (קירור החומר והבאה למצב יציב) האטומים הקטנים/גדולים יתמקמו ישירות מתחת לנקע. תופעה זו מחזקת את החומר כיוון שאטומי ה'זיהום' מתמקם בסמוך לנקע ומקשה על תנועתו במידה והרכיב/חומר מועמס.
היחס בין הגזירה במנגנון זה מבוטא על ידי הנוסחה הבאה:
כאשר הוא מאמץ הגזירה,  G הינו מודול הגזירה, b- ההגבר של וקטור בורגס, הוא ריכוז המומס והוא העיבור המושרה בסריג כתוצאה מהוספת אטומי הזיהום.

זיקון

זיקון מתבסס על הימצאות שתי פאזות בחומר אחד. כאשר מתבדלים מהפאזה המומסת נמצאים בפיזור טוב בחומר, הם יעלו את מאמץ הכניעה כיוון שיחסמו את תנועת הנקעים בתוך הגביש. פגם או נקע ייאלץ לעבור דרך ה'מחסומים' או משקעים של החומר המומס שמהווים חסם טוב יותר לעומת הפאזה של החומר המקורי. נקע יכול לנוע דרך החלקיקים האלו או על ידי גזירה או על ידי 'מעקף' של החלקיקים האלו, במקרה זה נוצרת טבעת חדשה סביב החלקיקים המומסים.
מאמץ הגזירה הנדרש הוא:
והמאמץ עבור מעקף הוא:
במקרה זה מבטא את רדיוס החלקיק/משקע, הוא מתח הפנים בין הסריג לבין החלקיק, הוא המרחק בין חלקיקים מומסים.

חיזוק על ידי הקטנת גרעינים

הצטברות נקעים סביב גבול כלשהו גורמת לכוח דוחה בין נקעים. הצטברות גרגירים/אטומים קטנים יוצרת כח דוחה בין נקעים. ככל שגודל הגרעין קטן שטח הפנים של הגרעינים גדל וכך מתאפשרים יותר ויותר מקומות עבור גרעיני גבול. מעבר נקעים מגרעין לגרעין דורש אנרגיה רבה ולכן הנקעים מצטברים סביב גבול הגרעינים הנ"ל ומעלים את החוזק לכניעה של החומר.
מאמץ הכניעה עולה כמתואר במשוואה הבאה:
כאשר:
- המאמץ הדרוש להזחת נקע
k- קבוע החומר
d- גודל הגרעין

ניסויים

ניסוי מתיחה שנועד לבדוק חוזק לכניעה מבצעים על ידי מתיחת דגם קטן עם שטח חתך קבוע, את המתיחה עושים באמצעות כוח מבוקר, הולך וגדל בהדרגה כך שהדגם משנה את תצורתו אלסטית ופלסטית. שינויים אורכיים או העיבור נאספים תוך כדי המתיחה באמצעים מכניים או אופטיים. 
התנהגות כשל יכולה לחישוב גם באמצעות אנליזות מכניות ממוחשבות. במיוחד כאשר כשלים מיקרוסקופיים נגרמים בגלל המבנה המיקרוסקופי של החומר. 
בדיקת קשיות חומר, לקשיות ישנה קורלציה ליניארית חזקה ביחס לחוזק למתיחה עבור רוב הפלדות, אבל מדידות על חומר אחד לא יכולות להוות מדד עבור חומר אחר. בדיקת קשיות יכולה אפוא להוות תחליף חסכוני לניסויי מתיחה, כמו גם מתן שינויים מקומיים בחוזק מתיחה, למשל מדידה בנקודות ריתוך או אזורים שעברו תהליכים שונים. עם זאת, עבור מצבים קריטיים בדיקות המתח נעשה כדי למנוע עמימות.

השפעות על מבנים הנדסיים

למבנים חלשים יש קשיחות נמוכה, דבר המוביל לפגמים ומעלה את הסכנה בפני קריסה. המבנה המועמס יישאר במקרים מסוימים מעוות גם לאחר שחרור העומס ויתרה מכך במקרים מסוימים יכיל בתוכו עומסים שיוריים פנימיים כתוצאה מהעומס החיצוני. הנדסה מכנית של מתכות מציגה כי קיים מצב של הקשיית מעוותים, כלומר לאחר שחרור העומס מאמץ הכניעה של המתכת עולה. במבנים שעברו אופטימיזציה כמו קורות מטוסים ורכיבי מכונות אחרים, מסתמכים על מעבר נקודת הכניעה או מאמץ הכניעה כמצב כשל. לפיכך, אין צורך במנגנון בטיחות בעת השוואת עומסי הטעינה (העומסים הגבוהים ביותר הצפויים במהלך פעולה רגילה) לקריטריוני הכשל שהוצגו לעיל.