خلاصه‌ای از خواص مکانیکی مواد فلزی

آزمون کشش مقاومت عمدتاً برای تعیین توانایی مواد فلزی در مقاومت در برابر آسیب در طول فرآیند کشش استفاده می‌شود و یکی از شاخص‌های مهم برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد است.

۱. آزمایش کشش

آزمایش کشش بر اساس اصول اولیه مکانیک مواد انجام می‌شود. با اعمال بار کششی به نمونه ماده تحت شرایط خاص، باعث تغییر شکل کششی تا زمان شکست نمونه می‌شود. در طول آزمایش، تغییر شکل نمونه آزمایشی تحت بارهای مختلف و حداکثر بار هنگام شکست نمونه ثبت می‌شود تا استحکام تسلیم، استحکام کششی و سایر شاخص‌های عملکرد ماده محاسبه شود.

تنش σ = F/A

σ استحکام کششی (MPa) است

F بار کششی (N) است

A سطح مقطع نمونه است

۲. منحنی کششی

تجزیه و تحلیل چندین مرحله از فرآیند کشش:

الف) در مرحله OP با بار کم، افزایش طول رابطه خطی با بار دارد و Fp حداکثر بار برای حفظ خط مستقیم است.

ب. پس از اینکه بار از Fp بیشتر شد، منحنی کشش شروع به گرفتن رابطه غیرخطی می‌کند. نمونه وارد مرحله تغییر شکل اولیه می‌شود و بار برداشته می‌شود و نمونه می‌تواند به حالت اولیه خود بازگردد و به صورت الاستیک تغییر شکل دهد.

ج. پس از اینکه بار از Fe بیشتر شد، بار برداشته می‌شود، بخشی از تغییر شکل بازیابی می‌شود و بخشی از تغییر شکل باقیمانده حفظ می‌شود که به آن تغییر شکل پلاستیک می‌گویند. Fe حد الاستیک نامیده می‌شود.

د. وقتی بار بیشتر افزایش می‌یابد، منحنی کشش دندانه اره‌ای می‌شود. وقتی بار افزایش یا کاهش نمی‌یابد، پدیده افزایش طول پیوسته نمونه آزمایشی، تسلیم نامیده می‌شود. پس از تسلیم، نمونه شروع به تغییر شکل پلاستیک آشکار می‌کند.

ه. پس از تسلیم، نمونه افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل، کارسختی و تقویت تغییر شکل را نشان می‌دهد. هنگامی که بار به Fb می‌رسد، همان قسمت از نمونه به شدت منقبض می‌شود. Fb حد استحکام است.

و. پدیده انقباض منجر به کاهش ظرفیت باربری نمونه می‌شود. وقتی بار به Fk می‌رسد، نمونه می‌شکند. به این بار، بار شکست می‌گویند.

قدرت تسلیم

استحکام تسلیم، حداکثر مقدار تنشی است که یک ماده فلزی می‌تواند از ابتدای تغییر شکل پلاستیک تا شکست کامل در اثر نیروی خارجی تحمل کند. این مقدار، نقطه بحرانی را نشان می‌دهد که در آن ماده از مرحله تغییر شکل الاستیک به مرحله تغییر شکل پلاستیک منتقل می‌شود.

طبقه‌بندی

استحکام تسلیم بالا: به حداکثر تنش نمونه قبل از اولین افت نیرو هنگام وقوع تسلیم اشاره دارد.

استحکام تسلیم پایین‌تر: به حداقل تنش در مرحله تسلیم اشاره دارد، زمانی که اثر گذرای اولیه نادیده گرفته می‌شود. از آنجایی که مقدار نقطه تسلیم پایین‌تر نسبتاً پایدار است، معمولاً به عنوان شاخصی از مقاومت ماده، به نام نقطه تسلیم یا استحکام تسلیم، استفاده می‌شود.

فرمول محاسبه

برای استحکام تسلیم بالا: R = F / Sₒ، که در آن F حداکثر نیرو قبل از اولین افت نیرو در مرحله تسلیم و Sₒ مساحت سطح مقطع اولیه نمونه است.

برای استحکام تسلیم پایین‌تر: R = F / Sₒ، که در آن F حداقل نیروی F با صرف نظر از اثر گذرای اولیه و Sₒ مساحت سطح مقطع اولیه نمونه است.

واحد

واحد استحکام تسلیم معمولاً MPa (مگاپاسکال) یا N/mm² (نیوتن بر میلی‌متر مربع) است.

مثال

به عنوان مثال، فولاد کم کربن را در نظر بگیرید، حد تسلیم آن معمولاً 207 مگاپاسکال است. هنگامی که فولاد کم کربن تحت نیروی خارجی بزرگتر از این حد قرار می‌گیرد، تغییر شکل دائمی ایجاد می‌کند و قابل بازیابی نیست؛ هنگامی که تحت نیروی خارجی کمتر از این حد قرار می‌گیرد، فولاد کم کربن می‌تواند به حالت اولیه خود بازگردد.

استحکام تسلیم یکی از شاخص‌های مهم برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد فلزی است. این نشان دهنده توانایی مواد در مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی است.

استحکام کششی

استحکام کششی، توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر آسیب تحت بار کششی است که به طور خاص به عنوان حداکثر مقدار تنشی که ماده می‌تواند در طول فرآیند کشش تحمل کند، بیان می‌شود. هنگامی که تنش کششی روی ماده از استحکام کششی آن بیشتر شود، ماده دچار تغییر شکل پلاستیک یا شکستگی خواهد شد.

فرمول محاسبه

فرمول محاسبه مقاومت کششی (σt) به صورت زیر است:

سیگما تی = F / A

که در آن F حداکثر نیروی کششی (نیوتن، N) است که نمونه می‌تواند قبل از شکستن تحمل کند، و A مساحت سطح مقطع اولیه نمونه (میلی‌متر مربع، mm²) است.

واحد

واحد مقاومت کششی معمولاً MPa (مگاپاسکال) یا N/mm² (نیوتن بر میلی‌متر مربع) است. 1 مگاپاسکال برابر با 1,000,000 نیوتن بر متر مربع است که آن هم برابر با 1 N/mm² است.

عوامل مؤثر

استحکام کششی تحت تأثیر عوامل زیادی از جمله ترکیب شیمیایی، ریزساختار، فرآیند عملیات حرارتی، روش فرآوری و غیره قرار دارد. مواد مختلف استحکام کششی متفاوتی دارند، بنابراین در کاربردهای عملی، انتخاب مواد مناسب بر اساس خواص مکانیکی مواد ضروری است.

کاربرد عملی

مقاومت کششی یک پارامتر بسیار مهم در زمینه علم و مهندسی مواد است و اغلب برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد استفاده می‌شود. از نظر طراحی سازه، انتخاب مواد، ارزیابی ایمنی و غیره، مقاومت کششی عاملی است که باید در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، در مهندسی ساخت و ساز، مقاومت کششی فولاد عامل مهمی در تعیین اینکه آیا می‌تواند بارها را تحمل کند یا خیر، است. در زمینه هوافضا، مقاومت کششی مواد سبک و با مقاومت بالا کلید تضمین ایمنی هواپیما است.

استحکام خستگی:

خستگی فلز به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن مواد و اجزا به تدریج تحت تنش یا کرنش چرخه‌ای، آسیب تجمعی موضعی دائمی در یک یا چند نقطه ایجاد می‌کنند و پس از تعداد مشخصی از چرخه‌ها، ترک یا شکستگی کامل ناگهانی رخ می‌دهد.

ویژگی‌ها

ناگهانی بودن در زمان: شکست خستگی فلز اغلب به طور ناگهانی در مدت زمان کوتاهی و بدون علائم واضح رخ می‌دهد.

محل در موقعیت: شکست خستگی معمولاً در نواحی موضعی که تنش متمرکز است، رخ می‌دهد.

حساسیت به محیط و نقص‌ها: خستگی فلز نسبت به محیط و نقص‌های ریز درون ماده بسیار حساس است که ممکن است روند خستگی را تسریع کند.

عوامل مؤثر

دامنه تنش: بزرگی تنش مستقیماً بر عمر خستگی فلز تأثیر می‌گذارد.

میانگین بزرگی تنش: هرچه میانگین تنش بیشتر باشد، عمر خستگی فلز کوتاه‌تر است.

تعداد چرخه‌ها: هرچه فلز بیشتر تحت تنش یا کرنش چرخه‌ای قرار گیرد، تجمع آسیب خستگی جدی‌تر خواهد بود.

اقدامات پیشگیرانه

بهینه‌سازی انتخاب مواد: موادی را انتخاب کنید که حد خستگی بالاتری داشته باشند.

کاهش تمرکز تنش: کاهش تمرکز تنش از طریق طراحی سازه یا روش‌های پردازش، مانند استفاده از گذارهای گوشه گرد، افزایش ابعاد سطح مقطع و غیره.

عملیات سطحی: پرداخت، اسپری کردن و غیره روی سطح فلز برای کاهش عیوب سطحی و بهبود استحکام خستگی.

بازرسی و نگهداری: به طور منظم اجزای فلزی را بررسی کنید تا عیوبی مانند ترک‌ها را به سرعت تشخیص داده و تعمیر کنید؛ قطعات مستعد خستگی را با تعویض قطعات فرسوده و تقویت اتصالات ضعیف، تعمیر و نگهداری کنید.

خستگی فلز یک حالت شکست رایج در فلز است که با ناگهانی بودن، محلی بودن و حساسیت به محیط مشخص می‌شود. دامنه تنش، میانگین بزرگی تنش و تعداد سیکل‌ها عوامل اصلی مؤثر بر خستگی فلز هستند.

منحنی SN: عمر خستگی مواد را تحت سطوح مختلف تنش توصیف می‌کند، که در آن S نشان دهنده تنش و N نشان دهنده تعداد چرخه‌های تنش است.

فرمول ضریب مقاومت خستگی:

(Kf = Ka \cdot Kb \cdot Kc \cdot Kd \cdot Ke)

که در آن (Ka) ضریب بار، (Kb) ضریب اندازه، (Kc) ضریب دما، (Kd) ضریب کیفیت سطح و (Ke) ضریب قابلیت اطمینان است.

عبارت ریاضی منحنی SN:

(\sigma^m N = C)

که در آن (σ) تنش، N تعداد سیکل‌های تنش و m و C ثابت‌های ماده هستند.

مراحل محاسبه

ثابت‌های ماده را تعیین کنید:

مقادیر m و C را از طریق آزمایش یا با مراجعه به منابع مربوطه تعیین کنید.

ضریب تمرکز تنش را تعیین کنید: برای تعیین ضریب تمرکز تنش K، شکل و اندازه واقعی قطعه و همچنین تمرکز تنش ناشی از فیلت‌ها، شیارها و غیره را در نظر بگیرید. محاسبه استحکام خستگی: با توجه به منحنی SN و ضریب تمرکز تنش، همراه با عمر طراحی و سطح تنش کاری قطعه، استحکام خستگی را محاسبه کنید.

۲. انعطاف‌پذیری:

پلاستیسیته به خاصیتی از ماده اشاره دارد که وقتی تحت نیروی خارجی قرار می‌گیرد، تغییر شکل دائمی ایجاد می‌کند بدون اینکه در صورت تجاوز نیروی خارجی از حد الاستیک خود، بشکند. این تغییر شکل برگشت‌ناپذیر است و حتی اگر نیروی خارجی برداشته شود، ماده به شکل اولیه خود باز نمی‌گردد.

شاخص پلاستیسیته و فرمول محاسبه آن

کشیدگی (δ)

تعریف: ازدیاد طول، درصد تغییر شکل کل مقطع گیج پس از شکست کششی نمونه تا رسیدن به طول اولیه گیج است.

فرمول: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

که در آن L0 طول اولیه نمونه است؛

L1 طول گیج پس از شکسته شدن نمونه است.

کاهش قطعه‌ای (Ψ)

تعریف: کاهش قطعه‌ای، درصد حداکثر کاهش در سطح مقطع در نقطه گلویی شدن پس از شکسته شدن نمونه به سطح مقطع اولیه است.

فرمول: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

که در آن F0 مساحت سطح مقطع اولیه نمونه است؛

F1 سطح مقطع در نقطه گلویی شدن پس از شکسته شدن نمونه است.

۳. سختی

سختی فلز یک شاخص خواص مکانیکی برای اندازه‌گیری سختی مواد فلزی است. این شاخص، توانایی مقاومت در برابر تغییر شکل در حجم موضعی روی سطح فلز را نشان می‌دهد.

طبقه‌بندی و نمایش سختی فلزات

سختی فلزات بر اساس روش‌های مختلف آزمون، روش‌های طبقه‌بندی و نمایش متنوعی دارد. عمدتاً موارد زیر را شامل می‌شود:

سختی برینل (HB):

دامنه کاربرد: عموماً زمانی استفاده می‌شود که ماده نرم‌تر باشد، مانند فلزات غیر آهنی، فولاد قبل از عملیات حرارتی یا بعد از آنیل کردن.

اصل آزمایش: با اندازه مشخصی از بار آزمایش، یک گوی فولادی سخت شده یا گوی کاربیدی با قطر مشخص به سطح فلز مورد آزمایش فشار داده می‌شود و بار پس از مدت زمان مشخصی برداشته می‌شود و قطر فرورفتگی روی سطح مورد آزمایش اندازه‌گیری می‌شود.

فرمول محاسبه: مقدار سختی برینل، خارج قسمت حاصل از تقسیم بار بر مساحت سطح کروی فرورفتگی است.

سختی راکول (HR):

دامنه کاربرد: عموماً برای موادی با سختی بالاتر، مانند سختی پس از عملیات حرارتی، استفاده می‌شود.

اصول آزمایش: مشابه سختی برینل، اما با استفاده از پروب‌های مختلف (الماس) و روش‌های محاسبه متفاوت.

انواع: بسته به کاربرد، HRC (برای مواد با سختی بالا)، HRA، HRB و انواع دیگر وجود دارد.

سختی ویکرز (HV):

دامنه کاربرد: مناسب برای آنالیز میکروسکوپی.

اصل آزمایش: سطح ماده را با باری کمتر از ۱۲۰ کیلوگرم و یک فرورونده مخروط مربعی الماسی با زاویه رأس ۱۳۶ درجه فشار دهید و مساحت سطح گودال فرورونده ماده را بر مقدار بار تقسیم کنید تا مقدار سختی ویکرز به دست آید.

سختی لیب (HL):

ویژگی‌ها: سختی‌سنج قابل حمل، اندازه‌گیری آسان.

اصل آزمایش: از جهش ایجاد شده توسط سر گوی ضربه زننده پس از برخورد به سطح سختی استفاده کنید و سختی را با نسبت سرعت بازگشت پانچ در فاصله ۱ میلی‌متری از سطح نمونه به سرعت ضربه محاسبه کنید.