خلاصه ای از خواص مکانیکی مواد فلزی

آزمون کششی استحکام عمدتاً برای تعیین توانایی مواد فلزی در مقاومت در برابر آسیب در طول فرآیند کشش استفاده می شود و یکی از شاخص های مهم برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد است.

1. تست کشش

آزمایش کشش بر اساس اصول اولیه مکانیک مواد است. با اعمال بار کششی به نمونه ماده در شرایط خاص، باعث تغییر شکل کششی تا شکستن نمونه می شود. در طول آزمایش، تغییر شکل نمونه آزمایشی تحت بارهای مختلف و حداکثر بار زمانی که نمونه شکسته می‌شود، ثبت می‌شود تا مقاومت تسلیم، مقاومت کششی و سایر شاخص‌های عملکرد ماده محاسبه شود.

استرس σ = F/A

σ استحکام کششی (MPa) است.

F بار کششی (N) است

A سطح مقطع نمونه است

2. منحنی کششی

تجزیه و تحلیل چند مرحله از روند کشش:

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

ب پس از اینکه بار از Fp بیشتر شد، منحنی کششی شروع به گرفتن یک رابطه غیر خطی می کند. نمونه وارد مرحله تغییر شکل اولیه می شود و بار برداشته می شود و نمونه می تواند به حالت اولیه خود بازگردد و به صورت الاستیک تغییر شکل دهد.

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

د هنگامی که بار بیشتر می شود، منحنی کششی دندانه اره را نشان می دهد. زمانی که بار کم یا زیاد نمی شود، پدیده ازدیاد طول نمونه آزمایشی تسلیم نامیده می شود. پس از تسلیم، نمونه شروع به تغییر شکل پلاستیکی آشکار می کند.

ه. پس از تسلیم، نمونه افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل، سخت شدن کار و تقویت تغییر شکل را نشان می دهد. وقتی بار به Fb می رسد، همان قسمت نمونه به شدت کوچک می شود. Fb حد قدرت است.

f. پدیده انقباض منجر به کاهش ظرفیت باربری نمونه می شود. وقتی بار به Fk می رسد، نمونه می شکند. این بار شکستگی نامیده می شود.

قدرت تسلیم

استحکام تسلیم حداکثر مقدار تنشی است که یک ماده فلزی می تواند از ابتدای تغییر شکل پلاستیک تا شکست کامل در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروی خارجی تحمل کند. این مقدار نقطه بحرانی را نشان می دهد که در آن ماده از مرحله تغییر شکل الاستیک به مرحله تغییر شکل پلاستیکی منتقل می شود.

طبقه بندی

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

استحکام تسلیم کمتر: به حداقل تنش در مرحله تسلیم اشاره دارد که اثر گذرای اولیه نادیده گرفته شود. از آنجایی که مقدار نقطه تسلیم پایین نسبتاً پایدار است، معمولاً از آن به عنوان شاخص مقاومت مواد استفاده می شود که به آن نقطه تسلیم یا قدرت تسلیم می گویند.

فرمول محاسبه

برای قدرت تسلیم بالا: R = F / Sₒ، که در آن F حداکثر نیرو قبل از افت نیرو برای اولین بار در مرحله تسلیم است، و S2 سطح مقطع اولیه نمونه است.

برای استحکام تسلیم کمتر: R = F / Sₒ، که در آن F حداقل نیروی F است که اثر گذرای اولیه را نادیده می گیرد، و S2 سطح مقطع اولیه نمونه است.

واحد

واحد قدرت تسلیم معمولا MPa (مگا پاسکال) یا N/mm² (نیوتن بر میلی متر مربع) است.

مثال

فولاد کم کربن را به عنوان مثال در نظر بگیرید، حد بازده آن معمولا 207 مگاپاسکال است. هنگامی که در معرض نیروی خارجی بیشتر از این حد قرار می گیرد، فولاد کم کربن تغییر شکل دائمی ایجاد می کند و قابل ترمیم نیست. هنگامی که در معرض نیروی خارجی کمتر از این حد قرار می گیرد، فولاد کم کربن می تواند به حالت اولیه خود بازگردد.

مقاومت تسلیم یکی از شاخص های مهم برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد فلزی است. این نشان دهنده توانایی مواد برای مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک در 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 می تواند در طول فرآیند کششی تحمل کند بیان می شود. هنگامی که تنش کششی روی ماده از استحکام کششی آن بیشتر شود، ماده دچار تغییر شکل پلاستیک یا شکستگی می شود.

فرمول محاسبه

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

σt = F / A

که در آن F حداکثر نیروی کششی (نیوتن، N) است که نمونه قبل از شکستن می تواند تحمل کند، و A سطح مقطع اولیه نمونه (میلی متر مربع، میلی متر مربع) است.

واحد

واحد مقاومت کششی معمولا MPa (مگا پاسکال) یا N/mm² (نیوتن بر میلی متر مربع) است. 1 مگاپاسکال برابر با 1,000,000 نیوتن بر متر مربع است که همچنین برابر با 1 N/mm² است.

عوامل موثر

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

کاربرد عملی

مقاومت کششی یک پارامتر بسیار مهم در زمینه علم و مهندسی مواد است و اغلب برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد استفاده می شود. از نظر طراحی سازه، انتخاب مواد، ارزیابی ایمنی و غیره، مقاومت کششی عاملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال، در مهندسی ساختمان، استحکام کششی فولاد عامل مهمی در تعیین اینکه آیا می تواند بارها را تحمل کند یا خیر است. در زمینه هوافضا، استحکام کششی مواد سبک وزن و با استحکام بالا کلید تضمین ایمنی هواپیما است.

قدرت خستگی:

خستگی فلزی به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن مواد و اجزاء به تدریج در یک یا چند مکان تحت تنش چرخه‌ای یا کرنش چرخه‌ای آسیب تجمعی محلی ایجاد می‌کنند و ترک‌ها یا شکستگی‌های کامل ناگهانی پس از تعداد معینی از چرخه‌ها رخ می‌دهند.

ویژگی ها

ناگهانی در زمان: شکست خستگی فلز اغلب به طور ناگهانی در مدت زمان کوتاه و بدون علائم آشکار رخ می دهد.

موقعیت در موقعیت: شکست خستگی معمولاً در مناطق محلی که استرس متمرکز است رخ می دهد.

حساسیت به محیط و عیوب: خستگی فلز به محیط و عیوب ریز داخل مواد بسیار حساس است که ممکن است روند خستگی را تسریع کند.

عوامل موثر

دامنه تنش: میزان تنش مستقیماً بر عمر خستگی فلز تأثیر می گذارد.

میانگین بزرگی تنش: هر چه تنش متوسط ​​بیشتر باشد، عمر خستگی فلز کوتاه‌تر می‌شود.

تعداد چرخه ها: هر چه فلز بیشتر تحت تنش یا کرنش چرخه ای قرار گیرد، تجمع آسیب ناشی از خستگی جدی تر است.

اقدامات پیشگیرانه

انتخاب مواد را بهینه کنید: موادی را با محدودیت خستگی بالاتر انتخاب کنید.

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

درمان سطح: پولیش، پاشیدن و غیره روی سطح فلز برای کاهش عیوب سطح و بهبود استحکام خستگی.

بازرسی و نگهداری: به طور منظم اجزای فلزی را بازرسی کنید تا به سرعت عیوب مانند ترک را شناسایی و تعمیر کنید. حفظ قطعات مستعد خستگی، مانند تعویض قطعات فرسوده و تقویت پیوندهای ضعیف.

خستگی فلز یک حالت رایج شکست فلز است که با ناگهانی بودن، محلی بودن و حساسیت به محیط مشخص می شود. دامنه تنش، شدت تنش متوسط ​​و تعداد چرخه ها عوامل اصلی موثر بر خستگی فلز هستند.

منحنی SN: عمر خستگی مواد را در سطوح مختلف تنش توصیف می‌کند، جایی که S نشان‌دهنده تنش و N نشان‌دهنده تعداد چرخه‌های تنش است.

فرمول ضریب قدرت خستگی:

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

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

بیان ریاضی منحنی SN:

(\sigma^m N = C)

در جایی که (\sigma) تنش است، N تعداد چرخه‌های تنش است و m و C ثابت‌های مادی هستند.

مراحل محاسبه

ثابت های ماده را تعیین کنید:

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

تعیین ضریب تمرکز تنش: شکل و اندازه واقعی قطعه و همچنین غلظت تنش ناشی از فیله ها، کلیدها و غیره را برای تعیین ضریب تمرکز تنش K. محاسبه قدرت خستگی: با توجه به منحنی SN و تنش. ضریب تمرکز، همراه با طول عمر طراحی و سطح استرس کاری قطعه، قدرت خستگی را محاسبه می کند.

2. پلاستیک:

پلاستیسیته به خاصیت ماده ای اطلاق می شود که در اثر نیروی خارجی، تغییر شکل دائمی بدون شکستگی در زمانی که نیروی خارجی از حد الاستیک آن فراتر رود، ایجاد می کند. این تغییر شکل برگشت ناپذیر است و حتی اگر نیروی خارجی از بین برود، ماده به شکل اولیه خود باز نخواهد گشت.

شاخص پلاستیسیته و فرمول محاسبه آن

ازدیاد طول (δ)

تعریف: ازدیاد طول درصد کل تغییر شکل مقطع سنج پس از شکستن کششی نمونه به طول گیج اصلی است.

فرمول: δ = (L1 – L0) / L0 × 100%

جایی که L0 طول سنج اصلی نمونه است.

L1 طول سنج پس از شکستن نمونه است.

کاهش قطعه ای (Ψ)

تعریف: کاهش سگمنتال درصد حداکثر کاهش سطح مقطع در نقطه گلویی پس از شکستن نمونه به سطح مقطع اولیه است.

فرمول: Ψ = (F0 – F1) / F0 × 100%

جایی که F0 سطح مقطع اولیه نمونه است.

F1 سطح مقطع در نقطه گردن پس از شکستن نمونه است.

3. سختی

سختی فلز یک شاخص خواص مکانیکی برای اندازه گیری سختی مواد فلزی است. این نشان دهنده توانایی مقاومت در برابر تغییر شکل در حجم محلی روی سطح فلز است.

طبقه بندی و نمایش سختی فلز

سختی فلز دارای انواع روش های طبقه بندی و نمایش با توجه به روش های مختلف تست است. به طور عمده شامل موارد زیر است:

سختی برینل (HB):

دامنه کاربرد: به طور کلی هنگامی که مواد نرم تر هستند، مانند فلزات غیر آهنی، فولاد قبل از عملیات حرارتی یا بعد از بازپخت استفاده می شود.

اصل آزمایش: با اندازه معینی از بار آزمایشی، یک توپ فولادی سخت شده یا گلوله کاربید با قطر معین به سطح فلز مورد آزمایش فشار داده می شود و بار پس از مدت زمان مشخص و قطر فرورفتگی تخلیه می شود. روی سطح مورد آزمایش اندازه گیری می شود.

فرمول محاسبه: مقدار سختی برینل ضریبی است که از تقسیم بار بر مساحت سطح کروی فرورفتگی بدست می آید.

سختی راکول (HR):

دامنه کاربرد: به طور کلی برای مواد با سختی بالاتر، مانند سختی پس از عملیات حرارتی استفاده می شود.

اصل آزمایش: مشابه سختی برینل، اما با استفاده از پروب های مختلف (الماس) و روش های مختلف محاسبه.

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 مواد را با بار کمتر از 120 کیلوگرم و یک فرورفتگی مخروطی مربع الماس با زاویه راس 136 درجه فشار دهید و سطح گودال فرورفتگی مواد را بر مقدار بار تقسیم کنید تا مقدار سختی ویکرز را بدست آورید.

سختی لیب (HL):

ویژگی ها: سختی سنج قابل حمل، اندازه گیری آسان.

اصل آزمایش: از جهش ایجاد شده توسط سر توپ ضربه ای پس از برخورد با سطح سختی استفاده کنید و سختی را با نسبت سرعت برگشت پانچ در 1 میلی متر از سطح نمونه به سرعت ضربه محاسبه کنید.