خواص مکانیکی مواد

بهتر است با اقرار به اینکه لیست خواص مکانیکی مواد خیلی طولانی است شروع کنیم. هنگام توصیف یک ماده، بعضی از خواص مکانیکی خیلی مهم تر و رایج تر از بقیه هستند. بنابراین ما از نظر یک مهندس مکانیک به این موضوع نگاه میکنیم.

فهرست مطالب

تنش و کرنش مواد (Material Stress and Strain)
مدول یانگ (Yield Strength)
استحکام تسلیم (Yield Strength)
استحکام کششی (Tensile Strength)
پلاستیسیته (Plasticity)
چقرمگی (Toughness)
سختی (Hardness)
تردی (Brittleness)
استحکام خستگی (Fatigue Strength)

تنش و کرنش مواد (Material Stress and Strain)

در ابتدا، نیاز است که تعدادی از مفاهیم فیزیکی مهم مانند تنش را قبل از بررسی خواص مکانیکی مواد توضیح دهیم. تنش به شما میگوید که چه مقدار نیرو به یک سطح وارد میشود. در مهندسی مکانیک، بیشتر با واحد های MPa یا N/mm² بیان میشود. میتوان این دو را به جای یکدیگر به کار برد. فرمول تنش به این صورت است:

σ=F/A ، که F نیرو و A مساحت می باشد.

مفهوم فیزیکی مهم دوم کرنش می باشد. کرنش به دلیل اینکه نسبت طول ها می باشد، واحدی ندارد و به صورت زیر محاسبه می شود:

ε=(l-l₀)/l₀ ، که l₀ طول شروع یا طول اولیه و l طول پس از کشیده شدن است.

مدول یانگ یا مدول الاستیسیته (Young’s Modulus)

از این دو مفهوم ما به اولین خواص مکانیکی مواد میرسیم به سفتی (Stiffness) و قابلیت ارتجاعی که نقطه مقابل یکدیگر هستند. برای مهندسین این یک پارامتر مهم هنگام حل کردن مسائل مهندسی است.

سفتی با عنوان مدول یانگ یا مدول الاستیسیته شناخته میشود که به عنوان یکی از خواص مکانیکی اولیه مواد، رابطه بین تنش و کرنش را مشخص میکند که مقدار عددی بزرگتر به معنای سفتی بیشتر است. به این معنا که اگر مدول یانگ متفاوت باشد، نیروی مشابه، دو قطعه به سایز های برابر را به صورت متفاوت دچار تغییر شکل میکند. ضمناً مقدار کمتر به معنی این است که ماده قابلیت ارتجاعی بیشتری دارد.

فرمول مدول یانگ: E=σ/ε (MPa)

پیشنهاد مکتبی نو: الاستیسیته چیست؟ [خاصیت کشسانی و ارتجاعی]

آموزش شیت متال در سالیدورک

آموزش موشن استادی در سالیدورک

استحکام تسلیم (Yield Strength)

تنش تسلیم یا استحکام تسلیم مقداری است که اغلب در محاسبات مهندسی استفاده میشود. مقدار تنشی در واحد MPa می باشد که ماده قبل از تغییر شکل پلاستیک می تواند به آن برسد. به این مکان، نقطه تسلیم گفته میشود. قبل از آن ماده پس از برداشتن بار، به شکل اولیه باز میگردد. بعد از نقطه تسلیم، تغییر شکل دائمی در قطعه اتفاق می افتد.

در مهندسی مکانیک یک دلیل خوب برای استفاده کردن از استحکام تسلیم به عنوان مهمترین پارامتر وجود دارد. همانطور که در نمودار تنش-کرنش قابل مشاهده است، هنگامی که تنش از نقطه تسلیم فراتر می‌رود، به قطعه هنوز آسیب جدی وارد نشده است.

استحکام کششی (Tensile Strength)

استحکام کششی نهایی یا فقط استحکام کششی، مرحله بعد استحکام تسلیم می باشد. همچنین با MPa اندازه گیری میشود. این مقدار بیشترین تنش یک ماده را که میتواند قبل از شکست تحمل کند نشان میدهد.

هنگام انتخاب یک ماده مناسب برای تحمل نیروهای مشخص، دو ماده با مقاومت تسلیم مشابه ممکن است مقاومت کششی متفاوتی داشته باشند. استحکام کششی بیشتر میتواند هنگام وارد شدن نیروهای پیش بینی نشده از حادثه جلوگیری کند.

پلاستسیته (Plasticity)

پلاستیسیته یک خواص مکانیکی ماده است که توانایی تغییر شکل ماده تحت تنش را بدون اینکه شکست صورت گیرد و در حالیکه تغییر شکل پس از برداشتن بار حفظ میشود، نشان میدهد. فلزات با پلاستیسیته بیشتر برای شکل دهی بهتر هستند. این موضوع در خمکاری فلزات بسیار مهم است. دو ویژگی مکانیکی دیگر مربوط به مواد، شکل‌پذیری و چکش خواری هستند. شکل پذیری یک تعریف بسیار مشابه با پلاستیسیته دارد- توانایی مواد برای تحمل تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست که به صورت درصد ازدیاد طول یا درصد کاهش سطح بیان می شود. اساساً، شکل پذیری برای مثال خاصیتی است که برای کشش سیم های نازک فلزی مورد نیاز است. مس یک مثال خوب برای یک فلز شکل پذیر است. این خاصیت ساخت سیم ها را ممکن میسازد.

تعریف چکش خواری هم مشابه است. اما در واقع مناسب بودن یک فلز را برای تغییر شکل فشاری توصیف میکند. در اصل، یک فلز چکش خوار برای تولید ورق ها و صفحات فلزی به روش نورد یا آهنگری مناسب است.

چقرمگی (Toughness)

چقرمگی ترکیب استحکام و پلاستیسیته است. یک ماده چقرمه می تواند ضربات سخت را بدون از هم گسیختگی متحمل شود. چقرمگی اغلب با توانایی مواد برای جذب انرژی بدون ایجاد ترک تعریف میشود.

چقرمگی مواد برای مثال برای ماشین آلات ضروری است. یک مثال نیاز به چقرمگی، حمل کننده های معدن است. اگر ماده چقرمه باشند، پرتاب سنگ های بزرگ داخل سطل ها موجب تغییر شکل میشود نه ایجاد ترک.

سختی (Hardness)

یک ویژگی مهم دیگر برای یک ماده مهندسی! مقدار سختی زیاد به معنی این است که ماده میتواند در مقابل فشار موضعی مقاومت کند. به عبارت ساده تر، خراشیدن یا علامت گذاری دائمی (تغییر شکل پلاستیک) بر روی یک ماده سخت کار ساده ای نیست. بخصوص زمانی که فرآیند سایش زیاد اتفاق می افتد بسیار مهم است. در چنین شرایطی مواد سخت مانند Hardox مناسب هستند. سختی و چقرمگی دو ویژگی هستند که دوام را تعیین میکنند. سختی با روش های خراشیدن، جهش یا فرورفتگی اندازه گیری می شود. رایج ترین روش برای اندازه گیری سختی روش فرورفتگی است. با توجه به جنس مواد روش های مختلفی برای اجرای این تست وجود دارد. هر یک واحد سختی متفاوتی را نتیجه میدهد-برینل (Brinell)، ویکرز (Vickers) یا راکول (Rockwell). اگر میخواهید دو ماده با مقادیر سختی در سیستم مختلف را با یکدیگر مقایسه کنید باید آن ها را به یک نوع سیستم (مثلا ویکرز) تبدیل کنید.

شکنندگی (Brittleness)

شکنندگی معمولا یک خاصیت ماده کاملاً ناخواسته در مهندسی مکانیک است. به این معنی که یک ماده بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی، میشکند. نشانه‌ای از شکنندگی یک ماده، صدایی است که هنگام شکستن ایجاد می‌کند.

اگرچه وقتی به شکنندگی از خواص مکانیکی مواد فکر می کنیم، ممکن است با استحکام کم همراه باشد، اما در واقعیت اینطور نیست. این دو متقابلاً یکسان نیستند. یک ماده محکم میتواند شکننده باشد. یک مثال از این موضوع سرامیک است.

پیشنهاد مکتبی نو: تحلیل به کمک کامپیوتر (نرم افزارهای CAE)

آموزش سالیدورک

استحکام خستگی (Fatigue Strength)

استحکام خستگی یا حد خستگی، توانایی یک ماده برای تحمل تنش سیکلی را بیان میکند. در مورد آلیاژهای آهنی یک حد مشخص وجود دارد که یک فلز میتواند مقاومت کند. در مورد تنش هایی که پایین تر از آن حد هستند(با توجه به تعداد سیکل)، از بابت شکستن نیاز به نگرانی نیست. هنگام طراحی شفت ها این یک خاصیت مهم ماده است که باید به خاطر داشت. با چرخش شفت جهت نیرو دائماً در حال تغییر است که این به معناست که تنش سیکلی است.

برای بقیه فلزها، مانند آلومینیوم و مس، حد مشخصی برای مقاومت در مقابل تنش سیکلی وجود ندارد. آن ها همچنان پس از یک مقدار مشخص از تنش خمشی معکوس شونده تمایل به شکستن دارند. در مورد استحکام خستگی اگر مقدار تنش زیر حد خستگی باشد، ماده عمر نامحدود دارد. در مورد استحکام دوام، شما مقداری را بدست می آورید که زیر آن یک ماده میتواند برای تعداد سیکل مشخص کار کند. معمولا روی عدد 10⁷ تنظیم میشود.