تعریف مقاومت مواد و پارامترهای مرتبط با آن

تعریف مقاومت مواد و پارامترهای مرتبط با آن:
در مکانیک مواد، به میزان تحمل یک ماده در برابر بارگذاری (بدون ایجاد شکست یا تغییر شکل پلاستیک) مقاومت آن ماده گفته می شود.

در مطالعه مقاومت مواد، نیروها و تغییر شکل های ناشی از اعمال نیرو مورد بررسی قرار می گیرند.

با اعمال بار بر یک قطعه مکانیکی، نیروهای القایی درون آن قطعه به وجود می آیند. مقدار این نیروهای القایی بر واحد سطح، تنش نام دارد.

تنش های اعمال شده بر ماده می توانند منجر به تغییر شکل های مختلف و حتی ایجاد شکست کامل شوند. مقدار تغییر شکل بر روی واحد طول، کرنش نام دارد.

بارهای اعمال شده می توانند به صورت محوری (کششی یا فشاری) یا دورانی (برشی) باشند. تنش ها و کرنش های گسترش یافته درون یک قطعه مکانیکی باید با توجه به ظرفیت باربری آن محاسبه شوند.

برای انجام این محاسبات، مشخصاتی نظیر هندسه قطعه، محدودیت ها، بارگذاری های اعمال شده و خواص مواد سازنده آن مورد نیاز هستند.

با داشتن مشخصات کامل بارگذاری و هندسه قطعه می توان حالت تنش و کرنش در هر نقطه را تعیین کرد. پس از تعیین حالت تنش و کرنش قطعه، امکان محاسبه مقاومت (ظرفیت باربری)، تغییر شکل (ویژگی های مرتبط با سختی) و پایداری (قابلیت حفظ پیکربندی فعلی) قطعه فراهم می شود.

تنش های به دست آمده با برخی از معیارهای مقاومت قطعه مانند مقاومت تسلیم یا مقاومت نهایی آن مقایسه می شوند. مقایسه میزان انحراف قطعه نسبت به یک معیار انحراف و مقایسه بار کمانش آن نسبت به بار اعمال شده صورت می گیرد.

سختی و توزیع جرم قطعه نیز برای محاسبه عکس العمل دینامیکی سازه و سپس مقایسه نتیجه به دست آمده با شرایط محیط لرزه ای مورد نظر به کار می روند.

مقاومت ماده یا تنش تسلیم، نقطه ای بر روی منحنی تنش-کرنش مهندسی است که در صورت باربرداری در مقادیر بیشتر از این نقطه، تغییر شکل های ایجاد شده به طور کامل بازیابی نمی شوند و مقداری تغییر شکل دائمی در ماده باقی می ماند.

مقاومت نهایی ماده به حداکثر تنش قابل دسترس اشاره دارد. مقاومت گسیختگی، مقدار تنش در لحظه گسیختگی ماده را نشان می دهد. این مقاومت، آخرین تنش اندازه گیری شده در هنگام آزمایش است.

انواع بارگذاری:
«بارگذاری عرضی» (Transverse Loading):
در بارگذاری عرضی، نیروها در راستای عمود بر محور طولی جسم اعمال می شوند. این نوع بارگذاری، خمش و انحراف جسم (نسبت به موقعیت اولیه آن) و همچنین کشش داخلی و کرنش های فشاری (ناشی از تغییر انحنای جسم) را در پی دارد.

به علاوه، بارگذاری عرضی باعث ایجاد نیروهای برشی (عامل تغییر شکل های برشی) و افزایش انحراف عرضی ماده نیز می شود.

«بارگذاری محوری» (Axial Loading):
نیروهای اعمال شده در این نوع بارگذاری با محور طولی جسم هم راستا هستند. این نیروها منجر به کشیدگی (افزایش طول) یا فشردگی (کاهش طول) جسم می شوند.

«بارگذاری پیچشی» (Torsional Loading):
این نوع بارگذاری در صورت اعمال دو نیروی مساوی در خلاف جهت یکدیگر (به صورت جفت شده) بر روی صفحات موازی یک جسم یا اعمال یک زوج نیرو (کوپل) به جسمی با انتهای ثابت (بدون چرخش) به وجود می آید.

انواع تنش:
یکی از پارامترهای پرکاربرد در مطالعه خصوصیات مقاومتی مواد، «تنش تک محوری» (Uniaxial Stress) است. این تنش به صورت رابطه زیر تعریف می شود:

F، نیروی اعمال شده با واحد نیوتن (N) و A، سطح اعمال نیرو با واحد متر مربع (m2) است. با توجه به محاسبه تنش مهندسی یا واقعی می توان از مساحت ثابت یا تغییر یافته استفاده کرد.

در ادامه، به تعریف تنش های فشاری، کششی و برشی می پردازیم:

«تنش فشاری» (Compressive Stress):
این نوع تنش در اثر بارگذاری هایی به وجود می آید که باعث کاهش طول ماده (تراکم جسم) در راستای اعمال بار می شوند.

به عبارت دیگر، تنش های متراکم کننده ماده از نوع فشاری هستند. معمولاً مقدار مقاومت فشاری مواد از مقاومت کششی آن ها بیشتر است. اگرچه، در صورت اعمال تنش فشاری به سازه ها، احتمال رخ دادن حالت های شکست وابسته به هندسه (مانند کمانش) افزایش می یابد.

«تنش کششی» (Tensile Stress):
این نوع تنش در اثر بارگذاری هایی به وجود می آید که تمایل به کشیدن ماده در راستای اعمال بار دارند. به عبارت دیگر، تنش های ناشی از کشیدن ماده از نوع کششی هستند.

اگر مساحت سطح مقطع چند سازه با یکدیگر برابر باشد، مقاومت آن ها در هنگام اعمال تنش کششی به شکل سطح مقطع بستگی خواهد داشت. حساسیت مواد تحت کشش به نواحی تمرکز تنش (عیوب یا تغییرات ناگهانی هندسه ماده) بیشتر است. مواد شکل پذیر (اکثر فلزات) می توانند عیب و نقص ها موجود را تا حدودی تحمل کنند.

در طرف مقابل، وجود عیب و نقص در مواد شکننده باعث شکست آن ها در مقادیر کمتر از مقاومت نهایی می شود.

«تنش برشی» (Shear Stress):
این نوع تنش در اثر اعمال دو نیروی مخالف در امتداد خطوط موازی درون ماده ایجاد می شود. تنش های ایجاد شده در هنگام بریدن کاغذ توسط قیچی یا تنش های ناشی از بارگذاری پیچشی از نوع برشی هستند.

انواع مقاومت:
در ادامه، به تعریف مختصر برخی از خواص مکانیکی مواد می پردازیم:

«مقاومت تسلیم» (Yield Strength):
پایین ترین مقدار تنش مورد نیاز برای ایجاد تغییر شکل دائمی در یک ماده را نشان می دهد. در موادی نظیر آلیاژهای آلومینیوم، تشخیص نقطه تسلیم دشوار است. به همین دلیل، برای این گونه مواد، مقدار تنش مورد نیاز برای ایجاد 0.2 درصد کرنش پلاستیک به عنوان مقاومت تسلیم در نظر گرفته می شود.

«مقاومت فشاری» (Compressive Strength):
حالت حدی تنش فشاری برای تعیین شکست در مواد شکل پذیر (تسلیم نامحدود) یا مواد شکننده (گسیختگی ناشی از گسترش ترک یا لغزش بر روی یک صفحه ضعیف) محسوب می شود.

«مقاومت کششی» (Tensile Strength) یا «مقاومت کششی نهایی» (Ultimate Tensile Strength):
حالت حدی تنش کششی برای تعیین شکست کششی در مواد شکل پذیر یا شکننده است. شکست مواد شکل پذیر در مرحله اول با تسلیم ماده شروع می شود، با مقداری سخت شوندگی کرنش ادامه می یابد و پس از تشکیل یک باریک شدگی احتمالی با ایجاد شکست در مرحله آخر تمام می شود.

در طرف مقابل، شکست مواد شکننده در تنش های پایین و به صورت ناگهانی (با تقسیم شدن ماده به دو یا چند قسمت) صورت می گیرد.

مقاومت کششی را می توان با تنش مجاز یا تنش مهندسی بیان کرد. با این وجود، برای بیان این مقاومت استفاده از تنش مهندسی متداول تر است.

«مقاومت خستگی» (Fatigue Strength):
معیاری برای بیان مقاومت یک ماده یا یک قطعه در برابر بارگذاری چرخه ای به حساب می آید. ارزیابی این نوع مقاومت معمولاً دشوارتر از معیارهای مقاومت استاتیک است.

مقاومت خستگی معمولاً با دامنه تنش (Δσ=σmax-σmin) در تنش میانگین صفر و تعداد چرخه های مورد نیاز برای ایجاد شکست در آن دامنه مشخص بیان می شود.

«مقاومت ضربه ای» (Impact Strength):
میزان تحمل ماده در برابر بارگذاری های ناگهانی را نشان می دهد. این مقاومت در قالب انرژی بیان می شود و اندازه گیری آن اغلب توسط «آزمایش ضربه ایزود» (Izod Impact Test) و «آزمایش ضربه شارپی» (Charpy Impact Test) صورت می گیرد.

هر دوی این آزمایش ها، مقدار انرژی مورد نیاز برای ایجاد شکست در نمونه آزمایشگاهی را اندازه گیری می کنند.

حجم، مدول الاستیسیته، توزیع نیروها و مقاومت تسلیم از عوامل مؤثر در میزان مقاومت ضربه ای ماده هستند.

برای بالا بودن مقاومت ضربه ای یک جسم، توزیع تنش های درون آن باید به صورت یکنواخت باشد. علاوه بر این، مدول الاستیسیته پایین و مقاومت تسلیم بالا، باعث افزایش مقاومت ضربه ای ماده می شود.

انواع کرنش:
تغییر شکل:
اصطلاحی برای بیان تغییرات هندسی یک ماده بر اثر اعمال تنش (ناشی از اعمال نیرو، میدان گرانشی، شتاب، انبساط حرارتی و غیره) است.

تغییر شکل یک ماده توسط میدان جابه جایی آن تعریف می شود.

کرنش یا «تغییر شکل کاهش یافته» (Reduced Deformation):
یک اصطلاح ریاضی برای بیان روند تغییرات تغییر شکل درون یک ماده است. کرنش، به صورت میزان تغییر شکل در واحد طول تعریف می شود.

«انحراف» (Deflection):
اصطلاحی برای توصیف مقدار جابه جایی المان های یک سازه در هنگام بارگذاری است.

روابط بین تنش و کرنش:
«الاستیسیته» (Elasticity)، قابلیت یک ماده در بازگشت به شکل اولیه پس از باربرداری است. در بسیاری از مواد، رابطه بین تنش اعمال شده و کرنش ناشی از آن (تا رسیدن به یک نقطه مشخص) تناسب مستقیم دارد و نمودار معرف رابطه بین این دو کمیت به صورت یک خط راست است.

شیب این خط با عنوان «مدول یانگ» (Young’s modulus) یا «مدول الاستیک» (Modulus of Elasticity) شناخته می شود.

مدول الاستیسیته را می توان با استفاده از ناحیه الاستیک خطی در منحنی تنش-کرنش تعیین کرد. این محدوده در بخش زیرین نقطه تسلیم قرار دارد.

اگر مختصات نقطه تسلیم بر روی منحنی تنش-کرنش به سادگی قابل تشخیص نباشد، محدوده بین کرنش 0 و 0.2 درصد به عنوان ناحیه الاستیک خطی در نظر گرفته می شود. در این محدوده هیچ نوع تسلیم یا تغییر شکل دائمی رخ نمی دهد.

«پلاستیسیته» (Plasticity) یا تغییر شکل پلاستیک در مقابل تغییر شکل الاستیک قرار می گیرد و به صورت کرنش غیر قابل بازگشت تعریف می شود.

تغییر شکل های پلاستیک پس از حذف تنش های اعمال شده باقی می مانند. اکثر مواد موجود در گروه مواد الاستیک خطی می توانند تغییر شکل پلاستیک را نیز تجربه کنند.

در مواد شکننده ای مانند سرامیک ها، هیچ نوع تغییر شکل پلاستیکی رخ نمی دهد.

این گونه مواد در کرنش های پایین شکسته می شوند. در طرف مقابل، مواد شکل پذیری مانند فلزات، سرب یا پلیمرها، مقدار زیادی تغییر شکل پلاستیک را پیش از ایجاد شکست تجربه می کنند.

برای درک بهتر این موضوع، یک هویج و یک آدامس بادکنکی را در نظر بگیرید.

هویج پیش از شکست به مقدار کمی کشیده می شود اما آدامس بادکنکی پیش از شکست، به مقدار قابل توجه و به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهد.