آشنایی با مفهوم باریک شدگی در علوم مهندسی

آشنایی با مفهوم باریک شدگی در علوم مهندسی:
در مهندسی و علوم مواد، پدیده «باریک شدگی» (Necking) یا اصطلاحاً «لاغری» یک حالت خاص از تغییر شکل کششی است.

در این پدیده، کرنش نسبتاً بزرگی در یک ناحیه کوچک به طور نامتناسب ایجاد می شود. عنوان باریک شدگی، از کاهش قابل توجه سطح مقطع در ناحیه باریک شده نشات می گیرد.

از آنجایی که کرنش در ناحیه باریک شده مقدار بزرگی است، پدیده باریک شدگی اغلب با تسلیم ماده همراه خواهد بود.

تسلیم در این حالت، نوعی از تغییر شکل در مواد شکل پذیر (فلزات یا پلیمرها) است. اگر کرنش اعمال شده به اندازه کافی بزرگ باشد، ناحیه باریک شده در نهایت به ناحیه گسیختگی تبدیل می شود.

نحوه تشکیل باریک شدگی:

زمانی که میزان کاهش سطح مقطع یک ماده نسبت به سخت شوندگی کرنش آن بیشتر باشد، در هنگام تغییر شکل کششی، ناپایداری باعث وقوع پدیده باریک شدگی خواهد شد.

«آرماند کانسیدر» (Armand Considère) در سال 1885، معیاری را برای معرفی رفتار این پدیده معرفی کرد. آشنایی با فرآیندهای زیر، به درک بهتر نحوه تشکیل باریک شدگی کمک می کنند.

پیش از تغییر شکل:
تمام مواد واقعی دارای ناهمگنی هایی نظیر درز و شکاف یا تغییرات ناحیه ای هستند. این ناهمگنی ها در ابعاد یا پیکربندی های مختلف می توانند موجب تغییرات ناحیه ای در تنش ها و کرنش های ماده شوند. برای تعیین محل شروع باریک شدگی، باید مقادیر بسیار کوچک این تغییرات را پیش از شروع تغییر شکل مورد ارزیابی قرار داد.

در حین تغییر شکل کششی:
سطح مقطع ماده در حین تغییر شکل کاهش می یابد.

در حین تغییر شکل کششی:
سخت شوندگی کرنش در حین تغییر شکل رخ می دهد و مقدار آن با توجه به محدوده تغییر شکل تغییر می کند.

مراحل 2 و 3 برای تعیین پایداری و مرحله 1 برای تعیین محل شروع باریک شدگی هستند.

در تعیین نحوه شکل گیری باریک شدگی معمولاً از نمودار تنش واقعی-نسبت کشش استفاده می شود. «نسبت کشش» (Draw Ratio)، نسبت مقادیر ارتفاع به قطر نمونه در حین آزمایش مقاومت کششی است.

در نمودار تنش واقعی-نسبت کشش، شیب نمودار سخت شوندگی کرنش را نشان می دهد. به علاوه، بر اساس معیار کانسیدر، کاهش سطح مقطع ماده با نسبت کشش رابطه عکس دارد. نمودارهای زیر را در نظر بگیرید.

نمودار اول، رابطه کمی بین سخت شوندگی کرنش و کاهش سطح مقطع برای ماده ای با ناحیه باریک شده پایدار و نمودار دوم، این رابطه را برای ماده ای با تغییر شکل همگن در تمام نسبت های کشش نشان می دهد.

نمودار اول: نمایش تصویری معیار کانسیدر برای ایجاد باریک شدگی و پایداری ناحیه باریک شده

نمودار دوم: نمایش تصویری معیار کانسیدر برای ماده ای که در تمام نسبت های کشش، به طور همگن تغییر شکل می دهد (بدون باریک شدگی)

تا زمانی که مقدار سخت شوندگی کرنش (شیب نمودار) بیش از میزان کاهش سطح مقطع ماده باشد، تمام نواحی در هنگام تغییر شکل، تحت کرنشی تقریباً برابر (بدون باریک شدگی) قرار خواهند گرفت.

این وضعیت برای نسبت های کوچکِ کشش در بخش بالایی نمودار اول و تمامی نسبت های کشش در نمودار دوم قابل مشاهده است.

اگر میزان سخت شوندگی ماده کمتر از کاهش سطح مقطع آن باشد (مانند اولین نیمساز در نمودار اول)، کرنش در ناحیه ای با بیشترین تنش یا کمترین سخت شوندگی متمرکز خواهد شد. هر چه مقدار کرنش ناحیه ای افزایش یابد، سطح مقطع ماده کاهش خواهد یافت.

این وضعیت باعث تمرکز بیشتر کرنش و ناپایداری ماده و در نهایت، منجر به ایجاد پدیده باریک شدگی می شود. چنین حالتی، ناپایداری هندسی یا بیرونی نام دارد. دلیل این نام گذاری، کاهش سطح مقطع ماده در مقیاس ماکرو (قابل مشاهده برای چشم غیر مسلح) است.

پایداری ناحیه باریک شده:
در فرآیند تغییر شکل، ناپایداری هندسی باعث تمرکز بیشتر کرنش در ناحیه باریک شده می شود. این فرآیند تا زمانی ادامه می یابد که گسیختگی رخ دهد یا تا هنگام شروع تغییر شکل در نواحی دیگر، ماده باریک شده به اندازه کافی سخت شده باشد (دومین نیمساز در نمودار اول).

مقدار کرنش در ناحیه باریک شده پایدار، با عنوان «نسبت کشش طبیعی» (Natural Draw Ratio) شناخته می شود زیرا این مقدار توسط خصوصیات سختی ماده به دست آمده و مقدار کشش وارده بر آن هیچ تأثیری در محاسبات آن ندارد.

در اکثر پلیمرهای شکل پذیر، جهت گیری مولکولی باعث فعال شدن مکانیسم سخت شوندگی در کرنش های بزرگ می شود. این موضوع، شکل گیری نواحی باریک شده پایدار در مواد مذکور را به همراه دارد.

پدیده باریک شدگی در منحنی تنش-کرنش:
با استفاده از مقادیر تنش و کرنش حاصل از آزمایش های کششی، می توان منحنی تنش-کرنش را به صورت زیر به دست آورد:

(حقوق معنونی این تصویر متعلق به وبسایت MechaniCalc است.)

• P: حد تناسب.
• E: حد الاستیک.
• Y: نقطه تسلیم.
• U: مقاومت نهایی.
• F: نقطه شکست.

در حد فاصل بین مقاومت نهایی (U) و نقطه شکست (F)، مقاومت مهندسی و مساحت سطح مقطع ماده به سرعت و به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

این بخش از منحنی، بیانگر ایجاد پدیده باریک شدگی است. این پدیده اغلب در مواد شکل پذیر مشاهده می شود. در شکل زیر منحنی تنش-کرنش مواد شکل پذیر و شکننده آورده شده است.