آشنایی با مفهوم سخت شوندگی کرنش در مواد

آشنایی با مفهوم سخت شوندگی کرنش در مواد:
در منحنی تنش-کرنش، بعد از نقطه تسلیم، ماده در وضعیت تغییر شکل پلاستیک با نرخ بالا قرار می گیرد.

در این وضعیت، امکان جابه جایی بیشتر ماده دشوارتر می شود که این مسئله باعث افزایش مقاومت آن خواهد شد.

همان طور که در منحنی های تنش-کرنش زیر قابل مشاهده است، در فاصله بین نقطه تسلیم (Y) و نقطه مقاومت نهایی (U)، مقاومت ماده افزایش می یابد. دلیل این افزایش مقاومت، «سخت شوندگی کرنش» (Strain Hardening) است.

این رفتار، با عناوین دیگری نظیر «کرنش سخت شوندگی»، «کرنش سختی» و «سردکاری» نیز شناخته می شود.

منحنی تنش-کرنش الف) ماده شکننده؛ ب) ماده شکل پذیر (حقوق معنونی این تصویر متعلق به وبسایت MechaniCalc است.)

یک ماده شکل پذیر می تواند پس از رسیدن به مقاومت نهایی نیز بار اعمال شده را تحمل کند. اگرچه، پس از نقطه مقاومت نهایی، توانایی تحمل بار ماده به دلیل کم شدن مساحت سطح مقطع تقلیل می یابد. شیب کاهش تحمل بار از شیب افزایش مقاومت بیشتر خواهد بود.

در فاصله بین مقاومت نهایی (U) و نقطه شکست (F)، مقاومت مهندسی ماده کاهش می یابد و پدیده باریک شدگی رخ می دهد.

در منحنی تنش-کرنش ماده شکننده (الف)، بین نقطه تسلیم (Y) و مقاومت نهایی (U)، ناحیه بسیار کوچکی برای سخت شوندگی کرنش قابل مشاهده است.

توجه داشته باشید که شاید در عمل، یک ماده شکننده هیچ رفتار تسلیم یا سخت شوندگی کرنش از خود بروز ندهد.

در این حالت، ماده در بخش خطی منحنی (پیش از رسیدن به Y) شکسته می شود. چنین رفتاری را معمولاً در سرامیک ها و بتن می توان مشاهده کرد.

از آنجایی که سخت شوندگی کرنش همیشه بین نقطه تسلیم و نقطه نهایی رخ می دهد، در برخی از مواقع، نسبت مقاومت نهایی به مقاومت تسلیم، به عنوان مقدار سخت شوندگی کرنش ماده مورد استفاده قرار می گیرد. نسبت سخت شوندگی کرنش به صورت زیر نوشته می شود:

نسبت سخت شوندگی کرنش:

مقادیر نسبت سخت شوندگی کرنش در فلزات، معمولاً بین 1.2 تا 1.4 قرار دارد. اگر ماده ای بیش از حد الاستیک تحت بارگذاری قرار گیرد، تغییر شکل آن به صورت دائمی خواهد بود و پس از باربرداری، کرنش الاستیک بازیابی می شود اما کرنش پلاستیک باقی می ماند.

شکل زیر، منحنی تنش-کرنش ماده ای تحت بارگذاری بیش از نقطه تسلیم (Y) را نشان می دهد. همان گونه که مشاهده می شود، در مرحله اول، بارگذاری در مسیر ‘O-Y-Y صورت گرفت.

پس از رسیدن تنش و کرنش به نقطه ‘Y، بار اعمال شده برداشته شد. از آنجایی که ماده بیش از حد الاستیک تحت بارگذاری قرار داشت، تنها بخش الاستیک کرنش بازیابی شده و مقداری تغییر شکل دائمی در ماده باقی مانده است.

اگر ماده دوباره تحت بارگذاری مجدد قرار گیرد، مسیر O’-Y’-F را طی خواهد کرد. ‘O’-Y، همان خط باربرداری مرحله قبل است.

از این پس در این ماده، ‘Y، نقطه تسلیم جدید خواهد بود. توجه داشته باشید که ‘O’-Y به صورت خطی و دارای شیب برابر با مدول الاستیک است و نقطه ‘Y نیز تنش بیشتری نسبت به Y دارد.

بنابراین، ماده در این حالت، نقطه تسلیم بیشتر یا در واقع، مقاومت تسلیم بیشتری نسبت به حالت قبل خواهد داشت. این پدیده، به دلیل سخت شوندگی کرنش در اثر بارگذاری بیشتر از حد الاستیک رخ می دهد.

با قرار دادن ماده در حالت سخت شوندگی کرنش، ناحیه الاستیک افزایش می یابد و تنش تسلیم آن نیز بیشتر از پیش خواهد شد.

با این وجود، شکل پذیری ماده در این وضعیت کاهش می یابد زیرا کرنش بین ‘Y تا F، از کرنش بین Y تا F کمتر خواهد بود.