نمودار تنش کرنش مواد مختلف

نمودار تنش کرنش در صنعت فولاد و بتن

نمودار تنش کرنش یک ابزار کلیدی برای پی بردن به خواص مکانیکی ماده است. در این مقاله با اطلاعات حاصل از نمودار تنش کرنش آشنا خواهید شد.

تست‌های مخرب و غیر مخرب

از مقاطع مختلف فولادی مثل میلگرد و تیرآهن در تولید سازه‌های فلزی حساس مثل پل استفاده می‌شود. به منظور سنجش خواص این مقاطع ، پیش از استفاده آزمایش‌های مختلفی بر روی آن‌ها انجام می‌گیرد. همان‌طور که در مقاله کنترل کیفیت مقاطع فولادی مطالعه کردید، آزمایش‌های سنجش خواص ماده به دو دسته مخرب و غیر مخرب تقسیم می‌شوند. تست کشش در گروه تست های مخرب قرار می‌گیرد.

نمودار تنش  – کرنش از تست کشش، فشار و خمش به دست می‌آید. در حقیقت این نوع نمودار نشان دهنده رابطه بین تنش و کرنش یک ماده در نیروهای مختلف می‌باشد. پیش از شرح جزئیات نمودار تنش کرنش، بایستی با دو مفهوم تنش و کرنش آشنا شوید.

تنش:

نیرو وارده بر یک جسم در واحد سطح را تنش می‌گویند. حال اگر سطح، سطح اولیه نمونه باشد آن را تنش مهندسی، و اگر سطح لحظه‌ای نمونه را در نظر بگیریم آن را تنش حقیقی می‌نامند.

کرنش:

نسبت تغییر طول نمونه به طول کرنش نامیده می‌شود. اگر کرنش را نسبت به طول اولیه محاسبه کنیم به آن کرنش مهندسی، و اگر نسبت به طول لحظه‌ای سنجیده شود به آن کرنش حقیقی می‌گویند.

از آنجا که تنش و کرنش به دو صورت حقیقی و مهندسی تعریف می‌شود، بنابراین دو نوع نمودار تنش و کرنش حقیقی و مهندسی را خواهیم داشت. در حالت حقیقی سطح مقطع لحظه ای نمونه ملاک محاسبه تنش است در حالی که در تنش کرنش مهندسی سطح مقطع اولیه قطعه ملاک قرار می‌گیرد. به همین دلیل پس از نقطع گلویی شاهد کاهش تنش در نمودار تنش و کرنش مهندسی هستیم. در شکل زیر این دو نمودار را برای یک ماده مشخص مشاهده می‌کنید:

تنش کرنش مهندسی و حقیقی
تنش کرنش مهندسی و حقیقی

نمودار تنش کرنش

از آنجا که تست کشش از جمله تست‌های مخرب است، بایستی یک نمونه از مقطع مورد نظر براساس استاندارد آماده شود. برای آگاهی از جزئیات تست کشش بر روی لینک کلیک کنید. نمودار خروجی از دستگاه تست کشش بر اساس نیرو بر تغییرات طول رسم می‌شود. برای بررسی و استخراج اطلاعات بایستی نیرو را بر سطح مقطع اولیه و تغییرات طول را بر طول اولیه تقسیم کنید.

برای آشنایی با بخش های مختلف نمودار تنش کرنش، نمودار زیر را در نظر بگیرید:

نقاط مهم نمودار تنش کرنش
نقاط مهم نمودار تنش کرنش

نقاط مشخص شده در نمودار، برای متالورژان نقاط با اهمیتی تلقی می‌شود:

نقطه A، حد تناسب:

آخرین نقطه‌ای که قانون هوک در آن جا صادق است و رفتار ماده تا این نقطه کاملا الاستیکی است.

نقطه B، حد الاستیک یا نقطه تسلیم:

در این نقطه ماده در برابر تنش وارده تسلیم شده و پس از آن از خود رفتار پلاستیک نشان می‌دهد.

نقطه D، مقاومت نهایی:

حداکثر مقدار تنشی که یک ماده می‌تواند تحمل کند بدون آنکه دچار شکست شود، به آن استحکام کششی یا تنش ماکزیمم می‌گویند.

نقطه E، نقطه شکست:

از نقطه D به بعد نمونه شروع به گلویی شدن می‌کنند. نقطه شکست، نقطه‌ای است که در آن نیروی اعمالی باعث شکست در نمونه می‌شود.

نمودار تنش کرنش به دو بخش الاستیک و پلاستیک تقسیم می‌شود. مطابق با شکل بالا از نقطه 0 تا نقطه B ماده رفتار الاستیک و از نقطه B تا نقطه E ماده رفتار پلاستیک از خود نشان می‌دهد. در منطقه الاستیک پس از قطع نیروی اعمالی، ماده کاملا به حالت اولیه خود برمی‌گردد. در حقیقت ماده در این ناحیه رفتار فنر مانند از خود نشان می‌دهد. اما در منطقه پلاستیک اندازه نیرو اعمالی به اندازه‌ای است که پس از قطع نیرو، ماده به حالت اولیه برنمی‌گردد.

منطقه الاستیک ماده خود به دو بخش تقسیم می‌شود. از نقطه 0 تا نقطه A رفتار ماده کاملا الاستیکی است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید تنش و کرنش در این ناحیه کاملا نسبت خطی و مستقیمی دارند. تنش و کرنش در حد فاصل 0 تا A، از قانون هوک پیروی می‌کند. براساس قانون هوک، نسبت تنش به کرنش برابر با مدول یانگ می‌باشد. پس از نقطه A تا نقطه B نمودار منحنی شکل می‌شود. این بدان معنی است که پس از برداشتن بار، نمونه کاملا به حالت اولیه برنمی‌گردد و مقداری تنش درون ماده باقی می‌ماند.

نتایج حاصل از نمودار تنش و کرنش

خواص مکانیکی که از نمودار تنش کرنش می توان استخراج کرد، به شرح زیر است:

تنش تسلیم:

تنش تسلیم مقدار تنشی است که به قطعه وارد شده و پس از آن رفتار ماده از الاستیک به پلاستیک تغییر پیدا می‌کند.

مدول یانگ:

مدول یانگ، معیاری برای سنجش مقدار صلب بودن ماده جامد است. به عبارت دقیق‌تر این پارامتر نشان دهنده خطی بودن رابطه تنش و کرنش در ناحیه الاستیک می‌باشد. مدول یانگ پیش بینی کننده مقدار کشش یا تراکم ماده است. این پارامتر برای پیش بینی تغییر شکل تیر به هنگام اعمال نیرو کاربرد دارد.

رابطه‌ی هوک به صورت زیر است:

σ=E.ε

در این رابطه σ تنش، E مدول یانگ و ε کرنش می‌باشد.

استحکام کششی:

حداکثر مقدار تنشی که یک ماده می‌تواند تحمل کند، معرف استحکام کششی آن است. از این استحکام با نام UTS نیز یاد می‌شود.

تنش شکست:

پس از استحکام کششی مهم‌ترین داده برای مهندسان مقدار تنش شکست می‌باشد. همان‌‍طور که پیش از این مطرح کردیم، نمونه‌ی تحت کشش پس از نقطه UTS شروع به گلویی شدن می‌کند. منظور از گلویی شدن این است که هم‌چنان که طول افزایش پیدا می‌کند، مقدار نیروی لازم برای کشیدن کاهش پیدا می‌کند. تا جایی که در نقطه شکست نمونه به دو قسمت تقسیم می‌شود. دانستن تنش شکست برای سازه‌های حساس مثل پل و قطعات هواپیمایی بسیار اهمیت دارد.

چقرمگی:

چقرمگی یا تافنس به مقدار توانایی ماده در برابر جذب انرژی ضربه، بدون آن که بشکند، گفته می‌شود. سطح مقطع زیر نمودار تنش کرنش با مقدار تافنس برابر می‌باشد.

انواع نمودار تنش کرنش

مواد گسترده وسیعی از مواد ترد تا نرم را شامل می‌شود. این مواد رفتار متفاوتی به ویژه در ناحیه پلاستیک از خود نشان می‌دهند. هر چه از مواد ترد به سمت مواد نرم پیش می‌رویم، ناحیه پلاستیک بزرگتر شده و نمونه در تست کشش دیرتر می‌شکند. در نمودار زیر، نمودار تنش کرنش مواد مختلف را مشاهده می‌کنید:

نمودار تنش کرنش مواد مختلف
نمودار تنش کرنش مواد مختلف

همان‌طور که با اهمیت داده‌های حاصل نمودار تنش و کرنش آشنا شدید، پیش از استفاده از هر مقطع فولادی از خواص مکانیکی آن مطلع شوید. برای آگاهی از قیمت مقاطع با کیفیت فولادی مثل قیمت پروفیل و انواع قوطی با مشاوران ما در آیرومارت تماس حاصل فرمایید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *