در قسمت اول این مقاله (از اینجا بخوانید) مطالبی را در مورد بررسی استحکام پروفیل آلومینیوم شیاردار صنعتی (پروفیل مهندسی) مطرح کردیم. در این مقاله قصد داریم برای ورود به بحث از نقطه نظر فنی و مهندسی بعضی از مفاهیم کلیدی مکانیکی را توضیح دهیم تا خوانندگان محترم در قسمت های بعدی در برخورد با این کلیدواژه ها با مشکل برخورد نکنند.

بر اساس ساختاری مولکولی ماده می‎توان از آن انتظار مشخصه‎های متفاوتی را دارا بود. هنگامی که ویژگی‎های آلیاژها مورد بررسی قرار می‎گیرد نتیجه‎ی موثر به دست آمده از نوع آلیاژ، تولید و عملیات حرارتی ویژگی‎هایی چون استحکام، سختی و ... می‎باشد. یکی از پرکاربردترین ابزار در بررسی رفتارهای مواد منحنی تنش کرنش می باشد. این منحنی که دارای قسمت‎های مختلفی است واکنش ماده نسبت به نیروی کششی بر آن را نشان می‎دهد.

تنش: نیروهای خارجی وارد بر یک جسم باعث تغییر شکل و به وجود آمدن نیروهای مخالف داخلی برای حفظ حالت اولیه‎ی آن جسم می‎شود. کمیت واحد این نیروهای داخلی را تنش می‎نامند. بنابراین تنش عبارت است از مقدار نیروی داخلی وارد بر مقطعی بسیار کوچک یا بر هر نقطه‎ی فیزیکی از سطح مقطع که آن را با علامت σ نشان می‎دهند و مطابق رابطه‎ی (1) می‎باشد.

(1)

در صورتی که نیروی وارد شده به صورت کششی باشد به آن تنش کششی و در صورتی که فشاری باشد تنش فشاری نامیده می‎شود.

کرنش: منظور از کرنش میزان جابجایی است که مولکول‎های جسم به ازای به وجود آمدن تنش پیدا می‎کنند.

منحنی تنش کرنش

منحنی تنش- کرنش یکی از روش‌های نمایش گرافیکی ارتباط تنش با کرنش است که از بارگذاری اجسام و اندازه‌گیری تغییر شکل حاصل در آزمون تنش و کرنش بدست می‌آید. شکل این منحنی از ماده‌ای به مادهٔ دیگر متفاوت است.

بر اساس شکل نمودار تنش-کرنش مهندسی، رفتار مواد را به ۵ دسته مختلف تقسیم می‌کنند:

رفتار الاستیک: رفتار نوع  I

 رفتار نوع I نشانگر رفتار کاملاً کشسان است. در این حالت ماده هیچ‌گونه تغییر شکل پلاستیکی از خود نشان نمی‌دهد و کاملاً از قانون هوک (رابطه 2) تبعیت می‌کند.

(2)

در هنگام باربرداری نیز این مواد کاملاً به حالت اولیهٔ خود باز می‌گردند. در رابطه‎ی بالا E شیب خط ناحیه‎ی یک و موسوم به مدول یانگ می‎باشد.

رفتار الاستیک-پلاستیک یکنواخت: نوع  II

وقتی ماده‌ای امکان تغییر شکل پلاستیک داشته‌باشد، منحنی تنش-کرنش مهندسی آن به صورت روبرو خواهد بود.

قسمتی از منحنی تنش حقیقی-کرنش حقیقی این مواد را می‌توان از رابطهٔ (3) مرسوم به رابطهٔ هولمن توصیف کرد:

(3)

که در آن sigma تنش حقیقی، اپسیلن، کرنش مومسان حقیقی، n توان کارسختی و K ثابت ماده است.

رفتار الاستیک-پلاستیک غیریکنواخت: نوع III

برخی از مواد نمودار تنش-کرنش دندانه‌دار دارند. این نوع نمودار نشان‌دهندهٔ تغییرات ساختاری ناهمگن در ماده است. ایجاد دوقلویی یا اثر پورتوین-لوشاتلیه ناشی از اتم‌های محلول یا برهم‌کنش نابجایی می‌تواند باعث به وجود آمدن این نوع رفتار در مواد شود.

رفتار الاستیک-پلاستیک غیریکنواخت، پلاستیک یکنواخت: نوع IV

فولادها بطور معمول تا نقطهٔ تسلیم رفتار خطی از خود نشان می‌دهند. این ناحیه از نمودار، ناحیهٔ تغییرشکل الاستیک نامیده می‌شود. پس از تسلیم (تسلیم بالایی) تنش تا میزان تسلیم پایینی کاهش می‌یابد که به دلیل آزاد شدن قفل‌های لومر-کاترل و تشکیل نوارهای لودر است. سپس بعد از مقداری تغییر شکل در تنش ثابت به دلیل کار سختی دوباره تنش تا استحکام نهایی افزایش می‌یابد. پس از استحکام نهایی به علت گلویی شدن سطح مقطع نمونه کاهش یافته و تنش مهندسی کاهش می‌یابد. این فرآیند تا نقطهٔ شکست ادامه پیدا می‌کند.

رفتار الاستیک-پلاستیک غیریکنواخت، پلاستیک یکنواخت: نوع V

برخی از پلیمرهای بلورین هنگام تغییر شکل پلاستیک از خود چنین رفتاری نشان می‌دهند. در این حالت پس از تسلیم بالایی و افت نیرو، کشش سرد آغاز می‌شود که مانند نقطهٔ تسلیم پایینی در رفتار نوع IV است ولی این ناحیه وسیع‌تر بوده و در آن واحدهای ساختاری پلیمرها در برابر نیرو جهت‌گیری می‌کنند این فرآیند باعث افزایش استحکام پلیمر در برابر نیرو می‌شود.

بنابراین به زبانِ ساده، رفتاری که ما از یک ماده ی صلب در مواجهه با نیروی وارد بر آن انتظار داریم، زمانی که اصلا نمی دانیم این ماده چیست و عناصر آن چه هستند، با استفاده از منحنی تنش کرنش قابل تفسیر است. توجه داشته باشید که این منحنی در واقع عملکرد یک المانِ کوچک (هر چقدر این المان کوچک تر دقت به دست آمده بیشتر) را تعیین می کند. وقتی که می خواهیم عملکرد یک قطعه ی بزرگ تر مانند یک تکه ی مثلا 50 سانتی از یک پروفیل آلومینیوم شیاردار و یا یک تکه چوب را بررسی کنیم با استفاده از تحلیلِ اِلمانی یا المان محدود (Finite Element) و همین منحنی تنش کرنش نیروی وارد شده به یک نقطه را بسط داده و رفتار دیگر المان ها را در اعمال این نیرو بررسی می کنیم.

برای به دست آوردن این منحنی باید یک تکه از آن ماده را به آزمایشگاه های معتبر داده تا آن ها با اعمال نیرو به آن میزان جابجایی را در هر نقطه دقیقا محاسبه کنند. در واقع چیزی که این آزمایشگاه ها به شما ارائه می کنند یک منحنی یا یک فرمول ریاضی نیست. بلکه مجموعه ای از نقاط X و Y است. برای به دست آوردن یک منحنی ممتد و یا یک رابطه ی ریاضی خطی یا غیر خطی می بایست از نرم افزارهای ریاضی مانند Matlab استفاده کرده و این منحنی را کامل کنید.

معمولا این منحنی ها به صورت غیر خطی هستند که نرم افزارهای مبتنی بر المان محدود مانند آباکوس، می توانند با استفاده از آن با دقت بالا رفتار ماده را پیش بینی کنند.

هر چند همان گونه که نشان داده شد منحنی های تنش کرنش دارای مدل های مختلفی هستند اما اساسا برای ساده سازی معمولا این نمودار به صورت خطی با شیب مشخص تا نقطه ی تسلیم تعریف می شود. یعنی ما فرض می کنیم که ماده به ازای افزایش نیرو تا نقطه ای مشخص رفتاری خطی از خود نشان می دهد تا در نقطه ی تسلیم بشکند.

در ادامه با این سلسله مقالات ما همراه باشید تا مطالب بیشتری را در این زمینه در اختیار شما قرار دهیم.

در صورتی هم که نیاز به مشاوره دارید با ما تماس بگیرید تا واحد مهندسی فروش شما را راهنمایی کنند.