مقاومت کششی در مقابل استحکام تسلیم: که شکست را تعیین می کند?

در زمینه مهندسی مواد و طراحی سازه, چند مفهوم به اندازه استحکام کششی و تسلیم اساسی هستند - و اغلب اشتباه فهمیده می شوند قدرت.

این دو ویژگی مکانیکی سنگ بنای انتخاب مواد هستند, تحلیل ساختاری, و پیش بینی شکست.

تا کنون, مهندسی, طراح, و دانش آموزان اغلب برای بیان تمایز بین آنها و, مهمتر, کدام یک بر شکست مواد در کاربردهای دنیای واقعی حاکم است.

پاسخ کوتاه این است: هر دو مهم هستند, اما به دلایل مختلف و در زمینه های مختلف.

استحکام تسلیم تعیین کننده زمانی است که یک ماده به طور دائم شروع به تغییر شکل می کند, در حالی که استحکام کششی تعیین می کند که در نهایت چه زمانی می شکند.

حالت شکست - چه با تغییر شکل بیش از حد یا شکستگی فاجعه بار - به مواد بستگی دارد, برنامه, و فلسفه طراحی.

در این مقاله یک جامع ارائه شده است, بررسی دقیق استحکام کششی و استحکام تسلیم.

1. درک رابطه استرس و فشار: اساس تجزیه و تحلیل شکست مواد

قبل از مقایسه قدرت عملکرد وت استحکام کششی, درک رابطه اساسی بین استرس و فشار ضروری است.

در منحنی تنش-کرنش یکی از مهمترین ابزارها در مهندسی مکانیک و علم مواد است زیرا تصویر کاملی از واکنش یک ماده در هنگام قرار گرفتن در معرض بار خارجی ارائه می دهد..

تقریباً هر ماده مهندسی در هنگام اعمال نیرو دچار نوعی تغییر شکل می شود.

نحوه تغییر شکل یک ماده - اینکه آیا به شکل اولیه خود باز می گردد, برای همیشه تغییر شکل می دهد, یا کاملاً شکسته می شود - به ساختار داخلی آن بستگی دارد, ترکیب, فرآیند تولیدی, و شرایط بارگذاری.

منحنی تنش-کرنش مهندسی

منحنی تنش-کرنش با قرار دادن یک نمونه آزمایش استاندارد شده در معرض بار کششی به طور پیوسته در حال افزایش در حین اندازه گیری ازدیاد طول به دست می آید..

منحنی به مناطق مجزا تقسیم می شود, هر کدام مربوط به یک رفتار مکانیکی خاص است.

نکات کلیدی در منحنی تنش-کرنش

خواص مکانیکی اصلی به دست آمده از منحنی تنش-کرنش در زیر خلاصه می شود:

2. قدرت عملکرد چیست?

استحکام تسلیم یکی از مهمترین خواص مکانیکی است که برای ارزیابی قابلیت تحمل بار و قابلیت اطمینان مواد مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد..

سطح تنشی که در آن یک ماده از آن تغییر می کند را مشخص می کند تغییر شکل الاستیک, جایی که بعد از تخلیه می تواند شکل اصلی خود را بازیابی کند, به تغییر شکل پلاستیک, جایی که تغییر شکل دائمی رخ می دهد.

در عمل مهندسی, قدرت تسلیم اغلب در نظر گرفته می شود محدودیت طراحی اولیه زیرا بسیاری از مولفه ها زمانی که دچار تغییر شکل دائمی غیرقابل قبولی شوند، از کار افتاده اند, حتی اگر شکستگی نداشته باشند.

به عنوان مثال, سازه ای فولادی که تحت بار به طور دائم خم می شود, یک جزء شیر که دقت ابعادی را از دست می دهد, یا یک مخزن تحت فشار که بیش از حد مجاز تغییر شکل می دهد ممکن است همچنان از نظر فیزیکی دست نخورده باقی بماند, اما این شرایط می تواند به طور قابل توجهی بر ایمنی و عملکرد تأثیر بگذارد.

از این رو, استحکام تسلیم صرفاً معیاری از استحکام مواد نیست، بلکه مرز بین عملیات قابل قبول و آسیب مکانیکی غیرقابل برگشت را نشان می‌دهد..

تعریف و معنای فیزیکی قدرت تسلیم

قدرت عملکرد (σY) به عنوان تنشی تعریف می شود که در آن یک ماده شروع به تغییر شکل دائمی پلاستیک می کند.

قبل از رسیدن به نقطه تسلیم, رابطه بین تنش و کرنش تقریباً خطی باقی می ماند.

این ماده از رفتار الاستیک پیروی می کند, به این معنی که پس از حذف بار خارجی, اتم ها به موقعیت اولیه خود باز می گردند و جزء شکل اولیه خود را بازیابی می کند.

هر چند, زمانی که تنش اعمال شده از قدرت تسلیم فراتر رود, تغییرات غیر قابل برگشت در ساختار مواد رخ می دهد.

دررفتگی ها در داخل شبکه کریستالی شروع به حرکت می کنند, لایه های اتمی نسبت به یکدیگر می لغزند, و تغییر شکل دائمی ایجاد می شود.

رفتار را می توان به صورت خلاصه کرد:

تغییر شکل الاستیک → تسلیم → تغییر شکل پلاستیک → شکست

تنش مهندسی اعمال شده به یک ماده به صورت محاسبه می شود:

σ=F/A₀

کجا:

• بوها = استرس مهندسی (MPA)
• ج = نیروی کششی اعمال شده (حرف)
• A₀ = سطح مقطع اصلی (میلی متر مربع)

استحکام تسلیم با مقدار تنش مطابقت دارد که در آن ماده شروع به انحراف از رفتار کاملاً الاستیک می کند..

چرا استحکام تسلیم در طراحی مهندسی حیاتی است؟

اگرچه مقاومت کششی نشان دهنده حداکثر تنشی است که یک ماده قبل از شکست می تواند تحمل کند, استحکام تسلیم معمولاً برای قطعاتی که باید شکل و ثبات ابعادی خود را در حین سرویس حفظ کنند، اهمیت بیشتری دارد.

ممکن است یک جزء نیازی به شکستن نداشته باشد تا ناموفق در نظر گرفته شود. در بسیاری از کاربردها, تغییر شکل دائمی خود نشان دهنده یک شکست عملکردی است.

به عنوان مثال, در سیستم های مکانیکی:

• شفتی که به طور دائم خم می شود ممکن است ناهماهنگی و لرزش بیش از حد ایجاد کند.
• یک جزء شیر که تغییر شکل می دهد ممکن است عملکرد آب بندی را از دست بدهد.
• یک قطعه ماشینکاری دقیق که تسلیم می شود ممکن است دیگر نیازهای ابعادی را برآورده نکند.
• یک عضو سازه ای که به صورت پلاستیکی تغییر شکل می دهد ممکن است قابلیت توزیع بار طراحی شده خود را از دست بدهد.

از این رو, مهندسان به طور معمول تنش های عملیاتی را زیر استحکام تسلیم با استفاده از یک ضریب ایمنی مناسب طراحی می کنند.

به عنوان مثال, اگر ماده ای دارای قدرت تسلیم باشد 500 MPa و ضریب ایمنی انتخاب شده است 2, حداکثر استرس طراحی توصیه شده تقریباً خواهد بود 250 MPA.

چگونه استحکام تسلیم تعیین می شود

روش مورد استفاده برای اندازه گیری مقاومت تسلیم به ویژگی های تغییر شکل ماده بستگی دارد. برخی از مواد نقطه تسلیم واضحی دارند, در حالی که دیگران به تدریج از رفتار الاستیک به پلاستیک تغییر می کنند.

تست کشش روش استانداردی است که برای تعیین استحکام تسلیم استفاده می شود.

در حین آزمایش, یک نمونه استاندارد تحت یک بار کششی فزاینده قرار می گیرد در حالی که ازدیاد طول متناظر به طور مداوم اندازه گیری می شود..

منحنی تنش-کرنش حاصل اطلاعاتی در مورد رفتار مکانیکی مواد ارائه می دهد.

روش اندازه گیری با توجه به نوع مواد متفاوت است.

در 0.2% روش قدرت تسلیم افست

بسیاری از فلزات مهندسی نقطه تسلیم مشخصی را نشان نمی دهند. در عوض, آنها به تدریج از تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیکی تبدیل می شوند.

نمونه های معمولی عبارتند از:

• آلیاژهای آلومینیوم
• آلیاژهای مس
• آلیاژهای تیتانیوم
• فولادهای ضد زنگ با استحکام بالا

برای این مواد, مهندسان معمولا از 0.2% روش قدرت تسلیم افست, همچنین به عنوان 0.2% روش استرس اثباتی.

روش شامل:

1. شناسایی بخش الاستیک خطی منحنی تنش-کرنش.
2. رسم خطی موازی با شیب الاستیک.
3. جابجایی این خط با مقدار کرنش 0.002 (0.2% فشار دائمی).
4. تعیین نقطه تقاطع بین خط افست و منحنی تنش-کرنش.

مقدار تنش در این تقاطع به عنوان قدرت تسلیم تعریف می شود.

این روش یک استاندارد مهندسی سازگار را فراهم می کند زیرا از عدم قطعیت در موادی که در آن تغییر شکل پلاستیک تدریجی است جلوگیری می کند..

مقادیر مقاومت معمولی مواد مهندسی رایج

قدرت تسلیم به میزان قابل توجهی بسته به ترکیب آلیاژ متفاوت است, عملیات حرارتی, فرآیند تولیدی, و وضعیت مادی.

مقادیر زیر نشان دهنده قدرت تسلیم دمای اتاق معمولی برای مواد مهندسی معمولی است.

3. استحکام کششی چیست?

استحکام کششی یکی از پرکاربردترین خواص مکانیکی برای ارزیابی توانایی یک ماده برای تحمل نیروهای کششی قبل از شکست است..

این نشان دهنده است حداکثر تنش کششی که یک ماده می تواند قبل از شروع گلوگذاری تحمل کند و قابلیت حمل بار شروع به کاهش کند..

بر خلاف قدرت تسلیم, که شروع تغییر شکل دائمی را مشخص می کند, استحکام کششی را توصیف می کند حد قدرت نهایی از یک ماده تحت بارگذاری کششی.

اطلاعات ارزشمندی در مورد مقاومت مواد در برابر شکست ارائه می دهد, ظرفیت باربری آن, و عملکرد مکانیکی کلی آن.

در کاربردهای مهندسی, استحکام کششی به ویژه برای قطعاتی که در معرض نیروهای کششی بالا قرار می گیرند، مهم است, مانند اتصال دهنده ها, کابل ها, اجزای فشار, اعضای ساختاری, و قطعات مکانیکی باربر.

هر چند, استحکام کششی به تنهایی تعیین نمی کند که آیا یک ماده برای یک کاربرد خاص مناسب است یا خیر.

یک ارزیابی کامل مواد باید قدرت تسلیم را نیز در نظر بگیرد, انعطاف پذیری, سختی, مقاومت در برابر خستگی, و شرایط محیطی.

تعریف استحکام کششی

استحکام کششی, معمولاً به عنوان گفته می شود استحکام کششی نهایی (بیدر), به عنوان حداکثر تنش مهندسی که یک ماده می تواند در طول آزمایش کشش قبل از شروع تغییر شکل موضعی و شکستگی نهایی تحمل کند، تعریف می شود..

به عنوان نشان داده شده است:

σUTS=F_max/A₀

کجا:

• σUTS = استحکام کششی نهایی (MPa یا psi)
• F_max = حداکثر بار اعمال شده (N یا پوند)
• A₀ = سطح مقطع اصلی (mm² یا in²)

نکات کلیدی:

• استحکام کششی با استفاده از اصلی سطح مقطع, نه ناحیه کاهش یافته بعد از گردن.
• استرس واقعی در شکستگی (که مساحت کاهش یافته را به حساب می آورد) بالاتر از مقاومت کششی مهندسی است.
• استحکام کششی الف است اندازه گیری مقاومت در برابر شکست, عدم مقاومت در برابر تغییر شکل.

معنی فیزیکی استحکام کششی

از دیدگاه علم مواد, استحکام کششی نشان دهنده توانایی ساختار داخلی یک ماده برای مقاومت در برابر جداسازی تحت نیروی کششی اعمال شده است..

هنگامی که یک بار کششی اعمال می شود:

1. پیوندهای اتمی در برابر جدایی مقاومت می کنند.
2. ابتدا تغییر شکل الاستیک رخ می دهد.
3. تغییر شکل پلاستیک پس از تسلیم شروع می شود.
4. این ماده از طریق سخت شدن کرنش به تقویت خود ادامه می دهد.
5. حداکثر استحکام در نقطه استحکام کششی به دست می آید.
6. تغییر شکل بیشتر باعث ایجاد گردن و شکستگی می شود.

تفاوت بین استحکام تسلیم و استحکام کششی نشان دهنده توانایی مواد برای تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست است..

برای مواد انعطاف پذیر:

σY<σUTS

هر چه تفاوت بین استحکام تسلیم و استحکام کششی بیشتر باشد, توانایی مواد برای تغییر شکل پلاستیکی قبل از شکستن بیشتر است.

چگونه استحکام کششی اندازه گیری می شود

استحکام کششی از طریق یک آزمایش کششی استاندارد تعیین می شود.

روش آزمایش معمولی شامل:

1. تهیه یک نمونه استاندارد شده با ابعاد مشخص.
2. نصب نمونه در دستگاه تست جهانی.
3. اعمال نیروی کششی به تدریج افزایش می یابد.
4. اندازه گیری ازدیاد طول و بار اعمال شده به طور مداوم.
5. محاسبه تنش و کرنش مهندسی.
6. شناسایی حداکثر نقطه تنش در منحنی تنش-کرنش.

استانداردهای رایج تست عبارتند از:

• آسم E8/E8M - روش‌های تست استاندارد برای تست کشش مواد فلزی
• ISO 6892-1 - تست کشش مواد فلزی

مقادیر مقاومت کششی معمولی مواد مهندسی رایج

مواد مختلف سطوح مقاومت کششی متفاوتی از خود نشان می دهند.

4. تفاوت های کلیدی بین استحکام تسلیم و استحکام کششی

استحکام تسلیم و استحکام کششی دو ویژگی مکانیکی اساسی هستند که برای توصیف چگونگی واکنش یک ماده به بارگذاری کششی استفاده می‌شوند..

اگرچه هر دو از منحنی تنش-کرنش به دست می آیند, آنها نمایندگی می کنند مراحل مختلف رفتار مادی و تعاریف مختلف شکست.

تفاوت اساسی این است:

• استحکام تسلیم نقطه‌ای را مشخص می‌کند که در آن یک ماده شروع به تغییر شکل دائمی می‌کند.
• استحکام کششی (استحکام کششی نهایی, بیدر) حداکثر تنشی را که یک ماده می تواند قبل از گردن زدن و شکستگی نهایی تحمل کند را تعریف می کند.

در طراحی مهندسی, قدرت تسلیم معمولا با شکست عملکردی, در حالی که استحکام کششی با شکست نهایی سازه.

یک جزء ممکن است پس از فراتر رفتن از قدرت تسلیم خود همچنان از نظر فیزیکی دست نخورده باقی بماند, اما ممکن است دیگر ابعادی نداشته باشد, عملیاتی, یا الزامات ایمنی.

مقایسه بین استحکام تسلیم و استحکام کششی

نسبت استحکام کششی به استحکام تسلیم مواد مختلف

5. کدام متریک شکست مواد را تعیین می کند?

تعیین اینکه آیا قدرت عملکرد یا استحکام کششی شکست مواد کنترلی یک سوال ساده با یک پاسخ نیست.

در مهندسی, تعریف شکست به عملکرد جزء بستگی دارد, نوع بارگیری, رفتار مادی, و عواقب آسیب.

یک سوء تفاهم رایج این است که یک ماده تنها زمانی "شکست" می خورد که می شکند. در واقعیت, شکست مهندسی می تواند مدت ها قبل از شکستگی رخ دهد.

قطعه ای که برای همیشه تغییر شکل داده است, دقت ابعادی را از دست داد, یا دیگر نمی تواند عملکرد مورد نظر خود را انجام دهد قبلاً ناموفق در نظر گرفته می شود, حتی اگر ماده از نظر فیزیکی پیوسته باقی بماند.

از این رو, دقیق ترین تفسیر این است:

قدرت تسلیم شروع آسیب غیر قابل برگشت و شکست عملکردی را تعیین می کند, در حالی که مقاومت کششی حد نهایی را قبل از شکست سازه تعیین می کند.

برای اکثر اجزای فلزی انعطاف پذیر, استحکام تسلیم معیار اولیه طراحی است زیرا جلوگیری از تغییر شکل دائمی معمولا مهمتر از رسیدن به حداکثر مقاومت ممکن است..

هر چند, در کاربردهای بحرانی شکست, استحکام کششی به یک پارامتر کلیدی برای جلوگیری از شکست فاجعه آمیز تبدیل می شود.

درک شکست: تسلیم در مقابل شکستگی

شکست مواد تحت بارگذاری کششی عموماً از طریق دو مکانیسم مختلف رخ می دهد: شکست تغییر شکل پلاستیک وت شکست شکستگی.

شکست بازده: هنگامی که یک جزء عملکرد مورد نظر خود را از دست می دهد

شکست تسلیم زمانی رخ می دهد که تنش اعمال شده از مقاومت تسلیم ماده بیشتر شود.

در این مرحله, مواد وارد منطقه تغییر شکل پلاستیک می شود, به این معنی که پس از برداشتن بار دیگر به طور کامل به شکل اولیه خود باز نمی گردد.

این قطعه ممکن است به حمل بارهای اضافی ادامه دهد زیرا ماده هنوز به استحکام نهایی خود نرسیده است. هر چند, تغییر شکل دائمی ممکن است قبلاً قطعه را برای سرویس نامناسب کند.

به عنوان مثال, شفت ماشینکاری دقیق مورد استفاده در تجهیزات صنعتی را در نظر بگیرید.

اگر شفت بیش از قدرت تسلیم خود تنش را تجربه کند, ممکن است برای همیشه خم شود. اگرچه شکستگی نداشته باشد, تغییر شکل می تواند باعث شود:

• ناهماهنگی بین اجزای دوار
• افزایش لرزش
• سایش زودرس بلبرینگ
• کاهش دقت عملیاتی

به همین ترتیب, یک جزء شیر ممکن است پس از تسلیم دست نخورده باقی بماند اما به دلیل تغییرات ابعادی عملکرد آب بندی خود را از دست بدهد.

در این مواقع, جزء تجربه کرده است شکست مهندسی, حتی اگر به استحکام کششی نرسیده باشد.

شکست شکستگی: هنگامی که ماده یکپارچگی ساختاری خود را از دست می دهد

شکست شکست زمانی رخ می دهد که ماده به ظرفیت کششی نهایی خود برسد و دیگر نتواند بارهای فزاینده را تحمل کند..

در طول آزمایش کشش, ماده ابتدا به حداکثر مقدار تنش خود می رسد, به عنوان مقاومت کششی نهایی شناخته می شود (بیدر). بعد از این نقطه, تغییر شکل موضعی به نام necking شروع می شود.

سطح مقطع در یک منطقه خاص به سرعت کاهش می یابد, کاهش توانایی مواد برای حمل بار.

فرآیند شکست معمولاً شامل:

• به حداکثر تنش کششی رسیده است.
• گردن موضعی ایجاد می شود.
• عیوب یا ترک های داخلی رشد می کنند.
• سطح مقطع باقیمانده ناکافی می شود.
• شکستگی نهایی رخ می دهد.

در کاربردهایی مانند کابل های بالابر, اتصال دهنده های ساختاری, و اجزای هواپیما, شکستگی نشان دهنده جدی ترین نوع شکست است زیرا می تواند به طور ناگهانی رخ دهد و عواقب فاجعه باری ایجاد کند..

چرا قدرت تسلیم معمولاً طراحی مهندسی را کنترل می کند؟

برای اکثر کاربردهای ساختاری و مکانیکی, مهندسان قطعات را طوری طراحی می کنند که کمتر از مقاومت کششی عمل کنند.

دلیل آن این است که تغییر شکل دائمی می تواند عملکرد را به خطر بیندازد حتی زمانی که قطعه مقاومت باقی مانده قابل توجهی را حفظ کند.

رابطه برای فلزات انعطاف پذیر معمولا است:

σY<σUTS

این بدان معنی است که یک ماده می تواند پس از شروع تسلیم بار اضافی را حمل کند.

هر چند, اجازه دادن به یک جزء برای ورود به منطقه پلاستیکی به طور کلی غیرقابل قبول است زیرا مفروضات طراحی اصلی دیگر معتبر نیستند..

عواقب متداول تسلیم عبارتند از:

از دست دادن دقت ابعادی

اجزای دقیق اغلب نیاز به کنترل ابعادی دقیق دارند. حتی تغییر شکل دائمی کوچک می تواند بر دقت و عملکرد مونتاژ تأثیر بگذارد.

کاهش عمر خستگی

تغییر شکل پلاستیک باعث ایجاد تنش‌های پسماند و تغییرات ریزساختاری می‌شود که ممکن است شروع ترک خستگی را تسریع کند..

از دست دادن حاشیه ایمنی

هنگامی که تسلیم اتفاق می افتد, حاشیه مقاومت باقی مانده قبل از شکستگی کاهش می یابد.

به همین دلیل, استانداردهای طراحی مهندسی معمولاً از قدرت تسلیم به عنوان مبنایی برای محاسبات تنش مجاز استفاده می کنند.

هنگامی که استحکام کششی به معیار شکست بحرانی تبدیل می شود

اگرچه قدرت تسلیم بسیاری از طرح های مهندسی را کنترل می کند, هنگامی که نیاز اولیه جلوگیری از گسیختگی کامل باشد، استحکام کششی مورد توجه غالب قرار می گیرد.

این امر به ویژه در برنامه هایی که خرابی می تواند منجر به خطرات ایمنی فوری شود، بسیار مهم است.

اجزای پرتنش

مؤلفه هایی مانند:

• کابل های تعلیق
• سیم طناب
• پیچ و مهره با استحکام بالا
• سیستم های لنگر

در درجه اول برای مقاومت در برابر نیروهای کششی بزرگ طراحی شده اند.

برای این برنامه ها, نگرانی اصلی این نیست که آیا جزء کمی تغییر شکل می دهد, اما آیا می تواند بدون شکستن بار مورد نیاز را حمل کند یا خیر.

مواد شکننده

استحکام کششی نیز برای مواد شکننده مهمتر است زیرا آنها تغییر شکل پلاستیکی کمی را قبل از شکست از خود نشان می دهند یا اصلاً تغییر شکل نمی دهند..

نمونه ها شامل:

• خاکستری خاکستری
• سرامیک
• شیشه

بر خلاف فلزات انعطاف پذیر, مواد شکننده معمولاً نقطه تسلیم مشخصی ندارند. منحنی های تنش-کرنش آنها یک پاسخ تقریباً کاملاً الاستیک و به دنبال آن شکستگی ناگهانی را نشان می دهد.

برای این مواد:

• قدرت تسلیم ممکن است معنی دار نباشد.
• استحکام کششی نشانه بهتری از مقاومت در برابر شکست را فراهم می کند.
• چقرمگی شکست به یک ویژگی اضافی مهم تبدیل می شود.

چرا قدرت به تنهایی شکست را تعریف نمی کند؟

اگرچه مقاومت تسلیم و استحکام کششی خواص مکانیکی اساسی هستند, شکست های دنیای واقعی اغلب از طریق مکانیسم های دیگر رخ می دهد.

شکست خستگی

بسیاری از اجزاء پس از بارگذاری مکرر از کار می افتند حتی زمانی که تنش اعمال شده کمتر از قدرت تسلیم باقی می ماند.

نمونه های معمولی عبارتند از:

• شفت های دوار
• سازه های هواپیما
• اجزای موتور

شکست خستگی بستگی دارد:

• چرخه های استرس
• نقص سطحی
• ریزساختار مواد
• استرسهای باقیمانده

شکست خزش

در دمای بالا, مواد ممکن است به آرامی تحت فشار ثابت تغییر شکل دهند.

این برای:

• اجزای توربین
• دیگ بخار
• تجهیزات فشار دما بالا

در این موارد, خواص مقاومت خزشی و گسیختگی تنش از مقاومت کششی در دمای اتاق مهمتر است.

شکست محیطی

عملکرد مواد همچنین می تواند توسط شرایط محیطی کاهش یابد.

نمونه ها شامل:

• خوردگی
• تردی هیدروژنی
• ترک خوردگی استرس

یک ماده با خواص کششی عالی ممکن است در صورتی که مقاومت محیطی کافی نداشته باشد، ممکن است پیش از موعد از بین برود.

6. استحکام تسلیم در مقابل مقاومت کششی در مواد مختلف

مواد انعطافی (فولاد, آلومینیوم, مس)

معیار شکست: برای مواد انعطاف پذیر, قدرت عملکرد به طور معمول سرویس پذیری را کنترل می کند (تغییر شکل), در حالی که استحکام کششی ایمنی نهایی را حاکم می کند (شکستگی). طراحان باید هر دو را در نظر بگیرند.

مواد شکننده (چدن, سرامیک, شیشه)

معیار شکست: برای مواد شکننده, استحکام کششی تنها معیار معنادار است. پس از گذشت مدت کوتاهی از حد الاستیک، ماده در اثر شکستگی از بین می‌رود.

آلیاژهای با استحکام بالا (17-4PH, تیتانیوم)

معیار شکست: برای آلیاژهای با مقاومت بالا با شکل پذیری محدود, هر دو معیار مهم هستند.

این ماده تغییر شکل پلاستیکی کمی دارد, بنابراین طراحی باید هم شروع تسلیم شدن و هم مقاومت نهایی شکست را در نظر بگیرد.

7. باورهای غلط رایج و روشنگری های مبتنی بر شواهد

7.1 اسطوره: استحکام کششی همیشه مهمتر از استحکام تسلیم است.

واقعیت: این درست نیست. برای اکثر کاربردهای ساختاری, قدرت عملکرد معیار طراحی اولیه است زیرا تعیین می کند که چه زمانی قطعه برای همیشه تغییر شکل می دهد.

استحکام کششی برای ایمنی مهم است, اما تسلیم محدودیت قابلیت سرویس دهی است.

شواهد: در طراحی سازه های فولادی (به عنوان مثال, AISC, یوروکد), طراحی بر اساس قدرت تسلیم است (یا کسری از آن). استحکام کششی برای بررسی بار نهایی استفاده می شود.

7.2 اسطوره: استحکام تسلیم و استحکام کششی برای همه مواد یکسان است.

واقعیت: این فقط برای مواد کاملا شکننده صادق است (به عنوان مثال, سرامیک, شیشه), که هیچ تغییر شکل پلاستیکی ندارند. برای مواد انعطاف پذیر, این دو مقدار به طور قابل توجهی متفاوت هستند.

شواهد: فولاد نرم دارای استحکام تسلیم ~ 250 مگاپاسکال و استحکام کششی ~ 400 مگاپاسکال است. 60% تفاوت.

7.3 اسطوره: ماده ای با مقاومت کششی بالا همیشه قوی تر از ماده ای با استحکام تسلیم بالا است.

واقعیت: "قوی تر" به تعریف قدرت بستگی دارد. اگر "قدرت" به معنای مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی است, قدرت تسلیم معیار مناسب است.

اگر "قدرت" به معنای مقاومت در برابر شکستگی است, استحکام کششی معیار مناسبی است.

شواهد: ماده ای با استحکام کششی بالا اما استحکام تسلیم پایین (به عنوان مثال, برخی از پلیمرها) ممکن است تحت بارهای کم به طور دائم تغییر شکل دهد، اما به خوبی در برابر شکست مقاومت کند.

7.4 اسطوره: استحکام تسلیم زمانی که یک ماده می شکند را تعیین می کند.

واقعیت: قدرت تسلیم زمانی که یک ماده را تعیین می کند برای همیشه تغییر شکل می دهد, نه زمانی که می شکند. شکستن (شکستگی) در استحکام کششی رخ می دهد (یا در نقطه شکستگی بعد از گردن زدن).

شواهد: یک تیر فولادی ممکن است تسلیم شود (افتادگی دائمی) در 250 مگاپاسکال اما تا زمانی که تنش به ~ 400 مگاپاسکال نرسد شکسته نمی شود.

7.5 اسطوره: استحکام کششی حداکثر تنشی است که یک ماده می تواند بدون تغییر شکل دائمی تحمل کند.

واقعیت: این نادرست است. قدرت عملکرد حداکثر تنش بدون تغییر شکل دائمی است. استحکام کششی حداکثر تنش بدون شکست است.

شواهد: منحنی تنش-کرنش به وضوح نشان می دهد که نقطه تسلیم خیلی قبل از استحکام کششی رخ می دهد.

8. بهبود استحکام مواد: چگونه سازندگان بازده و استحکام کششی را افزایش می دهند

بهبود مقاومت مکانیکی مواد مهندسی یکی از اهداف اولیه علم و ساخت مواد مدرن است..

با اصلاح یک ماده ترکیب شیمیایی, ساختار, و شرایط پردازش, تولید کنندگان می توانند هر دو را به میزان قابل توجهی افزایش دهند قدرت عملکرد وت استحکام کششی برای برآورده کردن الزامات درخواستی برنامه.

مروری بر روش های تقویت مواد

مکانیسم های تقویتی مختلف به طرق مختلف بر استحکام تسلیم و استحکام کششی تأثیر می گذارد. جدول زیر رویکردهای اصلی مورد استفاده در تولید صنعتی را خلاصه می کند.

عملیات حرارتی: موثرترین روش

عملیات حرارتی رایج ترین و موثرترین راه برای افزایش تسلیم و استحکام کششی است. اثر بستگی به مواد و درمان دارد.

بینش کلیدی: وجود دارد مبادله بین استحکام و شکل پذیری. افزایش تسلیم و استحکام کششی معمولاً شکل پذیری را کاهش می دهد (کشیدگی).

مهندسان باید این ویژگی ها را بر اساس الزامات برنامه متعادل کنند.

9. مثال های عملی: استحکام تسلیم یا مقاومت کششی?

نمونه 1: تیر فولادی در یک ساختمان

چرا قدرت تسلیم حاکم است: تیر نباید به طور دائم تحت بارهای سرویس معمولی آویزان شود. تسلیم شدن باعث ناهماهنگی و مشکلات سرویس دهی می شود.

نمونه 2: مخزن تحت فشار

چرا هر دو معیار مهم هستند: تسلیم شدن باعث نازک شدن دیوار و پارگی احتمالی می شود.

ظرف به گونه ای طراحی شده است که تحت فشار معمولی الاستیک باقی بماند (قدرت عملکرد) و برای تحمل فشار ترکیدگی (استحکام کششی).

نمونه 3: پیچ در یک مفصل

چرا قدرت تسلیم حاکم است: پیچ باید پیش بارگذاری را بدون تسلیم حفظ کند. تسلیم شدن باعث از بین رفتن نیروی گیره و شکست مفصل می شود.

نمونه 4: پنجره شیشه ای

چرا استحکام کششی حاکم است: شیشه شکننده است و تسلیم نمی شود. طراحی باید تضمین کند که تنش هرگز به استحکام کششی نزدیک نشود تا از شکستگی ناگهانی جلوگیری شود.

10. پایان

نه استحکام تسلیم و نه استحکام کششی به طور کلی خرابی مواد را تعیین نمی کند - هر کدام با یک حالت شکست مشخص مطابقت دارند., و ارتباط آنها به تعریف شکست برای برنامه خاص بستگی دارد.

قدرت تسلیم مرز شکست عملکردی را مشخص می کند: نقطه ای که در آن تغییر شکل دائمی یک جزء را برای هدف مورد نظر خود نامناسب می کند.

استحکام کششی مرز شکست فاجعه بار را مشخص می کند: نقطه ای که در آن مواد از نظر فیزیکی شکسته می شوند و تمام ظرفیت باربری را از دست می دهند.

انتخاب مواد صدا مستلزم درک هر دو معیار است, ریشه های فیزیکی و پیامدهای عملی آنها.

بهترین قطعات مهندسی شده به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در شرایط عادی کمتر از تسلیم عمل کنند و در عین حال حاشیه مقاومت کششی کافی را برای زنده ماندن در بارهای غیرمنتظره حفظ کنند..

تشخیص تفاوت بین این دو حالت شکست - و طراحی بر اساس آن - یک شایستگی اصلی قابل اعتماد است., مهندسی مکانیک مقرون به صرفه.

 

متداول

می تواند استحکام تسلیم بالاتر از استحکام کششی باشد?

هیچ. استحکام تسلیم همیشه کمتر از مقاومت کششی برای مواد انعطاف پذیر است.

برای مواد شکننده, این دو تقریباً برابر هستند (یا مقاومت کششی کمی بالاتر است). از نظر فیزیکی غیرممکن است که استحکام تسلیم از استحکام کششی بیشتر شود.

چیست 0.2% روش افست?

در 0.2% روش افست برای تعیین مقاومت تسلیم موادی که نقطه تسلیم مشخصی ندارند استفاده می شود (به عنوان مثال, الومینیوم, مس).

خطی موازی با شیب الاستیک رسم می شود 0.2% فشار, و تقاطع با منحنی تنش-کرنش قدرت تسلیم را می دهد.

تفاوت بین استرس مهندسی و استرس واقعی چیست؟?

تنش مهندسی با استفاده از سطح مقطع اولیه محاسبه می شود.

تنش واقعی با استفاده از سطح مقطع لحظه ای محاسبه می شود (که در طول گردن زدن کاهش می یابد). استرس واقعی بالاتر از استرس مهندسی است, به خصوص پس از شروع گردن زدن.