استحکام تسلیم چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

استحکام تسلیم یکی از مهمترین خواص مکانیکی مواد است که در طراحی سازه ها و تعیین ضریب ایمنی آنها نقش مهمی دارد. استحکام تسلیم، حداکثر تنشی است که یک ماده می تواند بدون تغییر شکل پلاستیک، تحمل کند.

در این محتوا، به بررسی مفهوم استحکام تسلیم، عوامل موثر و روش های اندازه گیری آن خواهیم پرداخت.

استحکام تسلیم یا تنش تسلیم چیست؟

تنش تسلیم یا همان مقاومت تسلیم (استحکام تسلیم)، کمینه تنشی است که در تنش های بیشتر از آن، ماده تحت اعمال بار و نیرو دچار تغییر شکل پلاستیک می گردد. این تنش مرز بین تغییر شکل الاستیک و پلاستیک است. نشانگر این است که ماده در صورتی که تحت اعمال تنشی بالاتر از میزان تنش تسلیم قرار گیرد، دچار تغییر شکل پلاستیک یا همان تغییر شکل دائمی خواهد شد. استحام تسلیم یک ویژگی مهم ماده بوده و به مهندسین در درک چگونگی رفتار ماده در تنش ها و ببارهای اعمالی کمک می کند.

مقاومت تسلیم به طور معمول در طراحی ساختمان‌ها، ماشین‌آلات و انتخاب مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد تا اطمینان حاصل شود که ماده انتخابی بتواند در برابر بارها و تنش‌های اعمالی بدون تغییر شکل پلاستیک یا شکست مقاومت کند.

چه عواملی بر میزان تنش تسلیم ماده تاثیر گذار هستند؟

استحکام تسلیم تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار می گیرد و درک این عوامل هنگام کار با مواد مختلف ضروری است. برخی از عوامل کلیدی که می توانند بر استحکام تسلیم یک ماده تأثیر بگذارند عبارتند از:

نوع ماده: ترکیب ذاتی و ساختار اتمی یک ماده نقش مهمی در تعیین استحکام تسلیم آن ایفا می کند. موادی مانند فولاد، که پیوندهای فلزی قوی و ساختار کریستالی دارند، تمایل به استحکام تسلیم بالایی دارند. برعکس، موادی مانند لاستیک، با نیروهای واندروال ضعیف تر بین مولکول ها، استحکام تسلیم بسیار پایین تری دارند.

دما

 دمایی که در آن یک ماده آزمایش یا استفاده می شود، می تواند اثر عمیقی بر استحکام تسلیم داشته باشد. به طور کلی، بیشتر مواد در دماهای پایین تر تمایل به شکننده تر شدن و کاهش استحکام تسلیم دارند (پدیده ای که به عنوان “شکستگی” شناخته می شود). با این حال، برخی مواد، به ویژه برخی آلیاژها، می توانند به دلیل فرآیندی به نام “کار سرد” یا “سخت شدن کرنش”، در دماهای پایین افزایش استحکام تسلیم را تجربه کنند. دماهای بالا می توانند باعث کاهش استحکام تسلیم به دلیل افزایش تحرک اتم ها و نابجایی ها در ماده شوند.

نرخ کرنش

نرخی که تنش به یک ماده اعمال می شود، که به عنوان نرخ کرنش شناخته می شود، نیز می تواند بر استحکام تسلیم تأثیر بگذارد. برخی مواد رفتار وابسته به نرخ را نشان می دهند، به این معنی که استحکام تسلیم آنها ممکن است در نرخ های کرنش مختلف متفاوت باشد. به عنوان مثال، بسیاری از پلیمرها به اثرات نرخ کرنش حساس تر هستند، به طوری که نرخ های کرنش بالاتر معمولاً منجر به استحکام تسلیم بالاتر می شوند. در مقابل، فلزات به طور کلی به اثرات نرخ کرنش کمتر حساس هستند.

عناصر آلیاژی

افزودن عناصر آلیاژی خاص می تواند استحکام تسلیم یک ماده را تغییر دهد. به عنوان مثال، در فولاد، افزودن کربن، منگنز و سایر عناصر آلیاژی می تواند بر خواص مکانیکی مواد، از جمله استحکام تسلیم، تأثیر بگذارد. این عناصر می توانند ساختار شبکه کریستالی و نحوه حرکت نابجایی ها در داخل ماده را تغییر دهند.

عملیات حرارتی

 فرآیندهای عملیات حرارتی، مانند سخت کاری و تمپر کردن، را می توان برای تنظیم ریزساختار یک ماده استفاده کرد. این به نوبه خود بر استحکام تسلیم آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، سخت کاری شامل خنک سازی سریع مواد برای ایجاد ریزساختار سخت تر است که می تواند منجر به استحکام تسلیم بالاتر شود. سپس فرآیندهای تمپر بعدی می توانند شکنندگی را کاهش دهند و خواص مواد را متعادل کنند.

اندازه دانه

 مواد با ساختار کریستالی (مانند بسیاری از فلزات) از دانه ها تشکیل شده اند. اندازه این دانه ها می تواند بر استحکام تسلیم تأثیر بگذارد. دانه های کوچکتر مرزهای دانه بیشتری دارند که می توانند به عنوان مانعی در برابر حرکت نابجایی عمل کنند وทำให้ تغییر شکل پلاستیک ماده دشوارتر شود. بنابراین، مواد با اندازه دانه کوچکتر معمولاً استحکام تسلیم بالاتری را نشان می دهند.

تنش پسماند

تنش های پسماند ممکن است در یک ماده به دلیل فرآیندهای تولیدی قبلی، مانند جوشکاری یا شکل دهی، وجود داشته باشند. این تنش های پسماند بسته به ماهیت آنها می توانند به استحکام تسلیم مواد اضافه یا از آن کم کنند. تنش های پسماند فشاری می توانند استحکام تسلیم را افزایش دهند، در حالی که تنش های پسماند کششی می توانند آن را کاهش دهند.

سابقه تغییر شکل

 سابقه تغییر شکل یک ماده می تواند بر استحکام تسلیم آن تأثیر بگذارد. چرخه های بارگذاری و تخلیه مکرر، و همچنین تغییر شکل پلاستیک، می تواند منجر به سخت شدن کار شود. این فرآیند می تواند با ایجاد تغییرات در ریزساختار ماده، استحکام تسلیم آن را افزایش دهد.

جهت گیری نمونه

در موادی با خواص انیزوتروپیک، جهت نمونه آزمایش نسبت به ساختار دانه ماده می تواند منجر به تغیراتی در استحکام تسلیم شود. مواد انیزوتروپیک در جهت های مختلف خواص مکانیکی متفاوتی را نشان می دهند.

عوامل خارجی

 شرایط محیطی می توانند با گذشت زمان بر استحکام تسلیم تأثیر بگذارند. قرار گرفتن در معرض مواد خورنده می تواند ساختار یک ماده را تخریب کرده و استحکام تسلیم آن را کاهش دهد. تابش نیز می تواند خواص مواد را تغییر دهد.

در خلاصه، استحکام تسلیم یک ویژگی پیچیده مواد است که تحت تأثیر عوامل متعددی قرار دارد. دانشمندان و مهندسین مواد هنگام انتخاب مواد برای کاربردهای خاص و هنگام طراحی سازه ها یا اجزای سازنده، این عوامل را در نظر می گیرند تا اطمینان حاصل کنند که آنها می توانند در برابر بارها و تنش های مورد انتظار بدون تغییر شکل دائمی یا خرابی مقاومت کنند.

نحوه اندازه گیری تنش تسلیم

استحکام تسلیم یک ماده را می توان از طریق روش های آزمایش مکانیکی تعیین کرد. رایج ترین آزمون، آزمون کششی است. با این حال، روش خاص استفاده شده بسته به ماده و الزامات آزمایش ممکن است متفاوت باشد. در اینجا یک طرح کلی از روش اندازه گیری تنش تسلیم با استفاده از آزمون کششی ارائه شده است:

آماده سازی نمونه

یک نمونه نماینده از ماده طبق رویه های آزمایش استاندارد تهیه می شود. نمونه ممکن است به شکل نمونه استوانه ای یا تخت با ابعاد مشخص باشد.

نصب نمونه

نمونه بر روی دستگاه تست، معمولاً یک دستگاه تست جهانی، نصب می شود که می تواند نیروهای کششی (کششی) یا فشاری (فشاری) کنترل شده را به نمونه اعمال کند.

صفر کردن دستگاه

 دستگاه تست کالیبره شده و موقعیت اولیه یا طول نمونه ثبت می شود. این اطمینان حاصل می شود که هرگونه بار اولیه یا تغییر شکل در نمونه در نظر گرفته شود.

آزمون کششی

 دستگاه شروع به اعمال بار کششی تدریجی و کنترل شده به نمونه می کند. بار با سرعت ثابت، معمولاً بر حسب نیرو بر واحد زمان افزایش می یابد. در طول این فرآیند، دستگاه هم بار اعمال شده (تنش) و هم تغییر شکل مربوطه (کرنش) نمونه را ثبت می کند.

تغییر شکل الاستیک

 در ابتدا، ماده تحت تغییر شکل الاستیک قرار می گیرد، به این معنی که تحت بار اعمال شده به طور برگشت پذیر تغییر شکل می دهد. هنگامی که بار برداشته می شود، نمونه به شکل اولیه خود باز می گردد. منحنی تنش-کرنش در طی این مرحله خطی است و شیب این ناحیه خطی به عنوان مدول کشسانی یا مدول یانگ شناخته می شود.

نقطه تسلیم

 با ادامه افزایش بار، ماده در نهایت به جایی می رسد که دچار تغییر شکل پلاستیک می شود. این نقطه تسلیم است و نشان دهنده شروع تغییر شکل دائمی است. در منحنی تنش-کرنش، نقطه تسلیم معمولاً به عنوان نقطه ای تعریف می شود که تنش دیگر به صورت خطی با کرنش افزایش نمی یابد.

محاسبه تنش تسلیم

تنش تسلیم به عنوان مقدار تنش در نقطه تسلیم محاسبه می شود. معمولاً با واحد نیرو بر واحد سطح، مانند پاسکال (Pa) یا مگاپاسکال (MPa) بیان می شود.

آزمایش اضافی

 در برخی موارد، مواد ممکن است پدیده نقطه تسلیم مانند کشیدگی نقطه تسلیم یا نقاط تسلیم بالا و پایین را نشان دهند. این موارد نیز ثبت و تجزیه و تحلیل می شوند.

رفتار پس از تسلیم

 پس از نقطه تسلیم، ماده ممکن است رفتارهای تنش-کرنش متفاوتی مانند سخت شدن کار یا نرم شدن را نشان دهد. این رفتار به نوع ماده و ریزساختار آن بستگی دارد.

شکستگی یا خرابی

 آزمایش تا زمانی ادامه می یابد که ماده یا شکسته شود یا به نقطه پایانی مشخص دیگری برسد. اگر ماده شکسته شود، مقاومت کششی نهایی ثبت می شود که حداکثر تنشی است که می تواند قبل از شکست کامل تحمل کند.

لازم به ذکر است که تعیین تنش تسلیم واقعی می تواند بر اساس استانداردهای خاص و رویه های آزمایشی مورد استفاده در صنایع مختلف متفاوت باشد. مواد مختلف نیز ممکن است رفتارهای منحصر به فردی از خود نشان دهند و بنابراین، تفسیر منحنی تنش-کرنش باید ویژگی های ماده را در نظر بگیرد. علاوه بر این، روش های غیر مخرب مانند تست سختی را می توان برای تخمین مقاومت تسلیم در مواردی که آزمایش مخرب امکان پذیر نیست، استفاده کرد.

فرمول محاسبه استحکام تسلیم ماده

فرمول تنش تسلیم به ماده خاص و روش آزمایش مورد استفاده بستگی دارد. با این حال، مفهوم کلی این است که تنش را که ماده از تغییر شکل الاستیک به تغییر شکل پلاستیک تغییر می کند، تعیین کند. این نقطه معمولاً در منحنی تنش-کرنش شناسایی می شود که تنش اعمال شده به ماده را در برابر کرنش (تغییر شکل) که تجربه می کند، ترسیم می کند.

در آزمایش کششی، تنش تسلیم معمولاً به عنوان تنش در نقطه ای که منحنی تنش-کرنش از ناحیه خطی اولیه خود منحرف می شود، تعریف می شود. این انحراف نشان دهنده شروع تغییر شکل پلاستیک است، جایی که ماده شروع به تغییر شکل دائمی حتی پس از برداشتن بار می کند.

فرمول تنش تسلیم را می توان به صورت زیر بیان کرد:

σ_y = F/A

که در آن:

σ_y  تنش تسلیم است

F  نیروی نقطه تسلیم است

A  سطح مقطع اولیه نمونه است

این فرمول یک تخمین از تنش تسلیم است و مقدار واقعی ممکن است بسته به ماده و شرایط آزمایش متفاوت باشد. روش های دقیق تر ممکن است شامل استفاده از معیارهای خاص تنش تسلیم، مانند روش جابجایی 0.2% یا روش تنش اثبات 0.1% باشد.

در اینجا توضیحی در مورد هر یک از این روش ها آورده شده است:

روش جابجایی 0.2%: این روش تنش تسلیم را به عنوان تنش در نقطه ای که کرنش از 0.2% می گذرد، تعریف می کند. این روش به دلیل دقت آن در تعیین تنش تسلیم ماده، به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

روش تنش اثبات 0.1%: این روش تنش تسلیم را به عنوان تنش در نقطه ای که کرنش از 0.1% می گذرد، تعریف می کند. این روش دقت کمتری نسبت به روش جابجایی 0.2% دارد، اما ساده تر است و می تواند به سرعت و به راحتی انجام شود.

انتخاب روش مناسب برای تعیین تنش تسلیم به عوامل مختلفی مانند دقت مورد نیاز، زمان و منابع موجود بستگی دارد.