ویژگی های مکانیکی مواد

در این مقاله قصد داریم به بررسی خواص مکانیکی مواد بپردازیم. ویژگی های مکانیکی مواد عکس‌العمل ماده را در برابر نیروهای فیزیکی بیان می‌کنند. خواص مکانیکی مواد از نتایج خواص فیزیکی ایجاد می‌شوند که برای هر ماده ذاتی و متفاوت با سایر مواد هستند و با مجموعه‌ای از تست‌های مکانیکی استاندارد تعیین می‌شوند. 

همانطور که می‌دانید خواص مکانیکی متعددی وجود دارند؛ ما در این مقاله به بررسی و توضیح برخی از این خواص می‌پردازیم. برخی از این ویژگی‌ها بسیار حائز اهمیت می‌باشند. به همین منظور هنگام توصیف یک ماده، مهم‌تر و رایج‌تر از سایر خواص هستند. بنابراین، ما از نگاه یک مهندس به موضوع می‌پردازیم و آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم. مهندس ابتدا باید اصول اولیه را برای متمایز ساختن انواع فلزات از یکدیگر بداند، تا بتواند هنگام طراحی یک ساختار، تصمیمی آگاهانه و دقیق بگیرد.

تنش و کرنش مواد چیست؟

در ابتدا لازم است به بررسی برخی از مفاهیم فیزیکی در کنار ویژگی های مکانیکی مواد بپردازیم و توضیح مختصری در مورد آن‌ها ارائه دهیم. اصلی‌ترین مفهوم برای درک استحکام و مقاومت ماده، تنش است. تنش به شما میگوید که چه مقدار نیرو بر واحد سطح اعمال می‌گردد. واحد تنش در مهندسی مکانیک، بیشتر با MPa یا N/mm2 بیان می‌شود، همچنین این دو واحد قابل تعویض هستند.

 

فرمول تنش

σ=F/A

که در آن F نیروی (N) و A مساحت (mm^2) است.

دومین مفهوم مهم کرنش است. کرنش واحدی ندارد زیرا کرنش یک نسبت طول است و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

ε=(l-l₀)/l₀

که در آن  l₀ طول اولیه و l طول ثانویه است.

مدول یانگ

از دو مفهوم سختی و الاستیسیته که متضاد یکدیگر هستند به اولین خواص مکانیکی دست پیدا می‌کنیم. مدول یانگ یک عامل مهم برای مهندسان در هنگام حل مسائل فیزیکی است. با کمک مدول یانگ می‌شوند مناسب بودن مواد برای یک کاربرد خاص را دریافت.

مواد سخت، فشرده نمی‌شوند بنابراین افزایش طول آن‌ها کار ساده‌ای نیست. اصطلاحا دارای ویژگی کشسانی نیستند. سختی با عنوان مدول یانگ یا مدول الاستیسیته شناخته می‌شود. سختی به عنوان یکی از ویژگی های مکانیکی مواد، رابطه‌ی بین تنش و کرنش را تعریف می‌کند؛ هر چه میزان سختی بزرگتر باشد، ماده نیز سفت‌تر خواهد بود. این مفهوم به این معنی است که اگر دو قطعه با اندازه‌های یکسان داشته باشید ولی مدول یانگ یا میزان سختی آن‌ها متفاوت باشد، میزان تغییر شکل آن‌ها در اثر اعمال نیروی یکسان و مساوی متفاوت خواهد بود. در عین حال، هر چه میزان مدول یانگ یا سختی کمتر باشد، به این معنی است که مواد کشسان‌تر هستند. فرمول مدول یانگ به شرح زیر است:

E=σ/ε (MPa)

مقاومت تسلیم

تنش تسلیم یا مقاومت تسلیم مقدار تنشی است که اغلب در محاسبات مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تنش تسلیم به میزان تنشی است که ماده در آن شروع به تغییر شکل پلاستیک می‌کند. به نقطه‌ای که ماده قبل از آن به صورت الاستیک تغییر شکل می‌دهد و از آن به بعد به صورت پلاستیک تغییر شکل می‌یابد نیز نقطه تسلیم می‌گویند. این به آن معنی می‌باشد که، قبل از نقطه تسلیم ماده بعد از اعمال تنش به حالت اولیه خود باز می‌گردد اما بعد از آن نقطه، ماده به شکل اولیه خود پس از اعمال تنش باز نمی‌گردد و اصطلاحا تغییر شکل دائمی می‌دهد.

یک دلیل مناسب و خوب برای استفاده از تنش تسلیم به عنوان مهم‌ترین عامل در مهندسی مکانیک وجود دارد. با توجه به منحنی تنش-کرنش، وقتی تنش از نقطه تسلیم فراتر می‌رود، خسارت فاجعه بار نیست. تنش تسلیم محدوده‌ای را مشخص می‌کند که پیش از شکست قطعه، به حالت هشدار می‌رسیم و باید چاره‌ای بیاندیشیم. 

استحکام کششی در ویژگی های مکانیکی مواد

استحکام کششی نهایی، یا تنش نهایی یا استحکام کششی، گام بعد از استحکام تسلیم است. این مقدار نیز به خاطر ماهیت تنشی خود، با واحد MPa اندازه‌گیری می‌شود و حداکثر تنشی را که یک ماده می‌تواند قبل از شکست تحمل کند، نشان می‌دهد.

هنگام انتخاب یک ماده مناسب برای تحمل نیرو، دو ماده با مقاومت تسلیم مشابه ممکن است مقاومت کششی متفاوتی داشته باشند. در صورت اعمال نیروهای پیش‌بینی نشده، داشتن استحکام کششی بالاتر ممکن است به جلوگیری از حوادث کمک کند.

پلاستیسیته

پلاستیسیته یک از ویژگی های مکانیکی مواد است که توانایی تغییر شکل تحت تنش را بدون شکستگی نشان می‌دهد. در حالت پلاستیک، تغییر شکل دائمی بوده و پس از برداشتن نیرو، جسم به حالت قبل خود باز نمی‌گردد. فلزات با پلاستیسیته بالاتر برای شکل‌دهی مناسب‌تر و بهتر هستند و این ویژگی در خمش فلز کاملا مشهود است.

دو ویژگی مکانیکی مرتبط مواد شکل‌پذیری و چکش‌خواری است. شکل‌پذیری توصیف تقریباً مشابهی با پلاستیسیته دارد. شکل‌پذیری توانایی یک ماده برای تغییر شکل پلاستیک قبل از شکستن است و به صورت درصد ازدیاد طول یا درصد کاهش سطح بیان می‌شود. اساساً شکل پذیری خاصیتی است که برای مثال هنگام کشیدن سیم‌های فلزی نازک به آن نیاز دارید. یک مثال خوب از مواد انعطاف پذیر مس می‌باشد. شکل پذیری امکان ساخت سیم را فراهم می‌سازد.

چقرمگی در ویژگی های مکانیکی مواد

چقرمگی ترکیبی از استحکام و انعطاف‌پذیری است. یک ماده سخت می‌تواند ضربات سخت را بدون پارگی متحمل شود. چقرمگی اغلب به عنوان توانایی یک ماده برای جذب انرژی بدون ترک یا شکستگی تعریف می‌شود.

نمونه‌ای از چقرمگی مورد نیاز، لودرهای معدنی است. پرتاب سنگ های بزرگ به داخل گودال‌ها و وسایل نقلیه بزرگ بدون تخریب دستگاه، یکی از مزیت‌هایی است که چقرمگی این لودرها دارد. 

سختی در ویژگی های مکانیکی مواد

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم برای یک ماده مهندسی سختی است. مقادیر سختی بالا نشان می‌دهد که یک ماده در برابر فشارهای موضعی مقاومت می‌کند. به عبارت ساده‌تر، خراش دادن یا نقطه‌گذاری با علائم ماندگار، یعنی تغییر شکل پلاستیک یک ماده سخت، آسان نیست. سختی، زمانی که فرایندهای سایش سنگین اتفاق می‌افتند بسیار اهمیت پیدا می‌کند. در چنین شرایطی مواد سختی مانند هاردوکس مناسب هستند. سختی و چقرمگی دو ویژگی‌ای هستند که دوام و پایداری را نشان می‌دهند.

سختی، با خراشیدن، پرش و یا فرورفتگی اندازه‌گیری می‌شود. رایج‌ترین روش برای توصیف سختی از طریق «سختی فرورفتگی» است. روش‌های مختلفی برای انجام این آزمایش‌ها بسته به نوع ماده وجود دارد. هر یک از این موارد، واحد سختی متفاوتی را مانند برینل، ویکرز یا راکول دارند. اگر می‌خواهید 2 ماده را که در سیستم‌های مختلف دارای مقادیر سختی هستند مقایسه کنید، ابتدا باید آن‌ها را به یک واحد سختی مشابه (مثلاً ویکرز) تبدیل کنید.

شکنندگی در ویژگی های مکانیکی مواد

شکنندگی معمولاً یک ویژگی مواد کاملاً غیرقابل قبول در مهندسی مکانیک است. این بدان معنی است که یک ماده بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجه می‌شکند. یکی از نشانه‌های شکنندگی یک ماده، صدای کوبیدن آن در هنگام شکستن است. مواد شکننده لبه‌های شکسته‌ای را به جا می‌گذارند که به طور واضح و مشخصی به یکدیگر تعلق دارند.

اگرچه ممکن است فکر کنید که شکنندگی زیاد با استحکام کم همراه باشد، اما در واقعیت اینطور نیست. استحکام و شکنندگی از یکدیگر جدا نیستند. یک ماده مستحکم هم می‌تواند شکننده باشد. به عنوان مثال سرامیک نمونه‌ای از این مواد می‌باشد. چدن نیز نمونه‌ای از فلزات شکننده است.

استحکام خستگی در ویژگی های مکانیکی مواد

استحکام خستگی یا حد خستگی بیانگر توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تنش‌های چرخه‌ای است. در مورد آلیاژهای آهنی، محدودیت مشخصی نیز وجود دارد که فلز می‌تواند در برابر آن مقاومت کند. اگر استرس کمتر از حد مجاز باشد (با توجه به تعداد چرخه‌ها)، ترسی از شکستن وجود نخواهد داشت . استحکام خستگی یک ویژگی مهم در مواد اولیه تولید است که لازم است در هنگام طراحی شفت به خاطر داشته باشید. جهت نیرو به طور مداوم با چرخش شفت نیز تغییر می‌کند و این به معنی آن است که تنش، چرخه‌ای یا دوره‌ای است.

نتیجه‌گیری

همانطور که گفتیم، خواص مکانیکی مواد نشانگر رفتار مواد بر اثر نیروی خارجی که اصطلاحا ( بار ) نام دارد، است. ویژگی های مکانیکی مواد از اهمیت بسیار زیادی در مهندسی و طراحی ابزار، ماشین آلات و سایر ساختارها برخوردارند و معیاری برای مشخصه‌های مواد در حین عمل به شمار می‌روند.