خواص مکانیکی مواد

خواص مکانیکی مواد

احتمالاً باید با اعتراف به اینکه لیست خواص مکانیکی بسیار طولانی است شروع کنیم. برخی از آنها در هنگام توصیف یک ماده مهم تر و رایج تر از دیگران هستند. بنابراین، ما به موضوع از منظر یک مهندس نگاه می کنیم. او باید اصول اولیه را برای متمایز ساختن انواع فلزات از یکدیگر بداند تا هنگام طراحی چیزی، تصمیمی آگاهانه بگیرد.

هر ماده صنعتی بسته به کاربرد و دوام یا بسته به اینکه چه مواد اولیه ای دارد  با قیمت های متفاوتی در بازار به فروش می رسد. قیمت پکینگ‌ نسوز طبق از این امر تبعیت می کند. برای اطلاع از هزینه مواد نسوزی همچون پکینگ نسوز می توانید با کارشناسان صنعت واشر اصفهان تماس حاصل فرمایید و از آنها راهنمایی بخواهید.

تنش و کرنش مواد

ابتدا باید برخی از مفاهیم فیزیکی پشت خواص مکانیکی را توضیح دهیم. اصلی ترین آن استرس است . استرس به شما می گوید که چه مقدار نیرو بر یک منطقه اعمال می شود. در مهندسی مکانیک، بیشتر در MPa یا N/mm ² بیان می شود . این دو قابل تعویض هستند. فرمول استرس این است:

σ=F/A، که در آن F نیرو (N) و A مساحت (mm ² ) است.

دومین مفهوم مهم کرنش است . کرنش واحدی ندارد زیرا نسبت طول است. به صورت زیر محاسبه می شود:

ε=(ll ₀ )/l ₀ ، که l ₀ شروع یا طول اولیه (mm) و l طول کشیده (mm) است.

مدول یانگ

از این دو مفهوم به اولین خواص مکانیکی خود می رسیم – سفتی و کشش به عنوان متضاد آن. این یک عامل مهم برای مهندسان هنگام حل مسائل فیزیک است (مناسب بودن مواد برای یک برنامه خاص).

مواد سفت فشرده نمی شوند و به راحتی کشیده نمی شوند

سفتی به عنوان مدول یانگ بیان می شود که به عنوان مدول الاستیسیته نیز شناخته می شود. به عنوان یکی از خواص مکانیکی اولیه مواد، رابطه بین تنش و کرنش را تعریف می کند – هر چه مقدار آن بزرگتر باشد، ماده سفت تر است.

این بدان معنی است که اگر دو قسمت با اندازه های مساوی دارای مدول یانگ متغیر باشند، بار یکسان می تواند تغییر شکل دهد. در عین حال، مقدار کمتر به این معنی است که مواد الاستیک تر هستند.

فرمول مدول یانگ:

E=σ/ε (MPa)

قدرت تسلیم

تنش تسلیم یا مقاومت تسلیم مقداری است که اغلب در محاسبات مهندسی استفاده می شود. این مقدار تنشی را بر حسب مگاپاسکال به ماده ای می دهد که می تواند قبل از تغییر شکل پلاستیک بگیرد. این مکان نقطه تسلیم نامیده می شود. قبل از آن، یک ماده هنگام بلند کردن بار شکل سابق خود را به دست می آورد. پس از فراتر رفتن از نقطه تسلیم، تغییر شکل دائمی است.

منحنی تنش-کرنش

دلیل خوبی برای استفاده از تنش تسلیم به عنوان مهمترین عامل در مهندسی مکانیک وجود دارد. همانطور که از منحنی تنش-کرنش مشاهده می شود ، وقتی تنش از نقطه تسلیم فراتر می رود، آسیب هنوز فاجعه بار نیست. این یک “بالشتک” را قبل از شکست کامل ساخت و ساز تا حد شکستگی باقی می گذارد.

استحکام کششی

استحکام کششی نهایی ، یا فقط استحکام کششی، گام بعدی از استحکام تسلیم است. این مقدار که بر حسب MPa نیز اندازه گیری می شود، حداکثر تنشی را که یک ماده می تواند قبل از شکست تحمل کند را نشان می دهد.

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

پلاستیک

پلاستیسیته یک خاصیت مکانیکی مواد است که توانایی تغییر شکل تحت تنش بدون شکستگی را نشان می دهد و در عین حال شکل تغییر شکل یافته را پس از برداشتن بار حفظ می کند. فلزات با پلاستیسیته بالاتر برای شکل دهی بهتر هستند. این در خمش فلز مشهود است .

دو ویژگی مکانیکی مرتبط با مواد، شکل پذیری و چکش خواری است . شکل پذیری توصیف تقریباً مشابهی با پلاستیسیته دارد – این توانایی یک ماده برای تغییر شکل پلاستیک قبل از شکستن است. به صورت درصد افزایش طول یا درصد کاهش سطح بیان می شود. اساساً شکل پذیری خاصیتی است که برای مثال هنگام کشیدن سیم های فلزی نازک به آن نیاز دارید. یک مثال خوب از چنین مواد انعطاف پذیر مس است . این امر امکان ساخت سیم را فراهم می کند.

چکش خواری نیز طبق تعریف مشابه است. اما در واقع مناسب بودن یک ماده برای تغییر شکل فشاری را مشخص می کند. در اصل، فلزی با چکش‌خواری خوب برای تولید صفحات یا ورق‌های فلزی با نورد یا چکش مناسب است.

سختی

چقرمگی ترکیبی از استحکام و انعطاف پذیری است. یک ماده سخت می تواند ضربات سخت را بدون پارگی متحمل شود. چقرمگی اغلب به عنوان توانایی یک ماده برای جذب انرژی بدون ترک تعریف می شود. 

چقرمگی مواد با چنین ماشین آلاتی ضروری است

نمونه ای از چقرمگی مورد نیاز، لودرهای معدن است. پرتاب سنگ های بزرگ به داخل سطل ها منجر به تغییر شکل می شود، نه ترک، اگر مواد سخت باشد.

سختی

یکی دیگر از ویژگی های مهم برای یک ماده مهندسی. مقادیر سختی بالا نشان می دهد که یک ماده در برابر فشارهای موضعی مقاومت می کند. به عبارت ساده تر، خراش دادن یا نقطه گذاری با علائم ماندگار (تغییر شکل پلاستیک) یک ماده سخت آسان نیست. به ویژه هنگامی که فرآیندهای سایش سنگین اتفاق می افتد بسیار مهم است . در چنین شرایطی مواد سختی مانند هاردوکس مناسب هستند. سختی و چقرمگی دو ویژگی هستند که دوام را به حساب می آورند .

سختی با خراشیدن، پرش یا فرورفتگی اندازه گیری می شود. رایج ترین راه برای توصیف سختی از طریق سختی فرورفتگی است. روش های مختلفی برای انجام این آزمایش ها بسته به نوع ماده وجود دارد. هر یک واحد سختی متفاوتی را به همراه دارد – برینل، ویکرز یا راکول. اگر می خواهید 2 ماده را که در سیستم های مختلف دارای مقدار سختی هستند مقایسه کنید، ابتدا باید آنها را به یک نوع (مثلاً ویکرز) تبدیل کنید.

شکنندگی

شکنندگی معمولاً یک ویژگی مواد کاملاً ناخواسته در مهندسی مکانیک است. این بدان معنی است که یک ماده بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجه می شکند. نشانه ای از شکنندگی یک ماده، صدای کوبیدن آن در هنگام شکستن است.

مواد شکننده لبه های شکسته ای را به جا می گذارند که به طور قابل تشخیصی به هم تعلق دارند

اگرچه وقتی به شکنندگی فکر می کنیم، ممکن است با استحکام کم همراه باشد، اما در واقعیت اینطور نیست. این دو با هم جدا نیستند. یک ماده قوی هنوز هم می تواند شکننده باشد. نمونه ای از آن سرامیک است. چدن نمونه ای از فلزات شکننده است.

قدرت خستگی

استحکام خستگی یا حد خستگی بیانگر توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر تنش های چرخه ای است . در مورد آلیاژهای آهنی ، محدودیت مشخصی وجود دارد که فلز می تواند در برابر آن مقاومت کند. در صورتی که استرس کمتر از حد مجاز باشد (با توجه به تعداد چرخه ها)، هیچ ترسی از شکستن وجود ندارد.

این یک ویژگی ماده مهمی است که باید در هنگام طراحی شفت به خاطر داشت. جهت نیرو به طور مداوم با چرخش شفت تغییر می کند، به این معنی که تنش چرخه ای است.

در مورد فلزات دیگر، مانند آلومینیوم و مس، هیچ محدودیت مشخصی برای مقاومت تنش چرخه ای وجود ندارد. آنها هنوز هم پس از مقدار معینی از تنش خمشی معکوس تمایل به شکستن دارند . برای چنین موادی، ارزش قابل اندازه گیری مشابه دیگری وجود دارد – استقامت استقامت .

با استحکام خستگی، اگر مقدار تنش کمتر از حد خستگی باشد، یک ماده عمر بی‌نهایتی دارد. در مورد قدرت استقامتی، مقداری بدست می آورید که زیر آن ماده می تواند برای تعداد معینی چرخه کار کند. معمولاً روی 10 ⁷ تنظیم می شود .