مقدمه

تنش و کرنش، دو مفهوم مهم در حوزه طراحی و ساخت محسوب می‌شوند. رابطه بین تنش و کرنش در یک ماده را می‌توان با انجام آزمایش‌های فشاری یا کششی بر روی یک نمونه مشخص کرد. در این آزمایش‌ها، نمونه تحت بارگذاری قرار می‌گیرد و میزان نیرو به طور پیوسته افزایش می‌یابد تا شاهد اتفاقاتی مانند تسلیم و گلویی شدن باشیم. هر ماده نمودار تنش کرنش متفاوتی دارد. به عبارت دیگر می توان گفت نمودار تنش کرنش به عنوان شناسنامه هر ماده به شمار می آید. در ادامه به تشریح کامل این موضوع پرداخته خواهد شد.

تنش چیست؟

وقتی به یک جسم نیرویی وارد می شود، ملکول های آن جسم فشرده یا کشیده می شوند. به اثر بین مولکولی ایجاد شده تنش می گویند.

کرنش چیست؟

وقتی جسمی تحت نیرو قرار می گیرد، دچار تغییر شکل می شود.  به نسبت تغییر شکل ایجاد شده به شکل اولیه کرنش می گویند. به عبارت دیگر وقتی جسمی دچار تغییر طول می شوند، در آن کرنش رخ داده است.

نمودار تنش کرنش

برای جنس های متفاوت مقاطعی انتخاب و مورد آزمون کشش یا فشار قرار می گیرد. مقاطع انتخابی معمولا دوار می باشند. با اعمال نیرو و محاسبه تنش ایجاد شده در مقطع و همچنین محاسبه کرنش ایجاد شده در هر لحظه مشابه، نمودار تنش کرنش را برای آن ماده استخراج می کنند.

این نمودار به صورت کلی دارای بخش های متفاوتی می باشد که در ادامه معرفی می شوند.

با شروع بارگذاری مقدار تنش و کرنش افزایش یافته و با اضافه کردن بار اعمالی مقدار آنها نیز اضافه می شود. در شروع عملیات بارگذاری رابطه بین تنش و کرنش خطی است و از قانون هوک پیروی می کند. قنون هوک به صورت زیر بیان می شود.

قانون هوک تنش و کرنش را با ضریبی به اسم مدول الاستیسیته به یک دیگر مرتبط می کند. هرچه ماده مدول الاستیسته بیشتری داشته باشد، شیب نمودار در ناحیه خطی بیشتر و جسم توانایی تحمل تنش بیشتر اما کرنش کمتری را خواهد داشت. در نمودار زیر محدوده تاثیر قانون هوک مشخص شده است.

قانون هوک تا حد تناسب قابل استفاده است و از این حد به بعد رابطه بین تنش و کرنش دیگر خطی نخواهد بود. پس از حد تناسب نمودار غیر خطی خواهد شد و پس از یک تنش مشخص، ما شاهد کاهش تنش در روند بارگذاری خواهیم بود که به آن تنش، تنش تسلیم می گویند. ناحیه قبل از تنش تسلیم ناحیه الاستیک نام دارد. در این ناحیه رفتار جسم به صورت الاستیک خواهد بود. به این صورت که پس از برداشتن بار، جسم به ابعاد اولیه خود باز می گردد و هیچ تغییر شکل ماندگاری در جسم ایجاد نخواهد شد. به ناحیه بعد از تنش تسلیم، ناحیه پلاستیک می گویند. در این ناحیه پس از حذف بار اعمالی ، جسم به وضع اولیه خود باز نخواهد گشت و دارای مقداری تغییر شکل دائم خواهد بود. مقدار تغییر شکل دائم ایجاد شده به صورت زیر تعیین می شود.

فرض کنید بارگذاری تا نقطه C ادامه یابد و پس از آن بار اعمالی حذف گردد. در این صورت از همان نقطه C خطی به موازات خط ناحیه الاستیک رسم می کنیم تا محور افقی را قطع کند. محل تداخل، کرنش جدید حاصل شده خواهد بود و بارگذاری جدید بر روی این جسم بر اساس نمودار جدید حاصل شده خواهد بود. به کرنش دائمی ایجاد شده کرنش سختی می گویند.

در اینجا پدیده ای به نام خرش مطرح می شود که از قوانین هوک پیروی نمی کند. لذا دانستن این پدیده به طراح و بهره بردار های کارخانه جات در انجام وظایف خود کمک شایانی می کند. اگر جسمی تحت نیرویی کمتر از نیروی تسلیم تحت تنش طولانی مثلا به مدت چندین سال قرار بگیرد، جسم دوچار تغییر شکل دائم خواهد شد. البته در این پدیده مواردی مانند دما و نوسانات بار نیز تاثیر گذار هستند.

پس از تنش تسلیم دو تنش دیگر نیز از اهمیت بالایی برخوردار هستند. نقطه D تنش نهایی جسم می باشد. این تنش حداکثر تنشی است که توسط جسم قابل تحمل است. پس از این تنش جسم شروع به گلویی شدن (کاهش سطح مقطع) می کند و با کاهش سطح مقطع تنش نیز کاهش می یابد تا جسم کسیخته شود. به حد تنشی که گسیختگی رخ می دهد تنش شکست می گویند.

سطح زیر نمودار تنش کرنش، مقدار انرژی است که جسم می تواند در خود ذخیره کند تا زمانی که کسیخته شود. به انرژی قابل ذخیره در جسم چقرمگی می گویند.

تحلیل نمودار تنش کرنش مواد

مواد به صورت کلی به دو دسته مواد ترد و نرم تقسیم بندی می شوند. مواد نرم دارای محدوده پلاستیک بوده و شکل پذیر می باشند و در مقابل مواد نرم ناحیه پلاستیک نداشته و به یکباره دوچار شکست می شوند.

همانگونه که مشخص است، مواد ترد دارای حداکثر تنش قابل تحمل بیشتری می باشند اما شکت در آن ها به یک باره رخ می دهد و از انعطاف پذیری بسیار کمی هم برخوردار هستند. در مقابل مواد نرم دارای انعطاف پذیری مناسب اما حد تحمل تنش پایین تری می باشند. مواد نرم اصولا دارای چقرمگی بهتری هستند. استفاده از مواد نرم در صنعت محبوبیت بیشتری دارد.

سخن پایانی

تحلیل نمودار تنش کرنش مواد در حین طراحی یا بررسی تجهیزات صنعتی بسیار مفید و سودمند می باشد. لذا دانستن مطالب بیان شده برای طراحی مناسب و یا ارائه تغییر طرح، ثمر بخش خواهد بود.

ماشین سازی آلفا با کادری فنی و مجرب آماده انجام حساس ترین پروژهای ساختی صنعت شماست.