تعریف برخی اصطلاحات در متالورژی مکانیکی
نگارنده: مجتبی تراشی
|
چکیده:
درک مفاهیم
و اصطلاحات در متالورژی می‌تواند به انتخاب مواد، توجیه رفتار
مواد در شرایط مختلف کمک زیادی نماید. در این مقاله به تعریف و توضیح برخی از
مفاهیم کلیدی در متالورژی مکانیکی می‌پردازیم تا خوانندگان درک روشنی از آن‌ها داشته باشند. سعی شده است این مفاهیم بسیار
ساده و روان بیان شده تا اکثر خوانندگان در سطوح مختلف بتوانند از این واژگان لمس
بهتری داشته باشند.
کلمات
کلیدی:
سختی،
استحکام، چقرمگی، انعطاف‌پذیری، تنش تسلیم، مقاومت تسلیم، مقاومت نهایی، کرنش،
باند لودرز، خستگی و خزش
سختی فلزات:
مقاومت ذاتی آن‌ها در برابر تغییر شکل پلاستیکی
(مانند خم شدن یا فرورفتگی) است. این خاصیت، به‌طور مستقیم با ساختار
اتمی و میکروسکوپی فلز مرتبط بوده و تحت تأثیر عوامل مختلفی نظیر ترکیب
شیمیایی، نوع و تعداد عیوب بلوری و عملیات حرارتی قرار می‌گیرد.
به
عبارت ساده‌تر، فلزات سخت‌تر، پیوندهای اتمی قوی‌تر
و ساختار کریستالی منظم‌تر دارند که در برابر تغییر شکل
خارجی، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند.
استحکام فلزات:
توانایی آن‌ها در تحمل تنش و فشار بدون تغییر شکل یا شکستن
است. این خاصیت، به‌طور مستقیم با مقاومت تسلیم و مقاومت
نهایی فلز مرتبط بوده و تحت تأثیر عواملی نظیر ترکیب
شیمیایی، نوع و تعداد عیوب بلوری و عملیات حرارتی قرار می‌گیرد. به
عبارت ساده‌تر، فلزات مستحکم‌تر، می‌توانند بارهای بیشتری را بدون
تغییر شکل یا فروپاشی تحمل کنند.
مقاومت تسلیم:
حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند بدون تغییر شکل
دائمی (پلاستیک) تحمل کند. به‌عبارت‌دیگر، تنشی که در آن ماده از رفتار الاستیک
(بازگشت‌پذیری) عبور کرده و وارد فاز پلاستیک (غیرقابل‌بازگشت) می‌شود.
مقاومت نهایی:
حداکثر تنشی است که یک ماده قبل از شکستن یا پاره شدن می‌تواند
تحمل کند. این مقدار، نشان‌دهنده‌ی استحکام نهایی ماده در برابر تنش کششی می‌باشد.
نکته: مقادیر مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی، برای هر ماده
با توجه به ترکیب شیمیایی، نوع و تعداد عیوب بلوری و عملیات حرارتی، متفاوت خواهد
بود.
چقرمگی فلزات:
توانایی آن‌ها در جذب انرژی و
مقاومت در برابر شکست ناگهانی است. این خاصیت، به مقاومت
ماده در برابر انتشار ترک‌ها و قابلیت آن برای تغییر شکل
پلاستیک قبل از شکستن اشاره دارد.
به
عبارت ساده‌تر، فلزات چقرمه‌تر، می‌توانند انرژی بیشتری را قبل از شکستن جذب
کنند و در برابر ترک‌ها و عیوب موجود در ساختار خود، مقاومت
بیشتری از خود نشان می‌دهند.
نکته:
چقرمگی، یک پارامتر بسیار مهم در انتخاب مواد برای کاربردهایی است که در معرض بارهای
ضربه‌ای یا تنش‌های دینامیکی قرار دارند.
انعطاف‌پذیری فلزات:
توانایی آن‌ها در تغییر شکل دائمی
بدون شکستن است. این خاصیت، به قابلیت شکل‌پذیری
فلزات تحت تنش‌های کششی اشاره دارد و به‌طور مستقیم با ساختار
اتمی و میکروسکوپی آن‌ها مرتبط است.
به
عبارت ساده‌تر، فلزات انعطاف‌پذیر، می‌توانند بدون خرد شدن یا ترک
خوردن، خم، کشیده یا فشرده شوند.
نکته: انعطاف‌پذیری، یک پارامتر مهم در انتخاب مواد برای
کاربردهایی است که نیاز به شکل‌دهی یا خم شدن
دارند، مانند لوله‌ها، سیم‌ها و بدنه خودروها.
الانگیشن (ازدیاد طول):
میزان تغییر شکل
پلاستیک یک نمونه فلز تحت آزمایش کشش است. این پارامتر، به‌صورت درصد افزایش طول
نمونه بعد از شکستن، نسبت به طول اولیه آن، بیان می‌شود.
به عبارت ساده‌تر، الانگیشن نشان می‌دهد که یک فلز تا چه
حد می‌تواند بدون پاره شدن، کشیده شود.
نکته: الانگیشن، مقیاسی از چقرمگی و شکل‌پذیری فلز است و
در انتخاب مواد برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر تغییر شکل یا شکل‌دهی
دارند، حائز اهمیت است.
مثال:
- فولاد نرم، با
الانگیشن بالا، می‌تواند به‌راحتی خم و شکل داده شود.
- چدن، با
الانگیشن کم، شکننده‌تر است و در برابر خم شدن و تغییر شکل، مقاومت کمتری
دارد.
کرنش:
به تغییر شکل
نسبی یک ماده تحت تنش اشاره دارد. این پارامتر، بدون بعد بوده و به‌صورت نسبت
تغییر طول نمونه (تغییر ابعاد) نسبت به طول اولیه آن، بیان می‌شود.
به عبارت ساده‌تر، کرنش نشان می‌دهد که ساختار اتمی و
میکروسکوپی یک ماده تا چه حد تحت تنش، جابجا و تغییر شکل یافته است.
انواع کرنش:
- کرنش کششی: افزایش
طول نمونه تحت تنش کششی
- کرنش فشاری: کاهش
طول نمونه تحت تنش فشاری
- کرنش برشی: تغییر
شکل نمونه در صفحه، بدون تغییر ضخامت
نکته: کرنش، در کنار تنش، یکی از پارامترهای کلیدی در مکانیک
مواد و طراحی مهندسی است و برای تحلیل رفتار مواد تحت بارگذاری‌های مختلف، مورداستفاده
قرار می‌گیرد.
تنش تسلیم:
حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند بدون تغییر شکل
دائمی (پلاستیک) آن را تحمل کند. این پارامتر، به‌عنوان نقطه تسلیم نیز شناخته می‌شود
و در نمودار تنش-کرنش فلزات قابل‌مشاهده است.
به عبارت ساده‌تر، تنش تسلیم نشان می‌دهد که تا چه حد می‌توان
یک فلز را تحت کشش قرار داد، بدون آنکه شکل اولیه خود را به‌طور دائمی از دست بدهد.
نکته: تنش تسلیم، یک شاخص مهم در انتخاب مواد برای
کاربردهای مهندسی است، چراکه نشان می‌دهد ماده تا چه حد می‌تواند بار را تحمل کند
قبل از اینکه دچار تغییر شکل غیرقابل‌برگشت شود.
مثال:
- فولاد با تنش
تسلیم بالا، برای ساخت سازه‌ها و ماشین‌آلاتی که باید در برابر بارهای سنگین
مقاومت کنند، مناسب است.
- آلومینیوم با
تنش تسلیم پایین، برای ساخت قطعاتی که وزن کم و شکل‌پذیری مهم است، مناسب‌تر
است.
باند لودرز:
باند لودرز
(Yield Point Elongation) در
فولاد، منطقه‌ای در نمودار تنش-کرنش است که
در آن، ماده پس از رسیدن به تنش تسلیم، بدون افزایش تنش خارجی،
دچار افزایش طول می‌شود. این پدیده به دلیل حرکت نابجایی‌ها
در ساختار بلوری فولاد رخ می‌دهد.
مشخصات باند لودرز:
- افزایش طول بدون افزایش تنش
- شکل نامنظم و پله‌پله نمودار تنش-کرنش
- وابسته به عواملی مانند ترکیب شیمیایی، ریزساختار
و دمای فولاد
تفاوت سختی،
استحکام، چقرمگی و انعطاف‌پذیری فلزات:
- سختی: مقاومت
فلز در برابر فرورفتگی و خراشیدگی مثال: فولاد سخت‌تر از آلومینیوم است.
- استحکام: توانایی
فلز در تحمل بار و تنش بدون شکستن مثال: فولاد مستحکم‌تر از چدن است.
- چقرمگی: توانایی
فلز در جذب انرژی و مقاومت در برابر ترک خوردن قبل از شکستن مثال: پلاستیک
چقرمه‌تر از شیشه است.
- انعطاف‌پذیری: توانایی
فلز در خم شدن و تغییر شکل بدون شکستن مثال: مس انعطاف‌پذیرتر از فولاد است.
شباهت‌ها و
رابطه بین این خواص:
- ارتباط متقابل:
سختی و استحکام اغلب باهم افزایش می‌یابند، درحالی‌که چقرمگی و انعطاف‌پذیری
ممکن است با یکدیگر در تضاد باشند.
- انتخاب مواد: انتخاب
material مناسب برای یک کاربرد به نیازهای خاص آن بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال،
برای یک ابزار چکش، سختی و استحکام بالا و برای یک لوله خم‌شونده، انعطاف‌پذیری
بالا، موردنیاز است.
- تأثیر عوامل: عواملی
مانند ترکیب شیمیایی، ریزساختار و دمای فلز بر تمام این خواص تأثیر می‌گذارند.
نکته: درک این خواص و روابط بین آن‌ها برای انتخاب و
طراحی صحیح مواد در مهندسی، ضروری است.
به‌طورکلی، رابطه مستقیمی بین سختی و استحکام کششی فولاد
وجود دارد.
- سختی برحسب
واحدهایی مانند برینل (BHN) یا راکول (HRC) اندازه‌گیری می‌شود، درحالی‌که استحکام کششی برحسب مگا پاسکال (MPa) یا پوند بر اینچ مربع (PSI) اندازه گیری می‌شود.
- افزایش سختی، به‌طورکلی
منجر به افزایش استحکام کششی فولاد می‌شود.
برخلاف استحکام، رابطه بین سختی و انعطاف‌پذیری فولاد،
معکوس است.
- با افزایش
سختی، انعطاف‌پذیری (قابلیت خم شدن و تغییر شکل بدون شکستن) کاهش می‌یابد.
- فولادهای سخت‌تر،
تمایل بیشتری به شکستن در هنگام خم شدن یا اعمال تنش‌های خمشی دارند.
رابطه بین استحکام و انعطاف‌پذیری فولاد، پیچیده‌تر است
و به عوامل مختلفی مانند ترکیب شیمیایی، ریزساختار و نوع عملیات حرارتی فولاد
بستگی دارد.
- برخی از
فولادها می‌توانند باوجود استحکام بالا، انعطاف‌پذیری قابل قبولی نیز داشته
باشند.
- این نوع
فولادها برای کاربردهایی که هم به استحکام و هم به انعطاف‌پذیری نیاز دارند،
مانند بدنه خودرو، مناسب هستند.
مثال:
- فولاد کم‌کربن:
انعطاف‌پذیری بالا، استحکام کم، سختی کم
- فولاد پرکربن: انعطاف‌پذیری
کم، استحکام بالا، سختی بالا
- فولاد آلیاژی: طیف
وسیعی از خواص سختی، استحکام و انعطاف‌پذیری، بسته به نوع آلیاژ
نکته: روابط ریاضی دقیق بین این خواص به ترکیب شیمیایی و
ریزساختار خاص فولاد بستگی دارد.
- مهندسان از
معادلات و نمودارهای مختلفی برای پیش‌بینی و تخمین این خواص در فولادها
استفاده می‌کنند.
- آزمایش کشش، متداول‌ترین
روش برای تعیین استحکام و انعطاف‌پذیری فولاد است.
- آزمایش سختی
نیز برای سنجش مقاومت فولاد در برابر خراش و فرورفتگی استفاده می‌شود.
درک این روابط و مفاهیم برای انتخاب و طراحی صحیح فولاد
در کاربردهای مهندسی، ضروری است.
خستگی فلزات:
نوعی
از شکست تدریجی است که در اثر بارگذاری‌های متناوب یا
چرخه‌ای (مانند خم شدن و باز شدن) رخ می‌دهد. این پدیده، به‌مرورزمان
و با ایجاد و رشد ترک‌های میکروسکوپی در ماده، منجر به شکست
نهایی آن می‌شود.
به
عبارت ساده‌تر، فلزات تحت بارگذاری‌های مکرر، حتی اگر تنش‌ها کمتر از حد استحکام
کششی آن‌ها باشند، دچار ضعف شده و درنهایت شکست
می‌خورند.
نکته: خستگی، یک پدیده مخرب و خاموش است که می‌تواند در قطعات
مختلف مهندسی، ازجمله هواپیماها، پل‌ها و ماشین‌آلات، رخ دهد.
خزش فلزات:
به
تغییر شکل آهسته و پیوسته‌ی یک ماده تحت تنش ثابت و در
دماهای بالا گفته می‌شود. این پدیده، به دلیل حرکت اتم‌ها و نابجایی‌ها
در ساختار بلوری فلز رخ داده و منجر به افزایش طول یا تغییر شکل دائمی
ماده می‌شود.
به
عبارت ساده‌تر، فلزات تحت تنش و حرارت بالا، به‌مرورزمان دچار کشش و
تغییر شکل می‌شوند، حتی اگر این تنش‌ها کمتر از حد استحکام تسلیم آن‌ها
باشند.
نکته:
خزش، یک پدیده مهم در طراحی قطعات مهندسی است که در معرض دمای
بالا و تنش‌های طولانی‌مدت قرار دارند، مانند توربین‌های گازی،
موتورهای جت و دماغه موشک‌ها.