مقدمه:
مقاومت ماده بستگی به قابلیت شکل پذیری و دوام آن در مقابل نیروهای وارده دارد. این ویژگی در مصالح باید از طریق آزمایش های تجربی تعیین شود . از جمله آزمایش هایی که در تعیین خواص مکانیکی مصالح مورد استفاده قرار می گیرد، آزمایش کشش است .نمونه های مورد آزمایش با توجه به شکل مصالح اولیه به صورت تخت و یا گرد ساخته شده آزمایش کشش بر روی آن ها انجام می شود.
آزمایش کشش فلزات یکی از آزمایشات مهم روی مصالح و از جمله ی آزمایشات استاتیکی است . بوسیله این آزمایش پدیده های فیزیکی مهمی نظیر تغییر فرم در اثر بار وارده , خاصیت الاستیکی, خاصیت پلاستیکی , گسیختگی و غیره مورد تحقیق قرار میگیرد و ضرایبی نظیر مدول یانگ , ضریب پواسون و غیره تعیین می شود . در آزمایش کشش نمونه های آزمایشی استانداردی بکار می رود .
نمونه آزمایش کشش :
طول نمونه L برای نمونه های بلندA L=11.3√ برای نمونه های کوتاه L=5.65√A انتخاب می شود . ابعاد استاندارد نمونه های بلند عبارتند از :
اهدف آزمایش:
تئوری آزمایش:
آزمایش کشش فلزات یکی از آزمایشات مهم روی مصالح واز جمله آزمایشات استاتیکی است این آزمایش اثر بار وارده را مورد تحقیق قرار می دهد و ضرایبی نظیر مدول یانگ،ضریب پواسون و غیره را تعیین می کند در آزمایش کشش نمونه های آزمایشی استانداردی به کار می رود.
روی منحنی نمایش بار- تغییر طول یا < تنش – کرنش> نواحی ویا نقاط مشخصه را می توان مشخص نمود.ناحیه تناسبی که به بار حد تناسب محدود می گردد و تنش در این نقطه تنش حد تناسب نامیده می شود در این ناحیه اگر بار حذف شود تغییر شکل نیز محو می گردد به این دلیل به آن ناحیه الاستیک نیز می گویند در این ناحیه فلزات از قانون هوک تبعیت می کنند معمولا حد تناسب را مقدار کششی می دانند که به ازای آن تغییر طول دائمی به میزان ۰.۰۰۵ درصد طول اولیه در نمونه پدید آید.
دیاگرام کشش:
روی منحنی نمایش بار-تغییر طول یا (کرنش-تنش)نواحی ونقاط مشخصه را می توان مشاهده کرد.
اگر بار حذف شود تغییر شکل نیز محو می گردد به این دلیل به آن ناحیه الاستیک نیز می گویند.
معمولا حد تناسبی را مقدار تنشی می شناسند که به ازای آن تغییر طول درصد طول املیه در نمونه پدید آید.
تنش و کرنش (stress and strain) :
در منحنی تنش و کرنش ، تنش اسمی (نسبت بار به سطح مقطع اولیه) بر حسب کرنش اسمی (نسبت تغییر طول به طول اولیه) رسم شده است . به علت آن که سطح مقطع اولیه و طول اولیه برای تمام نیروهای وارده و تغییر طول ها یکسان است، بنابراین منحنی تنش و کرنش اسمی با شیب منحنی بار بر حسب تغییر طول متناسب است.
نقطه جاری یا تسلیم(Yield Point) :
در منحنی کشش فولاد نرم و بعضی از فلزات دیگر،نقطه به خصوصی به نام نقطه جاری بالا وجود دارد به طوری که بعد از آن ،تنش به طور ناگهانی افت می کند و نمونه در حدود ۱/۰% تا ۲/۰% تغییر طول نسبی می دهد ودر این هنگام ، تنش به مقدار تقریبا ثابتی به نام تنش حد جاری پایین می رسد.
اما آلمینیم خالص از این نوع رفتار پیروی نمی کند. در منحنی اسمی تنش و تغییر شکل نسبی آلمینیم هیچ نقطه جاری مشخصی دیده نمی شود. بیشتر فلزات غیر آهنی نظیر مس، برنج، تیتانیم و اغلب فولادهای آلیاژی(به ویژه فولادهای ضدزنگ) دارای این نوع منحنی تنش و کرنش هستند.
مقاومت کششی نهایی(Ultimate Tensile Strength) :
معمولا فلزات نرم وقتی که مورد آزمایش کشش قرار می گیرند، تا زمانی که بار گذاری به نقطه حداکثر نرسیده، تقریبا طول آن ها به صورت یکنواخت افزوده می شود. بنابراین مقاومت کششی نهایی عبارتست از نسبت بار حداکثر بر سطح مقطع اولیه. اصطلاحاتی نظیرمقاومت کششی، مقاومت نهایی و یا تنش حداکثر نیز به جای مقاومت کششی نهایی به کار می رود.
باریک شدن(Necking) :
هر گاه نیروی کششی از بار حداکثر بیشتر شود، آن گاه ناپایداری کشش پلاستیکی به صورت باریک شدن موضعی در نمونه پدید می آید.
تنش وکرنش در قسمت باریک شدن بیش تر از قسمتهای دیگر نمونه است، بنابر این افزایش طول به قسمت باریک شده نمونه محدود می شود. در بررسی نتایج آزمایش کشش، همیشه باید این موضوع را به خاطر داشت که بعد از نقطه بار حداکثر، مقادیر کرنش چندان مفهومی ندارد، چون این مقادیر دیگر در سرتاسر طول نمونه یکنواخت نیست، به همین دلیل مقادیر تنش نیز مفهوم خود را از دست می دهد و تطابق کم تری با تنش های حقیقی در قسمت باریک شده نمونه دارد به طوری که تنش در این نقطه یکنواخت نبوده و حالت پیچیده ای دارد. اگر چه مقدار تنش اسمی در لحظه گسیختگی کم تر ازU.T.S است، ولی مقدار حقیقی آن خیلی بیشتر است زیرا در لحظه گسیختگی، سطح مقطع نمونه در قسمت باریک شده خیلی کم تر از سطح مقطع اولیه است.(مبنای محاسبه تنش اسمی، مقطع اولیه است و تنش حقیقی بر مبنای سطح مقطع لحظه ای محاسبه می شود).
حد ارتجاعی (Elastic Limit) :
حد ارتجاعی هر جسمی تنش حداکثری است که اگر حذف شود طول جسم به حالت اولیه بر می گردد، و یا پس از حذف بار تغییر شکل دائمی بسیار جزئی در جسم پدید می آید.
حد خطی (Proportional Limit) :
حد خطی تنشی است که بیشتر از آن، تناسب خطی ازدیاد طول با ازدیاد بار از بین می رود. مقدار حد ارتجاعی و حد خطی بسیار به هم نزدیک است به طوری که در عمل گاهی آن دو را یکی در نظر می گیرند.
ازدیاد طول (Elongation) :
ازدیاد طول عبارت است از نسبت افزایش طول نمونه در حالت گسیختگی به طول اولیه آن. این نسبت بر حسب در صدی از طول اولیه نمونه بیان می شود. یعنی:
باید به خاطر داشت که در مواد نرم، در صد ازدیاد طول با طول نمونه انتخاب شده تغییر می کند و علت آن باریک شدن موضعی است . به همین دلیل است که آزمایش کشش باید با طول نمونه استاندارد انجام پذیرد. طول نمونه یا شاخص متناسب برای نمونه با سطح مقطع اولیه مشخص برابر است با:
کاهش در مقطع (Reduction in Area) :
در نتیجه عمل باریک شدن ، سطح مقطع نمونه در محل گسیختگی به میزان زیادی کاهش می یابد.
مقاومت حد:
افزایش بیشتر بار در ناحیه پلاستیکی بلعث تغییر شکل بیشتر در فلز می گردد این نقطه را بار مقاومت وتنش مربوط را تنش حد می نامند. در فلزات چکش خوار تغییر طول بعد از تنش در یک مقطع متمرکز شده ودر آن مقطع نمونه شروع به باریک شدن می کند و بار خود به خود افت می یابد و لحظه ای بعد فلز پاره می شود تنش مربوط به این نقطه را تنش گسیختگی می نامند.
خاصیت چکش خواری:
چکش خواری فلز توانایی تغییر شکل آن را در کشش استاتیکی قبل از پاره شدن نشان می دهدمعیارهای چکش خواری عبارتند از:
۱-کرنش نهایی:عبارت است از نسبت افزایش طول نمونه پس از پارگی به طول اولیه نمونه که به درصد بیان می شود
۲-کاهش نسبی سطح مقطع:عبارت است از نسبت کاهش سطح مقطع نمونه بعد از پارگی به سطح مقطع اولیه آن که به درصد بیان می شود.
انرژی کرنشی:
انرژی کرنشی میله تحت کشش معادل است با مساحت زیر منحنی
انرژی مربوط به حد ارتجاعی را ضریب جهندگی و انرژی مربوط به حد گسیختگی را ضریب چقرمگی می نامند بدیهی است که ضریب چقرمگی برابر است با مجموع انرژی های الاستیکی و پلاستیکی
مقاومت ماده بستگی به قابلیت شکل پذیری و دوام آن در مقابل نیروهای وارده دارد. این ویژگی در مصالح باید از طریق آزمایش های تجربی تعیین شود . از جمله آزمایش هایی که در تعیین خواص مکانیکی مصالح مورد استفاده قرار می گیرد، آزمایش کشش است .نمونه های مورد آزمایش با توجه به شکل مصالح اولیه به صورت تخت و یا گرد ساخته شده آزمایش کشش بر روی آن ها انجام می شود.
آزمایش کشش فلزات یکی از آزمایشات مهم روی مصالح و از جمله ی آزمایشات استاتیکی است . بوسیله این آزمایش پدیده های فیزیکی مهمی نظیر تغییر فرم در اثر بار وارده , خاصیت الاستیکی, خاصیت پلاستیکی , گسیختگی و غیره مورد تحقیق قرار میگیرد و ضرایبی نظیر مدول یانگ , ضریب پواسون و غیره تعیین می شود . در آزمایش کشش نمونه های آزمایشی استانداردی بکار می رود .
نمونه آزمایش کشش :
طول نمونه L برای نمونه های بلندA L=11.3√ برای نمونه های کوتاه L=5.65√A انتخاب می شود . ابعاد استاندارد نمونه های بلند عبارتند از :
L=200mm
d=20mm
A=3mm
d=20mm
A=3mm
اهدف آزمایش:
- بررسی تغییر طول فلزات (به ویژه فولاد ، آلومینیوم)در مقابل نیروی کششی
- تعیین ضریب پواسون و مدول ارتجاعی نمونه در دست آزمایش
- آشنایی با روش کار دستگاه و نوع دستگاه آزمایش کشش
- رسم منحنی تنش کرنش و یافتن نقاط مشخصه نمودار
- رسم و بررسی منحنی های p = f(Δ) ،(ε)f = σ
- تعیین ناحیه پلاستیک و ناحیه الاستیک نمونه
- تحقیق قانون هوک.
تئوری آزمایش:
آزمایش کشش فلزات یکی از آزمایشات مهم روی مصالح واز جمله آزمایشات استاتیکی است این آزمایش اثر بار وارده را مورد تحقیق قرار می دهد و ضرایبی نظیر مدول یانگ،ضریب پواسون و غیره را تعیین می کند در آزمایش کشش نمونه های آزمایشی استانداردی به کار می رود.
روی منحنی نمایش بار- تغییر طول یا < تنش – کرنش> نواحی ویا نقاط مشخصه را می توان مشخص نمود.ناحیه تناسبی که به بار حد تناسب محدود می گردد و تنش در این نقطه تنش حد تناسب نامیده می شود در این ناحیه اگر بار حذف شود تغییر شکل نیز محو می گردد به این دلیل به آن ناحیه الاستیک نیز می گویند در این ناحیه فلزات از قانون هوک تبعیت می کنند معمولا حد تناسب را مقدار کششی می دانند که به ازای آن تغییر طول دائمی به میزان ۰.۰۰۵ درصد طول اولیه در نمونه پدید آید.
دیاگرام کشش:
روی منحنی نمایش بار-تغییر طول یا (کرنش-تنش)نواحی ونقاط مشخصه را می توان مشاهده کرد.
اگر بار حذف شود تغییر شکل نیز محو می گردد به این دلیل به آن ناحیه الاستیک نیز می گویند.
معمولا حد تناسبی را مقدار تنشی می شناسند که به ازای آن تغییر طول درصد طول املیه در نمونه پدید آید.
تنش و کرنش (stress and strain) :
در منحنی تنش و کرنش ، تنش اسمی (نسبت بار به سطح مقطع اولیه) بر حسب کرنش اسمی (نسبت تغییر طول به طول اولیه) رسم شده است . به علت آن که سطح مقطع اولیه و طول اولیه برای تمام نیروهای وارده و تغییر طول ها یکسان است، بنابراین منحنی تنش و کرنش اسمی با شیب منحنی بار بر حسب تغییر طول متناسب است.
نقطه جاری یا تسلیم(Yield Point) :
در منحنی کشش فولاد نرم و بعضی از فلزات دیگر،نقطه به خصوصی به نام نقطه جاری بالا وجود دارد به طوری که بعد از آن ،تنش به طور ناگهانی افت می کند و نمونه در حدود ۱/۰% تا ۲/۰% تغییر طول نسبی می دهد ودر این هنگام ، تنش به مقدار تقریبا ثابتی به نام تنش حد جاری پایین می رسد.
اما آلمینیم خالص از این نوع رفتار پیروی نمی کند. در منحنی اسمی تنش و تغییر شکل نسبی آلمینیم هیچ نقطه جاری مشخصی دیده نمی شود. بیشتر فلزات غیر آهنی نظیر مس، برنج، تیتانیم و اغلب فولادهای آلیاژی(به ویژه فولادهای ضدزنگ) دارای این نوع منحنی تنش و کرنش هستند.
مقاومت کششی نهایی(Ultimate Tensile Strength) :
معمولا فلزات نرم وقتی که مورد آزمایش کشش قرار می گیرند، تا زمانی که بار گذاری به نقطه حداکثر نرسیده، تقریبا طول آن ها به صورت یکنواخت افزوده می شود. بنابراین مقاومت کششی نهایی عبارتست از نسبت بار حداکثر بر سطح مقطع اولیه. اصطلاحاتی نظیرمقاومت کششی، مقاومت نهایی و یا تنش حداکثر نیز به جای مقاومت کششی نهایی به کار می رود.
باریک شدن(Necking) :
هر گاه نیروی کششی از بار حداکثر بیشتر شود، آن گاه ناپایداری کشش پلاستیکی به صورت باریک شدن موضعی در نمونه پدید می آید.
تنش وکرنش در قسمت باریک شدن بیش تر از قسمتهای دیگر نمونه است، بنابر این افزایش طول به قسمت باریک شده نمونه محدود می شود. در بررسی نتایج آزمایش کشش، همیشه باید این موضوع را به خاطر داشت که بعد از نقطه بار حداکثر، مقادیر کرنش چندان مفهومی ندارد، چون این مقادیر دیگر در سرتاسر طول نمونه یکنواخت نیست، به همین دلیل مقادیر تنش نیز مفهوم خود را از دست می دهد و تطابق کم تری با تنش های حقیقی در قسمت باریک شده نمونه دارد به طوری که تنش در این نقطه یکنواخت نبوده و حالت پیچیده ای دارد. اگر چه مقدار تنش اسمی در لحظه گسیختگی کم تر ازU.T.S است، ولی مقدار حقیقی آن خیلی بیشتر است زیرا در لحظه گسیختگی، سطح مقطع نمونه در قسمت باریک شده خیلی کم تر از سطح مقطع اولیه است.(مبنای محاسبه تنش اسمی، مقطع اولیه است و تنش حقیقی بر مبنای سطح مقطع لحظه ای محاسبه می شود).
حد ارتجاعی (Elastic Limit) :
حد ارتجاعی هر جسمی تنش حداکثری است که اگر حذف شود طول جسم به حالت اولیه بر می گردد، و یا پس از حذف بار تغییر شکل دائمی بسیار جزئی در جسم پدید می آید.
حد خطی (Proportional Limit) :
حد خطی تنشی است که بیشتر از آن، تناسب خطی ازدیاد طول با ازدیاد بار از بین می رود. مقدار حد ارتجاعی و حد خطی بسیار به هم نزدیک است به طوری که در عمل گاهی آن دو را یکی در نظر می گیرند.
ازدیاد طول (Elongation) :
ازدیاد طول عبارت است از نسبت افزایش طول نمونه در حالت گسیختگی به طول اولیه آن. این نسبت بر حسب در صدی از طول اولیه نمونه بیان می شود. یعنی:
۱۰۰× طول اولیه / (طول اولیه – طول در حالت گسیختگی )= در صد ازدیاد طول
۱۰۰×{/ Lg (Lg – (Lf } = e%
۱۰۰×{/ Lg (Lg – (Lf } = e%
باید به خاطر داشت که در مواد نرم، در صد ازدیاد طول با طول نمونه انتخاب شده تغییر می کند و علت آن باریک شدن موضعی است . به همین دلیل است که آزمایش کشش باید با طول نمونه استاندارد انجام پذیرد. طول نمونه یا شاخص متناسب برای نمونه با سطح مقطع اولیه مشخص برابر است با:
Lg = ۵.۶۵√A0
کاهش در مقطع (Reduction in Area) :
در نتیجه عمل باریک شدن ، سطح مقطع نمونه در محل گسیختگی به میزان زیادی کاهش می یابد.
مقاومت حد:
افزایش بیشتر بار در ناحیه پلاستیکی بلعث تغییر شکل بیشتر در فلز می گردد این نقطه را بار مقاومت وتنش مربوط را تنش حد می نامند. در فلزات چکش خوار تغییر طول بعد از تنش در یک مقطع متمرکز شده ودر آن مقطع نمونه شروع به باریک شدن می کند و بار خود به خود افت می یابد و لحظه ای بعد فلز پاره می شود تنش مربوط به این نقطه را تنش گسیختگی می نامند.
خاصیت چکش خواری:
چکش خواری فلز توانایی تغییر شکل آن را در کشش استاتیکی قبل از پاره شدن نشان می دهدمعیارهای چکش خواری عبارتند از:
۱-کرنش نهایی:عبارت است از نسبت افزایش طول نمونه پس از پارگی به طول اولیه نمونه که به درصد بیان می شود
۲-کاهش نسبی سطح مقطع:عبارت است از نسبت کاهش سطح مقطع نمونه بعد از پارگی به سطح مقطع اولیه آن که به درصد بیان می شود.
انرژی کرنشی:
انرژی کرنشی میله تحت کشش معادل است با مساحت زیر منحنی
انرژی مربوط به حد ارتجاعی را ضریب جهندگی و انرژی مربوط به حد گسیختگی را ضریب چقرمگی می نامند بدیهی است که ضریب چقرمگی برابر است با مجموع انرژی های الاستیکی و پلاستیکی