دانلود تحقیق خواص استاتیکی

خواص استاتیکی

هنگامی که نیروهای اعمال شده بر یک ماده کاملا و یا تقریباً ثابت باشند و حالت حاصله را حالت استاتیکی می نامند.

در بیش تر موارد نیروی وارد بر مواد عملا استاتیکی هستند و بدین جهت رفتار مواد در حالت استاتیکی اهمیت فراوان دارد.در نتیجه آزمایش های استانداردی به منظور سنجش خواص استاتیکی مواد تعیین شده اند با استفاده از نتایج این آزمایش ها    می توان برای انتخاب مواد بهره گرفت به شرط آن که شرایط کاری به  اندازه ی کافی مشابه با شرایط آزمایشگاهی باشد. هنگامی که شرایط کار و آزمایش مثل هم نباشد می توان از نتیجه ی آزمایش برای ارزیابی مقایسه ای مواد مختلف کمک گرفت.

آزمایش کشش

متداول ترین آزمایش استاتیکی، آزمایش کشش تک محوری است نمونه ی استاندارد در ماشین کششی که نوعی انتخاب شرایط آزمایش استاندارد به منظوراطمینان از دسترسی نتایج آزمایش و تکرار پذیری آنها است .

خواص استحکامی :

نیروی  ((w به وسیله ی ماشین کشش وارد شده و اندازه گیری می شود. هم زمان با این عمل ، تغییر طول (AL) یا کرنش در طول معینی از نمونه (طول سنجه) مشخص می شود.

از آن جا که مقدار بار با اندازه ای نمونه، و تغییر طول آن تغییر می کند، حذف اثرات ناشی از اندازه ای نمونه در صورتی که بخواهیم اطلاعاتی مربوط به ماده ی مورد نظر (و نه یک نمونه ی مشخص) داشته باشیم. مهم به نظر به می رسد. اگر نیروی اعمال شده بر سطح مقطع اولیه و تغییر طول به طول سنجه اولیه ی نمونه تقسیم شود، اثرات ناشی از اندازه های نمونه حذف می شود نتیجه ی این امر نموداری است که منحنی تنش – کرنش مهندسی خوانده می شود.

این شکل همان نمودار نیرو – تغییر طول است که برای حذف اندازه های نمونه، مقیاس محورهایش تغییر داده شده است.

در شکل ( 2 – 5 ) مشاهده می شود که تا سطح معینی از تنش منحنی خطی است و تنش و کرنش با هم تناسب خطی دارند حد تنی که از آن به بعد با کرنش تناسب خطی ندارد حد تناسب نام  دارد. در تنش های پایین تر از حد تناسب ماده از  قانون هوک تبعیت می کند. طبق این قانون در محدوده ی کش سان تنش و کرنش با هم تناسب خطی دارند نسبت بین تنش و کرنش در محدوه ی کش سان به مدول یانگ یا ضریب کش سانی شهرت دارد که خاصیت ذاتی ماده می باشد و از اهمیت ویژه ای برخوردار است ضریب کش سانی معیاری از سخت پایی ماده است و در نتیجه میزان مقاومت ماده در مقابل تغییر شکل هنگام وارد شدن نیرو را نشان می دهد نشانه ی آن معمولا حرف E است.

تا سطح معینی از تنش پس ا زبرداشتن نیرو نمونه به شکل اولیه ی خود بر می گردد ا زتنش صفر تا این تنش رفتار ماده کش سان است و این تنش حد کش سانی نام دارد در برخی مواد حدکش سانی و حد تناسب بر هم منطبق اند ولی د ر اکثر موارد حد کش سانی کمی بالاتر از حد تناسب است. البته نباید برای هیچ یک از این دو مقدار ارزش مهندسی زیادی قایل شد. زیرا این مقدار ارزش مهندسی زیادی قایل شد، زیرا مقادیر شدیداً تابع حساسیت و دقت ماشین آزمایش  هستند.

مقدار انرژی قابل ذخیره شدن در واحد حجم ماده در محدوده ی کش سان برجهندگی نام  دارد چون انرژی حاصل ضرب نیرو در فاصله است مساحت سطح زیر منحنی تنش – کرنش در محدوده ی کش سان همان انرژی جذب شده توسط نمونه است با تقسیم نیرو بر سطح اولیه ی نمونه ، تنش مهندسی و با تقسیم ازدیاد طول بر طول سنجه ی اولیه کرنش مهندسی به دست می آید پس سطح زیر منحنی تنش – کرنش انرژی در واحد حجم یا ضریب بر جهندگی خواهد بود.

تغییر طول ورای حد کش سانی غیر قابل بازگشت است و تغییر شکل موم سان خوانده می شود که پس از برداشتن نیرو به صورت تغییر شکل دایمی در جسم یاقی می ماند برای پیش تر قطعات تغییر شکل موم سان نشانه ی از کار افتادگی است زیرا از این پس ابعاد خارج از اندازه ی مجاز خواهد بود. البته در تولید از تغییر شکل موم سان ماده جهت ایجاد شکل مورد نظر استفاده می شود و تنش برای رساندن تعمدی آن به ناحیه ی موم سان می بایست به اندازه ی کافی زیاد باشد. بنابراین تغییر شکل دایمی ممکن است مطلوب یا نامطلوب باشد و تعیین شرایطی که رفتار کش سان به تغییر شکل موم سان تغییر می یابد، حائز اهمیت است.

بعد از حدکش سانی افزایش کرنش مستلزم افزایش تنش متناسب باآن نیست و در برخی مواد در سطح مشخصی از تنش تغییر شکل بدون اضافه شدن نیرو ادامه    می یابد این حد نقطه ی تسلیم و یا تنش نقطه ی تسلیم نامیده می شود.

بسیاری از مواد نقطه ی تسلیم مشخصی ندارند و منحنی تنش- کرنش آنها عموماً مانند شکل ( 2 – 6 ) است برای این مواد استحکام تسلبم تعریف می شود وآن مقدار تنشی است که باعث ایجاد میزان مشخصی تغییر شکل دایمی در ماده شود. برای بیش تر مواد مقدار کرنش برای ایجاد این تنش 2% درصد تعریف می شود البته ممکن است برای موادی که در اثر تغییر شکل های موم سان مختصر گسیخته می شوند کرنش 1% درصد یا حتی 2% درصد به کار رود.

گزارش استحکام تسلیم بدون بیان مقدار کرنش دایمی ، بی معنی است اگر تنش های به کار رفته زیر 2% درصد نقطه ی تسلیم بالایی نگه داشته شوند می توان به مصرف کننده ضمانت داد که هر تغییر شکل موم سان مشاهده شده ای کم تر از 2% درصد ابعاد اولیه خواهد بود.

اگر تغییر شکل موم سان ادامه باید ماده توانایی زیادتری برای تحمل بار به دست  می آورد. از آن جا که قابلیت تحمل بار برابر با حاصل ضرب استحکام ماده در سطح مقطع نمونه است و سطح مقطع نمونه نیز با کشیدن آن کم می شود الزاما استحکام ماده افزایش می یابد. هنگامی که ضعیف ترین قسمت ماده تغییر شکل می دهد و در اثر این تغییر شکل آن قسمت قویتر می شود و سپس قسمت  دیگری تغییر شکل    می دهد در اثر این توزیع مجدد پیوسته ی تغییر شکل نمونه شکل استوانه ای یا مقطع مربع مستطیلی خود را  حفظ می کند هنگامی که کرنش پیشرفت می کند مقدار استحکام افزوده شده کم می شود و ورای نقطه ی استحکام نهایی، زمانی می رسد که کاهش سطح افزایش استحکام را خنثی کرده یا بر آن غالب می شود.

این تنش به استحکام نهایی یا استحکام کششی یا استحکام کششی نهایی معروف است در آن زمان ضعیف ترین  نقطه ی میله ضعیف ترین نقطه باقی می ماند با این ویژگی که سطح کاهش می یابد و تغییر شکل های بعدی موضعی می شود این کاهش موضعی سطح مقطع را تشکیل گردنه می نامند.

اگر تغییر شکل ادامه یابد بالاخره نمونه خواهد شکست تنش ایجاد شده هنگام شکستن استحکام شکست یا استحکام گسستگی نام دارد د رمواد نسبتاً شکل پذیر استحکام نهایی است و پیش از شکستن نمونه گردنه ایجاد می شود برای موادترد منحنی تنش – کرنش قبل از ایجاد گردنه و احتمالاً قبل از رسیدن به حالت موم سان با شکست نمونه به پایان می رسد.

شکل پذیری و تردی :

مقدار تغییر شکل موم سان یک ماده قبل از شکستن (شکل پذیری) در تعیین میزان تناسب آن برای یک فرایند تولیدی خاص اهمیت دارد مثلا فرآیندهای شکل دادن فلزات به  قابلیت موم سان شدن ماده مربوطندو هر چه شکل پذیری آن بیش تر باشد، بهتر می تواند بدون خطر شکستن تغییر شکل یابد.

یکی از ساده  ترین روش های ابتدایی برای تعیین میزان شکل پذیری مواد بیان درصد ازدیاد طول نمونه در آزمایش کشش است. در حالی که قسمت 2 اینچی مرکزی 60 درصد ازدیاد طول دارد در نتیجه مقایسه ی منطقی شکل پذیری مواد بر اساس ازدیاد طول نیازمند آزمایش نمونه هایی با طول سنجه ی یک سان است.

در بسیاری از موارد شکست یا از کار  افتادگی مواد آغاز تغییر شکل موضعی یا گردنه تعریف می شود برای مثال عملیات شکل دادن ورقه ی فلزی برای تولید قسمت هایی از بدنه ی اتومبیل باید به گونه ای صورت گیرد که ضخامت ورق یک نواخت باقی بماند و استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را تضمین کند انتخاب ماده ی مناسب برای  این کار بر همین اساس صورت می گیرد برای این منظور تعریف مناسب تر شکل پذیری ازدیاد طول یک نواخت یا درصد ازدیاد طول قبل از ایجاد گردنه است این شکل پذیری  را می توان با رسم خطی به موازات قسمت کش سان نمودار که از نقطه ی بیش ترین نیرو یا بیش ترین تنش می گذرد به دست آورد محل برخورد خط با محور کرنش ها نمایش گر مقدار ازدیاد طول یکنواخت است با توجه به این که ازدیاد طول اضافی بعد از  ایجاد گردنه در نظر گرفته نمی شود ازدیاد طول یکنواخت همواره کم تر از کل ازدیاد طول در شکست (ازدیاد طولی که عموماً گزارش می شود) است.

روش دیگر سنجش شکل پذیری اندازه گیری کاهش سطح مقطع نمونه در ناحیه ی گردنه است این معیار شکل پذیری به صورت

محاسبه می شود در این جا سطح مقطع در قسمت گردنه است درصد کاهش سطح مقطع می تواند از صفر درصد (شکننده) تا صددرصد (فوق العاده موم سان) تغییر کند.

ماده ای که با تغییر شکل کم و یا بدون تغییر شکل گسسته شود ترد نام دارد بنابراین می توان تردی را متضاد شکل پذیری دانست و نباید به معنی عدم  استحکام تلقی شود. یک ماده ی ترد صرفاً ماده ای است که شکل پذیری چندانی ندارد.

چقر مگی :‌] تعریف مقدار کار لازم برای شکستن واحد حجم ماده ، چقرمگی یا ضریب چقر مگی نام دارد چون سطح زیر منحنی تنش – کرنش نمایان مقدار انرژی لازم برای گسستن نمونه ی آزمایش است، می توان چقر مگی ماده را از آزمایش کشش به دست آورد. هنگام استفاده از مقادیر چقر مگی باید دقت کافی کرد. زیرا این اعداد با تغببر شرایط آزمایش ، تغییر قابل توجهی می کنند. به طوری که بعداً خواهیم دید تغییر دما و نحوه ی بار گذاری می توانند خصوصیات منحنی تنش – کرنش و در نتیجه چقر مگی را تغییر دهند. غالباً این خاصیت در ارتباط با قطعات تحت لرزش و ضربه به کار می رود و معمولا نتایج آزمایش ضربه یا آزمایش کشش استاتیکی هماهنگی ندارد.

منحنی تنش – حقیقی – کرنش حقیقی: منحنی تنش – کرنش مهندسی است در این جا  تنش s  بر حسب مقدار نیرو w تقسیم بر سطح مقطع اولیه A و کرنش e بر حسب درصد تغییر طول  تقسیم بر طول اولیه L محاسبه شده است. روشن است که رفتار ماده در هر حالتی تابع تنش حقیقی و کرنش حقیقی در آن وضع است. برای محاسبه ی تنش حقیقی (a) باید مقدار نیرو و اندازه ی کم ترین قطر مقطع جسم پس از ایجاد گردنه را به طور پیوسته اندازه گیری نمود. بر مبنای اندازه گیری ها سطح مقطع در هر لحظه (A) محاسبه و تنش حقیقی طبق فرمول زیر معلوم می شود :

تعیین کرنش حقیقی کمی پیچیده تر است به جای تغییر طول تقسیم بر طول اولیه که برای کرنش مهندسی استفاده می شود کرنش حقیقی از جمع کردن کرنش های جزئی در طول آزمایش به دست می آید . پس برای نمونه ای که از طول0 î تا طول î کشیده می شود کرنش طبیعی یا لگاریتمی (e ) به صورت :

= e

تعریف می شود تساوی آخر برای نمونه های استوانه ای است زیرا :

است و فقط تا رسیدن به گردنه به کار می رود .

از آنجا که تنش حقیقی ماده که نشانه ی استحکام آن در هر نقطه است در طول آزمایش حتی بعد از ایجاد 2گردنه این تنش هموراه افزایش می یابد استفاده از داده های آزمایش بعد از ایجاد  گردنه نیاز به توجه و دقت دارد زیرا تشکیل گردنه حالت تنش از کشش یک بعدی مفروض برای آزمایش (ازدیاد طول در یک جهت و انقباض در دو جهت دیگر ) به کشش سه بعدی مبدل می شود که در آن ماده در هر سه جهت کشیده یا فشرده می شود به علت کشش سه محوری ترک اندازه گیری قطر خارجی  سطح واقعی تمحل بار را نشان نمی دهد و خطاهای بیش تری در داده ها وارد          می شود.

سخت شدن کرنشی و نمای سخت شدن کرنشی: برای درک رفتارفلز شکل پذیری مانند فولاد در مقابل گذاشتن و برداشتن نیرو به صور ت آهسته، از منحنی تنش – کرنش حقیقی استفاده میکنیم گذاشتن و برداشتن نیرو در محدوده ی کشش سان صرفا موجب حرکت روی قسمت خطی منحنی بین دو نقطه ی o  و A خواهد بود لیکن در صورتی که نیروی اولیه به نقطه ی B ( در منطقه ی موم سان ) برسد هنگام باربرداری ، مسیر منحنی BeC  است که تقریباً موازی OA می باشد مقدار تغییر شکل دایمی در این حالت OC است در بارگذاری مجدد از نقطه ی C دوباره رفتار کش سان مشاهده می شودو منحنی روی مسیر CFD حرکت می کند که با منحنی BeC  در هنگام برداشتن نیرو تفاوت مختصری دارد.

نقطه ی D تنش تسلیم یا نقطه ی تسلیم جدید ماده ی قدری تغییر شکل یافته خواهد بود. از مقایسه نقطه های َA    وD معلوم می شود که استحکام ماده قدری افزایش یافته است اگر آزمایش در نقطه ی E متوقف شود ماده تنش تسلیم جدید و باز هم بالاتری خواهد داشت بعد از ناحیه ی کش سان منحنی تنش – کرنش حقیقی بیانگر پوش (مکان هندسی ) تسلیم برای کرنش های مختلف است.

فلزات هنگام تغییر شکل موم سان سخت شدن کرنشی پیدا  می کنند بدین معنی که ماده به تدریج سخت تر می شود و این تغییر تدریجی است اگر تنش برای تغییر شکل دایمی ماده کافی باشد برای تغییر شکل بیش تر آن مقدار زیادتری نیرو لازم است.

میزان سخت شدن کرنشی مواد متفاوت است یعنی برای یک تغییر شکل دایمی یک سان افزایش مقاومت مواد در مقابل تغییر شکل متفاوت خواهد بود یکی از روش های توضیح این رفتار قرار دادن ناحیه ی تغییر شکل موم سان از داده های تنش – کرنش حقیقی در معادله ی