تأثیرات درونی نیرو ها
در این کتاب ما به چیزی خواهیم پرداخت که میتوان آن را تأثیرات درونی نیروهایی که بر یک جسم عمل می‌کنند، خواند. دیگر همچون استاتیک، فرض نخواهیم کرد که اجسام کاملا صلب هستند، به عکس، محاسبه تغییرات شکل اجسام مختلف تحت نیروهای متفاوت یکی از مشغله‌های اصلی ما در مطالعه استحکام مواد خواهد بود.
میله تحت فشار محوری
ساده‌ترین مورد برای بررسی در ابتدا یک میله ابتدائا صاف فلزی است که دارای مقاطع عرضی یکسان می‌باشد، و در دو سر خود تحت یک جفت نیروی همراستای در جهات مخالف است که همجهت با محور طولی میله به آن وارد می‌شوند و بر مرکز هر مقطع عرضی عمل می‌کنند. برای آنکه تعادلی استاتیک برقرار باشد، اندازه نیروها باید برابر باشند. اگر نیروها در جهت دور شدن از میله باشند، گفته می‌شود که میله در کشش قرار دارد. اگر آنها در جهت خود میله باشند، یک وضعیت فشار برقرار است. این دو وضعیت در شکل 1-1 نشان داده شده‌اند.
تحت تأثیر این جفت نیروی عمل کننده، نیروهای مقاومت درونی درون میله به کار می‌افتند و برای مطالعه خصوصیات آنها می‌توانیم فرض کنیم که یک صفحه از میله در هر جایی به صورت عرضی گذشته و بر خط محوری طولی میله عمود است.چنین صفحه‌ای را در تصویر 1-2(الف) a-a می‌نامیم به دلایلی که بعدا ذکر می‌کنیم، این صفحه نباید زیاد به دو سر میله نزدیک باشد. اگر به منظور تحلیل تصور کنیم که قسمتی از میله که در طرف راست این صفحه قرار دارد برداشته شده است، چنانچه در تصویر 1-2(ب) چنین است، آنگاه به جای آن باید هر گونه تأثیری که بر قسمت چپ صفحه دارد جایگزین شود. با این شگرد ایجاد یک صفحه قطع کننده، نیروهایی که در اصل درونی بوده‌اند، اکنون به نیروهایی بیرونی برای قسمتهای باقی مانده از میله تبدیل می‌شوند. برای حفظ تعادل قسمت دست چپی، این تأثیر باید نیرویی با بزرگی P در راستای افقی باشد. اما این نیرو که به صورت عمود بر صفحه a-a عمل می‌کند، در واقع نتیجه نیروهای توزیع شده هستند که بر این مقطع عرضی به صورت عمودی عمل می‌کنند.
توزیع نیروهای مقاومت
در این مرحله لازم است در مورد چگونگی تنوع این توزیعهای نیرو، فرضهایی بکنیم و از آنجا که نیروی P بر مرکز میله عمل می‌کند، معمولا فرض می‌شود که این توزیعها در طول مقطع عرضی یکنواخت هستند. چنین توزیعی احتمالا هرگز نمی‌تواند وجود واقعی داشته باشد، زیرا ذرات کریستالی میله در جهات اتفاقی هستند. مقدار دقیق نیرویی که بر یک عنصر بسیار کوچک از سطح مقطع عرضی وارد می‌شود، تابعی از طبیعت و جهت ساختار کریستالی در آن نقطه است. اما تنوع در تمامیت سطح مقطع عرضی با دقت قابل قبول مهندسی با فرض یک توزیع یکنواخت، قابل توضیح است.
تنش میانگین
به جای صحبت درباره نیروهای درونی که بر یک عنصر کوچک از سطح وارد می‌شوند، بهتر است به منظور مقایسه به نیروی میانگین که بر یک واحد سطح مقطع عرضی وارد می‌شود توجه کنیم. شدت نیروی میانگین در واحد سطح، تنش میانگین نامیده می‌شود و واحد آن نیرو بر مساحت است یعنی Nm ^ -2 («پاسکال»). مجموع تنش عبارتی است که برای نام گذاری مجموع نیروی محوری حاصله استفاده می‌شود. اگر نیروهایی که بر دو سر میله وارد می‌شوندبه نحوی باشند که میله در کشش قرار دارد، آنگاه تنشهای کششی در میله ایجاد می‌شود. اگر میله در موقعیت فشار باشد، تنشهای فشاری خواهیم داشت. ضروری است که خط عمل نیروهایی که بر دو سر میله عمل می‌کنند از مرکز مقطع عرضی میله بگذرند.
نمونه‌های آزمایشی
وارد کردن نیروهای محوری که در شکل 1-2(الف) نشان داده شده‌اند در مسائل مربوط به طراحی ساختاری و طراحی ماشین بسیار پیش می‌آیند. برای شبیه سازی این وارد کردن نیرو در آزمایشگاه، نمونه آزمایشی در یک ماشین آزمایش دنده مانند که با نیروهای الکتریکی کار می‌کند، یا یک ماشین هیدرولیک، نگه داشته می‌شود. هر دوی این ماشینها معمولا در آزمایشگاههای تست مواد برای وارد ساختن نیروهای کششی محوری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در یک تلاش برای استاندارد کردن روشهای تست مواد، هیئتهای ملی مختلفی خصایصی را منتشر ساخته‌اند که در کشورهای متفاوت مورد استفاده هستند. بیش از بیست نوع مختلف از نمونه‌ها از مواد فلزی و غیر فلزی مختلف برای آزمایشهای کشش محوری و فشار محوری توصیه می‌شوند. در حال حاضر فقط به د تا از اینها اشاره خواهیم کرد، یکی صفحات آهنی ضخیم‌تر از 5 میلی متر که شکلی مانند آنچه در شکل 1-3 می‌بینید دارند و دیگری آهنهایی با ضخامت بیش از 37.5 که شمایلی را که در شکل 1-4 نشان داده شده دارند. ابعاد نشان داده شده توسط جامعه آمریکایی آزمایش مواد پیشنهاد شده‌اند، اما انتهای نمونه‌های آزمایش ممکن است هر شکلی را کهبرای گیره‌های ماشین آزمایش لازم باشد، داشته باشند. همانطور که در این تصویرها قابل ملاحظه است، قسمت مرکزی نمونه تا حدی کوچکتر از قسمتهای جانبی است تا قسمتهای داخل گیره نشکنند. مغزی‌هایی گردی که نشان داده شده‌اند، برای آن ارائه می‌شوند که هیچ تمرکز تنشی در انتقال میان دو بعد کناری صورت نگیرد. طول استاندارد محک که تغییر طول با آن اندازه گیری می‌شود، در نمونه شکل 1-3 200 میلی متر و در نمونه 1-4 50 میلی متر است.
تغییر طولها یا با ابزارهای مکانیکی یا نوری اندازه گیری می‌شوند و یا با چسباندن یک ابزار اندازه‌گیری الکتریکی که بر سطح ماده چسبانده می‌شود. مقاومت این ابزار اندازه گیری از تعداد سیمهای بسیار نازک تشکیل شده که همراستای محور میله قرار دارند. با تغییر طول میله، مقاومت الکتریکی سیمها تغییر می‌کند و این تغییر مقاومت با یک پل ویت‌استون اندازه گیری می‌شود و تغییر طول از آن محاسبه می‌شود.
تنش میانگین.
اجازه دهید فرض کنیم که یکی از این نمونه‌های تنش در یک ماشین تست تنشی-فشاری قرار داده شده و نیروهای کشسان به تدریج بر دو سر آن وارد می‌شوند. تغییر طول در اندازه محک ممکن است با روشهای فوق می‌تواند برای هر تغییر نیروی وارده مفروض اندازه گیری شود. از این مقادیر تغییر اندازه در واحد طول، که تنش میانگین نامیده می‌شوند و با حرف a مشخص می‌شود، می‌تواند با تقسیم کل تغییر طول بر طول محک به دست بیاید که مقداری بدون واحد است.
منحنی تنش-کش آمدگی
با افزایش تدریجی نیروی محوری به طور متناوب، مجموع تغییر اندازه طول محک اندازه گیری می‌شود و این کار تا جایی انجام می‌گیرد که نمونه ترک بر می‌دارد. با دانستن مساحت مقطع عرضی اولیه نمونه آزمایشی، تنش میانگین که با a نشان داده می‌شود، می‌تواند برای هر مقدار نیروی محوری با استفاده از رابطه ذیل به دست بیاید
(جداول و نمودار در فایل اصلی موجود است)