هنگام انتخاب مواد برای یک کاربرد مهندسی، خواص مکانیکی حیاتی مواد باید بررسی شود. دو ویژگی از این قبیل هستند قدرت تسلیم و استحکام کششی. آنها هر دو معیارهای مقاومت یک ماده در برابر شکست هستند، چه در اثر تغییر شکل یا شکست. با وجود این شباهت، استحکام تسلیم و استحکام کششی دو پارامتر بسیار متفاوت هستند.

به طور خلاصه، استحکام تسلیم حداکثر تنشی است که یک ماده می‌تواند تحمل کند و بیش از آن شروع به تغییر شکل دائمی می‌کند و قادر به بازگشت به ابعاد اولیه خود نیست. در حالی که استحکام کششی حداکثر تنش کششی است که پس از آن یک ماده شکست می خورد و می شکند.

بسته به نوع ماده می توان یک ویژگی را مهمتر از دیگری در نظر گرفت. اگر ماده انعطاف پذیر باشد، مقاومت تسلیم معمولاً ویژگی برجسته تری است که باید در نظر گرفته شود، در حالی که مقاومت کششی در مواد شکننده اولویت دارد.

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• استحکام تسلیم و استحکام کششی نشان دهنده چیست و چگونه با هم مقایسه می شوند
• استرس اثباتی چگونه وارد عمل می شود
• استحکام تسلیم و مقاومت کششی برای مواد مختلف

قدرت تسلیم چیست؟

هنگامی که یک ماده تحت فشار قرار می گیرد، تغییر شکل قابل بازیافتی را تجربه می کند. استحکام تسلیم یک ماده نشان دهنده تنشی است که بیش از آن تغییر شکل آن پلاستیک است. هر تغییر شکلی که در نتیجه تنش بالاتر از استحکام تسلیم رخ دهد دائمی است.

به دلیل خطی بودن تغییر شکل الاستیک، استحکام تسلیم نیز به عنوان بزرگترین تنش قابل دستیابی بدون هیچ گونه انحراف از تناسب تنش و کرنش تعریف می شود. فراتر از این نقطه، تغییر شکل های بزرگ را می توان با افزایش کم یا بدون افزایش در بار اعمال شده مشاهده کرد. قدرت تسلیم بر حسب N/m² یا پاسکال اندازه گیری می شود.

استحکام تسلیم یک ماده با استفاده از آزمایش کشش تعیین می شود. نتایج آزمایش بر روی منحنی تنش-کرنش رسم شده است. تنش در نقطه ای که منحنی تنش-کرنش از تناسب منحرف می شود، قدرت تسلیم ماده است. تغییر شکل برخی از پلاستیک ها به صورت خطی الاستیک است و هنگامی که به حداکثر استحکام رسید، مواد شکسته می شوند.

قدرت تسلیم یک ماده را می توان با فرآیندهای مواد خاصی افزایش داد. با این حال، تعیین یک نقطه تسلیم دقیق برای مواد خاص از منحنی تنش-کرنش دشوار است. این به این دلیل است که این مواد منحنی ناگهانی را نشان نمی دهند. بلکه شروع عملکرد در یک محدوده اتفاق می افتد. بنابراین، استفاده از آن عملی است استرس اثبات به عنوان نمایشی از قدرت تسلیم.

استرس اثباتی چیست؟

تنش اثبات محدودیت عملی است که بیش از آن یک ماده به طور دائم تغییر شکل می دهد. با اعمال فشار بیشتر، یک ماده در نهایت می تواند دچار شکستگی شود.

همچنین به عنوان شناخته شده است جبران استرستنش اثبات به سادگی میزان تنشی است که یک ماده می تواند تحمل کند تا زمانی که مقدار کمی تغییر شکل پلاستیک یا کرنش را نشان دهد. این مقدار کرنش به طور دلخواه به عنوان 0.2٪ انتخاب می شود. این تقریب قاعده سرانگشتی در ابتدا بر اساس مقاومت تسلیم فولاد بود و می‌توان برای موادی که تعیین نقطه تسلیم آن‌ها دشوار است، مانند آلومینیوم، مس و منیزیم استفاده کرد.

در منحنی تنش-کرنش، تنش اثبات با رسم یک خط مستقیم که از 0.2% کرنش پلاستیک موازی با مماس اولیه منحنی الاستیک شروع می‌شود، اندازه‌گیری می‌شود. تنش در نقطه ای که این خط منحنی را قطع می کند، تنش اثبات است.

شکل 1. نموداری که نشان می دهد چگونه استرس اثبات 0.2٪ اندازه گیری می شود.

استحکام کششی چیست؟

استحکام کششی که اغلب به عنوان مقاومت کششی نهایی (UTS) شناخته می شود، حداکثر بار کششی است که یک ماده می تواند قبل از شکست تحمل کند. این معیار مقاومت یک ماده در برابر شکست تحت بارگذاری کششی است.

استحکام کششی یک ماده با استفاده از آزمایش کشش تعیین می شود. این بالاترین نقطه در منحنی تنش-کرنش است که پس از آزمایش رسم می شود. استحکام کششی را می توان با استفاده از این فرمول نیز تعیین کرد:

σ_f = پ_f/آ_o

جایی که پی_f بار در شکست است، A_o سطح مقطع اصلی است و σ_f استحکام کششی است که بر حسب N/m² یا پاسکال اندازه گیری می شود.

توجه به این نکته مهم است که استحکام کششی یک ماده یک مقدار مشخص در شرایط آزمایش استاندارد کنترل شده است. با این حال، در کاربردهای عملی، استحکام کششی با دما متفاوت است. در دمای 100 درجه سانتی گراد، استحکام کششی مس از 220 مگاپاسکال در دمای اتاق به 209 مگاپاسکال کاهش می یابد. این تغییرات با استفاده از یک عامل ایمنی که معمولاً کسری از استحکام کششی اصلی در ملاحظات طراحی است، جبران می شود.

شکل 2. منحنی تنش-کرنش استحکام تسلیم، استحکام کششی، شکست و آنچه در این بین اتفاق می‌افتد را نشان می‌دهد.

تحلیل مقایسه ای استحکام تسلیم و استحکام کششی

در زیر برخی از تفاوت های عمده بین استحکام تسلیم و استحکام کششی آورده شده است:

1. قدرت تسلیم در نقطه تغییر شکل پلاستیک اندازه گیری می شود. در حالی که استحکام کششی در نقطه شکست اندازه گیری می شود.
2. مقاومت کششی به ندرت در طراحی سازه های ساخته شده از مواد انعطاف پذیر استفاده می شود. این به این دلیل است که این مواد قبل از رسیدن به استحکام کششی خود دچار تغییر شکل قابل توجهی می شوند. در عوض، مقاومت تسلیم برای مواد انعطاف پذیر در نظر گرفته می شود، در حالی که مقاومت کششی برای مواد شکننده استفاده می شود.
3. در طول ملاحظات طراحی، استحکام کششی تنها در بارگذاری تک محوری تحلیل می‌شود. حالت های تنش چند محوری در تحلیل قدرت تسلیم تخمین زده می شوند.
4. تغییر شکل مواد پس از گذشتن از استحکام تسلیم اتفاق می‌افتد، در حالی که استحکام کششی پس از تغییر شکل حاصل می‌شود. در مواد شکننده، استحکام کششی با حداقل تسلیم یا بدون تسلیم حاصل می شود.
5. استحکام کششی معمولاً ارزش عددی بالاتری نسبت به مقاومت تسلیم یک ماده خاص دارد.
6. استحکام کششی یک ماده را می توان با دقت 100٪ مشخص کرد. با این حال، استحکام تسلیم باید برای اکثر مواد تخمین زده شود.

استحکام تسلیم در مقابل مقادیر مقاومت کششی مواد مهندسی رایج

در زیر نمونه هایی از مقادیر تسلیم و مقاومت کششی برخی از مواد مهندسی آورده شده است.

مواد	قدرت تسلیم (MPa)	استحکام کششی (MPa)
مس	70	220
آلومینیوم	95	110
فولاد سازه ASTM A36	250	400
چدن 4.5% ASTM A48	130	200
فولاد ضد زنگ AISI 302	502	860
آلیاژ تیتانیوم درجه 23 (Ti6Al-4V ELI)	750-800	900
فولاد آلیاژی با استحکام بالا ASTM A514	690	760
فولاد کروم وانادیوم	620	940
تنگستن	941	1500-1800
کولار	3620	3757

_{(منبع جدول: https://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html)}

اگر از خواندن این مقاله لذت برده اید، می توانید مطالب مرتبط بیشتری را نیز در اینجا بخوانید: