استحکام کششی چیست؟ انواع و روش‌های اندازه‌گیری آن
فهرست مطالب
استحکام کششی یک مفهوم مهم در علم مواد و مهندسی مواد است که به توانایی یک ماده در مقاومت در برابر نیروی کششی که بر روی آن اعمال می‌شود، اشاره دارد. به عبارت دیگر، استحکام کششی نشان دهنده مقدار حداکثر نیرویی است که یک ماده می‌تواند در محیط کششی معین (مانند تنش کششی یا تنش برش) تحمل کند بدون اینکه به طور ناگهانی شکسته شود یا تغییر شکل دهد.
استحکام کششی معمولاً به دو شکل ارائه می‌شود:
- استحکام کششی نهایی (Ultimate tensile strength): این مقدار بیشترین نیروی کششی است که یک ماده می‌تواند تحمل کند قبل از شکستن آن. این مقدار به عنوان یک معیار از استحکام نهایی ماده در برابر کشش مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- استحکام کششی یا تنش پایدار (Yield strength): این مقدار نشان‌دهنده نیروی کششی است که ماده شروع به تغییر شکل پایدار (بدون بازگشت) می‌کند. این نقطه معمولاً در نمودار تنش-کرنش ماده مشخص می‌شود و به عنوان یکی از مقادیر مهم در توصیف خواص مکانیکی مواد استفاده می‌شود.
با توجه به نوع ماده، روش تولید، شکل و ساختار آن، استحکام کششی ممکن است متفاوت باشد. این خاصیت بسیار مهم است در طراحی و مهندسی مواد و سازه‌ها، زیرا اطلاعات دقیق در مورد استحکام کششی کمک می‌کند تا از شکستگی غیرمنتظره و برخورد با مشکلات سازه‌ای جلوگیری شود.
در این مقاله اطلاعاتی را ارائه کرده‌ایم که برای درک یکی از مفاهیم بسیار مهم در صنایع تولید مقاطع فولادی و پلیمری به نام مقاومت کششی بسیار مفید هستند. این موضوع که استحکام کششی چیست و چه کاربردی در صنایع تولیدی دارد به ما در انتخاب محصولی که متناسب با نیازهایمان است کمک می‌کند.
استحکام کششی چیست؟
به طور کلی استحکام کششی یک معیار کلیدی است که توسط محققان، مهندسان و کارشناسان بخشهای کنترل کیفیت واحدهای تولیدی، برای ارزیابی خواص مکانیکی یک ماده، محصول یا اجزای آنها استفاده می‌شود. در واقع استحکام کششی یک ماده به حداکثر تنش کششی مکانیکی گفته می‌شود که نمونه گرفته شده از آن ماده می‌تواند در آزمایشگاه تحمل کرده و نشکند. اگرچه معنی واژه شکست در این تعریف بسته به نوع ماده و طراحی آن متفاوت است. به عنوان مثال شکستن در زمان اندازه‌گیری استحکام کششی فولاد معنی متفاوتی از شکستن در زمان اندازه‌گیری استحکام کششی مواد پلاستیکی و پلیمری دارد.
با ایجاد تنش کششی درون مواد، پیوندهای بین اتمهای آنها کشیده شده و در نهایت با افزایش تنش شکسته میشوند. اگر پیوندهای اتمی صرفا فقط کشیده شوند؛ طبق تعریف، ماده در الاستیکی‌ترین حالت خود قرار دارد. یعنی جایی که حذف نیرو باعث می‌شود ماده به شکل اولیه خود بازگردد. اما اگر تنش به حدی باشد که موجب شکستن پیوندهای اتمی شود؛ ماده وارد حالت پلاستیکی خود می‌شود. این بدان معنی است که از نظر شیمیایی تغییر کرده و با حذف نیرویی که تنش وارد کرده است؛ دیگر به شکل اولیه خود باز نمیگردد. برای تعیین اینکه آیا ماده از نظر ظاهری تغییر کرده است یا خیر؟ قبل از شروع آزمایش استحکام کششی، آن را از نظر ظاهری و بافت به دقت مورد بررسی قرار می‌دهند.
فرمول محاسبه استحکام کششی بستگی به نوع آزمایش و متغیرهای مربوطه دارد. اما در بسیاری از موارد، استحکام کششی به صورت نسبی به عنوان نسبت بین نیروی کششی و مساحت مقطع مواد محاسبه می‌شود.
برای محاسبه استحکام کششی (تنش کششی)، از فرمول زیر استفاده می‌شود:
σ=F/A
که در آن:
- نمایانگر استحکام کششی یا تنش کششی (با واحد فشار به برابری).
- نیروی کششی (با واحد نیوتن).
- مساحت مقطع مواد مورد آزمایش (با واحد متر مربع).
استحکام کششی به عنوان یکی از ویژگی‌های مهم مواد، معمولاً با استفاده از دستگاه‌های آزمایشی مخصوص اندازه‌گیری می‌شود. در این آزمون‌ها، نیروی کششی به ماده اعمال می‌شود و تغییر شکل ماده نیز به طور دقیق نظارت می‌شود. سپس با استفاده از فرمول بالا، استحکام کششی محاسبه می‌شود.
انواع استحکام کششی
بسته به ماده مورد ارزیابی، استحکام کششی را می‌توان در نقطه‌ای که ماده وارد مرحله تغییر شکل پلاستیکی می‌شود اندازه‌گیری کرد. به این نقطه، نقطه تسلیم گفته می‌شود. علاوه بر این گاهی این فاکتور را در نقطه‌ای که در نهایت ماده در آن دچار شکست می‌شود ارزیابی می‌کنند. ارزیابی مقاومت کششی در نقطه تغییر شکل پلاستیکی ماده به عنوان مقاومت تسلیم شناخته شده و ارزیابی مقاومت کششی آن در نقطه گسیختگی نمونه به عنوان مقاومت کششی در نقطه شکست نامیده می‌شود. بنابراین می‌توان گفت که دو نوع استحکام کششی به شرح زیر وجود دارد:
- استحکام کششی در نقطه تسلیم
- استحکام کششی در نقطه شکست
نوع ماده مورد آزمایش تعیین می‌کند که کدامیک از این استحکام‌ها، یعنی مقاومت تسلیم یا مقاومت کششی نهایی در نقطه شکست می‌تواند اطلاعات مفیدی را در اختیار مهندسان قرار دهد. به عنوان مثال در مواد انعطافپذیری مانند فلزات معمولا استحکام کششی در نقطه تسلیم ارزیابی می‌شود. این در حالی است که استحکام کششی مواد شکننده‌تر مانند کامپوزیتها اغلب در نقطه گسیختگی ارزیابی می‌شود. هر دوی این نقاط محاسبات مهمی دارند که برای کمک به مشخص کردن استحکام یک ماده کاربردی هستند.
استحکام کششی در نقطه تسلیم چیست؟
برای توضیح استحکام کششی در نقطه تسلیم باید یک مثال داشته باشیم. فرض کنید قصد داریم مقاومت کششی ماده‌ای مثل کش را اندازه‌گیری کنیم. اگر در طول آزمایش فقط کمی کش را بکشید و قبل از اینکه کشیدنش دشوار شود نیروی وارده را متوقف کنید؛ این نوار لاستیکی معمولا به شکل و طول اولیه خود بازمی‌گردد. فلز و سایر مواد هم دقیقا به همین ترتیب هستند. این یعنی نقطه‌ای در میزان تحمل مواد وجود دارد که در آن ماده قادر است بعد از خم شدن یا کشیده شدن به حالت اولیه خود بازگردد. البته برخی از مواد توانایی بیشتری برای تجربه نیرو و بازگشت به حالت اولیه خود دارند. به این مواد اصطلاحا گفته می‌شود که الاستیکتر هستند.
به مثال کش بازگردیم. اگر این کش را آنقدر بکشید که پاره نشود اما وقتی رهایش می‌کنید کمی تغییر شکل داده باشد؛ یعنی نیروی وارد شده به آن به اندازه‌ای قوی بوده که شکل و حالت کش را تغییر دهد. فلز و سایر مواد مانند انواع ورق‌های فولادی نیز این گونه رفتار می‌کنند. هنگامی که ماده بعد از اعمال تنش، قادر به بازگشت به حالت اولیه خود نباشند؛ یعنی تغییر شکل پلاستیکی دارد.
به طور کلی مقدار تنشی که می‌تواند باعث تغییر شکل دائمی در فولاد شود؛ استحکام کششی فولاد نامیده می‌شود. در حقیقت استحکام تسلیمی میزان نیرویی است که می‌توان به ماده قبل از خم شدن یا تغییر شکل آن وارد کرد. برخی از مواد دارای استحکام تسلیمی بالایی هستند و به همین خاطر خم کردن آنها از روی عمد دشوار است. این در حالی است که برخی از آنها استحکام تسلیم پایینی دارند و حتی با نیروی جزئی نیز قابل تغییر شکل هستند.
استحکام کششی در نقطه شکست چیست؟
در مثال بالا گفتیم که فرض کنید کش را تا حدی که تغییر شکل دائمی دهد کشیدهاید. حال اگر آن را فقط کمی بیشتر بکشید چه اتفاقی میافتد؟ در این حالت احساس می‌کنید که دیگر کشیدن کش دشوار شده و اصطلاحا کش نمی‌آید و شروع به سفت و انعطافناپذیر شدن می‌کند. اگر تنشی که وارد می‌کنید از این نقطه عبور کند؛ کش پاره می‌شود. برای همه مواد، صرف نظر از استحکام تسلیمی آنها، نقطه‌ای وجود دارد که در آن اگر نیروی بیشتری به ماده وارد شود؛ بدون اینکه جابجایی و تغییر شکل در مولکول‌ها اتفاق بیفتد ماده دچار شکست یا پارگی می‌شود. بنابراین به مقدار نیرویی که برای پاره کردن و شکستن پیوندهای مولکولی در یک ماده نیاز است؛ مقاومت کششی در نقطه شکست میگویند.
استحکام کششی در نقطه تسلیم و نقطه شکست؛ این دو چه تفاوت‌هایی دارند؟
در جدول زیر می‌توانید تفاوت‌هایی که بین دو فاکتور استحکام کششی در نقطه تسلیم و استحکام کششی در نقطه شکست وجود دارد را مشاهده کنید.
| استحکام کششی در نقطه تسلیم | استحکام کششی در نقطه شکست | |
| تعریف | استحکام یا همان مقاومت تسلیمی به مقدار نیرویی گفته می‌شود که می‌توان روی یک ماده قبل از تغییر شکل دائمی آن اعمال کرد. | استحکام کششی در نقطه شکست مقدار نیرویی است که می‌توان به ماده قبل از شکستن آن وارد کرد. |
| تنش | استحکام کششی در نقطه تسلیم حداقل مقدار نیرویی که ماده می‌تواند قبل از تغییر شکل دائمی تحمل کند را نشان می‌دهد. | استحکام کششی در نقطه شکست حداکثر تنشی که یک ماده می‌تواند قبل از شکستن پیوندهای اتمی‌اش تحمل کند را نشان می‌دهد. |
| نیروهای بین مولکولی | عدد به دسته آمده از اندازه‌گیری استحکام کششی در نقطه تسلیم نشان می‌دهد که نیروهای بین مولکولی ماده قویتر از تنشی هستند که در طول آزمایش بر ماده وارد شده است. | عدد به دسته آمده از اندازه‌گیری استحکام کششی در نقطه شکست نشان می‌دهد که نیروهای بین مولکولی ماده ضعیفتر از تنشی هستند که در طول آزمایش بر ماده وارد شده است. |
واحد استحکام کششی چیست؟
در سیستم بینالمللی، استحکام کششی را بر حسب پاسکال یا مگا پاسکال اندازه‌گیری می‌کنند. در واقع با این حساب می‌توان گفت که واحد استحکام کششی معادل نیوتن بر متر مربع (N/m²) است. در سیستم آمریکایی این فاکتور را بر حسب پوند بر اینچ مربع (lbf/in² یا psi) اندازه‌گیری می‌کنند.
استحکام کششی چگونه محاسبه می‌شود؟
استحکام کششی هر ماده‌ای مانند انواع فلزات و پلیمر بر اساس فرمولی محاسبه می‌شود که به آن فرمول استحکام کششی گفته می‌شود. بر اساس این فرمول، استحکام کششی فولاد و سایر مواد حاصل تقسیم سطح مقطع نمونه بر حداکثر نیروی کششی بدست آمده است.
استحکام کششی (σ) = حداکثر نیروی کششی (F) تقسیم بر سطح مقطع نمونه (A)
چگونه استحکام کششی را اندازه گیری کنیم؟
استحکام کششی با انجام تست کشش توسط دستگاه مخصوصی اندازه‌گیری می‌شود. نتایج به دست آمده از این دستگاه معمولا بسیار دقیق و قابل تکرار هستند. ارزیابی یک ماده با استحکام کششی آن که بر اساس واحدهای تنش (Pa یا psi) به جای نیرو (N یا lbf) به دست آمده به تکرارپذیری نتایج کمک می‌کند. این به این دلیل است که نمونه گرفته شده از ماده، بسته به ضخامت و عرض دارای نقطه تحمل متفاوتی است. به همین خاطر دستگاه تنش را بر اساس ضخامت و عرض نمونه اعمال کرده و بر اساس نتایج به محاسبه مقاومت کششی می‌پردازد. به عنوان مثال اگر اپراتور دستگاه 5 نمونه گرفته شده از این ماده را آزمایش کند که ضخامت آنها متفاوت باشد؛ مقدار حداکثر نیروهایی که می‌توانند تحمل کنند ممکن است دامنه وسیعتری داشته باشد. در حالی که مقدار تنش وارد شده به آنها تقریبا یکسان است.
آیا استحکام کششی در نقطه تسلیم همیشه کمتر از استحکام کششی در نقطه شکست است؟
بله، استحکام تسلیمی همیشه عدد کمتری از استحکام کششی در نقطه شکست است. این موضوع در مورد فلزات، چوب، انواع محصولات ساخته شده از پلاستیک مانند لوله پلی اتیلن و کامپوزیتها صدق می‌کند.
آیا مقاومت کششی در نقطه شکست فاکتور مهمتری از استحکام تسلیمی است؟
مقاومت کششی در نقطه شکست لزوما مهم‌تر از استحکام تسلیمی نیست. اما قبل از انتخاب متریال برای پروژه خود، آشنایی با هر دو این فاکتورها بسیار مهم است. از آنجایی که هر کدام از آنها اطلاعات کاملا متفاوتی را در مورد محصول در اختیار شما قرار می‌دهند؛ دانستن مفهوم هر دو قبل از انجام پروژه بسیار ارزشمند است.
آیا استحکام تسلیمی با گرم کردن ماده تغییر می‌کند؟
استحکام کششی در نقطه تسلیم که گاهی به آن مقاومت تسلیمی نیز گفته می‌شود با افزایش دمای ماده کاهش مییابد. عملیات فعالسازی حرارتی نیروی بین مولکولی را کاهش می‌دهد؛ کیفیت پلاستیلین ماده را افزایش می‌دهد و خم شدن و تغییر شکل دائمی آن را آسانتر می‌کند.
نتیجه‌گیری
همانطور که توضیح دادیم؛ این موضوع بسیار مهم است که قبل از انتخاب محصولاتی مانند انواع مقاطع فولادی یا حتی محصولات پلیمری مانند لوله و اتصالات برای پروژه خود بدانید که متریال استفاده شده در تولید، قبل از تغییر شکل و شکستن چه مقدار استرس و فشار را می‌تواند تحمل کند. اگر پروژه قرار است در یک محیط کم تنش اجرا شده و در تماس حداقلی با نیروهای خارجی است؛ انتخاب محصولاتی که استحکام تسلیمی کمی دارند احتمالا مشکلی برای شما و پروژه ایجاد نمی‌کند. اما اگر پروژه قرار است بارهای سنگین، ضربه زیاد یا تنش شدید را تجربه کند؛ باید متریالی برای اجرای آن استفاده کنید که استحکام تسلیمی بالایی دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فرمول استحکام کششی و استحکام کششی فولاد و سایر مواد مختلف و نقاط قوت آنها و همچنین استعلام قیمت امروز لوله پلی اتیلن و انواع مقاطع فولادی، لطفا با تیم پشتیبانی ما در مجموعه تامین کالا تماس بگیرید.
