مکانیک مواد
سعید دریازاده دانشجوی کارشناسی ارشد مکانیک دانشگاه خاپ ای
مکانیک مواد
الف) استقامت (استحکام) - از خواص مهم جسم سخت استقامت مکانیکی آن می باشد و حل تئوریکی و بررسی آزمایشگاهی آن ازجایگاه مطالعاتی ویزه در ساخت و تولید برخوردار است.
استقامت توصیف قابلیت جسم سخت برای حفظ خود بر اثر وارد آمدن نیروهای خارجی می باشد.
بسیاری ازتئوری های موجود به بحث جسم مقاوم وتحت کرنش وایجاد بریدگی(ترک) دلالت دارند. تئوری استقامت ابتدا در اساس تئوریهای الاستیسیته و پلاستیسیته پدیدار گشت.
شرح میکروسکوپی ترک در اجسام ازبررسی انرزی بحرانی شکست و محاسبات پایه تئوری الاستیسیته راکه در بین دو سر ترک ایجاد میگردد آغاز تئوری استقامت را معنا می بخشد.
بریدگی(ترک) ایده آل جسم در حال الاستیسیته این گونه تصور شده که اگرکمیت انرژی الاستیسیته
هنگام رشد ترک (در حالت فروپاشی) آزاد بشود بطوریکه برای بالانس و خرج انرزی در ایجاد بریدگی سطحی جدید کافی باشد (ترک گریفیتس).
درتئوری گریفیتس تسلسل انرزی بحرانی وسیله ای برای بررسی ناپایداری جسم تحت تنش همراه ترک بکار گرفته می شود.و ساختمان اتمی این جسم با نیروهای پیوند دهنده اتمها این تئوری را در مکانیک – استاتیک مواد مطرح می کند.
مفهوم فیزیکی شکست را به دو بخش عمده می توان تقسیم کرد
یکی از آنها ورود به تحلیل جسم در حال الاستیسیته و الاستیسیته غلیظ و بررسی سیستم اتمی - . ملوکولی آن است . چنانکه با این روش کمیت فیزیکی استقامت جسم سخت بر اساس تئوری نیروهای
بین اتمی- ملوکولی آن محاسبه می شود . مطالعه پایداری پیوستگی بین اتمی و ملوکولی کریستالهای
شیشه و پلیمرها مبنایی بر تصور تئوری استقامت یک ساختار ایده آل است . ولی محاسبات اغلب مقداری چندین مرتبه بیشتر از اندازه گیری تجربی را دادند اینگونه تفاوت وانشعاب در استقامت تئوریکی و تجربی انگیزه ای برای توسعه آزمایشگاهی در محدوده فیزیک استقامت ایجاد نمود.سقوط
کمیت استقامت ایده آل در مقایسه با استقامت تئوریکی علت وجود تمرکز تنش (ترک میکروسکپی- نقایص اتمی وشکاف بین ملوکولی در ساختارفلز) را در جسم نشان می دهد.و با مطالعه وپیشرفت در خصوص تکنولوزی سخت کردن مواد از راه کم کردن نقایص و توسعه تکنولوزی نورد وتهیه وآماده سازی قطعه اهمیت خاص در صنایع پیچیده ومهم مانند صنایع هوا- فضا دارد.
بررسی اجسام سخت در نوع تجسم ساختار اتمی و نیروهای موجود بین اتمی و ملوکولی آنها درآغاز به تحلیل تنها استاتیکی - مکانیکی نیروهای متقابل در جسم می پردازد.هنگام قرار گرفتن بار خارجی به جسم نیروی وارده به خطوط پیونددهنده اتمها تقسیم میشود. بدین گونه پایداری جسم نسبت به بار وارده نمایانگرطبیعت ارتباط با نسبت غیر متوسط نیروهای متقابل زنجیره ای بین اتمی در نتیجه اعمال بار می باشد.به عنوان مثال اگر نیروهای کششی وارده کمتر از نیروهای زنجیره ای باشند آنگاه جسم در حالت" کرنش الاستیسیته "است واگر بیشتر شوند جسم در وضعیت" کرنش غیر قابل برگشت(پلاستیسیته)" ویا "فروپاشی" می باشد.
برای چگونگی وکمیت واکنش جسم سخت درتقابل مکانیکی این فرایند وانطباق باتصورات مشابه به فهم حدود الاستیسیته وتسلیم واستقامت(استحکام) نیازداریم. درصورت تصورآزمایش کشش ساده حد استحکام ممکن است به صورت استقامت در برابر ایجاد بریدگی(ترک) ویا فهم تنشهای برنده معرفی شود ومی توان گفت اگرکمیت نیروی کشش کمتراز حد تنشهای برنده باشد آنگاه فروپاشی درمدل دیده نمی شود واگربار وارده به حد استحکام برسدو یا ازآن بگذرد در نتیجه جسم پایداری استاتیکی خود را ازدست میدهد. کمیت استحکام به نوعی معنای فیزیکی جسم را میرساند که معرف شروع بریدگی می باشد. بنابراین متذکر میشویم درکلیت مبحث مکانیکی استحکام هنگام مطالعه استاتیکی ساختار اتمی- ملوکولی جسم در شرح خواص استقامت به نقطه حد استحکام ودیگرنقاط خاص نیاز است.
دومین بخش ازتصورات پیشرفته فیزیکی استقامت مطالعه اثر حرکت حرارتی و رفتاراتمهای جسم سخت و گسترش فروپاشی آن است با فرض موارد وآزمایشات استحکام جسم سخت که در قبل اشاره شد واقعیتهای مسلم در ساختار اتمی- ملوکولی را نشان میدهد ولی در بحث حرکت حرارتی با تحلیل ساده استاتیکی ساختار اتمی امکان ندارد . با انجام تکرارآزمایشات کمیتهای حدود خاص که ما به آگاهی کامل از آنها نیاز داریم ثابت نبوده و تابعی از شرایط اندازه گیری می باشند. اساس این واقعیت در بحٍث خواص مکانیکی جسم سخت تحت دمای بالا در دیاپازون وسیع تغییر سرعت بار (به شکل لرزش ویا حرکت تناوبی) دیده می شود.وجود علت غیر ثابت بودن نقاط برای حدود الاستیسیته و تسلیم و استحکام در هر فرایند فیزیکی می توان جستجو کرد و طبیعی است "امکان حرکت حرارتی اتمی " در جسم سخت به عنوان اولین فرایند فیزیکی خود را نشان میدهد. حضور این حرکت حرارتی مسیر بررسی مسئله مکانیکی را عوض میکند دراین قضیه تنها وجود استاتیکی از نیروهای
خارجی در بین اتمها نیست وفقط این جزئی از سیستم را شامل میشود وهر قسمت از آن به مطالعه حرکت نوسانی- حرارتی ودر نتیجه ایجاد تغییر تنشهای محدود بین اتمی بر میگردد. بنابراین شاخص دیگر دراساس" تئوری استحکام وشکست "بدست آوردن اطلاعات آزمایشگاهی تحت حرارت وزمان
مرتبط با استقامت جسم سخت است. زمان مرتبط با استقامت هنگام بار استاتیکی معرف معنای خستگی استاتیکی" ماده است(که یکی از خواص مهم مکانیکی می باشد). اثر فاکتور حرارت و زمان استحکام در آزمایش دیده میشود ولی انطباق این خاصیت با شروع بریدگی در جسم و حد خطر بسیار
مشکل است. در حقیقت اگر ترک آغاز گردد آنگاه کمیت تنش به حد بحرانی خود رسیده است ولی زمان طی شده در طول فرایند شکست مبهم می باشد و برعکس اگر ایجاد بریدگی براساس زمان تحلیل گردد با در نظر گرفتن اساس به مسئله آنگاه به فهم تنش برنده موجود (بحرانی) دست نخواهیم یافت.
مطالعه طبیعت سینماتیکی شکست اجسام در1950 آغاز شد این تحقیقات به تغییر اساس ورویه معمول آن زمان در سیستمهای اندازه گیری در رابطه با استحکام گشت. مشهود بود که نیروهای خارجی به تنهایی در ایجاد فروپاشی نقش بازی نمی کنند و در حقیقت وجود فرایند "امواج حرارتی" در شکست جسم دیده میشود.
در کلیه تجزیه تحلیل نتایج و تجربه ها که در فروپاشی مواد ( فلزات- پلیمرها - کریستالهای یونی – کامپوزیتها و...) بدست آمده به کلیت درک سینماتیکی استحکام یعنی مفاهیم و مفروضات مربوط به طبیعت فرایندهای اجزای شکست وشرایط آغاز وگسترش ترک و در نهایت به تئوری فروپاشی مواد می رسیم.
ب) روشهای آزمایش استقامت وطول عمر مواد
همانگونه که اشاره شد معمولا حد استقامت را از آزمایشات مدل که تحت کشش همگن است صورت می پذیرد(شکل 1). در هنگام اعمال نیرو بر مساحت مقطع عرضی مدل (این مقطع عمود برمحور نیروی اعمالی می باشد) کمیت تنش از قانون معروف "هوک" تعیین میشود. این روش درحین سادگی بهترین روش می باشد.
(شکل 1)-جسم تحت نیروی کششی همگن
برای تعیین حد استقامت روش تدریجی افزایش بار (ویابدون وقفه) بر مدل می باشد تا کمیت نیروی لازم برای ظهور شکست در جسم مهیا شود.این روش میتواند بااستفاده از دستگاههای تخصصی با برنامه افزایش تدریجی بار بر مدل انجام گیرد. نیرویی که عهده دار ورود فرآیند فروپاشی در جسم است تعیین کننده حد استقامت می باشد.
اما متداولترین روش تجربی دیگر برای استحکام مواد بوسیله دستگاهای واردکننده کشش با سرعت ثابت می باشد. این آزمایش که می توان گفت بر طبق سرعت کرنش اندازه گیری می نماید.سرعت کرنش مدل از یک سو در صورتی که سر دیگر آن با گیره غیر متحرک ثابت نگه داشته شده باشد
به تعریف دیگراز استقامت مکانیکی می رسیم :
حداکثر تنش که جسم در خود تحمل می کند تا متلاشی نشود تنش بحرانی و حداستحکام را معرفی می کند.
در صورت وارد آمدن نیروی خارجی و تجاوزکمیت تنش از حد بحرانی خود جسم فرو می پاشد . به گونه دیگر می توان گفت: جسم سلامت خود را از دست می دهد.
در صورت ترسیم خم نمایش آزمایش کشش حدود تناسب - الاستیسیته - تسلیم (برای پلیمرها حد الاستیسیته اجباری) - حداکثر طول مدل تا ایجاد ترک – توان استحکام هنگام کرنش ودیگر شاخصهای کرنش را می توان درنمودار ارزیابی کرد. استقامت در برابرفروپاشی بر طبق بیشترین طول درنمودار کرنش تعیین می گردد.در شکل 2 خم نمایش مثالی در آزمایش کشش را برای مواد پلاستیک وشکننده (ترد) داریم.
شکل2) نمودار کشش برای ماده پلاستیک(1) وشکننده(2)
چون مسئله استقامت تحت سینماتیک قرار دارد شکست با گسترش ایده آل بر حسب زمان (فرآیند پخش شکستگی) بررسی می شود انگاه انطباق ماهیت مشخصه این فرآیند با تنش بحرانی امکان ندارد.شکل شاخص بندی آن با سرعت فرآیند (سرعت پخش شکستگی) ویا با زمان گسترش جدایی جسم به دو قسمت مجزا انجام می گیرد. ساده ترین شاخص که از آزمایشات خواص استحکام مواد
بر اساس جلوه زمان در طبیعت سینماتیکی فرآیند تعیین میگردد شاخص "طول عمر"می باشد.
-این زمان را می توان از لحظه آغاز بارگذاری تا شکست تصور کرد.
با آزمایشات کمیت طول عمررا میتوان به آسانی از نتایج حالت جسم در"خزش" تعیین نمود. روش اندازه گیری خزش جسم در آزمایش مدل هنگام تنش ویا بار ثابت وثبت کرنش مدل منظور بر حسب زمان تا بروز ترک انجام می گیرد(خم نمایش خزش)- شکل 3
شکل3 ) نمودار خزش – قسمتهای مجزای نمودار نماینگر ورود و غیرسیار و قبل از فروپاشی جسم است.
با درنظرداشتن جایگاه استاتیک درمسئله استقامت واضح است که با یک قسمت از نمودارنمی توان
استحکام را توصیف کرد.از تئوری حالت حدود معلوم میتوان نتیجه گرفت که تحت اعمال تنش دو وضعیت خواهیم داشت یا جسم یکباره می شکند ویا تا مدت طولانی در حالت " لغزش بدون ویرانی" قرار می گیرد. در تجربه آزمایشگاهی انتها و پایان زمان تا جدایی جسم بدست می آید. شرایط مختلف آزمایشگاهی در حالت خزش(تنش ثابت و وجود کرنش بر حسب زمان) گواه بر غیر ثابت بودن مقادیر مختلف برای حد استقامت است و همانا زمان آزمایش در فرآیند خزش تا
فروپاشی جسم بهترین روش برای تعیین شاخص مهم استحکام یعنی"طول عمر" است.
با نقاط داده شده و درک شکست طول عمر می تواند به عنوان شاخص اصلی واساسی در استحکام مکانیکی برای آزمایش مواد قرار گیرد. ومقدار آن را می توان از عکس سرعت متوسط فرآیند شکست تعیین کرد :
در بسیاری موارد برای بررسی خواص واستقامت آگاهی از رابطه میان زمان طول عمر با تنش وارده و دما ضروری است. با تحلیل وپزوهش رابطه میان آنها و نتایج آن اساس درک سینماتیکی استقامت را رقم میزند.
