پاورپوینت مقاومت کششی مقاومت فشاری



موضوع:
مقاوت کششی
مقاومت فشاری

مقاومت کششی نهایی
مقاومت کششی نهایی یا مقاومت کششی یا کشش نهایی عبارت است از بیشینهٔ تنشی که یک جسم در هنگام کشیده شدن از طرفین، تا قبل از این که مقطع نمونه، به صورت قابل توجهی باریک شود، می تواند تحمل کند. مقاومت کششی، متضاد مقاومت فشاری بوده و مقادیرشان نیز ممکن است کاملا متفاوت باشد.
مقاومت کششی نهایی با استفاده از نتایج آزمایش کشش و ثبت میزان تنش و کرنش نمونه مورد آزمایش به دست می آید. بالاترین نقطه ی نمودار تنش-کرنش، همان مقاومت کششی است. میزان مقاومت کششی یک نمونه، به اندازهٔ آن بستگی ندارد. اگرچه به عوامل دیگری همچون آمادگی نمونه، سطح نمونه و دمای محیط آزمایش و نمونه ارتباط دارد.

مقاومت کششی در طراحی اعضای شکل پذیر کمتر کاربرد دارد؛ اما در اعضای شکننده از اهمیت بالایی برخوردار است. مقاومت های کششی مواد و مصالح رایجی همچون آلیاژها، مواد کامپوزیتی، سرامیک و مواد پلاستیکی و چوبی جدول بندی شده اند.
مقاومت کششی همانند تنش تعریف می شود که یکای اندازه گیری آن برحسب نیرو بر واحد سطح است. در مورد بعضی از مواد غیرهمگن (و اجزای مونتاژشده) نیز با یکای نیرو و یا نیرو در واحد عرض گزارش می شود. در سامانه یکاهای SI هم از پاسکال (Pa) که معادل نیوتون بر متر مربع (N/m²) است استفاده می کنند. واحد رایج دیگر نیز پوند-نیرو بر اینچ مربع (lbf/in² یا psi) یا کیلوپوند بر اینچ مربع که برابر ۱۰۰۰ psi است، می باشد. در هنگام اندازه گیری مقاومت کششی، معمولا برای راحتی از کیلوپوند بر اینچ مربع استفاده می گردد.

مصالح انعطاف پذیر

نمودار تنش-کرنش نوعی ار آلومینیوم ۱. مقاومت نهایی ۲. مقاومت تسلیم ۳. تنش حد نسبی ۴. شکست ۵. کرنش برآمدگی (معمولا ۰٫۲٪)

نمودار تنش-کرنش نوعی از فولاد ساختمانی ۱. مقاومت نهایی ۲. مقاومت تسلیم ۳. شکست ۴. ناحیه ی کرنش سختی ۵. ناحیه ی باریک شدن A: تنش ظاهری B: تنش واقعی

بسیاری از مواد و مصالح، دارای رفتار الاستیک خطی هستند، به این معنی که بین تنش و کرنش رابطه ی خطی وجود دارد. در نمودار نشان داده شده و در نقطه ۲، تغییر شکل حاصل از بارگذاری در نمونه مورد آزمایش، به صورت کامل قابل برگشت است. یعنی، نمونه به طور الاستیک و با تنشی بارگذاری شده است که موجب افزایش طول آن می شود؛ اما با برداشتن بار، نمونه دوباره به شکل و اندازه ی اولیه ی خود بازمی گردد. پس از این ناحیه، تغییر شکل مواد انعطاف پذیری همچون فولاد، به صورت پلاستیک خواهد بود. بدین معنا که پس از حذف بارها، نمونه به حالت و اندازه ی اولیه ی خود بازنمی گردد؛ اما بخشی از تغییر شکل حاصله به صورت الاستیک به حالت اولیه برمی گردد. برای بسیاری از کاربردها، تغییر شکل پلاستیک قابل قبول نبوده و به عنوان محدودیت طراحی شناخته می شود.

پس از نقطه تسلیم، فلزات انعطاف پذیر وارد مرحله ی کرنش سختی می شوند. دوره ای که در آن با افزایش تنش، کرنش نیز بیشتر می شود. سپس سطح مقطع نمونه به دلیل جریان پلاستیکی شروع به کاهش می کند. هنگامی که سطح مقطع به شکل قابل توجهی کاهش پیدا کرد، نمودار تنش-کرنش به سمت پایین بازمی گردد. این پدیده به خاطر این است که تنش تئوری از روی سطح مقطع اولیه (قبل از کاهش سطح مقطع) محاسبه شده است. نقطه ی بازگشت، همان نقطه ی بیشینه ی نمودار تنش-کرنش بوده و تنش تئوری متناسب با این نقطه نیز نشان دهنده ی مقاومت نهایی کششی است که در شکل، با شماره ی ۱ نشان داده شده است.
مقاومت کششی نهایی کاربردی در طراحی المان های ساکن شکل پذیر ندارد؛ زیرا عمل طراحی بر مبنای نقطه ی تسلیم انجام می گیرد. با این حال، برای سهولت در انجام آزمایش، در کنترل کیفی مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین برای تعیین نوع ماده ی نمونه های نامشخص استفاده می شود.

مصالح شکننده و تُرد
مصالح تردی همچون بتن و الیاف کربنی، در کرنش های کم دچار شکست می شوند. این مواد، حتی غالبا در ناحیه ی رفتار الاستیک نیز منهدم می شوند و در نتیجه نقطه ی تسلیمی برای شان تعریف نشده است. به علت پایین بودن کرنش، اختلاف ناچیزی بین تنش تئوری و تنش عملی وجود دارد. طبق مدول ویبول برای مواد شکننده، آزمایش های مختلف بر روی نمونه های یکسان، نتایج متفاوتی را برای تنش شکست خواهد داشت.
در طراحی اعضای شکننده، مقاومت کششی نهایی پارامتر متداولی است؛ زیرا نقطه ی تسلیم برای این نوع از مصالح، تعریف نشده است.
جستارهای وابسته
استحکام خمشی
مکانیک مواد
چقرمگی

مقاومت فشاری عبارت است از ظرفیت تحمل یک جسم، مصالح ساختمانی یا سازه در مقابل نیروهای فشاری محوری مستقیم. هنگامی که حد مقاومت فشاری یک ماده فرا می رسد، آن ماده منهدم خواهد شد. بتن، ماده ای است که دارای مقاومت فشاری بالایی است. برای مثال، بتن به کار رفته در بسیاری از سازه های بتنی، توانایی تحمل فشارهای بالای ۵۰ مگاپاسکال را دارد؛ این در حال است که مصالح نرمی همچون ماسه سنگ های نرم، مقاومت فشاری ای در حدود ۵ یا ۱۰ مگاپاسکال دارند. مقاومت فشاری معمولا به وسیله دستگاه آزمایش جهانی (به انگلیسی: Universal Testing Machine)‏، اندازه گیری می شود. بزرگی این دستگاه ها از اندازه ی میزهای کوچک تا دستگاه هایی با ظرفیت ۵۳MN متغیر است. سنجش میزان مقاومت فشاری، تحت روش های آزمایش و شرایط ویژه ای است. تاب فشاری به طور معمول در قالب تکنیک های استاندارد ویژه ای گزارش می شوند که می تواند در هنگام بهره برداری به کار آید و یا ممکن است مورد استفاده قرار نگیرند.
مقاومت فشاری

فشار
هنگامی که نمونه ای تحت نیروی اعمال شده، افزایش طول پیدا کند، نیروی مورد نظر، از نوع کششی است. اما اگر تحت نیروی فشاری، کاهش طول داشته باشد، به این حالت فشار گفته می شود.
از منظر اتمی، در حالت کشش، هر یک از مولکول ها یا اتم ها تمایل دارند که از هم جدا شوند؛ در حالی که در فشار، آنها به هم نزدیک تر می شوند. از آنجایی که همیشه اتم ها در جامدات سعی دارند که به یک حالت متعادل رسیده و با اتم های پیرامون خود فاصله مناسب داشته باشند، نیروهایی در کل ماده به وجود می آیند که در مقابل کشش و فشار مقاومت می کنند.
کشش

پدیده ی غالب در سطح اتمی، مشابه همین است. در مقیاس بزرگتر نیز ویژگی های مواد در کشش و فشار کاملا مشابه هم هستند.
تفاوت عمده بین این دو حالت بارگذاری، کرنشی است که برای کشش (مثبت-افزایش طول) و فشار (منفی-کاهش طول) ثبت می شود.
دیگر تفاوت عمده، در این است که در کشش، بدنه جسم مورد نظر تمایل به لاغر شدن و در فشار تمایل به افزایش قطر و کمانش دارد.

بنا به تعریف، مقاومت فشاری برابر است با مقدار تنش فشاری تک محوری، هنگامی که المان مورد نظر کاملا گسیخته می شود. میزان مقاومت فشاری، معمولا به وسیله آزمایش فشار و به صورت تجربی به دست می آید. دستگاه آزمایش فشار، برای آزمایش کشش نیز مورد استفاده قرار می گیرد. با این تفاوت که به جای اعمال یک بار فشاری تک محوره، بار کششی تک محوره اعمال می شود. در آزمایش فشار، نمونه مورد آزمایش (معمولا استوانه ای شکل) کوتاه تر شده و چاق می شود. منحنی تنش-کرنش با استفاده از نتایج آزمایش، به شکل زیر رسم می شود:
منحنی تنش-کرنش مهندسی برای یک نمونه معمولی

میزان مقاومت فشاری نمونه، با تنش نقطه ی قرمز روی منحنی متناظر است. حتی در آزمایش فشار نیز، قسمتی از نمودار به صورت خطی است که بیانگر این است که نمونه مورد آزمایش از قانون هوک تبعیت می کند. از این رو، برای قسمت خطی داریم که E نشان دهندهی مدول یانگ برای فشار است. ناحیه خطی نمودار در نقطه ای به نام نقطهی تسلیم پایان می یابد. بعد از این نقطه، نمونه رفتاری پلاستیکی دارد؛ یعنی به محض برداشتن بار از روی نمونه، به طول و شکل اولیه ی خود بازنمی گردد.
بین تنش تئوری و تنش عملی تفاوت هایی وجود دارد. بنا به تعریف اولیه، تنش تک محوره عبارت است از:

در اینجا، F = بار اعمال شده (نیوتون) و A = مساحت (مترمربع)
همان گونه که گفته شد، مساحت سطح مقطع نمونه در فشار، دچار تغییر می شود. در حقیقت مساحت، تابعی از بار اعمال شده است.

به عنوان مثال (A = f(F. در واقع، تنش عبارت است از نسبت نیرو به سطح مقطع اولیه (در شروع آزمایش) که به عنوان تنش تئوری شناخته می شود:

A0= مساحت اولیه (مترمربع)
کرنش تئوری نیز به این صورت تعریف شده است:
l= طول کنونی نمونه (متر) و l0 = طول اولیه نمونه (متر)

در نمودار تنش-کرنش تئوری ، تنش فشاری متناظر است با:
F* = مقدار نیرو، درست قبل از انهدام نمونه و l* = درازای نمونه درست قبل از انهدام

تفاوت تنش تئوری با تنش عملی
پدیده ی بشکه ا ی شدن
در طراحی مهندسی، اغلب به تنش تئوری رجوع می شود. در واقع، تنش عملی متفاوت از تنش تئوری است. بنابر این محاسبه مقاومت فشاری یک المان از طریق معادلات داده شده، نتیجه دقیقی نخواهد داشت. البته این به دلیل این است که در طول زمانی که بار وارد می شود، مساحت سطع مقطع A0، تغییر می کند. در واقع سطح مقطع نمونه تابعی از بار وارد شده است (A = φ(F.

تفاوت در مقدار نتایج آزمایش با تجربه ی واقعی فشار، ممکن است از عوامل زیر ناشی شود:
در فشار، نمونه مورد آزمایش، تمایل به پهن و چاق شدن دارد که این خود عاملی است برای افزایش سطح مقطع.
در آزمایش فشار، نمونه از طرفین، مهار شده و محکم نگه داشته شده است. از این رو نیروی اصطکاکی پدید می آید که در مقابل چاق و پهن شدن نمونه مقاومت می کند. این بدین معنی است که بخشی از بار اعمال شده در طول آزمایش، باید صرف غلبه بر همین نیروی اصطکاک شود. نتایج حاصل از این آزمایش، مقداری از اندازهٔ واقعی مقاومت فشاری نمونه، متفاوت خواهد بود.

به عنوان نکته پایانی، نیروی اصطکاک ذکر شده، در تمام سطح مقطع نمونه، ثابت نیست. به طوری که در مرکز سطح، مقدار آن بیشینه و در کناره های آن دارای مقدار کمینه است. بنابراین زمانی که یک نمونه تحت آزمایش فشار به حالت یک بشکه تبدیل می شود، به این پدیده بشکه ای شدن (به انگلیسی: Barrelling)‏ می گویند

مقایسه ی مقاومت فشاری و کششی
بتن، نمونه ای از ماده ای است که مقاومت فشاری بسیار بالایی نسبت به مقاومت کششی دارد. معمولا مقاومت فشاری سرامیک ها نیز بیشتر از مقاومت کششی آن ها است. در مقابل، مواد کاپوزیتی، دارای مقاومت کششی بیشتری نسبت به مقاومت فشاری هستند. قالب اپوکسی الیاف شیشه ای از این نمونه است.

پایان