شاخص های خواص مکانیکی مواد فلزی

خواص مکانیکی مواد فلزی به خصوصیات مختلفی اشاره دارد که تحت تأثیر نیروهای خارجی به نمایش می‌آیند که مناسب بودن و دوام مواد را در محیط‌های مختلف تعیین می‌کند. شاخص های اصلی خواص مکانیکی مواد فلزی به شرح زیر است:

1. استحکام و قدرت تسلیم

استحکام توانایی یک ماده فلزی برای مقاومت در برابر اثر نیروی خارجی (بار) و جلوگیری از تغییر شکل یا شکستگی بیش از حد پلاستیک است. این اساسی ترین و یکی از مهمترین شاخص های خواص مکانیکی مواد فلزی است. مقاومت را می توان به انواع مختلفی از جمله مقاومت کششی، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مقاومت برشی تقسیم کرد که در این میان استحکام کششی بیشترین استفاده را دارد.

- استحکام کششی (σb یا Rm): به حداکثر مقدار تنشی که یک ماده می‌تواند در حین کشش تحمل کند، اشاره دارد، یعنی حداکثر تنشی که می‌توان قبل از کشیدن به دست آورد. این نشان دهنده توانایی ماده برای مقاومت در برابر شکست است که نماد آن Rm یا σb است و واحد MPa (مگا پاسکال) است. استحکام کششی یک پارامتر مهم برای ارزیابی چقرمگی و ظرفیت تغییر شکل پلاستیک یک ماده است.

- استحکام تسلیم (σs یا ReL، Rp0.2): به ماده در فرآیند کششی اشاره دارد، زمانی که تنش به مقدار بحرانی معینی می‌رسد، حتی اگر تنش دیگر افزایش نیابد، ماده همچنان تحت تغییر شکل پلاستیکی قابل توجه مقدار تنش قرار می‌گیرد. برای مواد با پدیده تسلیم آشکار، قدرت تسلیم نقطه تسلیم تنش است. برای مواد بدون پدیده تسلیم آشکار، معمولاً تعیین می شود که 0.2٪ تغییر شکل باقیمانده از مقدار تنش به عنوان حد تسلیم آن ایجاد شود که به عنوان شرط قدرت تسلیم شناخته می شود. استحکام تسلیم آغاز تغییر شکل پلاستیک از مواد است یک نماد مهم است، بلکه طراحی ساختاری از شاخص های مقاومت معمولا استفاده می شود.

2. پلاستیسیته و کشیدگی

پلاستیسیته به توانایی یک ماده فلزی برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک قابل توجه بدون شکستگی در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی اشاره دارد. یک ماده با پلاستیسیته خوب می تواند مقدار زیادی انرژی را از طریق تغییر شکل پلاستیک جذب کند، بنابراین توانایی آن را برای مقاومت در برابر ضربه و خستگی بهبود می بخشد.
- کشیدگی (δ): درصد ازدیاد طول کل یک ماده پس از گسیختگی کششی نسبت به طول مشخص شده اولیه. این یک شاخص مهم برای انعطاف پذیری یک ماده است. مهندسی معمولا δ بزرگتر یا برابر با 5٪ از مواد را مواد پلاستیکی، مانند فولاد نرم، آلومینیوم، مس، و غیره نامیده می شود. و δ کمتر یا مساوی 5 درصد مواد را مواد شکننده می گویند، مانند چدن، شیشه، سرامیک و غیره.

- انقباض مقطع (ψ): به درصد حداکثر کاهش سطح مقطع نسبت به ناحیه شکست اولیه ماده پس از شکست کششی اشاره دارد. همچنین یک شاخص مهم برای اندازه گیری انعطاف پذیری مواد است. همراه با ازدیاد طول، می تواند به طور جامع توانایی تغییر شکل پلاستیک مواد را ارزیابی کند.

3. سختی

سختی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر سایر اجسام سخت تر است که در سطح آن فشرده می شوند. این نشانگر درجه سختی و نرمی مواد است و همچنین یک پارامتر مهم است که مقاومت در برابر سایش و عملکرد برش مواد را منعکس می کند.

- سختی برینل (HBS، HBW) و سختی راکول (HRA، HRB، HRC): دو روش معمول تست سختی هستند. سختی برینل برای مواد نرم تر، در حالی که سختی راکول برای مواد سخت تر قابل استفاده است. تست سختی را می توان نه تنها برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد، بلکه برای بررسی کیفیت لایه سطحی مواد، مانند کربن زدایی و کربوریاسیون استفاده کرد.

4. چقرمگی ضربه

چقرمگی ضربه توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر بارهای ضربه ای است. این یک شاخص مهم برای مقاومت به شکست مواد تحت بارگذاری دینامیکی است.

- مقدار چقرمگی ضربه (Ak): معمولاً بر حسب ژول / سانتی‌متر مربع (J / cm²) به عنوان یک واحد، نشان‌دهنده توانایی ماده در جذب انرژی در اثر بار ضربه‌ای است. ماده‌ای با چقرمگی ضربه خوب مقاومت بالایی در برابر شکست ضربه دارد و برای کاربردهایی که نیاز به اعمال بارهای ضربه‌ای دارند مناسب است.

5. مدول الاستیسیته

مدول الاستیسیته نسبت تنش به کرنش در مرحله تغییر شکل الاستیک یک ماده است. این معیار مهمی برای سفتی یک ماده است.

- مدول الاستیسیته (E): معمولاً با پاسکال (Pa) یا گیگا پاسکال (GPa) بیان می‌شود. برای مواد فلزی معمولی مانند فولاد، مدول الاستیسیته معمولاً بین 200-210 گیگا پاسکال است. مواد با مدول الاستیسیته بالا نیز دارای سفتی بالا و مقاومت بالایی در برابر تغییر شکل الاستیک هستند.

6. چقرمگی شکست
چقرمگی شکست توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر گسترش ترک زمانی است که دارای ترک است. این یک شاخص مهم برای مقاومت یک ماده در برابر شکست شکننده است.

- چقرمگی شکست (KIC): ضریب شدت تنش ماده را در شرایط کرنش صفحه نشان می‌دهد، زمانی که ترک شروع به بزرگ شدن می‌کند. مواد با چقرمگی شکست بالا همچنین دارای مقاومت قوی در برابر شکست شکننده هستند و برای کاربردهایی که نیاز به تنش بالا یا محیط های دمای پایین دارند مناسب هستند.

7. قدرت خستگی

استحکام خستگی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر آسیب خستگی تحت بارهای متناوب است. این یک شاخص مهم از عمر مفید- طولانی مدت یک ماده است.

- حد خستگی (σ-1): نشان دهنده حداکثر مقدار تنش یک ماده تحت بارهای متناوب بی نهایت بدون آسیب خستگی است. مواد با مقاومت خستگی بالا نیز دارای عمر طولانی مدت هستند و برای مواردی که نیاز به تحمل بارهای متناوب دارند مناسب هستند.

شاخص های خواص مکانیکی مواد فلزی شامل استحکام، پلاستیسیته، سختی، چقرمگی ضربه، مدول الاستیسیته، چقرمگی شکست و استحکام خستگی می باشد. در کاربردهای عملی، برای دستیابی به بهترین کیفیت محصول و اثر استفاده، لازم است مواد فلزی مناسب با توجه به نیازهای خاص استفاده انتخاب شود.