تغییر شکل (مهندسی)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
تنش فشاری وارد شده به یک استوانه که باعث کوتاهی و عریض شدن آن می شود .

تغییر شکل در علم مواد، به تغییر شکل یا اندازه یک جسم با توجه به نیروی اعمال شده (انرژی تغییر شکل در این مورد از طریق کار منتقل می شود) یا تغییر در درجه حرارت (انتقال انرژی از طریق گرما) گفته می شود. مورد اول می تواند در نتیجه نیروهای کششی، نیروهای فشاری، نیروهای برشی، خمش یا پیچش باشد. در مورد دوم مهمترین عاملی که با درجه ی حرارت تعیین می شود، تحرک نقص های ساختاری مانند مرز بلورها،تهی جایی و نابه جایی در جامدات کریستالی و غیر کریستالی است. حرکت و یا جا به جایی این نقص های متحرک به صورت حرارتی فعال شده و توسط میزان نفوذ اتمی محدود می شود. تغییر شکل اغلب به عنوان کرنش در نظر گرفته می شود.

همانطور که تغییر شکل رخ می دهد، نیروهای داخلی بین مولکولی با نیروهای اعمال شده مخالفت می کنند. اگر نیروی اعمال شده خیلی زیاد نباشد این نیروها ممکن است برای مقاومت کامل در برابر نیروهای خارجی اعمال شده کافی باشند و به جسم اجازه دهند تا یک حالت سکون و تعادل جدید به خود بگیرد و بعد از برداشتن بار ( نیروی اعمال شده) به حالت اولیه خود بازگردد. یک نیروی اعمال شده ی بزرگتر ممکن است به تغییر شکل دائمی جسم و یا حتی به شکست ساختاری آن منجر شود. اگر تغییر شکل ناچیز باشد می توان از مفهوم جسم صلب بهره برد.

انواع تغییر شکل[ویرایش]

بسته به نوع مواد، اندازه و شکل هندسی جسم، نیروی اعمال شده ممکن است به انواع مختلف تغییر شکل منجر شود. تصویر سمت چپ منحنی تنش- کرنش مهندسی برای یک ماده ی جکش خوار معمولی مانند فولاد را نشان می دهد. مدل های تغییر شکل مختلف ممکن است تحت شرایط مختلفی رخ دهد. به عنوان مثال می تواند با استفاده از یک طرح مکانیسم تغییر شکل به تصویر کشیده شود.

نمودار تنش – کرنش به همراه مراحل مختلف تغییر شکل.

تغییر شکل کشسان (elastic deformation)[ویرایش]

تغییر شکل کشسان به نوعی از تغییر شکل ماده گفته می شود که طی آن بر اثر تغییر در فاصله بین پیوندهای اتمی شکل ماده تغییر می کند. این نوع تغییر شکل برگشت پذیر است و زمان که بار از روی ماده بر داشته می شود، ماده شکل اولیه خود را باز می یابد. کشسان سنج (الاستومر) و فلزات حافظه دار مانند نایتینول محدوده وسیع تغییر شکل را نشان می دهند همانطور که لاستیک این کار را می کند و رفتار کشسانی (الاستیسیته)این مواد غیر خطی است. در حالی که فلزات رایج،سرامیک ها و اغلب کریستال ها رفتار کشسانی خطی در محدوده به نسبت کوچک تری از خود نشان می دهند. تغییر شکل خطی کشسان از قانون هوک تبعیت می کند:

\sigma = E \varepsilon

که در آن \sigma تنش اعمال شده، E ثابت کشسان که به افتخار توماس یانگ، مدول یانگ نیز نامیده می شود و ε کرنش به دست آمده است. این رابطه تنها در محدوده ی الاستیک به کار برده می شود و نشان می دهد که شیب منحنی تنش- کرنش می تواند برای یافتن مدول یانگ مورد استفاده قرار گیرد. مهندسان اغلب این محاسبه را در آزمون های کشش به کار می برند. ناحیه الاستیک هنگامی به پایان می رسد که مواد به نقطه تسلیم برسند. در این نقطه تغییر شکل پلاستیک آغاز می شود. لازم است به این نکته توجه داشته باشید که تمام مواد الاستیک تحت تغییر شکل خطی الاستیک نیستند. برخی از جمله بتن، چدن خاکستری و بسیاری از پلیمر ها واکنش غیر خطی از خود نشان می دهند. بنابراین برای این مواد قانون هوک غیر قابل اعمال است.

تغییر شکل پلاستیک[ویرایش]

این نوع تغییر شکل برگشت ناپذیر است. به هر حال، یک جسم در محدود ی تغییر شکل پلاستیک برای اولین بار دچار تغییر شکل الاستیک که برگشت پذیر است خواهد شد، بنابراین جسم در بخشی از راه به شکل اولیه خود بر خواهد گشت. ترموپلاستیک نرم محدوده تغییر شکل پلاستیک وسیع تری نسبت به فلزات جکش خوار مانند مس،نقره و طلا را داراست. فولاد هم همینطور عمل می کند اما چدن نه. ترموست سخت، لاستیک، کریستال ها و سرامیک ها دارای کمترین محدوده تغییر شکل پلاستیک می باشند. آدامس ماده ای است که محدوده وسیعی از تغییر شکل پلاستیک را داراست و می تواند ده ها بار از طول اولیه خود بیشتر کشیده شود.

تحت تنش کششی، تغییر شکل پلاستیک توسط ناحیه سختی کرنش و ناحیه لاغری و در نهایت شکستگی ( گسیختگی) مشخص می شود. در طی سختی کرنش، ماده از طریق حرکت نابجایی اتمی مستحکم تر می شود. در مرحله ی لاغری با کاهش درسطح مقطع عرضی نمونه نمایان می شود. لاغری بعد از استحکام نهایی شروع شده و در طول لاغری مواد دیگر نمی‌توانند در برابر حداکثر فشار مقاومت کنند و کرنش در نمونه به سرعت افزایش می یابد. تغییر شکل پلاستیک با گسستگی مواد از هم به پایان می رسد.

خستگی فلزات[ویرایش]

یکی دیگر از مکانیسم های تغییر شکل، خستگی فلزات است که اصولاً در فلزات چکش خوار رخ می دهد. در ابتدا تصور می شد که یک ماده ی تغییر شکل یافته تنها در محدوده الاستیک با برداشتن بار به حالت اولیه خود باز می گردد. با این حال گسل ها در سطح مولکولی با هر تغییر شکل پدیدار می شوند. بعد از بسیاری از تغییر شکل ها، ترک ها شروع به ظاهر شدن می کنند و بعد از آن بدون هیچ تغییر شکل پلاستیک، گسیختگی رخ می دهد. بسته به نوع مواد، شکل و نحوه ی نزدیک شدن به حد الاستیکی که تغییر شکل یافته، شکست ممکن است نیازمند هزاران، میلیون ها یا میلیارد ها بار از این تغییر شکل ها باشد.

خستگی فلزات از علل عمده در نقص های هواپیما مانند DH 106 Comet بود، به خصوص قبل از اینکه فرایند خستگی به خوبی درک شده باشد. دو روش برای تعیین زمانی که یک بخش در معرض خطر خستگی است وجود دارد: پیش بینی هنگامیکه شکست با توجه به نوع مواد، شکل، فشار، تکرار رخ خواهد داد و جایگزینی مواد آسیب پذیر قبل از اینکه شکت رخ دهد. روش دیگر انجام بازرسی برای تشخیص ترک های میکروسکوپی و جایگزینی آنهایی که در آنها شکست رخ داده است. انتخاب موادی که تمایل کمتری به خستگی دارند در طول فرایند تولید بهترین راه حل است اما همیشه ممکن نیست. اجتناب از اجسام با گوشه های تیز خستگی فلزات را محدود می کند اما آن را از بین نمی‌برد.

شکست فشاری[ویرایش]

معمولاً تنش فشاری به میله ها، ستون ها و غیره اعمال می شود که نتیجه آن کوتاه شدن است.

بارگیری یک عضو سازه یا یک نمونه، تنش فشاری را تا رسیدن به مقاومت فشاری افزایش خواهد داد. با توجه به خواص مواد، شکست به صورت تسلیم در مواد با رفتار چکش خواری و انعطاف پذیری ( اغلب فلزات و برخی خاک ها و پلاستیک ها) و یا به صورت پارگی برای مواد غیر چکش خوار و ترد (چدن، شیشه) رخ خواهد داد.

در عضو های سازه ای بلند و باریک مانند ستون ها و میله های خرپا، به دلیل پدیده کمانش، افزایش نیروی فشاری F باعث می شود که عضو در تنشی کمتر از تنش مقاومت دچار شکست ساختاری می شود.

گسیختگی[ویرایش]

نموداری از یک منحنی تنش-کرنش که رابطه بین تنش (نیروی وارده) و کرنش (تغییر شکل) رادر یک جسم چکش‌خوار نشان می‌دهد..

این نوع تغییر شکل نیز برگشت ناپذیر است. بعد از اینکه مواد به پایان مرحله الاستیک و سپس مرحله پلاستیک رسیده باشند شکست رخ می دهد. در این مرحله نیرو ها تا زمانیکه برای ایجاد شکستگی به حد کافی برسند انباشه می شوند. اگر نیروی کافی اعمال شود، تمام مواد در نهایت دچار گسیختگی می شوند.

تصورات غلط[ویرایش]

یک تصور غلط رایج این است که تمام موادی که خم می شوند ضعیف و آنهایی که خم نمی‌شوند مستحکم و قوی هستند. در واقع، اکثر موادی که تحت تغییر شکل های بزرگ الاستیک و پلاسیتک قرار دارند مانند فولاد، می تواند تنش هایی که باعث می شود مواد شکننده (مانند شیشه که دارای کمترین محدوده تغییر شکل پلاستیک است) بشکند را جذب کند.

منابع[ویرایش]

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «[۱]»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۲۷ مه ۲۰۰۹).