استحکام فلز به توانایی مواد فلزی در مقاومت در برابر تغییر شکل و آسیب در هنگام قرار گرفتن در معرض نیروهای خارجی اشاره دارد. یکی از شاخص های مهم برای اندازه گیری خواص مکانیکی مواد فلزی است.
تعریف و طبقه بندی مقاومت فلز
استحکام فلز را می توان با توجه به اشکال مختلف نیروی خارجی به انواع مختلفی تقسیم کرد.
استحکام کششی (استحکام کششی):
به حداکثر نیروی کششی که یک ماده فلزی می تواند در آزمایش کشش تحمل کند، اشاره دارد، یعنی حداکثر مقدار تنشی که نمونه در طول فرآیند کشش به آن رسیده تا زمانی که شکسته شود. استحکام کششی حداکثر ظرفیت باربری یک ماده فلزی در شرایط کششی استاتیک است.
مقاومت فشاری:
به حداکثر توانایی یک ماده فلزی برای مقاومت در برابر آسیب تحت فشار اشاره دارد. مشابه استحکام کششی، اما جهت نیرو مخالف است.
استحکام خمشی:
به توانایی یک ماده فلزی برای مقاومت در برابر آسیب هنگام قرار گرفتن در معرض نیروی خمشی اشاره دارد. این نشان دهنده خواص مکانیکی مواد تحت بار خمشی است.
مقاومت برشی:
به حداکثر توانایی یک ماده فلزی برای مقاومت در برابر آسیب برشی تحت نیروی برشی اشاره دارد. نیروی برشی نیرویی عمود بر سطح ماده است که باعث لغزش نسبی داخل ماده می شود.
قدرت خستگی:
به حداکثر تنشی اشاره دارد که یک ماده فلزی می تواند بدون شکستن در تعداد مشخصی از چرخه ها (مانند 10^7 بار) در هنگام قرار گرفتن در معرض تنش متناوب (یا کرنش متناوب) تحمل کند. استحکام خستگی یک شاخص مهم عملکرد یک ماده تحت بار متناوب است.
استحکام پیچشی و سختی
علاوه بر این، شاخص های مقاومت دیگری مانند مقاومت پیچشی و سختی وجود دارد که برای مشخص کردن خواص مکانیکی مواد فلزی در شرایط تنش مختلف استفاده می شود.
عوامل موثر بر استحکام فلز
ساختار کریستالی فلز:اندازه دانه، جهت کریستال، و خواص مرزهای دانه بر استحکام فلز تأثیر می گذارد. هرچه اندازه دانه کوچکتر و مرز دانه بیشتر باشد، معمولاً استحکام مواد فلزی بالاتر است.
عناصر آلیاژی:استحکام مواد فلزی را می توان با افزودن عناصر آلیاژی به میزان قابل توجهی تغییر داد. عناصر آلیاژی می توانند ساختار کریستالی، اندازه دانه و خواص مرزی دانه فلز را تغییر دهند و در نتیجه بر استحکام مواد تأثیر بگذارند.
کار سرد و عملیات حرارتی:کار سرد (مانند نورد سرد، کشش سرد و غیره) می تواند به طور قابل توجهی استحکام مواد فلزی را بهبود بخشد، زیرا کار سرد می تواند نابجایی ایجاد کند و رشد دانه ها را محدود کند. عملیات حرارتی (مانند بازپخت، کوئنچ و غیره) می تواند استحکام مواد فلزی را با تغییر ساختار کریستالی تنظیم کند.
درجه حرارت:دما تأثیر بسزایی در استحکام مواد فلزی دارد. در دماهای بالا معمولاً استحکام فلزات کاهش می یابد زیرا ساختار کریستالی ناپایدار می شود. با این حال، در دماهای پایین، برخی از فلزات می توانند استحکام بسیار خوبی از خود نشان دهند که به آن اثر تقویتی در دمای پایین می گویند.
مرزها و عیوب دانه:مرزهای دانه رابط بین دانه های مجاور هستند که در آن بی نظمی در آرایش اتم ها وجود دارد. مرز دانه ها می تواند مانع حرکت نابجایی ها شود و در نتیجه استحکام مواد را افزایش دهد.
علاوه بر این، عیوب (مانند آخال، فضای خالی و غیره) نیز می تواند استحکام مواد فلزی را کاهش دهد.
روش های تست مقاومت فلز
تست کشش:نمونه فلزی روی دستگاه تست مکانیکی کشیده می شود تا زمانی که شکسته شود و داده های نیرو و تغییر شکل نمونه برای به دست آوردن منحنی تنش-کرنش ثبت می شود. مدول الاستیک، استحکام تسلیم، مقاومت کششی و سایر پارامترهای فلز را می توان از این منحنی محاسبه کرد.
توجه داشته باشید:
نتایج یک آزمایش کشش فلز معمولاً با یک منحنی کششی بیان می شود که رابطه بین بار و تغییر شکل نمونه را در طول فرآیند کشش توصیف می کند. منحنی کششی را می توان به مرحله الاستیک، مرحله تسلیم، مرحله تقویت و مرحله گردن و شکست تقسیم کرد.
مرحله الاستیک:در مرحله اولیه کشش، نمونه دچار تغییر شکل الاستیک می شود، یعنی با حذف نیروی خارجی، نمونه می تواند به حالت اولیه خود بازگردد. مدول الاستیک ماده در این مرحله قابل اندازه گیری است.
مرحله بازده:هنگامی که نمونه به نقطه تسلیم می رسد، تغییر شکل پلاستیک شروع به رخ دادن می کند، یعنی تغییر شکل برگشت ناپذیر است. نقطه تسلیم مبنای مهمی برای ارزیابی قدرت تسلیم مواد است.
مرحله تقویت:پس از مرحله تسلیم، نمونه وارد مرحله تقویت می شود، استحکام کششی ماده به تدریج افزایش می یابد و تغییر شکل پلاستیک به توسعه ادامه می دهد.
مرحله گردن و شکستگی:هنگامی که نمونه به حد استحکام کششی می رسد، انقباض موضعی قابل توجهی (گردن) رخ می دهد و سپس نمونه می شکند. شکست نتیجه نهایی آزمایش کشش و مبنای مهمی برای ارزیابی خواص کششی ماده است.
نتایج آزمایش کشش فلز معمولاً با یک منحنی کششی بیان می شود که رابطه بار-تغییر شکل نمونه را در طول فرآیند کشش توصیف می کند. منحنی کششی را می توان به مرحله الاستیک، مرحله تسلیم، مرحله تقویت و مرحله گردن و شکست تقسیم کرد.
