تنش تسلیم فولاد چیست؟
تنش تسلیم فولاد یک ویژگی مهم در رابطه با فولاد است که با توجه به نوع کاربرد توسط افراد متخصص اندازه‌گیری شود. فولاد، آلیاژی است که از ترکیب آهن و درصد معینی از کربن ساخته می شود. فولاد همانند سایر مواد دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاص خود است. اگر ترکیب شیمیایی آن تغییر کند مسلما در برخی ویژگی های آن نیز تغییر ایجاد خواهد شد. به طور مثال اگر درصد کربن آهن بیشتر شود سختی افزایش می یابد اما از میزان شکل پذیری آن کاسته می شود.
ویژگی های فیزیکی یک ماده شامل تنش تسلیم، استحکام نظری، استحکام نهایی، چکش خواری و… است. فولاد یکی از محبوب ترین مصالح ساختمانی است. برای ساخت و سازهای کوچک تا آسمان خراش ها از فولاد استفاده می کنند. به دلیل انعطاف پذیری، استحکام کششی و ارزش فوق العاده بالا، مورد ستایش قرار می گیرد. فولاد انواع مختلفی دارد که هر کدام دارای خواص مخصوص به خود هستند. در نتیجه کاربردهای مختلفی در ساخت و سازها دارند. بنابراین باید بتوانند بارهایی که بر روی شان قرار میگیرند را تحمل کنند و مقاومت لازم را در برابر نیروی های کششی، خمشی و فشاری داشته باشد. در نتیجه لازم است میزان مقاومت فولاد در برابر نیروهای خارجی سنجیده شود.
یکی از معیارهایی که در مورد فولاد برای سنجش مقاومت در برابر نیروهای خارجی در نظر گرفته می‌شود اندازه گیری تنش تسلیم فولاد است. این تنش تسلیم توسط نمودار تنش-کرنش اندازه گیری می‌شود.
نمودار تنش-کرنش در بیان تنش تسلیم فولاد
پیش از آشنایی با تنش تسلیم فولاد باید با نمودار تنش-کرنش و مفاهیم آن آشنا شویم. نمودار تنش-کرنش (stress-strain curve) اطلاعات مهمی از رفتار فولاد یا هر ماده دیگر در برابر نیروی وارده به شما خواهد داد. این نمودار رابطه بین تنش و کرنش در ماده را با رسم شکل نشان میدهد. تنش، نیروهای خارجی هستند که به ماده (جسم) در واحد سطح وارد میشوند که یک پاسکال (واحد نیوتن بر مترمربع) است. این نیروها باعث تغییر در فولاد یا هر ماده دیگری میشوند.
کرنش زمانی گفته می شود که در ماده، بر اثر نیروی وارده، تغییرات ایجاد شود. طول تغییر شکل یافته ماده به طول اولیه همان ماده، کرنش گفته می شود. بارهای وارد شده شامل نیروی خمشی (پیچشی) کششی و فشاری است. نمودار کرنش-تنش دارای دو بخش است:
- نمودار الاستیک: پس از قطع نیروی وارده، ماده به حالت اولیه برمیگردد.
- پلاستیک: بعد از قطع نیروی وارده، ماده حالت اولیه خود را از دست میدهد.
تفسیر این نمودار بسیار پیچیده است. البته باید بدانیم که توسط این نمودار ویژگی‌های دیگری مانند مدول الاستیسیته، شکل‌پذیری، مقاومت نهایی و چقرمگی نیز به دست می آید. زمانی که هیچ نیرویی وارد نشود نمودار تنش-کرنش صفر خواهد بود.
تنش تسلیم در فولاد با توجه به نمودار تنش-کرنش
برای محاسبه تنش تسلیم فولاد باید به نوع فولاد توجه کرد. در صنعت ریخته گری و تولید فولاد انواع مختلفی از آلیاژها با پایه فولاد وجود دارند. یعنی آلیاژهای آهنی که پایه اصلی آن آهن و سایر عناصر دیگر هستند دارای نمودار تنش-کرنش متفاوتی هستند. بنابراین دارای تنش تسلیم متفاوت و ویژه خود میباشند. به طور مثال تنش تسلیم آلومینیوم-فولاد، تنش تسلیم فولاد-کربن متوسط با فولاد پرکربن متفاوت است.
بنابراین قبل از استفاده از فولاد (در ساختمان سازی یا هر سازه فولادی) باید پارامترهای مهمی مانند تنش تسلیم فولاد و ویژگی‌های دیگر محاسبه شوند. به دلیل اینکه تحمل حجم بار و فشاری که میتواند تحمل کند مشخص شود. میتوان اینطور بیان کرد که تنش تسلیم یک ویژگی است که قابلیت مشاهده مستقیم ندارد اما نقش مهمی در سازههای فولادی بر عهده دارد.
نقطه تسلیم فولاد
در بیان نمودار تنش-کرنش برای بیان تنش تسلیم فولاد دو خاصیت را بیان کردیم، خاصیت الاستیک و خاصیت پلاستیک. در نمودار و منحنی تنش-کرنش نقطه ای به نام نقطه تسلیم وجود دارد. این نقطه جایی است که ماده خاصیت الاستیک خود را از دست خواهد داد. از این نقطه به بعد ماده یا فولاد شکل پلاستیک را به خود خواهد گرفت. شیب منحنی تنش-کرنش کاهش خواهد یافت. ماده دیگر به حالت و شکل اولیه خود باز نخواهد گشت. بیان تنش تسلیم نیز در این مفهوم نهفته است. یعنی بیشترین نیرویی که بر واحد سطح فولاد وارد می شود بدون اینکه دچار تغییر پلاستیک شود.
تنش تسلیم در فولاد
بدون آگاهی از مفاهیم تنش-کرنش نمی‌توان به مفهوم تنش تسلیم فولاد پی برد. این دو واژه و منحنی رسم شده برای هر ماده، در رشته های عمران، مکانیک و ساخت سازه های مختلف بسیار حائز اهمیت هستند. بیانگر مقاومت ماده و فولاد می باشند. بنابراین میتوان گفت تنش تسلیم، توانایی حداکثر نیرو و کششی است که قبل از کرنش (موجب شکست خواهد شد) به ماده وارد می‌شود. این تعریف در رابطه با انواع ماده از جمله فولاد صدق می‌کند. برای اطلاع از تنش تسلیم فولاد آزمایشهای ویژهای در شرایط کنترل شده در آزمایشگاه انجام می شود. در آزمایش مقاومت کششی می توان به میزان تنش تسلیم فولاد پی برد.
نکته مهم دیگر تنش نهایی فولاد است. تنش نهایی بیشترین تنشی است که بر فولاد وارد می‌شود. در زمان کشیده شدن است، قبل از آنکه به حداکثر میزان باریک شدن برسد و بتواند تنش را تحمل کند. مکان تنش نهایی در منحنی تنش-کرنش در بالاترین نقطه در منحنی قرار دارد.
آزمایش مقاومت کششی تنش تسلیم فولاد
آزمایشی که برای سنجش تنش تسلیم فولاد انجام می‌شود آزمایش مقاومت کششی است. در این آزمایش از یک قطعه فولادی (میله) که سطح مقطع آن در طول جسم یکسان باشد، استفاده می شود. این قطعه توسط دستگاهی تحت نیروی کششی قرار می‌گیرد. ناگفته نماند که این نیروی کششی کنترل شده است. این نیرو به تدریج افزایش می یابد تا زمانی که تغییراتی در ظاهر مشاهده شود.
میزان کشیدگی در قطعه فولادی توسط کشیدگی سنج های نوری یا مکانیکی اندازه گیری می شود. سپس کرنش طولی و عرضی آن ثبت می شود. این نیرو تا جایی ادامه می یابد که دیگر فولاد تسلیم شده و به دو تکه تقسیم می شود. در این زمان فولاد تسلیم خواهد شد. این آزمایش مشخص می‌کند که هر سازه فولادی چه میزان بار را میتواند تحمل کند تا دچار تغییر، خمش و… نشود. در نتیجه میزان بار نهایی، کمتر از میزان تحمل فولاد در نظر گرفته می شود.
انواع فولاد بر اساس مقاومت
با توجه به تنش تسلیم فولاد می توان فولاد را بر اساس مقاومت، به سه دسته تقسیم کرد. هر یک از آن ها تنش تسلیم ویژه خود را دارند که معیار انتخاب مهندس سازه قرار می‌گیرد. تنش نهایی (مقاومت گسیختگی) هر یک از آن ها متفاوت است. این سه دسته عبارتند از:
- فولاد نرمه معمولی: از ترکیب آهن و کربن (15% تا 29%) ساخته می‌شود. دارای تنش تسلیم 2200 الی 2600 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع میباشد.
- فولاد پر مقاومت: عناصری مانند کربن، کروم، منگنز، نیکل، مس و… به فولاد اضافه می‌شود. تنش تسلیم آن 2750 الی 4800 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع میباشد.
- فولاد با مقاومت فوق العاده بالا: فروآلیاژ ها و آلیاژهای مختلفی در ساخت آن استفاده می‌شود. تنش تسلیم آن تا 7000 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است که به فولاد خشکه معروف میباشد.
https://www.cliftonsteel.com/knowledge-center/tensile-and-yield-strength
