نحوه تعیین خصوصیات رفتاری مواد (فولاد سازه ای)

نحوه تعیین خصوصیات رفتاری مواد (فولاد سازه ای):
فولاد سازه ای با عناوین دیگری نظیر «فولاد نرم» (Mild Steel) یا «فولاد کم کربن» (Low-Carbon Steel) نیز شناخته می شود.

این فولاد یکی از پرکاربردترین فلزات مورد استفاده در ساختمان ها، پل ها، جرثقیل ها، کشتی ها، برج ها، وسایل نقلیه و بسیاری از سازه های دیگر است.

شکل زیر، نمونه ای از منحنی تنش-کرنش برای یک فولاد سازه ای تحت کشش را نشان می دهد. مقادیر کرنش بر روی محور افقی و مقادیر تنش بر روی محور عمودی قرار دارند. توجه داشته باشید که به منظور نمایش تمام ویژگی های مهم این ماده در منحنی زیر، محور کرنش با مقیاس برابر رسم نشده است.

همان گونه که مشاهده می کنید، ابتدای منحنی با یک خط راست از نقطه O تا نقطه A شروع می شود. این قسمت، بیانگر خطی و متناسب بودن رابطه بین تنش و کرنش در بخش اولیه منحنی است. پس از نقطه A، تناسب بین تنش و کرنش از بین می رود.

به همین دلیل، نقطه A با عنوان «حد تناسب» (Proportional Limit) شناخته می شود. برای فولادهای کم کربن، حد تناسب در محدوده ای بین 210 تا 350 مگاپاسکال قرار دارد اما برای فولادهای مقاوم (میزان کربن بالا به همراه آلیاژهای دیگر)، این حد دارای مقادیری بیشتر از 550 مگاپاسکال است.

شیبِ خط مستقیم بین نقاط O و A، «مدول الاستیسیته» (Elasticity Modulus) نام دارد. شیب خط در این ناحیه از تقسیم تنش بر کرنش به دست می آید؛ از این رو، واحد مدول الاستیسیته با واحد تنش برابر است.

با عبور از حد تناسب، کرنش با سرعت بیشتری تغییر می کند. به این ترتیب، شیب منحنی تنش کرنش کوچک و کوچک تر می شود.

این کاهشِ شیب تا نقطه B ادامه می یابد. از نقطه B به بعد، منحنی به صورت یک خط افقی درمی آید. از نقطه B تا C، بدون افزایش قابل توجه نیروی کششی، میزان کشیدگی نمونه مورد آزمایش به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.

این پدیده با عنوان پدیده «تسلیم» (Yielding) و نقطه B با عنوان «نقطه تسلیم» (Yield Point) شناخته می شود. میزان تنش اعمال شده در این نقطه، «تنش تسلیم» (Yield Stress) فولاد مورد آزمایش را نمایش می دهد.

در ناحیه B تا C، فولاد به یک ماده کاملاً پلاستیک تبدیل می شود. در این حالت، تغییر شکل بدون افزایش بار اعمال شده درون ماده رخ می دهد. میزان کشیدگی یک نمونه فولاد نرم در ناحیه کاملاً پلاستیک بین 10 تا 15 برابر میزان کشیدگی در ناحیه خطی (نقطه شروع بارگذاری تا حد تناسب) است.

به دلیل ایجاد تغییر شکل های بسیار بزرگ در ناحیه پلاستیک و نواحی پس از آن، منحنی تنش-کرنش با مقیاس برابر رسم نمی شود.

پس از تسلیم ماده در ناحیه BC و ایجاد کرنش های بزرگ، رفتار «سخت شوندگی کرنش» (Strain Hardening) در فولاد مشاهده می شود.

در حین سخت شوندگی کرنش، ساختار کریستالی ماده در معرض تغییر قرار می گیرد و مقاومت آن در برابر تغییر شکل های بیشتر افزایش می یابد. کشیدگی نمونه مورد آزمایش در این ناحیه نیازمند افزایش میزان بار کششی است.

به همین خاطر، منحنی تنش-کرنش از نقطه C تا D شیب مثبت دارد. در انتهای این بخش از منحنی، بار اعمال شده به مقدار حداکثری خود می رسد. به میزان تنش در نقطه D، «تنش نهایی» (Ultimate Stress) گفته می شود.

از این نقطه به بعد، کشیدگی بیشتر نمونه با کاهش میزان بار همراه است. در نهایت، نمونه در نقطه ای مانند E می شکند.

تنش تسلیم و تنش نهایی ماده به ترتیب با عناوین «مقاومت تسلیم» (Yield Strength) و «مقاومت نهایی» (Ultimate Strength) نیز شناخته می شوند. مقاومت، یک اصطلاح کلی برای بیان ظرفیت سازه در برابر بارهای اعمال شده است.

به عنوان مثال، مقاومت تسلیم یک میله، مقدار بار مورد نیاز برای ایجاد تسلیم و مقاومت نهایی یک خرپا، حداکثر بار قابل تحمل (بار شکست) را نمایش می دهد.

با این وجود، برای تعیین میزان ظرفیت باربری در هنگام اجرای آزمایش کششی بر روی یک ماده خاص، به جای استفاده از مجموع بارهای اعمال شده بر روی نمونه، میزان تنش های موجود در نمونه مورد استفاده قرار می گیرد.

در نتیجه، مقاومت ماده معمولاً با عبارت تنش بیان می شوند.

هنگامی که یک نمونه در معرض کشش قرار می گیرد، «انقباض عرضی» (Lateral Contraction) در آن رخ می دهد و مساحت سطح مقطع کاهش می یابد. تأثیر این کاهش مساحت در مقادیر تنش تا نقطه C غیر قابل توجه است.

با این وجود، تغییرات سطح مقطع پس از نقطه C باعث تغییر شکل منحنی تنش-کرنش می شود. در نزدیکی تنش نهایی، کاهش مساحت نمونه را می توان به وضوح مشاهده کرد.

به این تغییرات قابل مشاهده، رخ دادن «باریک شدگی» (Necking) در نمونه می گویند.

در صورت استفاده از مساحت سطح مقطع ناحیه باریک شدگی، منحنی تنش-کرنش واقعی (خط چین ′CE) به دست می آید.

مشخصاً میزان ظرفیت باربری نمونه پس از تنش نهایی کاهش می یابد (منحنی DE) اما دلیل این موضوع، کاهش مساحت سطح مقطع نمونه است و به از بین رفتن مقاومت ماده ارتباطی ندارد.

در حقیقت، ماده تا هنگام رخ دادن شکست در نقطه ′E، افزایش میزان تنش واقعی را تحمل می کند. با این وجود، معمولاً در مسائل واقعی از منحنی تنش-کرنش مرسوم (منحنی OABCDE) استفاده می شود.

چراکه طراحی اکثر سازه ها بر اساس عملکردشان در ناحیه پایین حد تناسب صورت می گیرد. در مجموع، رسم منحنی تنش-کرنش مرسوم ساده است و اطلاعات به دست آمده از آن برای طراحی های مهندسی کفایت می کند.

نمودار بالا، خصوصیات کلی منحنی تنش-کرنش برای فولاد نرم را نمایش می دهد اما به دلیل برابر نبودن مقیاس نمودار، خصوصیات نمایش داده شده در آن واقعی نیستند.

کرنش B تا C بیش از 10 برابر کرنش O تا A است. علاوه بر این، میزان کرنش از C تا E تغییرات بسیار بیشتری نسبت به محدوده B تا C دارد. شکل زیر، رابطه صحیح بین تنش و کرنش برای فولاد نرم را با مقیاس برابر نمایش می دهد.

در این شکل، تغییرات کرنش از نقطه 0 تا نقطه A در مقایسه با تغییرات کرنش از نقطه A تا نقطه E بسیار کوچک است. به همین دلیل بخش اولیه منحنی را نمی توان به خوبی مشاهده کرد و این بخش به شکل یک خط عمودی به نظر می رسد.

از مشخصات مهم فولاد سازه ای می توان به وجود یک نقطه تسلیم کاملاً مشخص و به دنبال آن رخ دادن کرنش های پلاستیک بزرگ اشاره کرد.

گاهی اوقات از این مشخصات در طراحی های کاربردی استفاده می شود. فلزاتی نظیر فولاد سازه ای که کرنش های دائمی بزرگ را پیش از رخ دادن شکست تجربه می کنند، در گروه مواد «شکل پذیر» (Ductile) قرار می گیرند.

شکل پذیری خاصیتی است که تبدیل یک میله فولادی به یک قوس دایره ای یا تبدیل آن به یک سیم را بدون رخ دادن هیچ گونه شکستی امکان پذیر می کند.

در صورت اعمال بارهای بسیار بزرگ به مواد شکل پذیر، انحراف سازه قابل مشاهده خواهد بود. این موضوع، یکی از ویژگی های مطلوب این گونه مواد به شمار می رود؛ چراکه با مشاهده انحراف سازه، امکان اتخاذ اقدامات پیشگیرانه قبل از وقوع شکست فراهم می شود.

علاوه بر این، مواد شکل پذیر می توانند انرژی کرنشی زیادی را قبل از رخ دادن شکست جذب کنند.

فولاد سازه ای، یک نوع آلیاژ آهن با حدود 0.2 درصد کربن است. این آلیاژ در گروه فولاد کم کربن قرار می گیرد.

با افزایش میزان کربن، شکل پذیری فولاد کاهش اما مقاومت (تنش تسلیم و تنش نهایی) آن افزایش می یابد.

علاوه بر میزان کربن، عملیات حرارتی، وجود فلزات دیگر و فرآیندهای ساخت ماده (نظیر نورد) نیز بر روی خصوصیات فیزیکی فولاد تأثیرگذار هستند.

موادی از قبیل آلومینیوم، مس، منیزیم، سرب، مولیبدنیوم، نیکل، برنج، برنز، فلز مونل، نایلون و تفلون نیز در شرایط خاص همانند مواد شکل پذیر رفتار می کنند.