آزمايشگاه مقاومت مصالح

هدف از آزمايشگاه مقاومت مصالح :
كليه قطعاتي كه در ماشينها و دستگاههاي صنعتي بكار برده مي شود داراي مقاومت و سختي هاي مربوط به خود هستند كه مهندسين بعد از طرح ريزي يك ماشين يا دستگاه صنعتي و كلية محاسبات مربوط به نيروهاي وارد بر هر قطعه از اين دستگاهها مي بايست كه قطعات فوق را با قطعه اي با جنس همان از نظر سختي و مقاومتشان مورد آزمايش قرار مي دهند تا متوجه شوند آيا قطعه مزبور تحمل نيروها و يا تنش هاي وارد بر خود را دارد يا نه؟ اين سختي ها توسط ماشين ها و دستگاههاي مختلف انجام مي شود .

مقاومت مصالح چيست ؟
وقتي جسمي تحت تاثير نيروي خارجي قرار مي گيرد بر حسب مقدار و نحوة تاثير نيرو از خود مقاومتهاي مختلفي نشان مي دهد . علمي كه نحوة اثر نيرو به اجسام و عكس العمل را كه آنها از خود نشان مي دهد را بررسي مي كند را مقاومت مصالح مي گويند .
مقاومت مصالح از روابط و نسبت بين نيروهاي خارجي و قواي داخلي اجسام ( قواي به هم چسبندگي) ذرات جسم بحث مي كند . اين روابط به جنس جسم و ابعاد جسم و نحوة وارد آمدن نيرو بستگي دارد .

اصطلاحات رايج در مقاومت مصالح :
استحكام : استحكام يا مقاومت عبارت است از حداكثر ايستادگي قواي داخلي جسم در مقابل نيروهاي خارجي .
تلاش : مقاومتي كه مولكول هاي جسم در مقابل نيروهاي خارجي براي جلوگيري از تغيير فرم نشان مي دهند تلاش نام دارد .
تنش : براي سنجش استحكام جسم معمولا نيرويي كه بر واحد مسطح اثر مي كند به حساب آورده و آن را تنش گويند .

آزمايش كشش
هدف : بوسيله آزمايش كشش فلزات و رسم دياگرام تنش و تغيير طول نسبي ( نسبت تغيير طول به طول اوليه ) مي توان اطلاعات لازم را دربارة چگونگي تاثير نيرو به ذرات جسم و عكس العمل را كه جسم با افزايش نيرو از خود نشان مي دهد بدست آورد .

نحوة آزمايش :
چنين خواهد بود كه نمونه اي از جسم به طول و سطح مقطع معين تهيه و آن را بين دو گيرة دستگاه آزمايش كشش بسته و ابتدا جسم را تحت تاثير نيروي كمي قرار داده و ازدياد طول ناشي از اعمال اين نيرو را اندازه مي گيريم . عمل فوق را با نيروهاي بيشتر تا بدان جا ادامه مي دهيم كه منجر به پاره شدن نمونة مورد آزمايش قرار گيرد . حال اگر مشخصات بدست آمده را در روي محور مختصاتي كه محور عمودي آن نمودار تنش و محور افقي آن درصد افزايش طول نسبي را نشان مي دهد منتقل كرده و آن ها را به هم وصل مي كنيم . دياگرام شبيه دياگرام زير بدست مي
آيد كه در آن حدود نشان داده شده در دياگرام قابل تشخيص است . E= L_L/L

P : حد تناسب = حدي است كه زير آن تغغييرات
تنش با تغييرات افزايش طول نسبي متناسب است و
چون اين نقطه نزديك به نقطه E قرار داد معمولا مشخصات نقطه E را به جاي آن در نظر مي گيرند .

E : حد الاستيسيته = حدي است كه زير آن اگر نيرو حذف شود جسم به حالت اوليه خود برمي گردد . تنش در اين حد را تنش الاستيك گفته و با E نشان مي دهند .
S : حد رواني = حدي است كه با حذف نيرو جسم كاملا به حالت اوليه برنمي گردد و يك تغيير طول دائمي جزئي در آن بوجود مي آيد . كمي بالاتر از اين حد جسم به حالت رواني خود رسيده يعني لايه هاي كريستالي از محل خود شروع به حركت كرده و با ثابت ماندن تنش اضافه طولي در جسم مشاهده مي شود كه از آن به بعد براي ادامة آزمايش نياز به افزايش تنش داريم . يعني در پايان اين حد ذرات داخلي جسم حداكثر تلاش خود را براي جلوگيري از تغييرات طول بيشتر شروع خواهند كرد . تنش در اين حد را تنش رواني گفته و با علامت (S) مشخص مي كنند .
C _D: نقطه تسليم پايين : ( C.D) در يك بار ثابت فقط كرنش اضافه مي شود .

B : حد شكست : حدي است كه در آن جسم از محل ضعيف ترين سطح مقطع به طور ناگهاني شروع به لاغر شدن مي كند و سپس به دليل تقليل سطح مقطع ادامه آزمايش با نيروي كمتري امكان پذير است . اين حد را تلاش يا تنش ماكسيمم گفته و با علامت (B) مشخص مي كنند . تنش كششي max كليه فولادها از طرف كارخانة سازنده مشخص مي شود مثلا st37 مشخص كنندة فولادي است كه استحكام كششي آن ۳۷۰ N/mm مي باشند.
(z) حد انقطاع : حدي است كه در آن مقطع جسم از هم باز شده و جسم پاره مي شود نحوة وارد آوردن نيرو بر جسم تنش هاي مختلفي در جسم ايجاد مي كند .

نمودارهاي انواع مواد :

قانون هوك : براي اولين بار شخصي به نام رابرت هوك كشف كرد كه در زير حد الاستيسيته ازياد طول نسبي متناسب با تنش مي باشد . در دياگرام تغيير طول نسبي و تنش چون منحني تغييرات قبل از حد الاستيسيته به صورت يك خط مستقيم مي باشد . لذا مي توان ضريب زاوية آن را به صورت زير نوشت :

براي هر فلز ضريب زاويه منحني فوق مقدار ثابتي است كه آن را با حرف (E) نشان داده و با نام مدول الاستيسيته مشخص مي كنند كه مقدار آن از طرف كارخانه سازنده براي هر فلز مشخص شده است .
E = tg Q Q/4

مشخصات قطعة كار : جنس قطعه مس مي باشد . سطح قطعة كار بايد كاملا صاف و صيقلي باشد در غير اينصورت امكان دارد از نواحي داراي زايده بشكند .

ساختمان دستگاه آزمايش تنش و كرنش : شامل يك فلكه سيلندر و پيستون هيدروليكي براي اعمال نيرو به فك متحرك پيستون حركت دهندة فك متحرك _ فك ثابت _ رگلاتور _ نيرو سنج ( بر حسب Kn ) ساعت اندازه گيري با دقت ۰٫۰۱ ميليمتر .
شرح آزمايش :
ابتدا در حدود ۰٫۵ Kn نيرو وارد مي كنيم تا لقي را بگيريم و سپس ساعت اندازه گير را صفر كرده و عقربه هاي نيروسنج را با هم هماهنگ مي كنيم . بعد نيرو را۰٫۵ Kn به ترتيب اضافه مي كنيم . به اين كار ادامه مي دهيم تا قطعه از هم بشكند .
F (نيرو) ۱ ۱٫۵ ۲ ۲٫۵ ۳ ۳٫۴ ۴ ۴٫۵ ۵ ۵٫۵ ۶
E (كرنش) ۰٫۰۴ ۰٫۱ ۰٫۱۶ ۰٫۲۰ ۰٫۲۴ ۰٫۳۰ ۰٫۳۲ ۰٫۳۵ ۰٫۳۷ ۰٫۴۰ ۰٫۴۳
F (نيرو) ۹ ۹ ۸٫۵ ۸٫۲۵ ۸ ۷٫۵ ۶٫۵ ۷ ۷٫۵ ۸ ۸٫۵
E ( كرنش ) ۰٫۶۶ ۱٫۵ ۱٫۷۴ ۱٫۹۴ ۲٫۲۰ ۲٫۴۸ ۰٫۴۶ ۰٫۴۸ ۰٫۵۱ ۰٫۵۵ ۰٫۵۹

آزمايش خمش يا خيز :
تير افقي A.B را كه در انتهاي آن بر روي تكيه گاه ساده اي قرار گرفته و به قسمت وسط آن بار (F) اثر مي كند در نظر بگيريد .
چنين باري كه فرض شده در يك نقطه اثر مي كند بار متمكز يا نقطه اي مي گويند . چون تير در حال تعادل قرار دارد و بار در وسط تير اثر كرده است عكس العمل هاي (RB) و (RA) كه به ترتيب مربوط به تكيه گاه هاي (A,B) مي باشند هر كدام ( F/2) خواهند شد .
اگر بار وارده نسبت به تكيه گاه ها متقارن باشند نصف بار را يك تكيه گاه و نصف ديگر را تكيه گاه ديگر عمل مي كند . تنش خمشي در يك تير از رابطة E = m/w محاسبه مي گردد كه در آن m گشتاورmax و w آسايش مقطع به سطح مقطع تير است .

هدف آزمايش :
يكي از فاكتورهاي مهم در تيرها مقدار تغيير جابه جايي در امتداد محور y ها مي باشد كه در اثر اعمال نيرو متمركز ايجاد مي شود ( نيرو مي تواند گسترده باشد ) در اين آزمايش بايد به اين سؤال پاسخ داده شود كه اگر قطعه اي بين دو تكيه گاه قرار گيرد و يك بار f به آن وارد شود چه مقدار تغيير شكل در قطعه بوجود مي آيد.
آزمايش ضربه :
محاسبه مقدار مقاومت در برابر ضربه
جنس و محيط در مقاومت به ضربه بستگي دارد .
بررسي مواد مختلف و حرارتهاي مختلف :

يك ماده با وجود انعطاف پذيري و استحكام بالايي كه دارد تحت تاثير عواملي مي تواند ترد و شكسته شود بدين صورت كه تحت آن شرايط تمايل به يك شكست ناگهاني با مقدار بسيار كمي تغيير شكل پلاستيكي پيدا مي كند طبيعتا اين پديده مي تواند خطراتي را به دنبال داشته باشد . عمده ترين عوامل مؤثر عبارتند از درجه حرارتهاي پايين . سرعتهاي بالاي وارد آمدن تنش و حالت تنش سه محوري علت ظاهر گشتن حرارت محوري مي تواند تجمع رسوبات با فازهاي سخت مخصوصا در مرز دانه ها _ نفوذ گازها _ ايجاد عيوب ( جاهاي خالي ) همچنين اثرات خوردگي و اكسيداسيون باشد از اين جهت گفته مي شود كه در مواضع نظمي وجود دارد مقدار تنش ايجاد شده به طور موضعي از تنش شكست تجاوز كرده و ترك ظاهر و به محض شروع ترك تمركز تنش پيش مي آيد و ترك گسترش يافته منجر به شكست مي شود .

از مهمترين و متداولترين روشهاي آزمايش ضربه دو روش چاپي و ايزووات اين دو روش تنها در طرز قرار گيري نمونه ها در دستگاه آزمايش ضربه با يكديگر تفاوت دارند . از روش چاپي در انتهاي نمونه به طور آزاد بر روي تكيه گاه قرار دارد و ضربه توسط آونگي كه از نقطة تعاوش منحرف شده به پشت شيار نمونه وارد مي شود .

از عوامل مهم در اين آزمايش درجه حرارت است زيرا فلزات در درجه حرارت هاي بالاتر و يا انعطاف پذيرترند لذا براي شكست آنها انرژي بيشتري لازم است در درجه حرارت هاي پايين بيشتر فلزات رفتاري تردتر خواهند يافت به همين جهت در صنايع هواپيماسازي _ كشتي سازي _ قطارسازي _ پل سازي _ مخزن سازي لازم است كه رفتار فلزات را در درجه حرارتهاي پايين نيز مد نظر قرار دهند .

نحوة آزمايش :
يك پازول كه در حال نوسان مي باشد داراي يك انرژي ثابت نيز مي باشد و زمانيكه رها مي شود حول محور خود نوسان مي كند اگر عاملي جلو حركت آن را نگيرد به همان ارتفاع قبلي در طرف ديگر بالا مي رود ولي اگر عاملي جلو آن را بگيرد به علت از دست زاويه اولي دادن مقداري انرژي ديگر آن ارتفاع قبلي B زاويه را به دست نمي آورد مقداري از اين انرژي صرف متلاشي كردن عامل بازدارنده ( قطعه كار ) و متواري ديگر انرژي هم مصرف بالا آمدن پاندول مي شود اگر قطعه سخت و محكم باشد مقدار ارتفاع ( زاويه B ) كم مي شود و اگر نقطه باشد مقدار ارتفاع (زاويه B ) بيشتر مي شود .

وزن پازول =W
طول بازوي پازول = L
زاويه پازول = P

A: مقدار انرژي كه صرف متلاشي كردن جسم A=W.L( COS B _ COS P ) مي گردد. ( kg.m)
براي محاسبه مقدار مقاومت در برابر ضربه قطعه كار موردنظر خود رابطه زير استفاده مي شود : a = A/S A= مقدار مقاومت در برابر ضربه kg m/cm2
S= سطح مقطع شكسته شده جسم بر حسب (cm 2 )

طبق قانون بقاي انرژي مي بايست كه رابطه فوق صادق باشد .
انرژي پازول در حالت اوليه برابر است با انرژي متلاشي كردن قطعه E = A+E2 به اضافه انرژي ثانويه پازول از آزمايش فوق مشخص مي شود كه هر چه جسم ما سخت تر باشد مقدار انرژي شكست آن سخت تر و هر چه جسم نرمتر باشد مقدار ازرس شكست آن بيشتر مي باشد .

آزمايشگاه مقاومت مصالح
آزمايش پيچش :
عنوان : محاسبة ضريب ارتجاعي برش

اعضايي كه تحت پيچش قرار مي گيرند در كارهاي مهندسي زياد به چشم مي خورند . در اين آزمايش عضوي را كه تحت پيچش قرار دارد مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد . اين پيچش در اثر اعمال يك گشتاور يا كوپل روي عضو صورت مي گيرد . شفت مدوري را كه يك انتهايش به تكيه گاه ثابت محصول است در نظر بگيريد . اگر گشتاور (T) به انتهاي ديگر اين شفت يا ميله اعمال مي گردد . شفت پيچش خورده و انتهاي آزاد آن به اندازه (Q) مي چرخد اين زاويه را زاوية پيچش مي نامند . آزمايشات و مشاهدات انجام يافته نشان مي دهد كه در يك محور مشخص از گشتاور(T) زاوية پيچش (Q) باگشتاور متناسب است . همچنين زاوية (Q)با طول شفت نيز متناسب مي باشد . ( زاوية پيچش )در ناحيه الاستيك كه از رابطة : Q=T.L/G.J بدست مي آيد .

معادلة فوق ما را به يك روش راحت براي تعيين مدول صلابت يا ضريب ارتجاعي بررشي يك مادة داده شده مجهز مي نمايد . نمونه اي از اين ماده به شكل يك مفتول استوانه اي با قطر و طول معلوم در يك ماشين آزمايش پيچش سوار شده و گشتاور اعمال مي شود و مقادير زاوية پيچش (Q) ثبت مي شود تا زماني كه تنش اعمالي از تنش سيلام ماده تجاوز ننمايد .
Q = T .L/ G.J G = (f.d )/ Q j *L