آزمایشگاه مقاومت مصالح

تعاریف و مفاهیم اولیه
انواع مواد بر اساس پیوند شیمیایی بین آنها :
– سرامیک – فلز – پلیمر در دو دهر اخیر:
– سرامیک – فلز – پلیمر – کامپوزیتها – نیمه هادی ها
انواع مواد بر اساس نوع واماندگی ۱ ) مواد ترد ۲ ) مواد شکل پذیر
انواع واماندگی شکست تغییر شکل

در مواد ترد واماندگی بصورت شکست و در مواد شکل پذیر واماندگی بصورت تغییر شکل است
خواص مکانیکی : استحکام، چترمگی، سفتی، سختی، سفتی، خزش، خستگی، شکل پذیری، ضربه، دانستیه،

خواص غیر مکانیکی : الکتریکی، مغناطیسی، نوری، گرمایی، شیمیایی، فیزیکی
استحکام : مقاومت ماده در برابر بارهای وارده است و هر چه استحکام ماده بالاتر ماده، تردتر می شود.
سفتی : (Stiddness) مقاومت ماده در برابر تغییر شکل ارتجاعی (الاستیک) است و هر چه ماده سفت تر شود ماده به سمت صلب، پیش می رود و توجه شود که عکس سفتی، انعطاف پذیری ماده یا همان Stexibihiby است و نه نرمی ماده.

E یا معمول یا تک و یا همان مرول الاستیک همان سفتی ماده است که قابل تغییر نیست. (E ، شیب منحنی در ناحیه ارتجاعی)
E با پیوند اتمی ارتباط دارد به همین خاطر ثابت است و قابل تغییر نیست لذا پیوند های کووالانسی و تونی E بالایی دارند (شکل سرامیکها) اما پلیمر ها که دارای پیوند واندرواس هستند E پایینی دارند.

چقومگی : میزان انرژی که ماده تا قبل از واماندگی می تواند جذب کند (سطح زیر نمودارتش – کرنش E ناحیه تا واماندگی کامل) هر چه این ساعت بیشتر باشد ماده چترمه تر است.
در چترمگی نه استحکام کامل لازم است و نه انعطاف پذیری کامل بلکه این دو خاصیت را همزمان دارا می باشد چترمگی در برابر ضربه اهمیت پیدا می کند.

جهندگی : میزان جذب انرژی در محدوده ی الاستیک تا رسیدن به نقطه تسلیم.
سختی : (Kardness) : مقاومت ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک موضعی که مقدار آن با استحکام نهایی مربوط است. (گلویی شدن در نقطه استحکام نهایی رخ می دهد).
استحکام تسلیم : مقدار باری که ماده می تواند تحمل کند اما وارد تغییر شکل پلاستیک نشود.
استحکام نهایی : ماکزیمم باری که جسم می تواند تحمل کند.

استحکام نهایی معیار طراحی نیست بلکه معیار طراحی استحکام تسلیم است بعضی از مواد شکل پذیر دارای نقطه تسلیم فوقانی و تحتانی هستند که نقطه تسلیم پایینی برای طراحی استفاده می شود.

بسمه تعالی
تعاریف پایه
۱ ) ماده : ماده عبارت از وجودی است که فضا گیر باشد.
۲ ) جسم : ماده ای را گویند که توسط یک سطح بسته محدود شده باشد.
۳ ) جسم صلب : جسمی که بین ذراتش هیچ جابجایی نسبی موجود نباشد، جسم صلب خوانده می شود.

۴ ) جسم تغییر شکل پذیر : موقعی که اثر نیروهای خارجی موثر بر یک جسم روی تنش و کرنش حاصل در اعضای داخلی آن جسم بررسی می شود ، لازم است خواص شکل پذیری جسم نیز در نظر گرفته شود.
۵ ) جسم همگن : جسمی است که دارای خواص یکسان در تمام نقاط باشد.
۶ ) الاستیسته مطلق : جسمی است که پس از برداشتن بارهای اعمالی کاملاً به شکل اولیه خود برگردد الاستیستیه مطلق گویند.

۷ ) اینروتروپ : ماده اینروتروپیک ماده ای است که خواص الاستیکی آن در تمام جهات یکسان باشد.
۸ ) جسم غیر اینروتروپیک : جسمی است که در یک نقطه بخصوص ، دارای خواث مختلف در جهات مختلف باشد.
۹ ) جسم ارتوتروپیک : جسمی است که در یک نقطه بخصوص دارای خواص مختلف در سه جهت عمود بر هم باشد.

مفهوم تنش :
بطور کلی مفهوم تنش عبارت است از اینکه زمانی که جسمی تحت اثر یک نیرو (کششی یا فشاری) قرار می گیرد ، نیور بر تک تک کریستال های آن جسم اثر کرد. و ایجاد تغیراتی می کند (اعم از تغییر حجم ، سطح ، طول).
طبق تعریف، تنش عبارت است از : نیروی وارده بر سطح مقطع جسم انداز = تنش
واحد اندازه گیری تنش نیوتن بر متر مربع یا پاسکال (Pa) می باشد .
واحد های بزرگتر اندازه گیری تنش در سیستم SI عبارتند از :
و

انواع تنش ها :
۱ – ۱ ) تنش نرمال :
در تنش نرمال (سی) راستای نیروی اعمالی از نظر هندسی بر سطح مقطع جسم عمود می باشد. تنش نرمال در دو حالت کششی و فشاری نتیجه اعمال نیروهای کششی و فشاری می باشد. تنش نرمال کمیتی است وابسته به سطح و برای محاسبه آن در هر مقطع دلخواه داشتن مقادیر نیرو و سطح مقطع الزامی است.

۲ – ۱ : تنش کششی : اگر تنش نرمال یا قائم باعث ایجاد کشش در مقطع بشود، به آن تنش کششی می گویند.
۳ – ۱ : تنشهای فشاری : در مقابل تنشهای قائمی که در بر مقطع فشار وارد می آورند، به تنشهای فشاری موسومند.
۲ : تنش برشی :
نوع دیگر تنش در حالتی قابل بررسی است که در آن نیروی اعمالی موازی با سطح مقطع اعمال شود.
تنش برشی (t) عبارت است از پشت نیروی اعمالی به سطح مقطع.
واحد اندازه گیری تنشهای نرمال و برشی برابر می باشند .

۳ : تنش در سطح مورب :
حالت سوم بررسی تنش ، مربوط به حالتی است که نیرو به صورت زاویه دار به سطح اعمال گردد.

تنش حاصل از اعمال نیروی عمود بر سطح (Fy) تنش نرمال و تنش حاصل از اعمال نیروی موازی با سطح (Fx) تنش برشی می باشد بدین معنا که اگر نیرو زاویه دار به مقطع جسم اعمال گردد باعث ایجاد تنشهای نرمال (قائم) و برشی توامان می شود.

توجه به نکات زیر حائز اهمیت است :
۱ ) تنش دارای مولفه های نرمال و برشی است ، لذا تنش کمیت تا نسوری مرتبه دوم است.
۲ ) شرط لازم برای اینکه تنش نرمال یکنواخت باشد، این است که نیرو از راستای مرکز گسل جسم عبور کند (نیروی معوری)
۳ ) تنش کمیتی است که در ارتباط با سطح مقطع تعریف می گردد ، اگر سطح مقطع بصورت نقطه ای در نظر گرفته شود. مقدار تنش بی نهایت خواهد شد (نیروی متمرکز)
حالت خاصی از تنش نرمال تحت عنوان تنش خمیدگی بصورت زیر تعریف می گردد.

تنش خمیدگی باعث لقی نشمینگاه می گردد.

نمودار تنش – کرنش
با توجه به نمودار (۱ – ۱ – ۲) نموداری که رابطه بین تنش و کرنش یک ماده را به نمایش می گذارد از مشخصات مهم مصالح است.

برای تعیین نمودار تنش – کرنش مصالح معمولاً یک آزمایش کششی ماده روی نمونه ای از آن مصالح انجام می دهند. یک نوع از نمونه هایی که معمولاً از آن استفاده می شود. در شکل (۱ – ۳) نشان داده شده است.

سطح مقطع ناحیه استوانه ای شکل نمونه بدقت تعیین می شود و به وسیله سنبه نشان، دو علامت مقیاس به فاصله از یکدیگر روی آن ناحیه حک می شود. طول ، فاصله مقیاس نامیده می شود.

نمونه آزمایشی سپس در دستگاه آزمایش (شکل) که از آن برای ایجاد نیروی محوری P استفاده می شود، قرار می گیرد، افزایش نیروی P ، فاصله L بین دو علامت مقایس نیز افزایش پیدا می کند شکل (۱ – ۴)
طول L توسط یک صفحه ورج اندازه گیری می شد. و افزایش – L – ۶ برای هر مقدار P ثبت می شود در دستگاه آزمایش معمولاً یک صفحه مدرج دیگر نیز وجود دارد که از آن برای ثبت تغییر است قطر نمونه استفاده می شود. برای هر زوج متناظر از قرائت های P و ۸ تنش ۶ از تقسیم نیروی P بر سطح مقطع اولیه نمونه ( ) و کرنش از تقسیم افزایش طول ۸ بر فاصله مقیاس ( ) بدست می آید. اگر مقادیر را روی محدود طول ها و مقادیر سی را روی عرض ها ببریم و از نقاط بدست آمده یک منحنی عبور دهیم، نمودار تنش – کرنش برای نمونه تحت آزمایش بدست می آید.
نمودار های تنش – کرنش مصالح مختلف، که توسط آزمایشات بدست می آیند، اختلاف زیادی با یکدیگر دارند. حتی برای یک نوع مصالح مشخص ، شکل این نمودار ها با توجه به درجه طررت محیط آزمایش ، سرعت آزمایش و چند متغیر دیگر، با یکدیگر متفاوت است. لیکن ، اگر بخواهیم کلی صحبت کنیم، در یک درجه حرارت ثابت برای مصالحی که رفتار آنها بستگی به زمان ندارد، دو نوع از این نمودار ها از آزمایشات نتیجه می شوند.
نوع اول که در شکل (۱ – ۵) الف ) نشان داده شده است، مشخصه فولاد نرمه و تعداد کمی از مصالح دیگر می باشد و نوع دوم که در شکل (۱ – ۵ – ب) نشان داده شده است، مشخصه بسیاری از مصالح دیگر می باشد. نمودار های تنش – کرنش مصالح گوناگون، از قبیل فولاد خشکه، تنبی و مس یکی از دو شکل زیر را دارا می باشند. لیکن حد کرنش که دین مصالح می توانند قبل از گسیختگی تحمل کنند، با یکدیگر متفاوت است

شیب این منحنی ها نیز به طور قابل ملاحظه ای متفاوت می کند. به تعبیر کلی، هر مصالح منحنی مربوط به خود را دارا می باشد. نقطه پایان در نمودار تنش – کرنش نشان دهنده شکست (یا گسیختگی) نمونه می باشد. مصالحی که تا هنگام گسیختگی بتوانند کرنشهای بزرگی را تحمل بکنند، به مصالح شکل پذیر معروف هستند مصالحی را که دارای این خاصیت نباشند. مصالح شکنند، نامند.

تنش ها معمولاً بر پایه سطح مقطع اولیه نمونه محاسبه می شوند. چنین تنشهایی اغلب تنشهای قرار دادی یا مهندسی نامیده می شوند. از طرفی در نمونه هایی که تحت تاثیر نیروی محوری قرار دارند. همیشه مقدار انبساط یا انقباض جانبی رخ می دهد.

در فولاد نرمه مخصوصاً در نزدیکی نقطه گسیختگی این پدیده به خوبی نمایان است و به پدیده بار یک شدن نمونه معروف می باشد. مصالح شکننده در دمای معمولی چنین خاصیتی را از خود بروز نمی دهند اگر چه ممکن است در نتیجه کشش مقداری انقباض و در نتیجه فشار مقداری انبساط در آنها بوجود بیاید. از تقسیم نیروی موثر بر سطح مقطع واقعی نمونه که در یک لحظه متناظر با آن نیرو می باشد. تنش واقعی بدست می آید. رسم تنش واقعی در مقابل کرنش. نمودار تنش – کرنش واقعی نامیده می شود. شکل (۱ – لا – الف)

پدیده با یک شدن یک نمونه از فولاد نرمه در نزدیکی نقطه گسیختگی شکل (۱ – ۶)
شماره آزمایش : آزمایش شماره ۱
نام آزمایش : آزمایش کشش
هدف آزمایش : رفتار تغییر شکل فلزات در مقابل نیروی کششی در یک نمودار مورد بررسی قرار می گیرد.

تئوری آزمایش :
آزمایش کشش را می توان برای فلزات مختلف انجام داد و با استفاده از نمودار های بدست آمد. خواص فلزات را سنجید. در رشته عمران فلز فولاد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. مشخصات مهم فولاد که آن را نسبت به سایر مصالح ممتاز ساخته است،

مقاومت زیاد، شکل پذیری و یکسان بودن مقاومت آن در فشار و کشش می باشد مهمترین خاصیت مهندسی فولاد، نمودار تنش – کرنش آن در آزمایش کشش می باشد که از روی این نمودار، تنش تسلیم یا تنش جاری شدن فولاد بدست می آید.