_DENIZ._.SH_
کاربر نگاه دانلود
- عضویت
- 2015/12/12
- ارسالی ها
- 1,295
- امتیاز واکنش
- 4,424
- امتیاز
- 506
- سن
- 24
خواص مکانیکی (1)
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کم‌تر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانه‌ها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. برای درک بهتر خواص مکانیکی نانومواد ابتدا لازم است با برخی مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش و تعاریف نشان دهنده خواص مکانیکی مواد همچون استحکام آشنا شوید. لذا ابتدا در این بخش با مفاهیم اولیه و مورد نیاز برای مطالعه خواص مکانیکی نانومواد آشنا شده و سپس در بخش آینده خواص مکانیکی مواد نانوساختار را بررسی می‌کنیم.
1- تنش
نیروی وارد بر واحد سطح، «تنش» نامیده می‌شود. به بیان دیگر، تنش عبارت است از خارج قسمت برآیند نیروهای وارد بر سطحی از یک جسم به مساحت آن سطح. فرمول تنش برای یک سطح به این صورت است:
Ϭ= P/A
که در رابـ ـطه‌ی فوق Ϭ (خوانده می‌شود: زیگما) تنش، Pنیروی وارد شونده بر سطح و A مساحت مقطع تحت تنش است (شکل 1).
شکل 1: تنش حاصل از اعمال نیرو بر سطح
هرچه سطح اعمال نیرو در یک جسم بیشتر باشد، تنش کم‌تری به آن وارد می‌شود، چرا که نیروی اعمال شده در این سطح بزرگ توزیع می‌شود. تنش را عموما با یکی از واحدهایN/cm2 ، N/mm2 یا kg/cm2 نشان می‌دهند.
2-کرنش
هنگامیکه یک جسم تحت تنش قرار می‌گیرد، تغییر شکلی در راستای نیروی واردشده در آن به وجود می‌آید. نسبت تغییر شکل نسبت به طول اولیه‌ی جسم را «کرنش» می‌گویند. به بیان دیگر، کرنش عبارت است از خارج قسمت تغییر طول ناشی از تنش به طول اولیه پیش از اعمال تنش. معادله‌ی کرنش به صورت زیر است:
ε=Δl/L
l= L' - L∆
در روابط فوق ε (خوانده می‌شود: اپسیلون) کرنش، L طول اولیه جسم،'L طول جسم پس از اعمال تنش، و l∆ تغییر طول ناشی از تنش در جسم است (شکل 2). در واقع، کرنش درصد تغییر طول ماده به ازای تنش وارد شده است و ارتباطی مستقیم با طول نهایی جسم ندارد. کرنش، عکس‌العمل مواد به تنش اعمال شده است. هر چه این کرنش کوچک‌تر باشد، آن ماده سختی بیشتری دارد و انعطاف‌پذیری کم‌تری از خود نشان می‌دهد. از آنجا که کرنش حاصل تقسیم دو عدد با واحد طول بر یکدیگر است، در عمل کرنش بدون واحد محسوب می‌شود.
شکل 2: کرنش جسم حاصل از تنش اعمال شده
3- قانون هوک
مقادیر تنش و کرنش واردشده بر یک جسم همیشه رابـ ـطه‌ای مستقیم با یکدیگر دارند، یعنی به ازای افزایش تنش میزان کرنش نیز افزایش می‌یابد. تنش و کرنش برای هر نوع از مصالح، نموداری دو بعدی به وجود می‌آورند که به آن «نمودار تنش - کرنش»، می‌گویند و تغییرات کرنش به ازای تغییرات تنش روی آن نمایش داده می‌شود (شکل 3). در نمودار تنش - کرنش، همیشه تنش بر محور عمودی و کرنش روی محور افقی نمایش داده می‌شود. این نمودار ممکن است نموداری خطی، نموداری منحنی، یا ترکیبی از خط و منحنی باشد که به نوع جسم بستگی دارد.
شکل 3: نمودار تنش – کرنش مواد.
رابـ ـطه مستقیم تنش و کرنش در ناحیه خطی نشان داده شده است
در نمودار تنش - کرنش، غالبا بخش اول منحنی ترسیم شده، نموداری خطی است. یعنی در این بخش نوع تغییرات کرنش به ازای تغییر تنش به صورت خطی عمل می‌کند. تغییر شکل در این ناحیه به صورت ارتجاعی (یا الاستیک یا کشسان) و برگشت‌پذیر است. این بدان معنا است که اگر نیرو به مقدار محدود به یک جامد وارد شود، آن جامد بعد از باربرداری، ابعاد اولیه خود را باز می‌یابد. حد نیرویی که در بیش از آن ماده رفتار کشسان ندارد، حد کشسان نامیده می‌شود. ضریب زاویه‌ی این ناحیه‌ی خطی از نمودار تنش - کرنش «ضریب ارتجاعی یا الاستیک» یا «مدول یانگ» نامیده می‌شود. این ضریب برابر تانژانت زاویه‌ی ایجاد شده بین نمودار خطی و محور افقی است. واحد پارامتر E یا ضریب ارتجاعی با واحد تنش، یعنی N/cm2 ، N/mm2، یا kg/cm2 یکی است.
اگر با استفاده از ضریب ارتجاعی، معادله‌ی ناحیه‌ی خطی نمودار تنش - کرنش نوشته شود، ملاحظه می‌شود که ضریب ارتجاعی با تنش رابـ ـطه‌ی مستقیم و با کرنش رابـ ـطه‌ی معکوس دارد. نسبت تنش به کرنش برابر با ضریب ارتجاعی است که به آن «قانون هوک» می‌گویند و به صورت زیر نمایش داده می‌شود:
E=Ϭ/ε
مقدار تغییر شکل ارتجاعی فلزات بسیار کم است و برای اندازه‌گیری آن باید از دستگاه‌های بسیار دقیقی استفاده کرد. در صورتی که نیروی وارد به جسم از حد کشسان تجـ*ـاوز کند تغییر شمل به وجود آمده در جسم، بر اثر باربرداری از بین نمی‌رود. ایجاد تغییر شکل دائم در یک ماده را تغییر شکل پلاستیک یا موم‌سان می‌گویند.
برای بدست آوردن خواص مکانیکی مواد آنها را تحت نیروهای کششی یا فشاری قرار می‌دهند و نمودار تنش – کرنش آن را بدست می‌آورند. در شکل 4 نمودار مرسوم تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش تا شکست جسم را نشان داده است.
شکل 4: نمودار تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش یک نمونه
خواص مکانیکی مهمی که جهت مطالعه خواص نانوساختارها باید با آنها آشنا شوید به صورت زیر هستند:
حد تناسب: نقطه‌ای است که در آن منحنی تنش – کرنش از حالت خطی خارج می‌شود. این مقدار بسیار نزدیک به حد کشسان یا تنش تسلیم است ولی چون بدست آوردن حد کشسان بسیار دشوار است، عموما حد تناسب را محاسبه می‌کنند.
مدول یانگ یا کشسانی.
استحکام تسلیم: تنشی است که مقدار تغییر شکل دائم در آن بسیار کم و برابر با کرنشی به مقدار 0/002 است.
استحکام کششی: بیان گردید که اگر تنش بیشتر از حد کشسان شود، تغییر شکل موم‌سان پدید می‌آید. با ازدیاد تغییر شکل موم‌سان، استحکام جسم (عموما فلزات) افزایش می‌یابد، به حدی که نیروی لازم برای ادامه تغییر شکل مرتبا زیاد می‌شود. در یک لحظه بار به میزان حداکثر می‌رسد. حداکثر باری که هر فلز می‌تواند در برابر آن پایداری کند، تقسیم بر سطح مقطع اولیه جسم، استحکام کششی نام دارد.
تنش شکست: در فلزات شکل‌پذیر اگر مقدار بار از نیروی حداکثر تجـ*ـاوز کند، قطر نمونه به سرعت کم می‌شود و در نتیجه نیروی وارد شده برای ادامه تغییر شکل به سرعت افت می‌کند و این به شکست نمونه منجر می‌شود.
درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع نهایی.
اشاره به این نکته ضروری است که استحکام کششی و استحکام تسلیم، معرف استحکام ماده و درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع معرف شکل‌پذیری یا داکتیلیته مواد هستند.
در این بخش با برخی از مفاهیم اولیه خواص مکانیکی مواد آشنا شدید. خواص مکانیکی مواد بسیار گسترده‌تر از مطالب و تعریف‌های بیان شده است، با این حال برای درک اولیه از خواص مکانیکی نانوساختارها، این مفاهیم بسیار کارگشا است. در بخش بعد به بررسی تغییر خواص مکانیکی نانومواد می‌پردازیم.
نویسنده: بهنام غفاری
مقدمه:
تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کم‌تر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانه‌ها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. برای درک بهتر خواص مکانیکی نانومواد ابتدا لازم است با برخی مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش و تعاریف نشان دهنده خواص مکانیکی مواد همچون استحکام آشنا شوید. لذا ابتدا در این بخش با مفاهیم اولیه و مورد نیاز برای مطالعه خواص مکانیکی نانومواد آشنا شده و سپس در بخش آینده خواص مکانیکی مواد نانوساختار را بررسی می‌کنیم.
1- تنش
نیروی وارد بر واحد سطح، «تنش» نامیده می‌شود. به بیان دیگر، تنش عبارت است از خارج قسمت برآیند نیروهای وارد بر سطحی از یک جسم به مساحت آن سطح. فرمول تنش برای یک سطح به این صورت است:
Ϭ= P/A
که در رابـ ـطه‌ی فوق Ϭ (خوانده می‌شود: زیگما) تنش، Pنیروی وارد شونده بر سطح و A مساحت مقطع تحت تنش است (شکل 1).
شکل 1: تنش حاصل از اعمال نیرو بر سطح
هرچه سطح اعمال نیرو در یک جسم بیشتر باشد، تنش کم‌تری به آن وارد می‌شود، چرا که نیروی اعمال شده در این سطح بزرگ توزیع می‌شود. تنش را عموما با یکی از واحدهایN/cm2 ، N/mm2 یا kg/cm2 نشان می‌دهند.
2-کرنش
هنگامیکه یک جسم تحت تنش قرار می‌گیرد، تغییر شکلی در راستای نیروی واردشده در آن به وجود می‌آید. نسبت تغییر شکل نسبت به طول اولیه‌ی جسم را «کرنش» می‌گویند. به بیان دیگر، کرنش عبارت است از خارج قسمت تغییر طول ناشی از تنش به طول اولیه پیش از اعمال تنش. معادله‌ی کرنش به صورت زیر است:
ε=Δl/L
l= L' - L∆
در روابط فوق ε (خوانده می‌شود: اپسیلون) کرنش، L طول اولیه جسم،'L طول جسم پس از اعمال تنش، و l∆ تغییر طول ناشی از تنش در جسم است (شکل 2). در واقع، کرنش درصد تغییر طول ماده به ازای تنش وارد شده است و ارتباطی مستقیم با طول نهایی جسم ندارد. کرنش، عکس‌العمل مواد به تنش اعمال شده است. هر چه این کرنش کوچک‌تر باشد، آن ماده سختی بیشتری دارد و انعطاف‌پذیری کم‌تری از خود نشان می‌دهد. از آنجا که کرنش حاصل تقسیم دو عدد با واحد طول بر یکدیگر است، در عمل کرنش بدون واحد محسوب می‌شود.
شکل 2: کرنش جسم حاصل از تنش اعمال شده
3- قانون هوک
مقادیر تنش و کرنش واردشده بر یک جسم همیشه رابـ ـطه‌ای مستقیم با یکدیگر دارند، یعنی به ازای افزایش تنش میزان کرنش نیز افزایش می‌یابد. تنش و کرنش برای هر نوع از مصالح، نموداری دو بعدی به وجود می‌آورند که به آن «نمودار تنش - کرنش»، می‌گویند و تغییرات کرنش به ازای تغییرات تنش روی آن نمایش داده می‌شود (شکل 3). در نمودار تنش - کرنش، همیشه تنش بر محور عمودی و کرنش روی محور افقی نمایش داده می‌شود. این نمودار ممکن است نموداری خطی، نموداری منحنی، یا ترکیبی از خط و منحنی باشد که به نوع جسم بستگی دارد.
شکل 3: نمودار تنش – کرنش مواد.
رابـ ـطه مستقیم تنش و کرنش در ناحیه خطی نشان داده شده است
در نمودار تنش - کرنش، غالبا بخش اول منحنی ترسیم شده، نموداری خطی است. یعنی در این بخش نوع تغییرات کرنش به ازای تغییر تنش به صورت خطی عمل می‌کند. تغییر شکل در این ناحیه به صورت ارتجاعی (یا الاستیک یا کشسان) و برگشت‌پذیر است. این بدان معنا است که اگر نیرو به مقدار محدود به یک جامد وارد شود، آن جامد بعد از باربرداری، ابعاد اولیه خود را باز می‌یابد. حد نیرویی که در بیش از آن ماده رفتار کشسان ندارد، حد کشسان نامیده می‌شود. ضریب زاویه‌ی این ناحیه‌ی خطی از نمودار تنش - کرنش «ضریب ارتجاعی یا الاستیک» یا «مدول یانگ» نامیده می‌شود. این ضریب برابر تانژانت زاویه‌ی ایجاد شده بین نمودار خطی و محور افقی است. واحد پارامتر E یا ضریب ارتجاعی با واحد تنش، یعنی N/cm2 ، N/mm2، یا kg/cm2 یکی است.
اگر با استفاده از ضریب ارتجاعی، معادله‌ی ناحیه‌ی خطی نمودار تنش - کرنش نوشته شود، ملاحظه می‌شود که ضریب ارتجاعی با تنش رابـ ـطه‌ی مستقیم و با کرنش رابـ ـطه‌ی معکوس دارد. نسبت تنش به کرنش برابر با ضریب ارتجاعی است که به آن «قانون هوک» می‌گویند و به صورت زیر نمایش داده می‌شود:
E=Ϭ/ε
مقدار تغییر شکل ارتجاعی فلزات بسیار کم است و برای اندازه‌گیری آن باید از دستگاه‌های بسیار دقیقی استفاده کرد. در صورتی که نیروی وارد به جسم از حد کشسان تجـ*ـاوز کند تغییر شمل به وجود آمده در جسم، بر اثر باربرداری از بین نمی‌رود. ایجاد تغییر شکل دائم در یک ماده را تغییر شکل پلاستیک یا موم‌سان می‌گویند.
برای بدست آوردن خواص مکانیکی مواد آنها را تحت نیروهای کششی یا فشاری قرار می‌دهند و نمودار تنش – کرنش آن را بدست می‌آورند. در شکل 4 نمودار مرسوم تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش تا شکست جسم را نشان داده است.
شکل 4: نمودار تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش یک نمونه
خواص مکانیکی مهمی که جهت مطالعه خواص نانوساختارها باید با آنها آشنا شوید به صورت زیر هستند:
حد تناسب: نقطه‌ای است که در آن منحنی تنش – کرنش از حالت خطی خارج می‌شود. این مقدار بسیار نزدیک به حد کشسان یا تنش تسلیم است ولی چون بدست آوردن حد کشسان بسیار دشوار است، عموما حد تناسب را محاسبه می‌کنند.
مدول یانگ یا کشسانی.
استحکام تسلیم: تنشی است که مقدار تغییر شکل دائم در آن بسیار کم و برابر با کرنشی به مقدار 0/002 است.
استحکام کششی: بیان گردید که اگر تنش بیشتر از حد کشسان شود، تغییر شکل موم‌سان پدید می‌آید. با ازدیاد تغییر شکل موم‌سان، استحکام جسم (عموما فلزات) افزایش می‌یابد، به حدی که نیروی لازم برای ادامه تغییر شکل مرتبا زیاد می‌شود. در یک لحظه بار به میزان حداکثر می‌رسد. حداکثر باری که هر فلز می‌تواند در برابر آن پایداری کند، تقسیم بر سطح مقطع اولیه جسم، استحکام کششی نام دارد.
تنش شکست: در فلزات شکل‌پذیر اگر مقدار بار از نیروی حداکثر تجـ*ـاوز کند، قطر نمونه به سرعت کم می‌شود و در نتیجه نیروی وارد شده برای ادامه تغییر شکل به سرعت افت می‌کند و این به شکست نمونه منجر می‌شود.
درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع نهایی.
اشاره به این نکته ضروری است که استحکام کششی و استحکام تسلیم، معرف استحکام ماده و درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع معرف شکل‌پذیری یا داکتیلیته مواد هستند.
در این بخش با برخی از مفاهیم اولیه خواص مکانیکی مواد آشنا شدید. خواص مکانیکی مواد بسیار گسترده‌تر از مطالب و تعریف‌های بیان شده است، با این حال برای درک اولیه از خواص مکانیکی نانوساختارها، این مفاهیم بسیار کارگشا است. در بخش بعد به بررسی تغییر خواص مکانیکی نانومواد می‌پردازیم.
