خواص مکانیکی سازه‌های فلزی

خواص مکانیکی خواصی هستند که واکنش ماده را به انواع نیرو نشان می‌دهند. ضعف مکانیکی مواد در هر سازه‌ای را باید در سه سطح بررسی کرد؛ ۱) ترکیب شیمیایی و پیوندهای بین اتمی، ۲) دانه‌بندی[۱] و ریزساختار[۲]، ۳) طراحی سازه و عیوب درشت[۳]، که در ادامه تشریح می‌شوند.

۱- ترکیب شیمیایی و پیوندهای بین‌اتمی: شکست ماده به‌معنای شکست پیوندهای بین‌اتمی است. هر نوع اتمی تمایل به ایجاد پیوندی خاص با اتمِ هم‌نوع یا غیرهم‌نوع خود دارد. استحکام نظری[۴] و رفتار کشسان[۵] ماده وابسته به این پیوندها است. همچنین ماهیت پیوند و ساختار الکترونی مواد از عوامل تعیین‌کننده چقرمگی آن‌هاست. سرامیک‌ها به‌واسطه پیوندهای یونی-کووالانسیِ[۶] خود ترد هستند. اما پیوندهای فلزی به فلزات اجازه می‌دهد تا چقرمه باشند و تغییرشکل مومسان[۷] بدهند. معمولاً فلزات به‌صورت خالص بسیار نرم هستند و به‌منظور افزایش استحکام (به‌خصوص استحکام تسلیم[۸]) آلیاژی می‌شوند. فولادها[۹] به‌عنوان آلیاژِ آهن از پرمصرف‌ترین مواد سازه‌ای هستند.­ ساده‌ترین فولاد از افزودن کربن به آهن تولید می‌شود.

۲- دانه‌بندی و ریزساختار (نوع فازها[۱۰] و عیوب بلوری[۱۱]): یک ماده با ترکیب شیمیایی مشخص می‌تواند خواص متفاوتی از خود نشان دهد. هنگام انجماد فلزات، اتم‌ها تمایل دارند به‌صورت منظم کنار یک‌دیگر قرار گیرند و تشکیل بلور[۱۲] دهند. معمولاً اتم‌ها در نقاط مختلفِ مذاب شروع به مرتب شدن می‌کنند، یا در اصطلاح جوانه‌زنی می‌کنند. این جوانه‌ها رشد می‌کنند تا به یک‌دیگر برسند. در نهایت آن‌چه بعد از انجماد باقی می‌ماند تعداد زیادی بلور است که به‌هرکدام یک دانه[۱۳] گفته‌می‌شود. شکل و اندازه این دانه‌ها تعیین‌کننده دانه‌بندی است. هرچه دانه‌ها ریزتر باشند استحکام و چقرمگی ماده بالاتر است. در داخل هر دانه، روش‌های مختلفی برای چینش اتم‌ها وجود دارد که موجب ایجاد فازهای مختلف می‌شود. به‌عبارتی هر فاز یک چینشِ منحصر به‌فرد از اتم‌های خاص است. فولادها می‌توانند سه نوع فاز آستنیت[۱۴]، فریت[۱۵] و سمنتیت[۱۶] داشته‌باشند، که در نهایت منجر به ظهور ریزساختارهای متفاوتی از جمله فریتی، پرلیتی[۱۷]، بینایتی[۱۸]، مارتنزیتی[۱۹]، آستنیتی و یا مخلوطی از آن‌ها می‌شوند. مارتنزیت ریزساختاری بسیار سخت و البته ترد است که برای مثال با سریع سرد شدن فولادهای پرکربن ایجاد می‌شود. عیوب بلوری به مناطقی از بلور گفته‌می‌شود که نظم اتم‌ها در آن‌ها به‌هم‌ریخته باشد. این عیوب نیز می‌توانند باعث تغییر استحکام و چقرمگی ماده می‌شوند. افزایش سرعت سرد کردن از دماهای بالا و یا تغییرشکل سرد می‌تواند عیوب بلوری را افزایش دهد.

۳- عیوب درشت و طراحی سازه: هنگامی‌که به یک سازه نیرو وارد می‌شود، ممکن است به مناطقی از آن تنشی بیش‌تر از آن‌چه انتظار می‌رود وارد گردد. افزایش تنش در نقاط خاص ناشی از دو عامل است؛ ۱) تمرکز تنش در اطراف عیوب یا در گوشه‌های تیز و ۲) تنش‌های باقی‌مانده در ماده. عیوب درشت می‌توانند به‌صورت ترک، حفره، تخلخل و آخال[۲۰] باشند. تنش‌های حرارتی باقی‌مانده به‌طور کلی ناشی از انقباض ناهمگن سازه هستند. هرچه دمای فلزات کم‌تر باشد، مدول کشسان بیش‌تر، مدول کشسان بالاتر و شکل‌پذیری[۲۱] کم‌تری دارند یا به‌عبارتی صلب‌تر هستند. بنابراین حین سرد شدن، قسمت‌هایی از سازه که دمای کم‌تری دارند از انقباض قسمت‌های گرم‌تر جلوگیری می‌کنند، و تنش‌هایی بین این دو منطقه ایجاد می‌شود. تنش‌های ایجادشده اگر بیش‌تر از استحکام تسلیم ماده باشد سازه را دچار اعوجاج[۲۲] می‌کنند، در غیر این‌صورت به‌صورت تنش پسماند باقی می‌ماند.

منبع: کتاب کارگاه جوشکاری و ورق‌کاری دکتر مسعود فکوری حسن‌آبادی

لینک تهیه کتاب

توجه: با درج ایمیل معتبر حین خرید، ویرایش‌های بعدی این کتاب را به رایگان دریافت خواهید نمود.

[۱] . Grain structure

[۲] . Microstructure

[۳] . Macroscopic defects

[۴] . Theoretical strength

[۵] . Elastic behaviour

[۶] . Ionic-covalent bonds

[۷] . Plastic deformation

[۸] . Yield strength

[۹] . Steels

[۱۰] . phases

[۱۱] . Crystallographic defect

[۱۲] . Crystal

[۱۳] . Grain

[۱۴] . Austenite

[۱۵] . Ferrite

[۱۶] . Cementite

[۱۷] . Pearlite

[۱۸] . Bainite

[۱۹] . Martensite

[۲۰] . Inclusion

[۲۱] . Ductility

[۲۲] . Distortion