انتخاب مواد یکی از جنبه های مهم در صنایع تولیدی بوده و کیفیت محصول نهایی وابستگی زیادی به خواص مواد آن دارد. این خواص برای تمایز دادن مواد از یکدیگر بکار گرفته شده و به انتخاب صحیح آن کمک می کند. برای مثال جهت ساخت ابزارآلات، از مواد سخت و برای سیم کشی از ماده ای شکل پذیر استفاده می شود. بنابراین آگاهی از این خصوصیات برای هر دانشجوی مکانیک و یا هر شخصی مرتبط با صنایع تولیدی الزامی می باشد و قصد داریم در ادامه این مقاله به معرفی 18 خصوصیت مهم مکانیکی بپردازیم.
در مرحله اول مواد در دو بخش فلز و غیر فلز تقسیم بندی شده و خود فلزات هم به دو دسته فلزات آهنی و فلزات غیر آهنی جدا می شوند.
فلزات آهنی بطور عمده از عنصر آهن و به نسبت کمتری از سایر عناصر دیگر تشکیل شده و دارای آلیاژ های مختلف از قبیل چدن، فولاد، HSS و غیره می باشند. فلزات آهنی به دلیل مزایای مختلفی که دارند، بطور گسترده در صنایع مکانیکی مورد استفاده قرار میگیرند.
فلزات غیر آهنی هم حاوی آهن کمتری بوده و یا کلا آهن ندارند و شامل آلومینیوم، منیزیم، مس، روی و غیره هستند.
حال به معرفی خصوصیات مکانیکی مرتبط با مواد می پردازیم:
1) مقاومت strength:
توانایی مواد در برابر بار های اعمالی بدون خرابی به عنوان مقاومت شناخته شده و اگر ماده ای بتواند بار بیشتری تحمل کند، به معنی بالا بودن مقاومت آن است. مقاومت هر ماده عمدتا به نوع بارگذاری و تغییر شکل آن قبل از شکستگی بستگی دارد. با توجه به انواع بارگذاری، مقاومت را می توان به سه نوع طبقه بندی کرد :
- مقاومت کششی
- مقاومت فشاری
- مقاومت برشی
براساس تغییر شکل قبل از شکستگی، به سه فاکتور مهم دیگر در مبحث مقاومت می رسیم :
- مقاومت الاستیک
- مقاومت تسلیم
- مقاومت نهایی
2) همگنی homogeneity:
اگر ماده ای در کل هندسه خود از خصوصیات یکسانی برخوردار باشد، به عنوان یک ماده همگن شناخته می شود. این یک حالت ایده آل است و عملا هیچ ماده ای یکدست نیست.
3) ایزوتروپی isotropy:
ماده ای که دارای خواص الاستیک یکسان در کل جهت بارگذاری خود است، به عنوان ماده ایزوتروپیک شناخته می شود.
4) ناهمسانگردی anisotropy:
ماده ای که در جهات مختلف بارگذاری، خاصیت ارتجاعی مختلفی از خود نشان دهد به عنوان ماده غیر ایزوتروپیک یا ناهمسانگرد شناخته می شود.
5) قابلیت ارتجاعی elasticity:
اگر ماده ای بعد از برداشته شدن بار از روی آن به شکل اصلی خود برگردد، بعنوان ماده الاستیک شناخته می شود و به این خاصیت الاستیسیتی می گویند. هر ماده ای دارای خاصیت الاستیک است و مقدار آن از نسبت تنش به کرنش در محدوده الاستیک اندازه گیری می شود.
6) انعطاف پذیری plasticity:
توانایی مواد برای تحمل درجاتی از تغییر شکل دائمی بدون شکست پس از برداشتن بار به عنوان انعطاف پذیری شناخته می شود. از این خاصیت در شکل دهی ماده به روش فلز کاری استفاده شده و عمدتا به دما و مقاومت الاستیک ماده بستگی دارد.
7) شکل پذیری ductility:
شکل پذیری خاصیتی است که از طریق آن می توان فلز را به سیم تبدیل کرد و همچنین می تواند به عنوان خاصیتی تعریف شود که اجازه تغییر شکل دائمی قبل از شکستگی تحت بارگذاری کششی را می دهد. میزان تغییر شکل دائمی (اندازه گیری درصد کشیدگی) تعیین می کند که ماده شکل پذیر است یا خیر.
طول اصلی/100 * (طول اصلی – طول نهایی) = درصد کشیدگی
اگر درصد کشیدگی بزرگتر از 5% باشد، ماده شکل پذیر و در غیر اینصورت شکل پذیر نیست.
8) شکنندگی brittleness:
شکنندگی خاصیتی است که به موجب آن ماده زیر بارگذاری، بدون تغییر چشمگیر ابعاد خود خواهد شکست. شیشه و چدن از مواد شکننده شناخته شده هستند.
9) سفتی stiffness:
توانایی مقاومت مواد در برابر تغییر شکل الاستیک حین بارگذاری را سختی می گویند. ماده ای که در هنگام بارگذاری تغییر ابعاد کمتری داشته باشد، سخت تر است. بعنوان مثال فولاد سخت تر از آلومینیوم هست.
10) سختی hardness:
خاصیت ماده برای مقاومت در برابر نفوذ به سختی معروف است. این توانایی مقاومت در برابر خراشیدن، سایش یا برش است. همچنین به عنوان توانایی مقاومت در برابر شکستگی تحت بارگذاری نقطه ای نیز تعریف می شود.
11) چقرمگی toughness:
توانایی یک ماده در جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیک قبل از وقوع شکست می‌باشد. تعریف دیگری برای چقرمگی مواد، میزان انرژی به ازای حجم واحدی است که ماده می‌تواند قبل از شکستن جذب کند. همچنین به صورت مقاومت ماده در برابر شکست در صورت قرار گرفتن در معرض تنش نیز تعریف می‌شود.
12) چکش خواری malleability:
خاصیتی که به موجب آن یک فلز می تواند به صورت ورقه های نازک مسطح تبدیل شود. همچنین به عنوان خاصیتی تعریف می شود که تحت بارگذاری فشاری اجازه تغییر شکل پلاستیک را می دهد.
13) قابلیت ماشین کاری machinability:
خاصیتی که به موجب آن ماده به راحتی قابل برش است.
14) میرایی damping:
به توانایی فلز در اتلاف انرژی لرزشی یا تنش چرخه ای میرایی گفته می شود. چدن خاصیت میرایی خوبی دارد و به همین دلیل است که بیشتر ماشین آلات ساخته شده از چدن هستند.
15) خزش creep:
تغییر آرام و تدریجی ابعاد ماده تحت تأثیر فشار برای مدت طولانی به عنوان خزش شناخته می شود. خزش عمدتا به زمان و دما بستگی دارد. حداکثر میزان تنشی که یک ماده در طی مدت نامحدود مقاومت می کند به عنوان مقاومت خزش شناخته می شود.
16) برجهندگی resilience:
قابلیت یک ماده برای جذب انرژی حین تغییر شکل الاستیک و پس دادن آن حین بار برداری است. این خاصیت معمولا با مدول جهش، اندازه گیری می شود. مدول جهش از حاصل تقسیم انرژی کرنش بر حجم واحد مورد نیاز برای این که ماده از تنش صفر تا تنش تسلیم σ0 تحت تنش قرار گیرد، بدست می آید.
17) خستگی fatigue:
به شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب کمتر از استحکام نهایی و (اغلب) کمتر از حد تسلیم، خستگی گفته می‌شود. خستگی مواد وقتی اتفاق می‌افتد که ماده تحت تنش‌های تکراری یا نوسانی قرار گیرد که منجر به شکست ناگهانی قطعه می‌گردد. دلیل اصلی خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و قابل رویت بودن اتفاق می‌افتد.
18) تردی embrittlement:
از بین رفتن شکل پذیری فلز ناشی از تغییرات فیزیکی یا شیمیایی، که آن را شکننده می کند، تردی نامیده می شود.
