کدام فلز استحکام بیشتری دارد؟

استحکام فلزات از جمله پارامترهای مهمی ست که در زمان انتخاب یک فلز برای ساخت یک قطعه باید در نظر گرفته شود. این معیار به طور کلی به معنی حداکثر باری ست که فلز می تواند تحمل کند و آن را می توان به سه دسته ی کششی، تسلیم و  ضربه پذیری تقسیم بندی کرد. اما استحکام را نباید با سختی فلز اشتباه گرفت. چه بسا فلزی سخت باشد اما از استحکام کافی برخوردار نباشد. بی توجهی به پارامتر استحکام باعث بروز مشکلات زیادی در پروژه می شود. فرض کنید شما قصد ساخت قطعه ای را دارید که قرار است در یک بالابر استفاده شود و تحت بار زیادی قرار دارد. حال اگر این قطعه استحکام کافی نداشته باشد و زیر بار دچار تغییر شکل یا شکست شود مشخص است که چه خسارات مالی و یا حتی جانی می تواند به بار آورد. در این مقاله ما در خصوص پارامتر استحکام، انواع آن و نقش آن در انتخاب فلز مناسب برای پروژه های مهندسی صحبت کرده ایم. 

استحکام فلزی که برای ساخت یک قطعه به کار می رود در عملکرد و دوام آن بسیار تاثیر گذار است. در هر پروژه ای با توجه به مشخصاتی که دارد لازم است تا از فلزی با استحکام مناسب استفاده شود. به عنوان مثال شما نمی توانید همان فلزی را که در صنایع هوایی به کار می رود برای ساخت وسایل منزل استفاده کنید چون اینکار از نظر اقتصادی قابل توجیه نیست. انتخاب فلزی با استحکام نامناسب می تواند فاجعه به بار آورد. اگر در ساخت یک سازه فلز استفاده شده نتواند بارهای وارده را تحمل کند و دچار شکست شود می تواند خسارات زیادی به بار آورد. همین مثال های شاید تاحدی لزوم توجه به فاکتور استحکام در انتخاب متریال مورد استفاده ار نشان داده باشد.

تصویر شماره ۱ - نقش استحکام در انتخاب فلز 

اما چگونه فلزی با استحکام کافی انتخاب کنیم؟ در این مقاله در این خصوص صحبت خواهیم کرد.

آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:

• استحکام، از ویژگی های مهم یک فلز
• جدول استحکام فلزات
• چرا استحکام مهم است
• نتیجه گیری

استحکام، از ویژگی های مهم یک فلز

معیارهای مختلفی وجود دارد که مهندسان به وسیله ی آن استحکام یک فلز را برآورد می کنند. این معیارها که به طول کلی استحکام فلز (metal strength) نامیده می شوند توانایی فلز در تحمل استرس های وارد شده بدون تغییر شکل را بیان می کنند. فلزات از نظر استحکام با یکدیگر متفاوت هستند و همین نشان میدهد که چرا برای هر کاربرد باید فلز مخصوص به آن را استفاده کرد. انواع استحکام فلزات عبارتند از:

استحکام کشش (Tensile Strength)

این پارامتر حداکثر مقدار نیروی کششی است که یک فلز می تواند بدون اینکه دچار آسیب شود تحمل کند. این معیار نشان دهنده ی مقدار کششی است که فلز می تواند تحمل کند. اگر یک نیروی خارجی به فلز وارد شود و از نقطه تسلیم آن عبور کند برخی تغییر شکل های ایجاد شده دائمی خواهد بود و قابل بازگشت نیست.

استحکام کشش به سه دسته تقسیم می شود.

• استحکام تسلیم  (Yield Strength)

این نیرویی ست که فلز بدون اینکه دچار تغییر شکل دائمی شود آن را تحمل می کند. از این پارامتر به عنوان استحکام ماکزیمم پیش از تغییر شکل پلاستیک نیز نام برد می شود. مهندسان و سازندگان به کمک استحکام تسلیم حداکثر باری که قابل اعمال کردن به قطعه است را محاسبه می کنند.

• استحکام شکست (Breakable Strenght)

این مقدار استرس وارد بر قطعه در نقطه شکست منحنی تنش-کرنش است.

• استحکام نهایی   (Ultimate Strength)

کشش ماکزیمم، مقاومت فشاری یا تنش برشی حداکثر استرسی ست که فلز می تواند تحمل کند.

در نمودار زیر می توانید هر کدام از این پارامترها را روی نمودار تنش-کرنش مشاهده کنید.

تصویر شماره 2 – منحنی تنش-کرنش

استحکام ضربه پذیری

این معیار نشان میدهد که فلز قبل از شکست چقدر می تواند در برابر ضربه یا نیروهای ناگهانی که به آن وارد می شود مقاومت کند. استحکام ضربه ای برای اندازه گیری مقدار انرژی که فلز می تواند قبل از شکست، پارگی یا خراب شدن جذب کند به کار برد می شود. بنابراین اگر در یک پروژه به فلزی نیاز دارید که تحت ضربه قرار دارد و میخواهید مقدار انرژی جذب شده توسط آن را بدانید انجام آزمایش مقاومت ضربه کاری ست که باید انجام دهید.

یک تصور غلط در موردمقاومت ضربه این است که تصور می شود هر چه ماده سخت‌تر باشد مقاومت ضربه ی بالاتری نیز دارد. یعنی مواد سخت‌تر می توانند ضربات سنگینتری را تحمل کنند. اما واقعیت این است که همیشه اینطور نیست و سختی یک ماده به معنای بالا بودن مقاومت ضربه پذیری آن نمی باشد.

برخی از عوامل بر مقاومت ضربه پذیری مواد تاثیر می گذارند عبارتند از:

• دما (افزایش دما باعث افزایش مقاومت ضربه می شود.)
• ضخامت ماده (افزایش ضخامت مقاومت ضربه را کم می کند)
• شعاع Notch  (هرچه این شعاع کمتر باشد استحکام ضربه نیز کمتر خواهد بود)

تصویر شماره ۳ - نمونه ای از ماشین تست ضربه

استحکام فشار

همانطور که از نام این معیار مشخص است حداکثر فشاری ست که یک فلز می تواند بدون آسیب تحمل کند. برای اندازه گیری مقدار استحکام فشار بهیک دستگاه تست یونیورسال نیاز است. دستگاه به تدریج مقدار نیرویی که بر فلز وارد می شود را افزایش می دهد تا جایی که قطعه شروع به تغییر شکل نماید. نقطه ای که در آن تغییر شکل آغاز می شود به عنوان استحکام فشاری فلز در نظر گرفته می شود.

جدول استحکام فلزات

در هنگام انتخاب یک فلز باید به برخی از پارامترهای آن توجه داشت. این پارامترهای عبارتند از استحکام تسلیم، استحکام کشش، چگالی، سختی و .... درجدول زیر می توانید مقدار استحکام برای برخی از فلزات پر کاربرد را مشاهده کنید.

چرا استحکام مهم است

ماشین کاری تنها به این معنی نیست که یک فلز را انتخاب کنیم بلکه لازم است تا همیشه بهترین فلز را برای کار خورد شناسایی کنیم. اما برای اینکه بدانیم یک فلز برای کار مناسب هست یا خیر باید پارامترهایی را در نظر گرفت که یکی از مهمترین آن ها استحکام آن است. از بهترین راه های مقایسه استحکام فلزات نیز مراجعه به جداولی ست که برای این کار تهیه شده است.

اگر برای یک قطعه از فلزی با استحکام کم استفاده شود آن قطعه تحت نیروهای وارد شده به راحتی تغییر شده می دهد و به اصطلاح دفمرم (Deform) می شود. برای قطعات ماشین های با کار سنگین (Heavy-duty) استفاده از فولاد یا تیتانیوم به دلیل استحکام بالایی که دارند مناسب است.

همچنین استحکام یک فلز نشان میدهد که چقدر ضربه می تواند آن را دفرم کند یا باعث تغییر شکل آن شود. در نظر گرفتن این پارامتر برای قطعاتی که تحت ضربه یا برخورد قرار دارند بسیار مهم است.

با مثال هایی که گفته شد به نظر می رسد روشن شده باشد که استحکام تا چه حد در انتخاب فلزات از اهمیت برخوردار است.

نتیجه گیری

قبل از آنکه یک فلز را برای انجام پروژه خود انتخاب کنیم باید دو سؤال اساسی از خود بپرسیم. اول اینکه هدف از استفاده از این فلز چیست و قرار است در چه شرایطی کار کند. دوم اینکه تا چه اندازه بار را انتظار داریم تا فلز تحمل کند. برای پاسخ دادن به سؤال دوم لازم است تا محاسبات مهندسی ساده ای انجام شود. پس از مشخص شد این عدد باید به جداول استحکام فلزات مراجعه کرد و فلز مناسب را انتخاب نمود. البته درانتخاب فلز مناسب پارامترهای دیگری نیز تاثیر گذار هستند. برای آشنایی با سایر پارامترها می توانید به مقاله "راهنمای انتخاب گرید فولاد" مراجعه نمایید.