مفهوم کرنش و استرس و چقرمگی و شکست و خمش

[rohamavation]

مفاهیم کرنش، استرس، چقرمگی، شکست و خمش در زمینه‌های مختلفی از جمله مهندسی مواد، فیزیک، مکانیک و صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به توضیح هرکدام از این مفاهیم به صورت جزئی می‌پردازم:
کرنش (Strain):
کرنش نشان‌دهنده تغییر ابعاد یک جسم به واحد طول اولیه آن است.
این تغییر ابعاد معمولاً به علت نیروهای خارجی که به جسم اعمال می‌شوند رخ می‌دهد.
کرنش ممکن است به صورت افقی (موازی با جهت نیرو)، عمودی (عمود بر جهت نیرو) و یا زاویه‌ای باشد.
معمولاً با نماد ε نشان داده می‌شود و به صورت زیر محاسبه می‌شود:
مثال: وقتی یک فنجان پلاستیکی را فشار می‌دهید، شکل آن تغییر می‌کند. این تغییر شکل می‌تواند باعث کرنش پلاستیک شود.منظور از کرنش اینه که وقتی یه جسم رو فشار می‌دیم یا کشیده می‌شه، اندازه‌ی اون تغییر می‌کنه. این تغییر ابعاد رو به کرنش می‌گن. معمولاً این تغییر ابعاد به خاطر نیروهاییه که به جسم اعمال می‌شه رخ می‌ده. کرنش می‌تونه به صورت افقی (موازی با جهت نیرو)، عمودی (عمود بر جهت نیرو) و یا زاویه‌ای باشه. ما این کرنش رو با نماد ε نشون می‌دیم و به این صورت محاسبه می‌کنیم: $ε = ΔL / L_0$. برای مثال، وقتی یه فنجون پلاستیکی رو فشار می‌دی، شکلش ممکنه تغییر کنه. این تغییر شکل می‌تونه باعث کرنش پلاستیکی بشه.
استرس (Stress):
استرس همون تنشه، فقط به صورت ریاضی‌تر و با علامتی منفی هست که نشون می‌ده که نیرو به سمت داخل اعمال شده. استرس می‌تونه استرس کششی یا فشاری باشه. اگه استرس کششی باشه، مثل وقتی یه نخ به کشیده بشه، و اگه استرس فشاری باشه، مثل وقتی یه نیرو به سمت داخل یه جسم اعمال بشه.
چقرمگی (Toughness):
بله، تعریف دیگری برای چقرمگی مواد این است که این ویژگی نشان دهنده توانایی یک ماده در جذب انرژی و تغییر شکل خمیری (plastic deformation) قبل از وقوع شکست می‌باشد. به عبارت دیگر، چقرمگی مواد نشان دهنده میزان انرژی است که یک ماده می‌تواند به ازای حجم واحدی قبل از شکست جذب کند.
این تعریف به ویژه در مهندسی مواد و مکانیک مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد و مهم‌ترین ویژگی‌هایی است که مورد توجه قرار می‌گیرد در طراحی و انتخاب مواد برای ساخت قطعات و سازه‌ها. موادی که دارای چقرمگی بالایی هستند، معمولاً برای کاربردهایی که نیاز به انعطاف و تغییر شکل دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا توانایی دارند که تحت تنش‌های متوالی تغییر شکل دهند بدون اینکه به طور ناگهانی شکسته شوند.$U = (1/2) * σ * ε $
شکست (Failure):
شکست به وقوع پیوستن یک جسم در نتیجه اعمال نیروهایی که بیشتر از توانایی جذب یا مقاومت مواد است. این ممکنه به صورت ناگهانی (فراگیر) یا تدریجی (ترک‌ها و تغییرات زمانی در جسم) رخ بده. به عبارت دیگه، شکست به وقوع می‌پیونده وقتی که استرسی که جسم تحمل می‌کنه بیشتر از توانایی موادشه.
معمولاً با نماد σ نشان داده می‌شود و به صورت زیر محاسبه می‌شود:$σ = F / A $
که در آن F نیرو و A مساحت مقطع مورد نظر است.
مثال: وقتی یک کیلوگرم از یک جسم روی میز قرار می‌گیرد، وزن این کیلوگرم نیرویی است که به زمینه اعمال می‌شود. اگر این کیلوگرم بر روی یک مساحت کوچکتر اعمال شود، استرس بیشتری بر روی زمینه اعمال می‌شود.
در مکانیک شکست، تلاش می‌شود تا رفتار شکست اجزای مکانیکی پیش‌بینی شود و این اطلاعات برای بهبود عملکرد و ایمنی سیستم‌ها و قطعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. این علم به طور گسترده‌ای از فیزیک رفتارهای تنشی و کرنشی استفاده می‌کند، به خصوص تئوری‌هایی که به شکست‌پذیری و انعطاف‌پذیری مواد می‌پردازند. همچنین، فرکتوگرافی به همراه مکانیک شکست استفاده می‌شود تا علت خرابی‌ها را بررسی کند و تطابق پیش‌بینی‌های نظری با شکست‌های واقعی را بررسی کند. پیش‌بینی رشد یک ترک به ویژگی‌های ساختاری تحمل آسیب بستگی دارد.
سه حالت شکست ناشی از اعمال نیرو:
حالت بازشدن (تنش کششی که عمود بر صفحه ترک اعمال می‌شود): در این حالت، ترک در اثر تنش کششی که عمود بر صفحه ترک اعمال می‌شود، باز می‌شود.
حالت لغزشی (تنش برشی که به موازات صفحه ترک و عمود بر جبهه ترک اعمال می‌شود): در این حالت، ترک به صورت لغزشی در اثر تنش برشی که به موازات صفحه ترک و عمود بر جبهه ترک اعمال می‌شود، گسترش می‌یابد.
حالت گسیختگی یا پارگی (تنش برشی که به موازات صفحه ترک و موازی با جبهه ترک اعمال می‌شود): در این حالت، ترک به صورت گسیختگی یا پارگی در اثر تنش برشی که به موازات صفحه ترک و موازی با جبهه ترک اعمال می‌شود، گسترش می‌یابد.
خمش (Flexure):
خمش نوعی تغییر شکل است که در آن یک جسم به صورت انحنا یا خمیده شدن به وجود می‌آید.
این تغییر شکل معمولاً در نتیجه اعمال نیروها به طول جسم در جهتی عمود بر آن رخ می‌دهد.
معمولاً در اجسام محکم و سازه‌های ساختمانی اتفاق می‌افتد.
مثال: وقتی یک تخته چوبی را به انحنای بالایی فشار می‌دهید، آن تخته چوبی خمیده می‌شود.تنش یه چیزیه که میزنه به ماده، از داخلش وارد میشه، مثلاً وقتی یه ماده‌ای مثل فلز یا پلاستیک یا حتی بتن رو به یه فشار یا کشش قرار بدیم، تو ماده نیروهایی ایجاد میشه که از طریق ذرات ماده با هم در تماس هستن و باعث میشه که ماده کمی فشرده یا کشیده بشه. این نیروهایی که داخل ماده وارد میشن، تو اینجا تنش می‌شن و با واحد سطح اندازه‌گیری میشن.
کرنش همونطور که از اسمش پیداست، تغییرشکلیه که تو مواد رخ میده. وقتی یه ماده تحت تنش قرار می‌گیره، شکلش تغییر می‌کنه، مثلاً طولش ممکنه بیشتر بشه یا کوچیک‌تر، یا شکل دیگه‌ای بگیره. این تغییرات رو به عنوان کرنش می‌شناسیم.
به زبون خیلی ساده بگم، تنش مثل اون نیروهاییه که میزنن به ماده و کرنش مثل جوابی که ماده به اون نیروها می‌ده و شکلش تغییر می‌کنه.
تنش، اون چیزیه که میاد و یه ماده رو فشرده یا کشیده می‌کنه. مثلاً وقتی یه چیزی رو می‌کشیدن یا می‌فشاریدن، ماده داخلش تحت تنش قرار می‌گیره. این تنش یعنی چقدر نیرویی که به ماده وارد میشه، به واحد سطحشه.
کرنش همونطور که اسمش می‌گه، به تغییر شکل یا ابعاد یک ماده یا سازه در پاسخ به اون تنش یا نیروهایی که بهش وارد میشه، می‌گن. وقتی که یه ماده یا سازه تحت تنش قرار می‌گیره، شکلش تغییر می‌کنه و اون تغییرات رو به عنوان کرنش می‌شناسن.
مثلاً، فرض کنید یه تیر فلزی رو به سمت بالا یا پایین کشیده یا فشرده می‌کنید. تو این حالت، طول تیر تغییر می‌کنه، این تغییر طول نسبت به طول اولیه تیر، کرنش تیره. این تغییر شکل می‌تونه به صورت افزایش طول یا کاهش طول باشه.
چقرمگی یا همون Toughness یه ویژگی خاصه که ماهیت مواد رو نشون می‌ده. به این خاصیت نیازه که بفهمیم مقدار تنشی که یه ماده باید تحمل کنه تا ترک‌ها یا عیوب موجود درونش گسترش پیدا کنه. این خاصیت خیلی مهمه، چون هرگونه خطا یا عیب در مراحل مختلف از تولید، استفاده، یا حتی قبل از این مراحل می‌تونه ایجاد مشکل کنه. این نواقص معمولا به شکل ترک، حفره، تخلخل درون مواد، نقص جوش، یا ترکیبی از این عوامل ظاهر می‌شن. به طور کلی، چقرمگی نشون می‌ده چقدر یه ماده یا قطعه توانایی داره تا در مقابل ضربه‌ها، فشارها، یا تنش‌های مختلف مقاومت کنه و از شکستن جلوگیری کنه.
برای درک بهتر مفهوم چقرمگی، فرض کنید که شما یک تست ضربه برای موادی مانند فلزات، پلاستیک، یا شیشه انجام می‌دین. شما یک نمونه از هر ماده را به طور متعارف با یک ابزار ضربه می‌زنید. مثلاً اگر یک میله فلزی را با یک چکش ضربه بزنید یا یک شیشه را با یک سنگ بزرگ بزنید.
در این آزمایش، مهمترین ملاحظه آن است که ماده چقدر می‌تواند ضربه را جذب کند بدون اینکه شکسته بشه یا ترک‌هایی درون آن ایجاد شه. این توانایی مقاومت در برابر ضربه‌ها و توانایی ماده برای جذب انرژی ضربه را می‌توان به عنوان چقرمگی آن ماده بدونیم
برای مثال، فرض کنید یک تست ضربه روی یک نمونه فلزی انجام می‌دهید. اگر ماده فلزی به سرعتی معین ضربه را جذب کنه و از شکستن جلوگیری کنه می‌تونم بگم که این ماده دارای چقرمگی بالاست. اما اگر همان ماده فلزی به سرعت شکسته بشه یا ترک‌هایی درون آن ایجاد شود، چقرمگی آن کمتره.

[rohamavation]

برای مثال کرنش، فرض کن یه قالب فلزی رو فشار می‌دی. وقتی این قالب فشرده می‌شه، شکلش ممکنه تغییر کنه، مثلاً می‌تونه کمی ترک خورده یا مسطح‌تر بشه. این تغییر شکلی که در اثر فشار به وجود میاد، به کرنش معروفه.
برای استرس، فرض کن که یه ستون فلزی روی میز قرار بگیره. وزن اون ستون باعثه که به میز فشاری اعمال بشه. این فشار روی میز، استرسه.
در علم مواد و متالورژی، چقرمگی به توانایی یک ماده در جذب انرژی و تغییر شکل خمیری قبل از وقوع شکست می‌گن. به عبارت دیگه، این قابلیت می‌گه که یه ماده چقدر انرژی می‌تونه جذب کنه و قبل از اینکه شکست بخوره، چقدر می‌تونه تغییر شکل بده.
به علاوه، چقرمگی می‌تونه به عنوان مقاومت ماده در برابر شکست در مواجهه با تنش نیز تعریف بشه. یعنی میزان توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر شکست و تحمل تنش‌ها قبل از وقوع شکست.
این قابلیت اهمیت زیادی داره، به خصوص در مواد مهندسی که در معرض فشارهای مختلفی مثل ضربه‌ها، تنش‌ها و انواع بارهای مختلف قرار می‌گیرن.
فرض کن یه تست قله‌شکن داری که برای اندازه‌گیری چقرمگی مواد استفاده می‌شه. توی این تست، یه نمونه از ماده‌ای مثل فولاد رو قرار می‌دیم و نیرویی بهش اعمال می‌کنیم تا ببینیم چقدر انرژی می‌تونه جذب کنه و تا چه حد می‌تونه تغییر شکل بده قبل از اینکه شکست بخوره.
حالا فرض کن که این نمونه فولادی توانایی خوبی داره که قبل از شکست، تغییر شکل بده و انرژی بیشتری جذب کنه. این به معنی اینه که چقرمگی این ماده خوبه. به عبارت دیگه، مثلاً وقتی تحت فشار قرار می‌گیره، بهتر مقاومت می‌کنه و قبل از شکست، تغییر شکل بیشتری داره.حتما داداش، الان یه مثال برات میارم:
فرض کن یه تیر فلزی روی دو پایه‌اش قرار داره و وزنی روی تیر اعمال شده. توی این حالت، تیر تحت استرس قرار داره، چون نیرویی که به پایه‌ها اعمال میشه، به سمت مساحت سطح تیر اعمال میشه.
حالا اگه اون تیر روی پایه‌ها زیاد فشرده بشه، مثلاً وقتی بار زیادی رویش قرار می‌گیره، تیر ممکنه شکست بخوره. این شکست نشون میده که استرسی که تیر تحمل کرده بیشتر از توانایی موادش بوده.
مثال دیگه اینه که فرض کن یه تیر چوبی داری که بلندیش از دو طرف حمل می‌کنن. اگه وقتی تیر روی اون قرار می‌گیره، وزن زیادی بهش اعمال بشه، تیر ممکنه شکست بخوره. اینم نشون میده که تحمل تنش و استرس تیر چوبی کمتر از وزنیه که روش اعمال می‌شه.
فرض کن یه تخته چوبی رو داری که روی دو پایه‌اش قرار داره و وزنی روی وسطش اعمال شده. توی این حالت، تخته چوبی ممکنه زیر وزن فشاری گرفته و شروع به خمیده شدن بکنه. این خمش نشون میده که تخته چوبی ممکنه تغییر شکل بده تا به وزنی که روش اعمال میشه مقاومت کنه، ولی هنوز به شکست نرسیده.
حالا اگه وزن زیادی روی اون تخته چوبی قرار بگیره، ممکنه تخته چوبی شکست بخوره. این شکست نشون میده که تحمل چقرمگی تخته چوبی کمتر از وزنیه که روش اعمال می‌شه.فرض کنید که یک تیر فلزی دارید که در انتهای آن یک بار وارد می‌شود. این بار موجب ایجاد تنش در تیر می‌شود. حالا، اگر این تیر بسیار سفت باشد، ممکن است به اندازه کمی تغییر شکل کند، اما اگر مواد آن به اندازه کافی انعطاف‌پذیر نباشد، ممکن است شکسته شود. در اینجا، تنش ناشی از بار وارد شده و شکستن تیر نشانگر تنش و شکست است.
همچنین، می‌توانیم کرنش را در نظر بگیریم. برای مثال، فرض کنید که یک تیر فلزی به طول معینی را کشیده و در طول آن یک نیروی کششی اعمال می‌کنید. در این صورت، تیر تغییر طول می‌دهد. کرنش محوری در اینجا نشان‌دهندهٔ نسبت تغییر طول تیر به طول اولیه‌اش است.
اگر بخواهیم کرنش جانبی را مثال بیاوریم، فرض کنید یک تیر فلزی را در راستای طول کشیده و نیروی کششی به آن اعمال کنید. ممکن است به عنوان واکنش، تیر در راستای عرض نیز تغییر شکل دهد، که این را می‌توان به عنوان کرنش جانبی در نظر گرفت.
در این دو مثال، تنش و کرنش به عنوان مفاهیم اساسی در توصیف رفتار مکانیکی مواد و سازه‌ها مورد استفاده قرار گرفته‌اند.تنش یعنی یه جورایی فشار یا کششی که روی یه قسمت از یه مواد یا سازه اعمال میشه، که با یه نماد σ نشون داده میشه. مثلاً وقتی یه نیرویی روی یه قطعه فلزی اعمال میشه و اون قطعه فشرده میشه یا کشیده میشه، اون فشار یا کشش نشون میده تنشه.
کرنش همونطور که با نماد ε نشون داده میشه، نشونگر اونه که مواد یا سازه‌ها توش تغییر اندازه میکنن نسبت به ابعاد اولیه‌شون. میتونه تغییر طول یا عرض یا حتی ضخامت باشه. مثلاً وقتی یه تیر فولادی کشیده میشه، طولش عوض میشه و این تغییر طولی که اتفاق میفته نشون دهنده کرنشه.
کرنش جانبی هم یه نسبت دیگه‌ای از تغییر اندازه است، این بار به اندازه تغییرات در قطر یا عرض مواد یا سازه‌ها نسبت به تنش محوری. معمولاً این کرنش وقتی اتفاق میفته که یه نیرویی اعمال بشه روی مواد و تغییر شکلی جانبی به وجود بیاد.فرض کنید که یک تیر فلزی در حالی که بر روی دو ستون حمایت می‌شود، بارگذاری می‌شود. این بارگذاری باعث ایجاد تنش در تیر می‌شود. اگر بار بسیار زیادی بر روی تیر اعمال شود، ممکن است تنش به حدی برسد که تیر شکسته شود.
همچنین، وقتی باری روی تیر اعمال می‌شود، تیر خمیده می‌شود. این خمش ناشی از تنش است که در تیر ایجاد می‌شود. مقدار خمش معمولاً با تغییرات در ابعاد تیر (مانند تغییر طول یا تغییر در قطر یا عرض) اندازه‌گیری می‌شود که به عنوان کرنش معرفی می‌شود.
در این مثال، تنش ناشی از بارگذاری تیر روی دو ستون، خمش ناشی از تغییر شکل تیر به دلیل تنش، و شکست ناشی از تنشی است که به حدی بزرگ است که تیر نتواند آن را تحمل کند. همچنین، کرنش ناشی از تغییرات در ابعاد تیر به دلیل خمش و تنش رخ می‌دهد.