آیا همیشه تنش تسلیم کمتر از تنش نهایی است؟
آیا منحنی زیر نادرست است؟
به احتمال زیاد به هر دو پرسش بالا، پاسخ “بلی” داده‌اید. من هم مثل شما فکر می‌کردم تا این که یک روز…
یک درخواست آزمون کشش به آزمایشگاه رسیده بود. بسته را که باز کردم دیدم یک ورق نازک فولادی با ضخامت ۲ یا ۳ میلیمتر است که ظاهرش نشان می‌داد احتمالاً گالوانیزه شده است.
مطابق روش همیشگی، سه نمونه‌ی کشش بر اساس ASTM E 8 آماده‌سازی کردیم. اولین نمونه را به دستگاه کشش بستیم و تست را انجام دادیم.
نتیجه اما، عجیب بود. حد بالایی تنش تسلیم بیشتر از تنش نهایی بدست آمده بود.
فکر کردم اشتباهی رخ داده است. مثلاً شاید نمونه در فک‌گیر دستگاه، سُر خورده باشد. نمونه‌ی دوم را محکمتر بستیم تا شاید مشکل برطرف شود. تست دوم هم انجام شد. نتیجه؟
هیچ تفاوتی با اولی نداشت و دوباره نیروی تسلیم، بیش از نهایی بدست آمد.
نتیجه‌ی آزمایش سومی هم مانند دو‌تای قبلی بود.
در موقعیت بدی گیر افتاده بودم. تا حالا چنین موردی ندیده بودم. هر چه فکر کردم دیدم حتی در هندبوکها و کتابهایی که خوانده بودم هم با این مسئله برخورد نکرده بودم.
آیا فرآیند خاصی روی نمونه انجام شده است؟ آیا سرعت کشش را باید تغییر می‌دادم؟ اشکال کار کجاست؟
مانده بودم گزارش آزمایش را چطور بنویسم. به این فکر افتادم که در اولین فرصت سری به کتابخانه بزنم و از آن طرف هم جستجویی در اینترنت بکنم شاید مطلبی پیدا کنم. اما پیش از این کارها، منطقی بود همه چیز را از اول بررسی کنم.
با نمونه سازی شروع کردم. آن زمان تمام استانداردهای لازم را بصورت هاردکپی در چند تا زونکن جمع‌آوری کرده بودم. (هنوز فایل pdf استانداردها در دسترس همه نبود و باید برای دریافت هر استاندارد به مرکز اطلاع رسانی مراجعه می کردم و با پر کردن یک فرم، پرینت استاندارد را تحویل می‌گرفتم. در آن شرایط، تنها کاری که از دستم برآمده بود این بود که با کمک دوستم کورش که دانشجوی دانشگاه تهران بود، توانسته بودم با هزینه‌ی شخصی، برخی از استانداردهای DIN را روی ۲۰ تا فلاپی دیسک تهیه کنم. یک کامپیوتر در آزمایشگاه داشتیم که خوشبختانه جای فلاپی داشت اما نه CD Drive داشت و نه اینترنت! برای گرفتن سی‌دی درایو، چندین بار کتبی و حضوری خواهش کردم و کلی دلیل آوردم که چقدر برای کارمان لازم است تا بالاخره مدیر، اجازه داد تا سی‌دی درایو به آزمایشگاه داده شود. یادم هست جناب مدیر یک بار در توجیه ندادن سی‌دی درایو، کاملاً جدی به من گفت: “از کجا معلوم که با کامپیوتر آزمایشگاه، فیلم تماشا نکنید؟” با این اوصاف، فکر می‌کنم نیازی به گفتن نباشد که درخواست اینترنت برای آزمایشگاه چقدر گستاخانه به نظر می‌رسید و احتمالاً جزایش، اعدام بود! البته به من لطف کرده بودند و این اجازه را داشتم! که با گرفتن وقت قبلی و در صورت خالی بودن جا، بتوانم از یک کامپیوتر متصل به اینترنت در طبقه‌ی چهارم ساختمان، استفاده کنم).
من را عفو کنید. جمله‌ی داخل پرانتز خیلی خیلی طولانی شد. آنجا بودیم که داشتم مراحل آزمایش کشش را دوباره از اول بررسی می‌کردم تا شاید اگر جایی اشتباهی صورت گرفته، متوجه شوم. استاندارد E 8 را ورق زدم و رسیدم به جدول ساخت نمونه که دیدم خوشبختانه، همه چیز مطابق روال انجام شده است. داشتم همینطور استاندارد را بدون هدف ورق می‌زدم که ناگهان به طور اتفاقی، چشمم به یک نمودار تنش- کرنش افتاد.
حتماً درست حدس زده‌اید. چیزی که دیدم مشابه همین نموداری بود که در بالا دیدید.
انگار بال درآورده بودم. فکر می‌کنم در آن لحظه حسی شبیه حس آیزاک نیوتن داشتم وقتی یک عدد سیب روی سر مبارکش افتاده بود (البته اگر حکایت کشف نیروی جاذبه با افتادن سیب، درست باشد).
استاندارد E 8 در مورد چرایی بیشتر بودن تنش تسلیم نسبت به تنش کششی، توضیح زیادی نداده بود و فقط نوشته بود در برخی مواد این اتفاق رخ می‌دهد. همین…
خیالم راحت شد که آزمایش به درستی انجام شده است. گزارش آزمایش را نوشتم و مهر و امضا کردم و برای مشتری فرستادم.
پ. ن ۱- هیچ‌وقت پیگیر نشدم که چرا آن نمونه را ارسال کرده بودند. آیا دلیلش، مقایسه‌ی بین آزمایشگاهی بود؟ می‌خواستند آزمایشگاه را محک بزنند؟ یا اصلاً هیچ دلیل خاصی پشتش نبود. نمی‌دانم…
پ. ن ۲- همان زمان، قرار بود دنبال فهمیدن دلیل این پدیده بروم اما درگیر کارهای جاری آزمایشگاه شدم و نشد. پس از آن هم اولویتش را از دست داد و با اینکه گوشه‌ی ذهنم پرونده‌اش را نبسته بودم اما کم‌کم غبار فراموشی رویش نشست.
پ. ن ۳- الان هم تنبلی‌ام گل کرده و می خواهم از شما کمک بگیرم. لطفاً اگر دلیل این پدیده را می‌دانید برایم بنویسید تا یک پرونده‌ی باز هجده ساله، بسته شود.
پ. ن ۴- دلیل اینکه در مطلب نکاتی برای استفاده‌ی موثرتر از استانداردهای مهندسی نوشته‌ام استانداردهایی که با آنها کار می‌‌کنید را زیر و رو کنید و حداقل یکبار به همه جای آن سر بزنید، به خاطر همین بلاهایی است که به سرم آمده است.
چه مطلب جالبی و اما جالب تر از اون خاطره سی دی درایو آزمایشگاه (: اینجور خاطرات رو فقط امثال من و شما درک می کنند ((:
درود بر شما. کاملاً درست می‌فرمایید. اگرچه این دست خاطرات، شخصی و خصوصی به نظر می‌رسند اما فکر می‌کنم بازگو کردنشان مفید باشد برای
مدیران امروز و نیز دانشجویان امروز که مدیران فردا خواهند بود.
سپاس از همراهی شما.
کامران جان سلام
دیدن چنین رفتاری برای من هم جالب و جدید بود. لحظه ای با خود فکر کردم که نکند این موضوع برای من هم یک پرونده ی باز چندین ساله بگشاید. البته چنین رفتار و پاسخ آن را همچون بسیاری از سوالات خواص مکانیکی تاکنون نه در کتابی دیده ام و نه در مقاله ای. من همیشه می گویم برای پیدا کردن پاسخ هر رفتار و پدیده ی متالورژیکی قبل از هر چیز سعی کنید مکانیزم آن پدیده را بشناسید و بعد در مورد آن صحبت کنید. در این مورد هم به نظرم مکانیزم حاکم بر وقوع پدیده نقطه تسلیم (yield point phenomenon) و رفتار نوسانی تنش سیلان (jerky flow) می تواند این مورد عجیب را توجیه کند. توجه کنید که پدیده نقطه تسلیم معمولا در آلیاژهای نسبتا رقیق از جمله فولادهای کم کربن رخ می دهد. و اما مکانیزم:
مکانیزم پدیده نقطه تسلیم برهم کنش عناصر آلیاژی و نابجایی ها هستند. در ابتدای کار برای کم کردن انرژی یک نابجایی، اتم های حل شونده سعی می کنند که اطراف یک نابجایی انباشته شوند و یک هاله یا ابر یا به تعبیری اتمسفری از اتم های حل شونده (solute atmosphere)در اطراف نابجایی ایجاد کنند. تنشی که در ابتدا برای رهایی نابجایی از این تمسفر لازم است منجر به نقطه تسلیم بالایی می شود و پس از آن یک افت در تنش ایجاد شده و نابجایی با تنش نسبتا ثابتی ولی نوسانی به حرکت خود ادامه می دهد و نقطه تسلیم پایینی رخ می دهد. اما در این گیر و دار، اگر شرایط مساعد باشد یعنی شرایط دمایی و نرخ کرنشی مطلوب باشد، برخی از اتم های حل شونده ول کن ماجرا نبوده و خود را به نابجایی می رسانند. نابجایی هم کوتاه نیامده و دوباره خود را رها می کند. به عبارتی نابجایی بطور پیاپی قفل و آزاد می شود. به دام افتادن و رها شدن نابجایی موجب نوسانی شدن تنش سیلان و پدیده ی پیر کرنشی (strain aging) می شود. نکته قابل توجه اینکه تنش لازم برای رها شدن نابجایی در نقطه تسلیم پایینی کمتر از نقطه تسلیم بالایی است چون در نقطه تسلیم پایینی تعداد اتم های حل شونده که نابجایی را قفل می کنند، به مراتب کمتر از تعداد آنها در نقطه تسلیم بالایی است. به عبارتی اتمسفر در نقطه تسلیم پایینی رقیق تر است. البته پس از مدتی یا نابجایی کوتاه می آید یا اتم های حل شونده و رفتار به حالت عادی بر می گردد (چرا؟). یعنی منحنی از حالت نوسانی خارج شده و ماده رفتار کارسختی از خود نشان می دهد.
اما حالا بر گردیم به پرونده هجده ساله و آن را با یک سوال مختومه اعلام کنیم. سوال اینکه چه کسی گفته و یا قسم خورده که استحکام کششی حتما باید بیشتر از نقطه تسلیم بالایی (تنش لازم برای فرار نابجایی از اتمسفر اولیه ی اتم های حل شونده) باشد؟ توجه کنید که استحکام کششی همان تنش تسلیم در آستانه گلویی است! مگر منحنی تنش کرنش یا کارسختی ماده همان تغییرات تنش تسلیم با کرنش نیست؟ همیشه می گویم فریب استحکام کششی را نخوریم و آن را به مکانیزم های شکست ربط ندهیم بلکه استحکام کششی به مکانیزم های تغییر شکل مربوط می شود. استحکام کششی و نقطه تسلیم بالایی هر دو ذاتا از جنس تنش تسلیم هستند که در این مورد یکی بر دیگری چیره شده و با دانسته های ما ناسازگاری ندارد.
پ.ن. در مهندسی مواد خیلی وقت ها برداشت اشتباه ما موجب می شود که یک پدیده طبیعی را غیر عادی و یک پدیده غیر عادی را طبیعی بپنداریم. مثلا تخته سیاه را با وجود اینکه سبز است تخته سیاه می دانیم و اگر کسی به ما گفت که این تخته سبز است تعجب می کنیم. یا مثلا کارسختی که یک رفتار غیر طبیعی است با گذشت زمان برای ما یک رفتار عادی شده. در واقع اگر یک ماده کار سخت شود باید تعجب کنیم و از خود بپرسیم چرا کار سخت می شود؟ درحالیکه اگر یک ماده کار سخت نشود برای ما یک رفتار غیر عادی پنداشته می شود و سریع از خود می پرسیم چرا کار سخت نمی شود!
ارادتمند، محسن ریحانیان
درود فراوان محسن عزیز، بسیار سپاسگزارم که وقت گذاشتید و با ریزبینی و موشکافی، قضیه را حلاجی کردید (البته می‌دانم و دیده‌ام وقتی دست به قلم می‌شوید، جز این هم انتظاری نباید داشت). بسیار عالی بود… همانطور که به درستی اشاره کرده‌اید “استحکام کششی و نقطه تسلیم بالایی هر دو ذاتا از جنس تنش تسلیم هستند که در این مورد یکی بر دیگری چیره شده ” یک پرسش برایم باقی می‌ماند و آن اینکه به نظرت این عواملی که باعث رخ دادن این پدیده می‌شوند، چه می توانند باشند و آیا کنترل آنها در اختیار ماست یا تصادفاً بروز پیدا می‌کنند؟ من در این مورد خاص احتمال می‌دهم ممکن است عملیات حرارتی ویژه ای روی نمونه انجام شده باشد. آیا این احتمال وجود دارد؟
سپاس از شما به خاطر توجه و همراهیت.
کامران عزیز
رخ دادن چنین پدیده یا پدیده هایی (البته به پندار ما غیر عادی) در ماده، همانا به شرایط ساختاری و فرایندی ماده برمی گردد که از این طریق ماده هنرنمایی ساختاری خود را به رخ می کشد. یک مهندس مواد، خواص را با طراحی ساختار به زیر سلطه ی خود در می آورد. جالب اینکه برخی از ما، بر خلاف اینکه برای اینکار سال ها آموزش دیده ایم، این موضوع را فراموش می کنیم و فکر می کنیم که خاصیت یک ماده یک ویژگی ذاتی ماده است که تغییر نمی پذیرد. در مورد این سوال هم فراموش نکنیم که ماده همیشه مثل ما تنبل بوده و راحت ترین کار را انجام می دهد. در اینجا به نظرم شرایط ساختاری و فرایندی ماده ایجاب می کند که نقطه تسلیم ماده بیشتر از استحکام کششی باشد. به عبارت دیگر تنش لازم برای فرار نابجایی از اتمسفر حل شونده بر کار سختی ماده حتی تا آستانه گلویی چیره شده. البته همه ی اینها نظر شخصی است و ممکن است به طریق دیگر قابل توجیه باشد.
باز هم سپاس محسن جان. پرونده هجده ساله را همین الان، پس از خواندن نظرت بستم.
سال‌ها و سال‌ها با تندرستی، دیر بمانی و شاد.
سلام جناب. ممنون از بیان زیباتون. بنده با یک منحنی روبرو شدم که رفتار دندان اره ای از تنش تسلیم به بعد ادامه پیدا می کنه و مقداری با منحنی پیر کرنش تفاوت داره. اطلاع دارید که این منحنی متقلع به چه موادیه؟
درود بر شما.
گفته می‌شود این پدیده معمولاً در فولادهای کم کربن رخ می‌دهد. اگر منحنی تنش و کرنش موردی که اشاره کرده‌اید را بتوان دید مسلماً بهتر می توان اظهار نظر کرد.
پاینده باشید.
I found your answer in this article:
“The effect of the strain rate on the stress- strain curve and microstructure of AHSS”
https://lnkd.in/gxT_xXE
They explain that different rate of strain make difference in temperature, so changes in transformation of retarded austenite have caused such curves.
درود و احترام. بسیار بسیار قدردان پیگیری و توجه شما هستم. پیروز و پاینده باشید.
بسیار جالب بود مهندس جان
به قدری زیبا روایت کردید که خودم رو در اون وضعیت دیدم!
پاینده باشید
درود فراوان جناب یعقوبی عزیز. از ابراز لطفتان بسیار سپاسگزارم. امیدوارم آرامش، همراه همیشگیتون باشد.
خیلی جذاب توصیف کردید…لذت بردم
انرزی مثبتتان را دریافت کردم. سپاسگزارم. محبت دارید.
اندر حکایت تخته سیاه و کارسختی ماده:
قدیم ها به تخته سبز، تخته سیاه می گفتیم و انقدر به تخته سیاه عادت کرده بودیم که اگر کسی می گفت که این تخته واقعا سبز است نه سیاه، تعجب می کردیم!
و اما اکنون نیز انقدر رفتار کارسختی مواد را دیده ایم که برای ما کارسختی به یک پدیده مکانیکی کاملا عادی تبدیل شده است. به همین دلیل در کلاس‌های مکانیکی وقتی از کارسختی صحبت می‌کنیم اصلا برای دانشجو یک پدیده ی عجیب نیست و کاملا نسبت به کارسختی ماده بی تفاوت است. اما وقتی می‌گوییم که ماده از نظر تئوری نباید کار سخت شود و باید در یک تنش ثابت لغزش دهد، انگشت به دهان می ماند و با خود می‌گوید که مگر چنین چیزی ممکن است!. در واقع بجای اینکه توضیح دهیم که چرا ماده کارسخت می‌شود، برعکس باید توضیح دهیم که چرا ماده کارسخت نمی شود.!!!
این حکایت ماست در بحث کارسختی مواد در درس خواص مکانیکی یک
ریحانیان، 22 آبان ماه 99
درود محسن جان. شاید هم مشکل از “وایت برد” باشد که باعث شده دیگر کسی نه تخته سیاه را بشناسد و نه تخته سبز را!
سلام استاد
تغییرات منحنی تنش و کرنش پس از عبور از نقطه تسلیم قطعا بیش از هر چیز مربوط به پدیده “نکینگ” و شروع و نحوه پیشرفت تغییرات سطح مقطع است.
شما که قطعا نسبت به بنده که از علم مواد فقط یک درس خواص مواد را گذرانده ام و تمام دانسته ها و یافته های پراکنده ام در خصوص مواد مربوط به تعامل با دانش مکتوب و نامکتوب مهندسان و متخصانی ست که به تبع نیاز به آنها مراجعه کرده ام می باشد، دانش سیستمی و یکپارچه و منسجم دارید و شکسته نفسی می فرمایید، ولی تنها عاملی که به نظر این حقیر می رسد، موضوع تغییرات نسبت تغییر طول به سطح مقطع (ضریب پواسان) که می تواند نسبت محاسبه تغییر میزان نیروی وارده به تغییرات سطح مقطع را تغییر دهد و شکل منحنی تنش کرنش را بعد از نقطه تسلیم تغییر دهد. یک عامل دیگر هم می تواند تغییر مقاومت ماده بر اثر تغییر فرم و تغییر مقدار و تداخل نابجایی های کریستالی باشد.
البته این هر دو بخصوص موضوع اول یعنی تأثیر تفاوت های ضریب پواسان خیلی خام است و باید روی صحت و سقم آن کار بشود.
درود و سپاس فراوان
فکر می کنم مطالعه مقاله زیر که خانم تکتم در کامنتشان پیشنهاد دادند، سودمند باشد:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924013616304083?via%3Dihub