استحکام کششی فولاد چیست؟

استحکام کششی فولاد، یکی از معیارهای مهم در تعیین مقاومت آن در برابر نیرو‌های کششی قبل از شکست است. یک طناب را در نظر بگیرید. استحکام کششی، حداکثر نیرویی است که این طناب می‌تواند تحمل کند قبل از اینکه پاره شود. این خاصیت به‌شدت در ترکیب شیمیایی انواع فولاد، به‌خصوص درصد کربن، و همچنین فرآیندهای تولید و عملیات حرارتی اعمال شده بر آن بستگی دارد.

استحکام کششی فولاد چیست؟

استحکام کششی فولاد، یکی از مهم‌ترین خواص مکانیکی مواد است که به معنی توانایی آن در مقابل نیروهای کششی است. به‌صورت ساده‌تر، استحکام کششی حداکثر تنشی است که یک قطعه فولادی می‌تواند قبل از شکست یا پارگی در برابر کشش طولی تحمل کند. این مقدار، معیاری برای سنجش مقاومت متریال در برابر نیروهایی است که سعی در ازدیاد طول آن دارند.

برای مثال، یک متریال نمونه را در نظر بگیرید. با افزایش تدریجی نیرو، نمونه شروع به افزایش طول می‌کند. در ابتدا، این افزایش طول الاستیک است، یعنی با برداشتن نیرو، نمونه به طول اولیه خود بازمی‌گردد. اما با ادامه افزایش نیرو، نمونه وارد حوزه پلاستیک می‌شود که در آن تغییر شکل دائمی است. در این مرحله، حتی با برداشتن نیرو، نمونه به طول اولیه خود بازنمی‌گردد. با ادامه اعمال نیرو، نمونه به نقطه‌ای می‌رسد که در آن شکست رخ می‌دهد. حداکثر تنشی که نمونه قبل از شکست تحمل می‌کند، به عنوان استحکام کششی نهایی یا UTS شناخته می‌شود.

استحکام کششی به عوامل متعددی مثل ترکیب شیمیایی فولاد (به‌خصوص درصد کربن)، فرایند تولید، و عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن بستگی دارد. برای مثال، افزایش درصد کربن معمولاً باعث افزایش استحکام کششی می‌شود. همچنین، عملیات حرارتی مانند کوئنچ و تمپرینگ می‌توانند تاثیر زیادی روی استحکام کششی داشته باشند. اندازه‌گیری استحکام کششی فولاد به کمک آزمایش کشش انجام می‌شود و مقدار آن معمولاً به واحد مگاپاسکال (MPa) یا گیگاپاسکال (GPa) بیان می‌شود.

انواع استحکام کششی فولاد

استحکام کششی به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که هر یک جنبه متفاوتی از رفتار فولاد تحت کشش را نشان می‌دهند.
استحکام کششی تسلیم (Yield Strength)

یک میله فولادی در نظر بگیرید که خیلی آرام آن را از دو طرف می‌کشیم. در ابتدا، میله به‌صورت الاستیک تغییر شکل می‌دهد، به این معنا که با برداشتن نیرو، میله به طول اولیه خود بازمی‌گردد. اما با افزایش نیرو، به نقطه‌ای می‌رسیم که میله شروع به تغییر شکل پلاستیک یا دائمی می‌کند. این نقطه به‌عنوان نقطه تسلیم شناخته می‌شود و تنشی که در آن این تغییر شکل دائمی آغاز می‌شود، استحکام کششی تسلیم نامیده می‌شود. استحکام تسلیم حداکثر تنشی است که فولاد می‌تواند تحمل کند بدون آنکه دچار تغییر شکل دائمی شود.

استحکام کششی نهایی (Ultimate Tensile Strength – UTS)

با ادامه اعمال نیروی کششی پس از نقطه تسلیم، میله فولادی به تغییر شکل پلاستیک خود ادامه می‌دهد. در این مرحله، حتی با برداشتن نیرو، میله به طول اولیه خود بازنمی‌گردد. با افزایش بیشتر نیرو، میله به نقطه‌ای می‌رسد که دیگر قادر به تحمل نیروی بیشتر نیست و در نهایت دچار شکست می‌شود. حداکثر تنشی که میله قبل از شکست تحمل می‌کند، “استحکام کششی نهایی” یا UTS نامیده می‌شود. این مقدار، حداکثر مقاومت فولاد در برابر نیروی کششی است. در طراحی قطعات فولادی، بسیار مهم است که تنش کاری قطعه همیشه پایین‌تر از استحکام کششی نهایی باشد تا از شکست ناگهانی آن جلوگیری شود.

استحکام کششی شکست (Fracture Strength)

استحکام کششی شکست، تنشی است که در لحظه شکست قطعه فولادی وجود دارد. این مقدار ممکن است کمی کمتر از استحکام کششی نهایی باشد، زیرا پس از رسیدن به UTS، قطعه ممکن است قبل از شکست کامل، مقداری تغییر شکل پلاستیک اضافی را تجربه کند که به گردنی شدن معروف است. استحکام کششی شکست معیاری برای سنجش مقاومت فولاد در مقابل شکست ناگهانی و کامل است.

استحکام کششی روی محور منحنی تنش-کرنش

منحنی تنش-کرنش، نموداری است که رفتار یک فلز (مانند فولاد) را تحت کشش نشان می‌دهد. این منحنی، رابطه بین تنش (نیرو بر واحد سطح) و کرنش (تغییر طول نسبی) را بیان می‌کند. استحکام کششی فولاد را می‌توان به‌وضوح روی این منحنی مشاهده و اندازه‌گیری کرد. در واقع، نقاط مختلف روی این منحنی، معرف مراحل مختلف رفتار فولاد تحت کشش هستند.

اهمیت استحکام کششی

در صنایع هوافضا که وزن قطعات بسیار مهم است، از فولادهای با استحکام کششی بالا استفاده می‌شود تا بتوان قطعات سبک‌تر و مقاوم‌تری ساخت. همچنین، در ساخت ابزارهای برشی، استحکام کششی بالا برای جلوگیری از شکستن یا خم شدن ابزار ضروری است.
با اندازه‌گیری استحکام کششی فولاد می‌توان کیفیت فولاد آلیاژی مورد استفاده و صحت فرایند تولید را بررسی کرد. همچنین، استحکام کششی می‌تواند به ما در پیش‌بینی عمر قطعه کمک کند. قطعاتی که تحت تنش‌های بالا کار می‌کنند، اگر از فولادی با استحکام کششی مناسب ساخته نشده باشند، عمر کوتاه‌تری خواهند داشت.
با دانستن استحکام کششی فولاد، می‌توان طراحی قطعات را بهینه کرد. می‌توان ابعاد و شکل قطعات را به‌گونه‌ای طراحی کرد که در عین حفظ مقاومت مورد نیاز، وزن و هزینه تولید آن‌ها کاهش پیدا کند.

کاربردهای استحکام کششی فولاد

برخی از مهم‌ترین کاربردهای استحکام کششی فولاد، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

طراحی و ساخت سازه‌ها

پل‌ها، ساختمان‌ها، و سایر سازه‌ها باید بتوانند نیروهای کششی ناشی از وزن خود، بارهای مفید، و عوامل محیطی مانند باد و زلزله را تحمل کنند. با استفاده از اطلاعات استحکام کششی فولاد، ابعاد و جنس قطعات را به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که سازه بتواند این نیروها را به‌صورت ایمن تحمل کند.
صنعت خودروسازی

بدنه خودرو باید بتواند در تصادفات، نیروهای کششی زیادی را جذب کند تا از تغییر شکل بیش از حد و آسیب به سرنشینان جلوگیری شود. به همین دلیل، از فولادهای با استحکام کششی بالا در ساخت قطعات مهم بدنه خودرو استفاده می‌شود.

صنایع هوافضا

در صنایع هوافضا، وزن قطعات بسیار مهم است. به همین دلیل، از مواد سبک و در عین حال مقاوم مانند آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم با استحکام کششی بالا استفاده می‌شود. این مواد باید بتوانند نیروهای کششی زیادی را در هنگام پرواز تحمل کنند بدون آنکه وزن سازه را بیش از حد افزایش دهند.

انتخاب مواد

استحکام کششی یکی از معیارهای اصلی برای انتخاب مواد در کاربردهای مختلف است. مهندسان با در نظر گرفتن نیروهای کششی موجود در هر کاربرد، متریالی را انتخاب می‌کنند که استحکام کششی آن برای تحمل این نیروها کافی باشد.

کنترل کیفیت

با انجام آزمایش کشش و اندازه‌گیری استحکام کششی نمونه‌ها، می‌توان از کیفیت مواد تولید شده و مطابقت آن‌ها با استانداردهای مورد نیاز اطمینان حاصل کرد.

تفاوت استحکام کششی و تنش تسلیم

استحکام کششی فولاد (Ultimate Tensile Strength – UTS)، همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، حداکثر نیرویی است که می‌توانیم به یک متریال وارد کنیم قبل از اینکه به مرحله شکست کامل برسد. تنش تسلیم (Yield Strength) نیز، تنشی است که در آن متریال شروع به تغییر شکل پلاستیک یا دائمی می‌کند. به عبارت دیگر، اگر تنش اعمال شده به متریال از تنش تسلیم بیشتر شود، متریال پس از برداشتن نیرو به شکل اولیه خود بازنمی‌گردد. در یک مقایسه کلی، استحکام کششی مربوط به شکست کامل متریال است، در حالی که تنش تسلیم مربوط به شروع تغییر شکل دائمی است. معمولاً تنش تسلیم کمتر از استحکام کششی است.

سوالات متداول

استحکام کششی فولاد چیست؟
حداکثر تنشی است که یک قطعه فولادی می‌تواند قبل از شکست یا پارگی در برابر کشش طولی تحمل کند.

انواع استحکام کششی فولاد کدامند؟
استحکام کششی تسلیم (Yield Strength)، استحکام کششی نهایی (Ultimate Tensile Strength – UTS)، استحکام کششی شکست (Fracture Strength).

تفاوت استحکام کششی و تنش تسلیم در چیست؟
استحکام کششی مربوط به حداکثر نیروی وارد شده قبل از شکست کامل متریال است، اما تنش تسلیم مربوط به تنشی است که در آن متریال شروع به تغییر شکل پلاستیک یا دائمی می‌کند.