تنش تسلیم، بار گواه و تنسایل پیچ و مهره ها

رفتار پیچ و مهره ها زمانی که تحت تاثیر نیروی کششی در راستای محور پیچ قرار میگیرند بسته به متریال بکار رفته در ساخت آنها و میزان بار وارده متفاوت می باشد. بطور کلی کلمه تنسایل به مفهوم اعمال بار در راستای محور پیچ است. آنچه در لغت و در جداول به نام تنسایل از آن یاد می شود حداکثر تنسایل کششی است که در این مقاله به آن خواهیم پرداخت.

برای تشریح مفاهیم ناحیه الاستیک و پلاستیک و رفتار اتصالات پیچ و مهره بر اثر اعمال نیروی کششی نیاز به درک مفاهیم تنش، کرنش و ارتباط آنها داریم. برای درک این مفاهیم نمودار تنش و کرنش را به زبان ساده تشریح می کنیم و سپس توضیحات مرتبط را بیان می کنیم.

مفهوم تنش Tension

تنش و فشار دو مفهوم یکسان با کاربری فیزیکی متفاوت هستند که هر دو به معنای بار وارده بر سطح می باشند. با این تفاوت که کاربری کمیت تنش بیشتر در مورد مواد جامد و کاربری فشار بیشتر در مورد مایعات و گازها می باشد.

همانطور که گفتیم تنش در واقع میزان بار وارده بر سطح می باشد و آن را با حرف σ –خوانده می شود سیگما – نشان می دهند و مقدار آن از رابطه زیر بست می آید

σ = Fn / A

Fn نیروی نرمال یا نیروی عمودی وارد بر سطح بر حسب نیوتن یا کیلو نیوتن و یا پوند

A سطح مقطع پیچ بر حسب متر مربع یا میلی متر مربع و یا اینچ مربع

واحد یا دیمانسیون تنش نیوتن بر متر مربع یا پاسکال است. از آنجا که یک پاسکال تنش بسیار کوچکی است معمولا از مگاپاسکال که برابر یک میلیون پاسکال است استفاده می شود. در سیستم آمریکایی واحد تنش psi یعنی پوند بر اینچ مربع و در مقیاس بزرگتر ksi یعنی کیلوپوند بر اینچ مربع می باشد. تبدیل واحد های مختلف تنش به قرار زیر است.

1ksi=6.894Mpa

1Mpa=0.145ksi

مفهوم کرنش Strain

بر اثر اعمال نیروی کششی به پیچ ، پیچ تغییر طول می دهد. این میزان تغییر طول می تواند بسیار کوچک و میکروسکوپی – در ناحیه الاستیک – و یا بزرگ و قابل رویت – در ناحیه پلاستیک – باشد.

نسبت تغییر طول به طول اولیه را کرنش می گویند. کرنش را با علامت ε – خوانده میشود اپسیلون – نمایش می دهند و طبق رابطه داریم

Ε = ΔL/L

یعنی کرنش برابر است با نسبت تغییر طول به طول. کرنش کمیتی بدون دیمانسون است.

نمودار تنش-کرنش و مفاهیم وابسته

نمودار تنش و کرنش حاصل از اعمال بار محوری یا تنسایل به اتصال پیچ و مهره در زیر آورده شده است.

ناحیه الاستیک و ناحیه پلاستیک

زمانیکه نیروی کششی به پیچ وارد میشود ابتدا یک تغییر طول کوچک دارد این تغییر طول کوچک با حذف نیروی کششی از بین می رود و پیچ به طول اولیه خود باز میگردد. میزان تنش و باری را که در آن ناحیه پیچ پس از حذف بار به طول اولیه باز می گردد ناحیه الاستیک می گویند. حداکثر بار در ناحیه الاستیک تا تنش تسلیم پیش می رود. یعنی بعد از اعمال بار معادل تنش تسلیم پیچ تسلیم شده و تغییر طول دائمی می دهد. این ناحیه را پلاستیک می گویند. تغییر طول در ناحیه پلاستیک دائمی است بدین معنا که اگر حتی نیروی کششی حذف هم شود باز تغییر طول ایجاد شده در پیچ باقی می ماند. اعمال بار بیشتر تغییر طول بیشتر را به همراه داشته تا جایی که پیچ دچار شکست می شود.

در ناحیه الاستیک نسبت تنش به کرنش بصورت خطی یا ثابت تغییر می کند. همانطور که در نمودار نیز دیده می شود در ناحیه الاستیک یک خط با شیب ثابت نمایانگر نسبت تنش به کرنش است. با وارد شدن به ناحیه پلاستیک این شیب خط کم شده که به معنای نسبت بیشتر کرنش به تنش است یعنی با اعمال بار کمتر تغییر طول بیشتر خواهیم داشت.

بار گواه Proof load و تنش تسلیم Yield Stress

همانطور که گفتیم تنش تسلیم میزان تنشی است که از آنجا به بعد پیچ تسلیم شده، تغییر طول پیچ دائمی شده و وارد ناحیه پلاستیک می شود. بار گواه معمولا 0.85-0.9 تنش تسلیم می باشد و به معنای حداکثر بارکششی است که بدون تغییر طول می توان به اتصال پیچ و مهره وارد نمود.

مفهوم تنسایل و حداکثر تنسایل کششی

همانطور که گفتیم تنسایل به معنای اعمال نیروی کششی محوری به اتصال پیچ و مهره یا یک قطعه است. از کلمه تنسایل در جداول و هند بوک های مهندسی استفاده میشود که منظور حداکثر تنسایل کششی است. حداکثر تنسایل کششی به مفهوم میزان تنش حداکثر در طول پیچ است که از آنجا به بعد دیگر میزان تنش افزایش پیدا نمی کند و تنها این طول است که افزایش یافته و به سمت نقطه شکست پیچ پیش می رود. میزان تنسایل از تنش تسلیم و بار گواه بیشتر است. شایان ذکر است که مفهوم تنسایل در جداول مهندسی به هیچ وجه به این معنا نیست که این میزان بار می تواند به پیچ و مهره وارد شود چرا که تنسایل یا حداکثر تنسایل کششی در ناحیه پلاستیک اتفاق می افتد که پیچ تغییر طول دائمی داده است.

مقایسه نمودار تنش و کرنش آهن، فولاد و فولاد حرارت دیده

در توضیح پیچ و مهره کلاس 5.6 ، 8.8، 10.9 و 12.9 گفته شد که با بالا رفتن کلاس پیچ و مهره متریال آنها ترد تر می شود. همچنین در توضیحات مربوط به استاندارد های پیچ و مهره ASTM A453 نیز قید کردیم که عملیات حرارتی باعث افزایش مقاومت کششی و تنسایل پیچ و مهره شده و آنها را ترد تر می کند.
نمودار پایین سمت چپ مقایسه نمودار تنش و کرنش را برای گرید ها و کلاس های چند استاندارد پیچ نشان داده است. همانطور که دیده می شود هر چه پیچ ترد تر شده است تنسایل بالاتری دارد. اما ترد شدن پیچ با وجود افزایش تنسایل و بار گواه موجب کوچک شدن ناحیه پلاستیک نیز می شود. بدان معنا که پیچ های تنسایل پایین اندکی قابلیت تغییر طول دارند و کش می آید اما با افزایش تنسایل و ترد شدن پیچ ناحیه پلاستیک کوچک می شود و تنش تسلیم به نقطه شکست نزدیک می شود.

پیچ و مهره