استحکام کششی چیست؟ تعریف، واحدها، فرمول و روش های آزمون

استحکام کششی چیست؟ تعریف و معنای اصلی

استحکام کششی حداکثر تنش کششی (کششی) است که یک ماده می تواند در هنگام کشش قبل از شکستگی تحمل کند. این یکی از متداول ترین خواص مکانیکی در مهندسی است که به یک سوال ساده اما حیاتی پاسخ می دهد: یک قطعه چقدر نیروی کششی محوری می تواند قبل از جدا شدن ماده زنده بماند؟ استحکام کششی بر حسب مگا پاسکال (MPa) یا پوند بر اینچ مربع (psi) بیان می‌شود و با کشیدن یک نمونه استاندارد تا شکستن آن اندازه‌گیری می‌شود.

برای یک پردازنده پلاستیکی، استحکام کششی یک عدد آزمایشگاهی انتزاعی نیست. اگر یک براکت PA66 تقویت‌شده با فیبر شیشه‌ای را قالب‌گیری می‌کنید که کمربند ایمنی را به قاب خودرو متصل می‌کند، استحکام کششی حداکثر بار کششی محوری را که براکت می‌تواند تحمل کند، قبل از تسلیم شدن مواد و در نهایت پاره شدن به شما می‌گوید. مهندسان طراح و تیم های تدارکات از این مقدار برای مقایسه پلیمرهای کاندید، محاسبه حداقل ضخامت دیوار و تصمیم گیری در مورد اینکه آیا درجه استاندارد یا درجه افزایش یافته برای یک کاربرد معین ضروری است، استفاده می کنند.

استحکام کششی نیز جایگاه مشخصی بر روی منحنی تنش-کرنش دارد. هنگامی که بار کششی اعمال می شود، ماده ابتدا به صورت الاستیک تغییر شکل می دهد، سپس در پلیمرهای انعطاف پذیر مانند نایلون به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهد و در نهایت می شکند. تنشی که در آن گسیختگی رخ می دهد، مقاومت کششی است که اغلب به آن مقاومت کششی نهایی می گویند. از مقاومت تسلیم، که تنشی است که در آن تغییر شکل دائمی شروع می شود، و همچنین از مقاومت شکست، که تنش ثبت شده دقیقا در لحظه شکستن نمونه است، متمایز است. درک این سه مقدار با هم از اشتباهات پرهزینه در انتخاب مواد جلوگیری می کند.

مقاومت کششی چگونه اندازه گیری می شود؟

استحکام کششی با دستگاه تست جهانی تعیین می شود. یک نمونه دمبلی شکل که معمولاً نمونه استخوان سگ نامیده می شود، بین دو دسته بسته می شود. دستگاه نمونه را با سرعت ثابت می کشد در حالی که یک لودسل نیرو را ثبت می کند و یک کشش سنج ازدیاد طول را ثبت می کند. آزمایش تا زمانی که نمونه شکسته شود ادامه می یابد. حداکثر نیروی ثبت شده در طول آزمایش بر سطح مقطع اصلی بخش گیج تقسیم می شود تا مقاومت کششی در سیستم واحد انتخاب شده به دست آید.

نتیجه به شدت به استاندارد آزمایش، هندسه نمونه، سرعت ضربدر، دما و رطوبت بستگی دارد. پلاستیک ها و فلزات از استانداردهای متفاوتی استفاده می کنند و اگر شرایط آزمایش متفاوت باشد، نمی توان مقادیر را مستقیماً با هم مقایسه کرد. جدول زیر روش های اصلی آزمایش کشش مورد استفاده برای مواد مهندسی را فهرست می کند.

هنگامی که داده های استحکام کششی را روی یک صفحه داده نایلونی مقایسه می کنید، همیشه بررسی کنید که کدام استاندارد استفاده شده است. مقادیر تولید شده با ASTM D638 و ISO 527 به طور خودکار قابل تعویض نیستند زیرا ابعاد نمونه و سرعت آزمایش متفاوت است و حالت خرابی می تواند تحت تأثیر وضعیت رطوبت نمونه قرار گیرد.

انواع کلیدی مقاومت کششی: تسلیم، نهایی و شکست

اصطلاح استحکام کششی اغلب به گونه ای استفاده می شود که گویی به یک عدد اشاره دارد. در عمل، یک آزمایش کششی حداقل سه مقدار متمایز تولید می کند و هر یک معنای مهندسی متفاوتی دارد.

قدرت تسلیم

استحکام تسلیم تنشی است که در آن یک ماده شروع به تغییر شکل دائمی می کند. برای پلیمرهایی که نقطه تسلیم واضحی را نشان نمی‌دهند، مهندسان از روش آفست 0.2٪ استفاده می‌کنند: یک خط موازی با ناحیه الاستیک با کرنش 0.2٪ جابه‌جا می‌شود و تقاطع آن با منحنی تنش-کرنش، قدرت تسلیم آفست را مشخص می‌کند. این مقدار مبنای اکثر طراحی های سازه ای است زیرا محدودیت تغییر شکل قابل بازیافت را مشخص می کند.

استحکام کششی نهایی

استحکام کششی نهایی بالاترین تنشی است که در منحنی تنش-کرنش مهندسی حاصل شده است. برای نایلون انعطاف پذیر، این نقطه ای است که در آن گردنه شروع به تمرکز تغییر شکل در یک منطقه محلی می کند. فراتر از این نقطه، نمونه به دراز شدن ادامه می‌دهد، اما ظرفیت باربری سطح مقطع گردنی کاهش می‌یابد تا زمانی که شکستگی رخ دهد. این مقدار معمولاً به عنوان مقاومت کششی در برگه های اطلاعات مواد گزارش شده است.

قدرت شکستگی

استحکام شکست تنش ثبت شده در لحظه شکست است. در یک نمونه نایلون انعطاف پذیر، تنش شکست اغلب کمتر از مقاومت کششی نهایی است، زیرا سطح مقطع در طول گردن نازک شده است. در یک ماده شکننده، مانند PPA بسیار پر از شیشه، استحکام نهایی و شکست معمولاً نزدیک به یکدیگر است. تشخیص این تفاوت به توضیح اینکه چرا یک ماده یک منطقه گسیختگی طولانی و مسطح را نشان می دهد و دیگری به طور ناگهانی می شکند کمک می کند.

استحکام کششی در مقابل استحکام تسلیم در مقابل کشیدگی در زمان شکست

برای یک گیره نایلونی قالب‌گیری شده که باید در جای خود محکم شود، کشیدگی در هنگام شکست به شما می‌گوید که گیره تا چه اندازه می‌تواند بدون ترک خوردگی خم شود. قدرت تسلیم به شما می گوید که آیا گیره پس از قرار دادن مکرر برای همیشه نیروی گیره خود را از دست می دهد یا خیر. استحکام کششی به شما می گوید که در نهایت گیره با چه نیرویی جدا می شود. هر سه مقدار از آزمون کشش یکسانی می آیند، اما به سوالات مهندسی متفاوتی پاسخ می دهند.

یک مثال عملی: یک قلاب محکم ساخته شده از PA6 تقویت نشده ممکن است استحکام کششی 70 مگاپاسکال و 40% کشیدگی را در هنگام شکست نشان دهد که به کارگر مونتاژ اجازه می دهد تا قلاب را بدون ترک خوردگی خم کند. آن را با یک درجه PPA پر از شیشه 45 درصد با استحکام کششی 250 مگاپاسکال و تنها 1.5 درصد کشیدگی جایگزین کنید، و علیرغم اینکه قلاب در یک کشش مستقیم بسیار قوی تر است، در حین مونتاژ جدا می شود. به همین دلیل است که مقادیر مقاومت همیشه همراه با شکل پذیری تفسیر می شوند.

واحدهای مقاومت کششی و مقادیر معمولی مواد

استحکام کششی در سیستم SI بر حسب پاسکال (Pa) گزارش می‌شود، اما در عمل مهندسی به صورت مگا پاسکال (MPa) ظاهر می‌شود، که در آن 1 MPa = 1 N/mm² است. بازار آمریکای شمالی اغلب از پوند در هر اینچ مربع (psi) استفاده می کند. یک تبدیل ساده 1 مگاپاسکال = 145.038 psi و 1 ksi (1000 psi) = 6.895 مگاپاسکال است. وقتی یک تامین کننده مقداری را در واحد دیگری نقل قول می کند، قبل از مقایسه نمرات، آن را تبدیل کنید.

حالت خشک به عنوان قالب (DAM) به یک نمونه تازه قالب‌گیری شده اشاره دارد که در شرایط خشک نگهداری می‌شود. حالت شرطی پس از اینکه ماده رطوبت را جذب کرد تا در رطوبت نسبی 50 درصد به تعادل برسد، به حالت شرطی می رسد. قطعات نایلونی در حال سرویس معمولاً به حالت شرطی نزدیک‌تر هستند، بنابراین تنها با تکیه بر داده‌های DAM می‌توان استحکام واقعی یک قطعه قالب‌گیری شده را بیش از حد تخمین زد.

عواملی که بر استحکام کششی در مواد نایلونی تأثیر می گذارد

برای پلیمرهای مبتنی بر نایلون، استحکام کششی یک عدد ثابت نیست. همان درجه PA6 می تواند مقادیر کششی بسیار متفاوتی را بسته به رطوبت، تقویت، دما و شرایط پردازش نشان دهد. درک این متغیرها هنگام مقایسه برگه های داده یا برنامه ریزی یک قطعه قالب گیری ضروری است.

جذب رطوبت

نایلون رطوبت سنجی است و آب جذب شده به عنوان یک نرم کننده عمل می کند. دمای انتقال شیشه را کاهش می دهد، چقرمگی ضربه را افزایش می دهد و استحکام کششی و سفتی را کاهش می دهد. یک رزین PA6 تقویت نشده معمولی پس از رسیدن به تعادل رطوبت در رطوبت نسبی 50 درصد، از تقریباً 75 مگاپاسکال به صورت خشک در قالب به حدود 50 مگاپاسکال افت می کند. به همین دلیل است که صفحات داده نایلون مقادیر خشک و تهویه‌شده را فهرست می‌کنند و چرا قطعات مورد استفاده در محیط‌های مرطوب باید بر اساس مقادیر شرطی شده طراحی شوند تا مقادیر تازه قالب‌گیری شده.

تقویت الیاف شیشه

افزودن 30 درصد الیاف شیشه بر حسب وزن، استحکام کششی PA66 را از تقریباً 85 مگاپاسکال به تقریباً 190 مگاپاسکال، بسته به عامل اتصال و توزیع طول فیبر نهایی، افزایش می‌دهد. چسبندگی خوب ماتریس فیبر بسیار مهم است: با اتصال ضعیف، الیاف با تنش کم بیرون می‌روند و افزایش استحکام کم است. به همین دلیل، گریدهای افزایش یافته تولید شده با ترکیب کنترل شده معمولاً نتایج کششی ثابت تری نسبت به ترکیبات داخلی عمومی نشان می دهند.

دما

با افزایش دما مقاومت کششی کاهش می یابد. در دمای 80 تا 100 درجه سانتی گراد، یک PA6 تقویت نشده استاندارد تنها کسری از استحکام کششی خود در دمای اتاق را حفظ می کند. در محفظه های موتور داغ، مهندسان گریدهای تثبیت شده حرارتی یا مبتنی بر PPA را انتخاب می کنند. را مزایای پایداری حرارتی سری تراشه های PA6 در محیط های با دمای بالا در یک تجزیه و تحلیل جداگانه پوشش داده شده است، اما قانون کلی ساده است: هر مقایسه کششی باید در دمای کاربرد انجام شود، نه تنها در 23 درجه سانتیگراد.

وزن مولکولی، بلورینگی، و پردازش

وزن مولکولی بالاتر، درهم تنیدگی زنجیره را بهبود می بخشد و در نتیجه افزایش طول و چقرمگی را افزایش می دهد، اما شرایط پردازش، بلورینگی نهایی را تعیین می کند. خنک شدن سریع در قالب باعث تولید مواد کریستالی کمتر و نرم تر می شود. دمای مناسب قالب باعث ایجاد بلورینگی بیشتر می شود که استحکام کششی و سختی را افزایش می دهد. هر سابقه حرارتی همچنین پلیمر را تا حدی تخریب می‌کند، به همین دلیل است که بازیافت دوباره آسیاب با چرخه‌های حرارتی متعدد می‌تواند کاهش قابل‌اندازه‌گیری در استحکام کششی را در مقایسه با مواد اولیه نشان دهد.

چرا استحکام کششی هنگام انتخاب PA6، PA66 و PPA مهم است؟

هنگامی که یک مهندس پردازنده یا مواد PA6، PA66 و PPA را با هم مقایسه می کند، استحکام کششی معمولاً اولین خط ویژگی در برگه داده است. همچنین این ویژگی است که به وضوح این سه ماده را از هم جدا می کند. اگر به معرفی گسترده تری از خانواده پلیمری نیاز دارید، راهنمای ماست مواد نایلون چیست ساختار مولکولی PA6، PA66 و PPA را به تفصیل توضیح می دهد.

PA6: استحکام، جریان و کیفیت سطح متعادل

PA6 ظاهر سطح عالی، چقرمگی خوب و پردازش آسان تر را ارائه می دهد. در فرم تقویت نشده، استحکام کششی آن تقریباً 70 تا 80 مگاپاسکال است که به صورت خشک قالب گیری شده است. برای اتصالات الکتریکی، لوازم مصرفی و تجهیزات ورزشی، سازندگان اغلب انتخاب می کنند تراشه های پیشرفته PA6 که تقویت کننده الیاف شیشه را با یک پنجره ویسکوزیته باریک برای قالب گیری پایدار و مقادیر کششی معمولی در محدوده 160-185 MPa ترکیب می کند.

تامین کنندگان مواد سفارشی PA6 GF، شرکت پیشرفته تراشه PA6 Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd تامین کننده مواد PA6 GF چین و شرکت تراشه های PA6 پیشرفته است، Cust Professional... مشاهده محصول →

PA66: استحکام و سختی بالاتر برای قطعات ساختاری

PA66 دارای نقطه ذوب بالاتر و استحکام مکانیکی بالاتر از PA6 است. PA66 تقویت نشده معمولاً به حدود 85 مگاپاسکال در قالب خشک می رسد و 30٪ درجه تقویت شده با الیاف شیشه به 185-210 مگاپاسکال می رسد. هنگامی که طراحی به بالاترین استحکام کششی در بین نایلون های استاندارد نیاز دارد، تراشه های پیشرفته PA66 استحکام و پایداری ابعادی مورد نیاز برای براکت‌ها، چرخ دنده‌ها و بدنه‌های ساختاری خودرو را ارائه می‌کند.

تامین کنندگان چیپس PA66 GF، شرکت چیپس درجه پیشرفته PA66 شرکت فناوری مواد جدید Ningbo Frontechnic با مسئولیت محدود تامین‌کننده تراشه‌های PA66 GF چین و شرکت تراشه‌های PA66 درجه پیشرفته، حرفه‌ای ... مشاهده محصول →

PPA: حفظ استحکام کششی تحت گرما و رطوبت

PPA یا پلی فتالامید یک پلی آمید نیمه معطر است. با 30 تا 45 درصد الیاف شیشه، گریدهای PPA به استحکام کششی 200 تا 280 مگاپاسکال می‌رسند و مهمتر از آن، درصد بیشتری از این استحکام را در شرایط گرم و مرطوب نسبت به PA6 یا PA66 حفظ می‌کنند. به همین دلیل است تراشه های PPA پیشرفته برای کانال های هوای توربوشارژر، قطعات سیستم خنک کننده و کانکتورهای نزدیک به منابع گرما مشخص شده اند. مکانیسم پشت این رفتار در مقاله ما توضیح داده شده است چرا PPA افزایش یافته پایداری طولانی مدت را در محیط های سخت حفظ می کند .

Enhanced PPA Polyphthalamide Plastic Chips Suppliers, Company Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd تامین کننده تراشه های پلاستیکی پلی فتال آمید PPA پیشرفته چین و شرکت حرفه ای... مشاهده محصول →

باورهای غلط رایج در مورد استحکام کششی

استحکام کششی بالاتر همیشه به معنای بخش بهتر است

استحکام معمولاً به قیمت شکل‌پذیری تمام می‌شود. یک گرید بسیار پر با مقاومت کششی 280 مگاپاسکال ممکن است فقط 1-2٪ قبل از شکستن کشیده شود، در حالی که یک نایلون سخت شده با استحکام کششی 50 MPa می تواند 40-60٪ کشیده شود. برای مجموعه های محکم و قطعات مستعد ضربه، شکل پذیری می تواند مهم تر از مقاومت کششی خام باشد. قوی ترین درجه به طور خودکار بهترین نمره برای یک هندسه خاص نیست.

استحکام کششی به تنهایی عمر سرویس را پیش بینی می کند

قطعات واقعی در اثر خستگی، خزش، ترک خوردن استرس و ضربه، نه تنها از یک کشش استاتیک، از کار می‌افتند. استحکام کششی یک آزمایش تک سرعت آهسته در دمای اتاق را توصیف می کند. یک قطعه می‌تواند زیر حد کششی خود باقی بماند و همچنان تحت بارگذاری سیکلی پس از هزاران چرخه از کار بیفتد، یا در عرض چند هفته تحت یک بار ثابت ثابت خراب شود. طراحی برای حالت بارگذاری، نه فقط حداکثر دیتاشیت.

مقادیر برگه داده با قسمت قالب گیری شده شما مطابقت دارد

استحکام کششی بر روی یک نمونه دمبل استاندارد اندازه گیری می شود. در یک قطعه قالب‌گیری تزریقی واقعی، الیاف شیشه در امتداد جهت جریان قرار می‌گیرند، خطوط جوش نقاط ضعف ایجاد می‌کنند و تنش پسماند استحکام موضعی را کاهش می‌دهد. قدرت واقعی محلی در مناطق بحرانی می تواند 20 تا 40 درصد کمتر از مقدار برگه داده باشد. آزمایش نمونه اولیه هنوز برای قطعات حیاتی ایمنی ضروری است.

فقط مقاومت کششی برای انتخاب مواد مهم است

سختی (مدول کششی)، استحکام ضربه، مقاومت حرارتی و ازدیاد طول به همان اندازه مهم هستند. چرخ دنده ای که تحت آزمایش کشش قرار می گیرد ممکن است در ریشه دندان در اثر خستگی خمشی از کار بیفتد و محفظه ای با استحکام کششی عالی ممکن است هنگام افتادن ترک بخورد. همیشه مجموعه کامل ویژگی را همراه با مقدار مقاومت کششی بخوانید.

سوالات متداول در مورد استحکام کششی

تفاوت بین استحکام کششی و استحکام تسلیم چیست؟

استحکام تسلیم تنشی است که در آن یک ماده شروع به تغییر شکل دائمی می کند. استحکام کششی حداکثر تنشی است که ماده می تواند قبل از شکست تحمل کند. برای پلیمرهای انعطاف پذیر مانند نایلون، استحکام تسلیم معمولاً کمتر از مقاومت کششی نهایی است. برای مواد شکننده، این دو مقدار ممکن است تقریباً یکسان باشند. طراحان از مقاومت تسلیم برای تعیین حد بار کاری و استحکام کششی برای ارزیابی حد شکست استفاده می کنند.

استحکام کششی با چه واحدهایی اندازه گیری می شود؟

مگا پاسکال ها (MPa) واحد استاندارد در اکثر برگه های داده فنی با 1 مگاپاسکال = 1 N/mm² هستند. بازار آمریکای شمالی معمولاً از پوند در اینچ مربع (psi) یا کیلوپوند در هر اینچ مربع (ksi) استفاده می کند. برای تبدیل، MPa را در 145.038 ضرب کنید تا psi بدست آید، یا psi را بر 145.038 تقسیم کنید تا MPa بدست آورید.

چگونه می توان استحکام کششی را از آزمایش کشش محاسبه کرد؟

حداکثر نیروی اعمال شده در طول آزمایش را یادداشت کرده و آن را بر سطح مقطع اولیه مقطع سنج تقسیم کنید. فرمول استحکام کششی = حداکثر نیرو / سطح مقطع اصلی است. از آنجایی که مساحت مورد استفاده ناحیه اصلی است، نتیجه یک مقدار تنش مهندسی است تا یک مقدار تنش واقعی.

آیا رطوبت استحکام کششی نایلون را کاهش می دهد؟

بله. نایلون آب را جذب می کند و رطوبت جذب شده به عنوان یک نرم کننده عمل می کند. یک نمونه معمولی PA6 که قالب‌گیری شده است، ممکن است حدود 75 مگاپاسکال را نشان دهد، در حالی که همان درجه با رطوبت نسبی 50 درصد می‌تواند تقریباً به 45 تا 55 مگاپاسکال کاهش یابد. به همین دلیل است که دیتاشیت های نایلونی همیشه مقادیر خشک و شرطی را گزارش می دهند.

استحکام کششی PA66 تقویت شده با الیاف شیشه چقدر است؟

یک گرید PA66 با 30 درصد فیبر شیشه ای معمولاً بسته به سیستم کوپلینگ و شرایط پردازش، 185 تا 210 مگاپاسکال را نشان می دهد که خشک به عنوان قالب بندی شده است. مقدار شرطی شده کمتر است، اغلب در محدوده 120-150 مگاپاسکال، اما همچنان بسیار بالاتر از PA66 تقویت نشده است. این ترکیب باعث می شود GF30 PA66 یک انتخاب رایج برای قطعات ساختاری خودرو و صنعتی باشد.

آیا می توان استحکام کششی را بدون افزودن فیبر شیشه بهبود بخشید؟

بله، به میزان محدود. افزایش بلورینگی از طریق کنترل دمای قالب، افزایش وزن مولکولی، یا ترکیب با پلی آمید نیمه معطر مانند PPA می تواند استحکام را بهبود بخشد. با این حال، تقویت فیبر شیشه ای موثرترین و مقرون به صرفه ترین راه برای دستیابی به افزایش قابل اعتماد و بزرگ در استحکام کششی است.

نکات عملی برای ارزیابی داده های مقاومت کششی

هنگامی که یک تامین کننده برای شما برگه داده یا گزارش مواد ارسال می کند، از چک لیست زیر استفاده کنید تا از مقایسه مقادیری که قابل مقایسه نیستند اجتناب کنید.

1. استاندارد تست را تایید کنید. مقادیر ASTM D638 و ISO 527 به طور خودکار قابل مقایسه نیستند زیرا هندسه نمونه و سرعت تست متفاوت است.
2. مقادیر خشک و شرطی را با هم بخوانید. برای قطعات نایلونی در هوای معمولی، مقدار تهویه‌شده به عملکرد حین سرویس نزدیک‌تر است.
3. سرعت تست را بررسی کنید. کشش سریعتر استحکام کششی اندازه گیری شده بالاتری را در پلیمرهای انعطاف پذیر ایجاد می کند.
4. در همان گزارش به ازدیاد طول در شکست و مدول کششی نگاه کنید. این دو عدد به شما می گویند که آیا این ماده انعطاف پذیر و سفت است، نه به سادگی قوی.
5. مقادیر را در دمای کاربرد خود مقایسه کنید. استحکام کششی در دمای 23 درجه سانتیگراد نشان دهنده عملکرد در 80 درجه سانتیگراد در محفظه موتور نیست.
6. قبل از تولید انبوه، گزارش آزمایش دسته ای را بخواهید. هنگامی که وزن مولکولی یا سطوح افزودنی متفاوت است، استحکام کششی می تواند بین دسته ها تغییر کند.

استحکام کششی نقطه شروع است، نه کل داستان. هنگامی که آن را با استحکام تسلیم، ازدیاد طول در هنگام شکست، مدول کشش، داده‌های آزمایش شرطی و درجه صحیح مواد ترکیب می‌کنید، تصویری واقعی از نحوه رفتار یک قطعه تحت بار دریافت می‌کنید. این ترکیب، به جای هر عدد واحد، چیزی است که یک قطعه نایلونی قابل اعتماد را از قطعه ای که در مراحل اولیه از کار افتاده جدا می کند.