تنش تسلیم فولاد چیست؟

تنش تسلیم یکی از مهم ترین خواص مکانیکی فولاد است که نشان می دهد یک قطعه تا چه میزان تنش را می تواند بدون ایجاد تغییر شکل دائمی تحمل کند. شناخت این پارامتر در طراحی قطعات، انتخاب گرید مناسب و مقایسه فولادهای مختلف اهمیت زیادی دارد. به همین دلیل هنگام بررسی مشخصات فنی و قیمت فولاد آلیاژی، تنها توجه به قیمت یا سختی فولاد کافی نیست و پارامترهایی مانند تنش تسلیم، استحکام کششی، چقرمگی و شرایط عملیات حرارتی نیز باید متناسب با کاربرد قطعه بررسی شوند.

تنش تسلیم فولاد چیست؟

تنش تسلیم فولاد یا Yield Strength مقدار تنشی است که پس از رسیدن فولاد به آن، تغییر شکل پلاستیک یا دائمی در ماده آغاز می شود.
برای درک بهتر این مفهوم می توان رفتار یک نمونه فولادی را هنگام اعمال نیروی کششی بررسی کرد. در مراحل ابتدایی بارگذاری، اگر نیرو حذف شود، نمونه تقریبا به شکل و ابعاد اولیه خود باز می گردد. این محدوده را ناحیه الاستیک می نامند. اما با افزایش نیرو، ماده به نقطه ای می رسد که پس از برداشتن بار دیگر قادر نیست کاملا به شکل اولیه خود بازگردد. از این مرحله به بعد تغییر شکل پلاستیک آغاز شده است. تنشی که شروع این رفتار را مشخص می کند، تنش تسلیم نام دارد.

به زبان ساده، تنش تسلیم مشخص می کند فولاد تا چه میزان تنش را می تواند بدون تغییر شکل دائمی تحمل کند. این ویژگی در طراحی شفت، محور، چرخ دنده، پیچ و مهره، تجهیزات صنعتی، سازه های فلزی، قطعات ماشین آلات و بسیاری از تجهیزات تحت بار اهمیت زیادی دارد.

تفاوت تنش و تنش تسلیم

تنش یک مفهوم عمومی در علم مکانیک مواد است و نسبت نیروی وارد شده به سطح مقطع ماده را نشان می دهد. هر زمان نیرویی به یک قطعه وارد شود، درون ماده تنش ایجاد می شود. اما تنش تسلیم یک مقدار مشخص از تنش است که نشان دهنده ورود ماده از ناحیه الاستیک به ناحیه پلاستیک است.

بنابراین هر تنشی، تنش تسلیم نیست. تا زمانی که مقدار تنش ایجاد شده پایین تر از حد تسلیم باشد، قطعه معمولا در محدوده الاستیک قرار دارد. زمانی که تنش از این مقدار عبور کند، احتمال ایجاد تغییر شکل دائمی افزایش می یابد.

فرمول محاسبه تنش در فولاد

در ساده ترین حالت، تنش مهندسی از رابطه زیر محاسبه می شود:

σ = F / A

در این رابطه:

• σ : برابر تنش وارد شده به ماده است.
• F : نیروی وارد شده به نمونه است.
• A : سطح مقطع اولیه نمونه است.

اگر نیرو بر حسب نیوتن و سطح مقطع بر حسب میلی متر مربع محاسبه شود، مقدار تنش بر حسب مگاپاسکال به دست می آید.
هر یک نیوتن بر میلی متر مربع برابر با یک مگاپاسکال است.

تنش تسلیم چگونه محاسبه می شود؟

برای تعیین واقعی تنش تسلیم فولاد معمولا از آزمون کشش فولاد استفاده می شود. در این آزمون، نمونه استاندارد فولادی داخل دستگاه تست کشش قرار می گیرد و نیروی کششی به صورت کنترل شده به آن اعمال می شود. همزمان مقدار نیرو و تغییر طول نمونه ثبت شده و نمودار تنش - کرنش تشکیل می شود.

با بررسی این نمودار می توان پارامترهایی مانند موارد زیر را به دست آورد:

• مدول الاستیسیته
• تنش تسلیم
• استحکام کششی نهایی
• درصد ازدیاد طول
• میزان شکل پذیری
• رفتار نمونه تا زمان شکست

در فولادهایی که نقطه تسلیم مشخصی دارند، تنش متناظر با شروع تسلیم از روی نمودار قابل تشخیص است. اما همه مواد نقطه تسلیم کاملا مشخصی ندارند. در این حالت معمولا از روش Offset 0.2% برای تعیین تنش تسلیم قراردادی استفاده می شود.

روش 0.2 درصد برای تعیین تنش تسلیم

در برخی فلزات و فولادها مرز میان تغییر شکل الاستیک و پلاستیک روی نمودار تنش - کرنش کاملا واضح نیست. در چنین شرایطی برای تعیین استحکام تسلیم قراردادی، خطی موازی با بخش الاستیک نمودار رسم می شود که از کرنش 0.2 درصد شروع می شود. محل برخورد این خط با منحنی تنش - کرنش، مقدار تنش تسلیم 0.2 درصد را مشخص می کند. این مقدار معمولا با نمادهایی مانندRp0.2  نمایش داده می شود.

روش 0.2 درصد یکی از روش های رایج برای مقایسه خواص مکانیکی موادی است که نقطه تسلیم واضح ندارند. مثال ساده محاسبه تنش:

فرض کنید یک نمونه فولادی با سطح مقطع اولیه 100 میلی متر مربع تحت نیروی کششی 40 هزار نیوتن قرار گرفته باشد.

با استفاده از رابطه:

σ = F / A

خواهیم داشت:

σ = 40000 / 100

بنابراین:

σ = 400 MPa

یعنی در این لحظه تنش وارد شده به نمونه برابر با 400 مگاپاسکال است.

حال اگر طبق نتایج آزمون کشش، تنش تسلیم فولاد مورد نظر 350 مگاپاسکال باشد، تنش وارد شده از حد تسلیم عبور کرده است و احتمال ایجاد تغییر شکل پلاستیک در نمونه وجود دارد. این مثال نشان می دهد چرا دانستن تنش تسلیم در طراحی مهندسی اهمیت زیادی دارد.

نمودار تنش - کرنش فولاد چه اطلاعاتی ارائه می دهد

یکی از مهم ترین ابزارهای بررسی رفتار مکانیکی فولاد، نمودار تنش - کرنش است.
این نمودار معمولا چند مرحله اصلی دارد:

• ناحیه الاستیک: در این محدوده رابطه میان تنش و کرنش تقریبا خطی است و در صورت حذف نیرو، نمونه به ابعاد اولیه خود باز می گردد.
  نقطه یا محدوده تسلیم در این بخش تغییر شکل پلاستیک ماده آغاز می شود. تنش متناظر با این محدوده همان پارامتری است که برای تعیین استحکام تسلیم مورد توجه قرار می گیرد.
• ناحیه تغییر شکل پلاستیک: بعد از عبور از حد تسلیم، افزایش طول دائمی در نمونه ایجاد می شود. حتی اگر نیرو حذف شود، نمونه دیگر کاملا به ابعاد اولیه بر نمی گردد.
• استحکام کششی نهایی: با ادامه بارگذاری، تنش به بیشترین مقدار خود می رسد که به آن Ultimate Tensile Strength یا UTS گفته می شود.
  گردن شدن و شکست در مراحل نهایی آزمون، سطح مقطع نمونه در یک ناحیه کاهش پیدا کرده و پدیده گردن شدن ایجاد می شود. در نهایت نمونه دچار شکست خواهد شد.

تفاوت تنش تسلیم و استحکام کششی فولاد

تنش تسلیم و استحکام کششی دو پارامتر مهم اما متفاوت هستند. 

• تنش تسلیم نشان می دهد ماده از چه مقدار تنش به بعد وارد محدوده تغییر شکل دائمی می شود.
• در مقابل، استحکام کششی نهایی بیشترین تنش مهندسی است که نمونه در آزمون کشش تحمل می کند.

در بیشتر فولادها مقدار استحکام کششی نهایی از تنش تسلیم بیشتر است. برای مثال ممکن است یک فولاد دارای تنش تسلیم 600 مگاپاسکال و استحکام کششی 800 مگاپاسکال باشد. این موضوع به معنی آن نیست که استفاده از قطعه تا تنش 800 مگاپاسکال مجاز است؛ زیرا بسیار پیش از رسیدن به این مقدار، ماده از محدوده الاستیک خارج شده است.

در بسیاری از طراحی های صنعتی، جلوگیری از رسیدن تنش کاری به محدوده تسلیم اهمیت بیشتری نسبت به رسیدن به نقطه شکست دارد.

اهمیت تنش تسلیم در انتخاب فولاد

هر قطعه صنعتی در زمان کار تحت مجموعه ای از نیروهای کششی، فشاری، خمشی، پیچشی یا ترکیبی قرار می گیرد. اگر فولادی انتخاب شود که تنش تسلیم آن نسبت به شرایط بارگذاری پایین باشد، ممکن است قطعه بدون آنکه دچار شکست شود تغییر شکل دائمی پیدا کند.

برای مثال یک شفت ممکن است هنوز شکسته نشده باشد، اما خم شدن دائمی آن می تواند باعث ایجاد لرزش، عدم هم محوری، افزایش سایش یاتاقان ها و در نهایت از کار افتادن مجموعه شود. به همین دلیل انتخاب فولاد تنها بر اساس سختی یا استحکام کششی کافی نیست.

تنش تسلیم در انتخاب فولاد برای موارد زیر اهمیت ویژه ای دارد:

• شفت ها و محورهای صنعتی
• چرخ دنده ها
• پیچ ها و اتصالات تحت بار
• سازه های فلزی
• قطعات خودرو
• تجهیزات نفت و گاز
• ماشین آلات صنعتی
• مخازن و تجهیزات تحت فشار
• قطعات تحت بار خمشی
• تجهیزات معدنی و نیروگاهی

چه عواملی بر تنش تسلیم فولاد تاثیر می گذارند

تنش تسلیم یک مقدار ثابت برای تمام فولادها نیست و عوامل مختلفی می توانند آن را تغییر دهند.

• ترکیب شیمیایی فولاد: مقدار کربن و عناصر آلیاژی مانند کروم، مولیبدن، نیکل، منگنز و وانادیوم می تواند بر ساختار و خواص مکانیکی فولاد تاثیر بگذارد.
  به همین دلیل فولادهای آلیاژی مختلف حتی در صورت شباهت ظاهری، می توانند رفتار مکانیکی متفاوتی داشته باشند.
• عملیات حرارتی: عملیات هایی مانند کوئنچ، تمپر، نرماله کردن و آنیل کردن می توانند ریزساختار فولاد را تغییر دهند و در نتیجه بر تنش تسلیم، سختی، استحکام و چقرمگی آن اثر بگذارند. برای همین هنگام بررسی مقدار تنش تسلیم یک گرید باید وضعیت عملیات حرارتی نمونه نیز مشخص باشد.
• ریزساختار فولاد: اندازه دانه ها، نوع فازهای موجود و نحوه توزیع آنها تاثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی فولاد دارند. دو نمونه از یک گرید فولادی که تاریخچه تولید یا عملیات حرارتی متفاوتی دارند، لزوما خواص مکانیکی کاملا یکسانی نخواهند داشت.
• کار سرد: فرآیندهایی مانند نورد سرد، کشش سرد و برخی عملیات تغییر شکل می توانند از طریق کار سختی باعث افزایش استحکام و تنش تسلیم ماده شوند.
• دما: خواص مکانیکی فولاد به دمای کاری وابسته است. در بسیاری از فولادها با افزایش دما، استحکام تسلیم کاهش پیدا می کند. به همین دلیل در قطعاتی که در کوره، تجهیزات نیروگاهی، صنایع پتروشیمی یا محیط های با دمای بالا استفاده می شوند، نمی توان صرفا به خواص مکانیکی ثبت شده در دمای محیط اتکا کرد.

تنش تسلیم بیشتر همیشه بهتر است؟

بالاتر بودن تنش تسلیم الزاما به معنی مناسب تر بودن فولاد برای تمام کاربردها نیست. در انتخاب متریال باید مجموعه ای از خواص بررسی شود، از جمله:

• تنش تسلیم
• استحکام کششی
• سختی
• چقرمگی
• مقاومت به خستگی
• مقاومت به سایش
• قابلیت ماشینکاری
• قابلیت جوشکاری
• مقاومت به خوردگی
• شرایط عملیات حرارتی
• دمای کاری
• هزینه تامین و ساخت

برای مثال فولادی با تنش تسلیم بسیار بالا ممکن است برای یک قطعه خاص بیش از حد سخت یا دارای قابلیت ماشینکاری و جوشکاری نامناسب باشد.
بنابراین انتخاب گرید مناسب باید براساس شرایط واقعی کار قطعه انجام شود.

ارتباط تنش تسلیم و ضریب ایمنی

در طراحی مهندسی معمولا قطعه به گونه ای طراحی نمی شود که تنش کاری آن دقیقا برابر با تنش تسلیم باشد. مهندسان با توجه به نوع بارگذاری، حساسیت قطعه، استاندارد طراحی، عدم قطعیت های موجود و پیامدهای خرابی از ضریب ایمنی استفاده می کنند.

در یک مدل بسیار ساده می توان نوشت:

تنش مجاز = تنش تسلیم / ضریب ایمنی

برای مثال اگر تنش تسلیم ماده 600 مگاپاسکال و ضریب ایمنی فرضی 2 باشد:

تنش مجاز = 600 / 2 = 300 MPa

البته تعیین تنش مجاز در طراحی واقعی همیشه به این رابطه ساده محدود نیست و باید استاندارد طراحی، نوع بارگذاری، خستگی، تمرکز تنش، دما، خوردگی و سایر عوامل نیز بررسی شوند.

تفاوت تنش تسلیم با حد الاستیک

حد الاستیک بیشترین تنشی است که ماده می تواند تحمل کند و پس از حذف بار بدون تغییر شکل دائمی قابل توجه به حالت اولیه بازگردد.
تنش تسلیم نیز شروع تغییر شکل پلاستیک قابل اندازه گیری را مشخص می کند.

این دو مفهوم از نظر فیزیکی به یکدیگر نزدیک هستند، اما در آزمایش و مشخصات مهندسی لزوما مقدار یکسانی ندارند. به همین دلیل در دیتاشیت ها و استانداردهای مواد معمولا از Yield Strength یا مقادیر قراردادی مانند Rp0.2 استفاده می شود.

مقدار تنش تسلیم فولاد

برای بررسی اولیه می توان از استاندارد تولید، دیتاشیت کارخانه سازنده یا جداول خواص مکانیکی گرید مورد نظر استفاده کرد. اما زمانی که تایید خواص یک محموله واقعی فولاد، کنترل کیفیت، مهندسی معکوس یا بررسی یک قطعه اهمیت داشته باشد، استفاده از عدد درج شده در جداول عمومی کافی نیست. خواص واقعی نمونه ممکن است تحت تاثیر عواملی مانند:

• ترکیب شیمیایی واقعی
• فرآیند تولید
• عملیات حرارتی
• ضخامت مقطع
• جهت نمونه برداری
• کار سرد
• شرایط سرویس
• با مقادیر اسمی متفاوت باشد.

در چنین شرایطی انجام آزمون مکانیکی روی نمونه واقعی راه مطمئن تری برای ارزیابی خواص ماده است.

انجام آزمون های تخصصی متالورژی در حامیران

تنش تسلیم یکی از اصلی ترین پارامترهای مکانیکی در انتخاب و طراحی قطعات فولادی است. این پارامتر مرزی را مشخص می کند که پس از عبور از آن، فولاد وارد محدوده تغییر شکل پلاستیک شده و ممکن است دیگر به ابعاد اولیه خود باز نگردد. مقدار تنش تسلیم معمولا از طریق آزمون کشش و تحلیل نمودار تنش - کرنش تعیین می شود. در موادی که نقطه تسلیم واضحی ندارند نیز می توان از روش هایی مانند تنش تسلیم قراردادی 0.2 درصد استفاده کرد. با این حال، انتخاب فولاد نباید تنها براساس بالا بودن تنش تسلیم انجام شود. ترکیب شیمیایی، استحکام کششی، سختی، چقرمگی، قابلیت ماشینکاری، عملیات حرارتی، دمای کار و نوع بارگذاری نیز باید به صورت همزمان در نظر گرفته شوند.

اگر برای کنترل کیفیت مواد، تایید خواص مکانیکی فولاد یا تعیین دقیق تنش تسلیم یک نمونه به نتایج آزمایشگاهی نیاز دارید، امکان انجام آزمون کشش و تعیین تنش تسلیم در آزمایشگاه متالورژی حامیران وجود دارد. نتایج این آزمون می تواند برای بررسی استحکام تسلیم، استحکام کششی و سایر خواص مکانیکی نمونه مورد استفاده قرار گیرد.