آشنایی با مفهوم باریک شدگی در علوم مهندسی

در مهندسی و علوم مواد، پدیده «باریک شدگی» (Necking) یا اصطلاحاً «لاغری» یک حالت خاص از تغییر شکل کششی است. در این پدیده، کرنش نسبتاً بزرگی در یک ناحیه کوچک به طور نامتناسب ایجاد می‌شود. عنوان باریک شدگی، از کاهش قابل توجه سطح مقطع در ناحیه باریک شده نشات می‌گیرد. از آنجایی که کرنش در ناحیه باریک شده مقدار بزرگی است، پدیده باریک شدگی اغلب با تسلیم ماده همراه خواهد بود. تسلیم در این حالت، نوعی از تغییر شکل در مواد شکل‌پذیر (فلزات یا پلیمرها) است. اگر کرنش اعمال شده به اندازه کافی بزرگ باشد، ناحیه باریک شده در نهایت به ناحیه گسیختگی تبدیل می‌شود.

نحوه تشکیل باریک شدگی

زمانی که میزان کاهش سطح مقطع یک ماده نسبت به سخت‌شوندگی کرنش آن بیشتر باشد، در هنگام تغییر شکل کششی، ناپایداری باعث وقوع پدیده باریک شدگی خواهد شد. «آرماند کانسیدر» (Armand Considère) در سال 1885، معیاری را برای معرفی رفتار این پدیده معرفی کرد. آشنایی با فرآیندهای زیر، به درک بهتر نحوه تشکیل باریک شدگی کمک می‌کنند.

1. پیش از تغییر شکل: تمام مواد واقعی دارای ناهمگنی‌هایی نظیر درز و شکاف یا تغییرات ناحیه‌ای هستند. این ناهمگنی‌ها در ابعاد یا پیکربندی‌های مختلف می‌توانند موجب تغییرات ناحیه‌ای در تنش‌ها و کرنش‌های ماده شوند. برای تعیین محل شروع باریک شدگی، باید مقادیر بسیار کوچک این تغییرات را پیش از شروع تغییر شکل مورد ارزیابی قرار داد.
2. در حین تغییر شکل کششی: سطح مقطع ماده در حین تغییر شکل کاهش می‌یابد.
3. در حین تغییر شکل کششی: سخت‌شوندگی کرنش در حین تغییر شکل رخ می‌دهد و مقدار آن با توجه به محدوده تغییر شکل تغییر می‌کند.

• مراحل 2 و 3 برای تعیین پایداری و مرحله 1 برای تعیین محل شروع باریک شدگی هستند.

در تعیین نحوه شکل‌گیری باریک شدگی معمولاً از نمودار تنش واقعی-نسبت کشش استفاده می‌شود. «نسبت کشش» (Draw Ratio)، نسبت مقادیر ارتفاع به قطر نمونه در حین آزمایش مقاومت کششی است. در نمودار تنش واقعی-نسبت کشش، شیب نمودار سخت‌شوندگی کرنش را نشان می‌دهد. به علاوه، بر اساس معیار کانسیدر، کاهش سطح مقطع ماده با نسبت کشش رابطه عکس دارد. نمودارهای زیر را در نظر بگیرید. نمودار اول، رابطه کمی بین سخت‌شوندگی کرنش و کاهش سطح مقطع برای ماده‌ای با ناحیه باریک شده پایدار و نمودار دوم، این رابطه را برای ماده‌ای با تغییر شکل همگن در تمام نسبت‌های کشش نشان می‌دهد.

نمودار اول: نمایش تصویری معیار کانسیدر برای ایجاد باریک شدگی و پایداری ناحیه باریک شده

نمودار دوم: نمایش تصویری معیار کانسیدر برای ماده‌ای که در تمام نسبت‌های کشش، به طور همگن تغییر شکل می‌دهد (بدون باریک شدگی)

تا زمانی که مقدار سخت‌شوندگی کرنش (شیب نمودار) بیش از میزان کاهش سطح مقطع ماده باشد، تمام نواحی در هنگام تغییر شکل، تحت کرنشی تقریباً برابر (بدون باریک شدگی) قرار خواهند گرفت. این وضعیت برای نسبت‌های کوچکِ کشش در بخش بالایی نمودار اول و تمامی نسبت‌های کشش در نمودار دوم قابل مشاهده است.

اگر میزان سخت‌شوندگی ماده کمتر از کاهش سطح مقطع آن باشد (مانند اولین نیمساز در نمودار اول)، کرنش در ناحیه‌ای با بیشترین تنش یا کمترین سخت‌شوندگی متمرکز خواهد شد. هر چه مقدار کرنش ناحیه‌ای افزایش یابد، سطح مقطع ماده کاهش خواهد یافت. این وضعیت باعث تمرکز بیشتر کرنش و ناپایداری ماده و در نهایت، منجر به ایجاد پدیده باریک شدگی می‌شود. چنین حالتی، ناپایداری هندسی یا بیرونی نام دارد. دلیل این نام‌گذاری، کاهش سطح مقطع ماده در مقیاس ماکرو (قابل مشاهده برای چشم غیر مسلح) است.

پایداری ناحیه باریک شده

در فرآیند تغییر شکل، ناپایداری هندسی باعث تمرکز بیشتر کرنش در ناحیه باریک شده می‌شود. این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که گسیختگی رخ دهد یا تا هنگام شروع تغییر شکل در نواحی دیگر، ماده باریک شده به اندازه کافی سخت شده باشد (دومین نیمساز در نمودار اول). مقدار کرنش در ناحیه باریک شده پایدار، با عنوان «نسبت کشش طبیعی» (Natural Draw Ratio) شناخته می‌شود زیرا این مقدار توسط خصوصیات سختی ماده به دست آمده و مقدار کشش وارده بر آن هیچ تأثیری در محاسبات آن ندارد.

فیلم آموزش طراحی ساختمان های بتن مسلح ۲ – بتن آرمه در فرادرس

کلیک کنید

در اکثر پلیمرهای شکل‌پذیر، جهت‌گیری مولکولی باعث فعال شدن مکانیسم سخت‌شوندگی در کرنش‌های بزرگ می‌شود. این موضوع، شکل‌گیری نواحی باریک شده پایدار در مواد مذکور را به همراه دارد.

پدیده باریک شدگی در منحنی تنش-کرنش

با استفاده از مقادیر تنش و کرنش حاصل از آزمایش‌های کششی، می‌توان منحنی تنش-کرنش را به صورت زیر به دست آورد:

• P: حد تناسب
• E: حد الاستیک
• Y: نقطه تسلیم
• U: مقاومت نهایی
• F: نقطه شکست

در حد فاصل بین مقاومت نهایی (U) و نقطه شکست (F)، مقاومت مهندسی و مساحت سطح مقطع ماده به سرعت و به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این بخش از منحنی، بیانگر ایجاد پدیده باریک شدگی است. این پدیده اغلب در مواد شکل‌پذیر مشاهده می‌شود. در شکل زیر منحنی تنش-کرنش مواد شکل‌پذیر و شکننده آورده شده است.

امیدواریم این مقاله برایتان مفید واقع شده باشد. اگر به مطالعه موضوعات مشابه علاقه‌مند هستید، مطالب زیر را به شما پیشنهاد می‌کنیم:

• مجموعه آموزش های مهندسی عمران
• آموزش مقاومت مصالح
• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• آموزش تنش و کرنش بارگذاری محوری در مقاومت مصالح
• مجموعه مقالات آشنایی با مفاهیم مقاومت مصالح و خواص مکانیکی مواد

^^