پکیج آموزش الاستیسیته و پلاستیسیته

الاستیسیته و یا همان کشسانی یعنی خاصیت تغییر شکل ارتجاعی و یا بازگشت پذیر محیط و مواد. به عبارت دیگر نظریه الاستیسیته به مطالعه تغییر شکل محیط های کشسان و تنش  و نیروهای مربوط به آن می پردازد. در این بخش از فروشگاه اینترنتی برنا اندیشان تصمیم داریم تا پکیج آموزش الاستیسیته و پلاستیسیته به صورت جامع را در اختیار شما عزیزان علاقه مند به یادگیری این دو نظریه قرار دهیم.

فیلم آموزش الاستیسیته و پلاستیسیته به صورت جامع

دوره جامع آموزش الاستیسیته و پلاستیسیته به صورت تصویری و به زبان فارسی مدرس آموزشی قدم به قدم شما را با این دو تئوری مهم آشنا کرده و تمام بخش های مختلف آن را به شما آموزش می دهد. بنابراین اگر قصد دارید تا به صورت تخصصی با الاستیسیته و پلاستیسیته آشنا شوید پیشنهاد برنا اندیشان به شما عزیزان دریافت و مشاهده این پکیج آموزشی جامع است، چرا که شما علاقه مندان با مشاهده مجموعه فیلم های موجود در این بسته آموزشی ۰ تا ۱۰۰ الاستیسیته و پلاستیسیته را خواهید آموخت و دیگر به هیچ بسته دیگری جهت آموزش نیاز نخواهید داشت.

آشنایی با مفهوم الاستیسیته

خاصیت الاستیسیته محیط موجب می شود تا هر بخشی از محیط که تعادلش بهم خورده باشد نیروهای بازگرداننده ایجاد شود. به عبارت ساده تر به مقاومت یک جسم در برابر تغییر شکل های ناشی از اعمال فشار و نیرو و بازکشت به شکل و اندازه اولیه بعد از آنکه نیرو حذف شد خاصیت الاستیسیته گفته می شود.

پیشنهاد ویژه : پکیج آموزش مکانیک خاک به صورت کامل

واژه الاستیسیته از کلمه یونانی الاستوس به معنای ماده ای که قابلیت ارتجاعی دارد گرفته شده است. از الاستیسیته با نام های دیگری چون خاصیت کشسانی، کشایندی، ارتجاعی یاد می شود.

نکته هایی در مورد الاستیسیته

هر موادی بر اساس نمودار تنش – کرنشی که بر اثر گذاری دوره ای دارند به انواع مواد مختلف تقسیم بندی می شوند. به عنوان نمونه می توانیم به الاستیک خطی، الاستیک غیر خطی، پلاستیک، ویسکوالاستیک، ویسکوپلاستیک، الاستیک با رفتار پلاستیک ایده آل (elastic-perfectly plastic behavior)، الاستیک سخت شونده بر اثر کرنش (elastic-strain hardening behavior)، الاستیک صلب با رفتار پلاستیک ایده آل (rigid elastic-perfectly plastic behavior)، الاستیک صلب سخت شونده بر اثر کرنش(rigid elastic-strain hardening behavior) اشاره کنیم.

شناخت الاستیسیته

همانطور که میدانید زمانی که به یک جسم جامد به اندازه کافی نیرو وارد می شود مقداری تغییر شکل در آن ایجاد می شود. به دلیل وجود الاستیک و یا همان قابلیت کشسان بودن مواد زمانی که آن نیروی وارد شده به جسم از بین برود مجدد آن جسم به حالت اولیه خودش باز می گردد. اما به یاد داشته باشید که همواره رفتار الاستیک هر ماده ای با مواد دیگری متفاوت است و تمام مواد از یک قاعده پیروی نمی کنند.

زمانی که به فلزات نیرو و یا فشار وارد می شود به دلیل تغییر در شبکه اتمی آن ها اندازه و شکل ماده شروع به تغییر می کند و با حذف نیرو مجدد آن فلز به حالت اولیه خودش باز می گردد. نکته ای که باید به آن اشاره شود در خصوص مواد پلاستیکی و دیگر پلیمرهاست که در آن ها کشش زنجیره های پلیمری در هنگام اعمال فشار یا نیرو باعث ایجاد خاصیت الاستیسیته می شود.

پیشنهاد ویژه : کارگاه آموزش فیزیک کوانتوم و رازهای آن

الاستیسیته کامل که به آن Perfect Elasticity هم گفته می شود، یک الگو برای تخمین الاستیسیته مواد در دنیای واقعی است. بیشترین خاصیت الاستیک در میان مواد مختلف را فیبر کوارتز دارد. با این وجود، باید اشاره شود که حتی این ماده یک جسم الاستیک کامل نیست. از این‌رو، ماده کاملا الاستیک تنها یک تعریف ایده آل در نظر گرفته می‌شود. اکثر مواد دارای الاستیسیته، تنها در صورت ایجاد تغییر شکل های بسیار کوچک رفتار کاملاً الاستیک را از خود بروز می‌دهند.

در علوم مهندسی، میزان الاستیسیته یک ماده با استفاده از دو نوع پارامتر محاسبه می‌شود که در زیر به آن ها اشاره می کنیم.

مدول که به آن Modulus هم گفته می شود این نوع پارامتر، میزان نیروی مورد نیاز در واحد سطح برای رسیدن به یک تغییر شکل مشخص را تعیین می‌کند. واحد اندازه‌گیری مدول پاسکال (Pa) است. معمولاً در مدول بالاتر، تغییر شکل ماده دشوارتر می‌شود.

حد الاستیک که به آن Elastic Limit گفته می شود، این پارامتر، بیانگر حداکثر تنشی است که ماده می‌تواند پیش از شروع تغییر شکل دائمی تحمل کند. مقدار حد الاستیک نیز مانند مدول با واحد پاسکال (Pa) بیان می‌شود.

پیشنهاد ویژه : دوره جامع آموزش مبانی فیزیک

برای مقایسه نسبی دو ماده از نظر الاستیسیته، باید هر دو پارامتر مدول و حد الاستیک را در نظر بگیریم. تمام مواد لاستیکی معمولا دارای مدولی با مقادیر پایین هستند و همچنین تمایل زیادی به کشیده شدن دارند. این موضوع نشان می دهد که حد الاستیک این مواد بسیار بالاست.

نکته بسیار مهمی که باید به آن اشاره شود آن است که الاستیسیته مواد لاستیکی از فلزات بالاتر است. به طوری که فلزات دارای مدول بالا و حد الاستیک پایین هستند. از بین دو ماده لاستیکی با حد الاستیک برابر، به نظر می‌رسد ماده‌ای با مدول کمتر، خاصیت الاستیسیته بیشتری خواهد داشت اما به این شکل نیست.

مفهوم الاستیسیته کاربردهای گسترده‌ای در طراحی و تحلیل سازه‌هایی مانند تیرها، صفحات، ورق‌ها و کامپوزیت‌های ساندویچی دارد. این نظریه مبنای بسیاری از مباحث حوزه مکانیک شکست است. علاوه بر این، خاصیت هایپر الاستیسیته نیز به منظور ارزیابی واکنش مواد الاستومری مانند درز بندها و مواد بیولوژیکی مانند بافت‌های نرم و غشاهای سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

الاستیسیته در مواد مختلف چگونه عمل می کند؟

هنگامی که یک ماده الاستیک به دلیل وجود نیروی خارجی شکلش تغییر می کند، مقداری مقاومت داخلی در برابر این تغییر درون ماده به وجود می‌آید. در صورت حذف اعمال نیروی بیرونی، ماده به حالت اولیه خود بازمی‌گردد. مدول های الاستیک عبارت‌اند از: مدول یانگ، مدول برشی و مدول حجمی.

پیشنهاد ویژه : کارگاه آموزش ریاضیات مهندسی

این مدول ها، معیاری برای نمایش خواص الاستیک ذاتی مواد و مقاومت آن‌ها در برابر تغییر شکل‌های ناشی از بارگذاری هستند. هر یک از مدول های الاستیک برای یک نوع تغییر شکل مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان نمونه، مدول یانگ برای بیان کشش یا تراکم یک جسم و مدول برشی برای بیان برش آن جسم استفاده می‌شود.

چه عواملی بر الاستیسیته اثر گذار است؟

عوامل موثر در الاستیسیته مواد به دو دسته عوامل ماکروسکوپی و میکروسکوپی تقسیم می‌شوند. حضور شکستگی‌ها در مواد همسانگرد باعث تغییر مدول یانگ و مدول برشی در راستای عمود بر سطح گسستگی می‌شود.

با افزایش چگالی شکستگی‌ها، مقدار هر یک از این مدول‌ها کم می شود. این موضوع نشان دهنده شکننده تر شدن یک جسم در اثر حضور ناپیوستگی است که به آن عوامل ماکروسکوپی هم گفته می شود.

به طور کلی، رابطه بین تنش و کرنش مواد در مقیاس میکروسکوپی توسط یک کمیت ترمودینامیکی به نام انرژی آزاد هلمولتز (Helmholtz Free Energy) کنترل می‌شود. جای‌گیری مولکول‌ها در پیکربندی در جهت به حداقل رساندن انرژی آزاد است. نحوه جای‌گیری مولکول‌ها به محدودیت‌های ناشی از ساختار آن‌ها و غالب بودن انرژی یا آنتروپی بر انرژی آزاد بستگی دارد.

با توجه به این موارد، مواد به دو دسته کلی انرژی الاستیک (Energy-Elastic) و آنتروپی الاستیک (Entropy-Elastic) تقسیم‌بندی می‌شوند. به این ترتیب، عوامل میکروسکوپی موثر بر انرژی آزاد نظیر فاصله تعادلی بین مولکول ها می‌توانند بر روی الاستیسیته مواد اثر گذار باشند. به عنوان مثال، زمانی که فاصله تعادلی بین مولکول های مواد معدنی در دمای ۰ کلوین افزایش پیدا می کند، مدول حجمی آن ها نیز کاهش می یابد.

دما، یکی دیگر عوامل مهم در الاستیسیته مواد به حساب می‌آید. ما نمی توانیم تاثیر دما را در این خصوص نادیده بگیریم چرا که عوامل زیادی با این پارامتر در ارتباط هستند. به عنوان مثال، مدول حجمی یک ماده به شکل شبکه، رفتار آن در هنگام انبساط و همچنین ارتعاش مولکول‌ها وابسته است و تمام این عوامل به دما بستگی دارند.

آشنایی با نظریه پلاستیسیته

تئوری و یا نظریه پلاستیسیته رفتار مواد در کرنش هایی که از قانون هوک تبعیت نمی کنند را مورد مطالعه و بررسی قرار می دهد.

این تئوری در اواخر قرن ۱۹ میلادی برای موادی که علاوه بر تغییر شکل الاستیک بعد از رسیدن به تنش تسلیم تغییر شکل پلاستیک دارند توسعه پیدا کرد. این تغییر شکل در مواد فلزی و مواد کریستالی به دلیل جابجایی های ساختار کریستال رخ می دهد.

برخی از جنبه های تغییر شکل پلاستیک فرمول‌بندی ریاضی آن را مشکل‌تر از تغییر شکل الاستیک مواد می‌نماید. مثلا تغییر شکل الاستیک یک تابع حالت است ولی تغییر شکل پلاستیک تابع مسیر است. تئوری پلاستیسیته یکنواخت، رفتار ماده و تغییر شکل پلاستیک آن را در هنگام بارگذاری یکنواخت توضیح می دهد.

ویژگی خاک رس که به آن اجازه می دهد شکل بدون گسیختگی هنگام اعمال زور به آن تغییر شکل دهد. ویژگی‌های خاک رس پاتر را نمی توان با هر آزمایش علمی قابل تکرار اندازه‌گیری کرد. بنابراین ارزیابی آن ذهنی خواهد بود.

در تئوری های پلاستیسیته جریان، فرض بر این است که امکان تجزیه کرنش کل در یک جسم را به صورت حاصل جمع یا ضرب یک بخش الاستیک و یک بخش پلاستیک وجود دارد که بخش الاستیک کرنش از طریق مدل‌های الاستیک خطی یا هایپرالاستیک محاسبه می شود. اگرچه، برای تعیین بخش پلاستیک کرنش باید از یک قانون جریان و یک مدل سخت شوندگی استفاده کرد.

پلاستیسیته، توانایی جامدات خاص به جریان یا تغییر شکل به طور دائم زمانی که در معرض تنش‌های حد واسط بین آن تولید تغییر شکل موقتی، یا رفتار الاستیک و آن‌هایی که منجر به شکست مواد یا گسیختگی می‌شوند. پلاستیسیته، یک جامد را تحت عمل نیروهای خارجی قرار می‌دهد تا تغییر شکل دائمی بدون گسیختگی انجام شود.

الاستیسیته در مقایسه، یک جامد را قادر می‌سازد تا پس از حذف بار به شکل اصلی خود برگردد. تغییر شکل پلاستیک در بسیاری از فرایندهای تشکیل فلز مانند غلتیدن، فشار، جعل و در فرآیندهای زمین شناسی شامل تخته سنگی و جریان سنگ در زمین تحت فشار بسیار بالا و در دماهای بالا رخ می‌دهد.

آشنایی با نظریه تغییر شکل بزرگ

تئوری های پلاستیسیته مرتبط با تغییر شکل بزرگ به طور معمول با یکی از فرضیات زیر شروع می‌شوند:

۱. تجزیه تانسور نرخ تغییر شکل به حاصل جمع دو بخش الاستیک و پلاستیک.

۲. تجزیه گرادیان تغییر شکل به حاصل ضرب دو بخش الاستیک و پلاستیک.

فرض اول، کاربرد زیادی در شبیه سازی های عددی فلزات داشت اما با گذشت زمان فرض دوم جای آن را گرفت.

پلاستیسیته جریان چیست؟

یکی از نظریه های موجود در مکانیک جامدات پلاستیسیته جریان یا همان Flow plasticity است که در مواد مختلف رفتار پلاستیک را توصیف می کند. تئوری های پلاستیسیته جریان بر مبنای فرضیات قانون جریان شکل گرفته‌اند. این فرضیه ها برای تعیین تغییر شکل پلاستیک مواد استفاده می شوند.

در تئوری های پلاستیسیته جریان، فرض بر این است که امکان تجزیه کرنش کل در یک جسم را به صورت حاصل ضرب یا جمع یک بخش الاستیک و یک بخش پلاستیک وجود دارد. بخش الاستیک کرنش از طریق مدل های الاستیک خطی یا هایپرالاستیک قابل محاسبه است. اگرچه، برای تعیین بخش پلاستیک کرنش باید از یک قانون جریان و یک مدل سخت شوندگی استفاده کرد.

آشنایی با قانون جریان

در پلاستیسیته فلزات، با فرض یکسان بودن جهت های اصلی افزایش کرنش پلاستیک و تانسور تنش انحرافی توسط رابطه ای به نام قانون جریان نمایش داده می‌شود. تئوری های مربوط به پلاستیسیته سنگ‌ها نیز از مفهومی مشابه بهره می گیرند. با این تفاوت که وابستگی سطح تسلیم به پارامتر فشار به یک آسایش نیاز دارد. به جای این کار، بیشتر فرض می‌شود که افزایش کرنش پلاستیک و بردار نرمال سطح تسلیم وابسته به فشار، دارای جهت های مشابهی هستند.

سخت شوندگی چیست؟

در منحنی تنش کرنش، بعد از نقطه تسلیم، ماده در حالت تغییر شکل پلاستیک با نرخ بالا قرار می‌گیرد. در این وضعیت، امکان جابه جایی بیشتر ماده سخت تر می‌شود که این پیش آمد باعث افزایش مقاومت آن می شود. همان طور که در منحنی‌های تنش کرنش می بینیم، در فاصله بین نقطه تسلیم (Y) و نقطه مقاومت نهایی (U)، مقاومت ماده افزایش پیدا می کند.

دلیل این افزایش مقاومت، سخت شوندگی کرنش و یا همان Strain Hardening است. این رفتار با عناوین دیگری نظیر کرنش سخت شوندگی، کرنش سختی و سردکاری نیز شناخته می‌شود.

آشنایی با پدیده موم سانی

در فیزیک، علم مواد و مهندسی مکانیک به جریان تغییر شکل های برگشت ناپذیر مواد جامد تحت اثر نیرو رفتارهای خمیری یا موم سانی یا پلاستیسیته گویند. به عنوان مثال موم سانی و یا همان پلاستیسیته را به صورت تغییر شکل دائمی پدید آمده در یک قطعه از فلزی سخت که از طریق خم شدن یا کوبیدن به شکل جدیدی در می آید، را نشان می‌دهند. در مهندسی تغییر رفتار ماده از حالت کشسان به موم سان را تسلیم می‌گویند.

بنابراین هنگامی که بسیاری از مواد چکش خوار کشیده شوند از خود خاصیت کشسانی نشان می‌دهند. به این معنا که متناسب با افزایش بار ماده کشیده می شود و اگر ماده رها شود، به شکل اولیه خود باز می‌گردد. اما هنگامی که بار وارده از حد معینی تنش تسلیم گذشت، آنگاه ماده با سرعت بیشتری تغییر شکل می دهد و بخشی از تغییر شکل نیز پس از برداشتن بار باقی می ماند. بدین بخش از تغییر شکل، تغییر شکل مومسان یا تغییر شکل پلاستیک گفته می‌ شود.