تنش و کرنش چیست؟ مفاهیم، انواع و کاربردهای آن در مهندسی
در دنیای مهندسی و علم مواد، تنش(Stress) و کرنش(Strain) دو مفهوم کلیدی هستند که به ما کمک می‌کنند رفتار مواد را تحت تأثیر نیروهای خارجی درک کنیم. این مفاهیم در طراحی و تحلیل سازه‌ها، قطعات صنعتی و حتی تجهیزات روزمره نقش مهمی دارند. اما چرا این مفاهیم مهم‌اند؟ و چگونه در عملکرد و استحکام مواد تأثیر می‌گذارند؟ در این مقاله به بررسی دقیق این موضوعات می‌پردازیم.
رازهای پنهان تنش و کرنش: چرا این مفاهیم مهم‌اند؟
وقتی نیرویی به یک جسم وارد می‌شود، ماده سعی می‌کند در برابر تغییر شکل مقاومت کند. این مقاومت همان تنش داخلی ماده است که تعیین می‌کند جسم تا چه حد می‌تواند بار را تحمل کند. اما در کنار آن، هر ماده‌ای تا حدی دچار تغییر شکل می‌شود که به آن کرنش می‌گویند.
این دو مفهوم اساس طراحی سازه‌های مقاوم و بهینه هستند و درک آن‌ها می‌تواند از شکست ناگهانی قطعات جلوگیری کند. در ادامه به بررسی جزئیات هر یک می‌پردازیم.
برای خرید دستگاه تست کشش میلگرد و مفتول از بن افزار با ما تماس بگیرید.
تنش(Stress) چیست؟ بررسی دقیق انواع و تأثیرات آن
تنش مقدار نیروی داخلی وارد بر واحد سطح یک ماده است که به دلیل اعمال بار خارجی به وجود می‌آید. فرمول محاسبه آن به این صورت است:
انواع تنش
✅ تنش کششی – زمانی که نیرو باعث کشیده شدن ماده شود.
✅ تنش فشاری – زمانی که نیرو ماده را تحت فشار قرار دهد.
✅ تنش برشی – زمانی که نیرو به‌صورت موازی با سطح مقطع اعمال شود.
✅ تنش خمشی و پیچشی – ترکیبی از نیروهای کششی، فشاری و برشی که در تیرها و شفت‌های دوار دیده می‌شود.
هر یک از این انواع تنش، ویژگی‌های خاصی به همراه دارند که در طراحی و تحلیل سازه‌ها باید در نظر گرفته شوند.
کرنش(Strain) چیست؟ چگونگی اندازه‌گیری و تحلیل آن
کرنش میزان تغییر شکل یک جسم تحت تأثیر تنش است و به صورت نسبت تغییر طول به طول اولیه تعریف می‌شود:
انواع کرنش:
✅ کرنش کششی – زمانی که طول ماده افزایش یابد.
✅ کرنش فشاری – زمانی که طول ماده کاهش یابد.
✅ کرنش برشی – زمانی که تغییر شکل زاویه‌ای در اثر تنش برشی ایجاد شود.
چگونه تنش و کرنش بر استحکام و عمر مواد تأثیر می‌گذارند؟
درک رفتار مواد تحت تنش و کرنش، یکی از اصول کلیدی مهندسی مواد و طراحی سازه‌هاست. اگر میزان تنش اعمالی از حد مقاومت ماده فراتر رود، ممکن است تغییر شکل دائمی یا حتی شکست رخ دهد.
برخی مواد مانند فولاد، خاصیت الاستیک دارند و می‌توانند بعد از برداشته شدن نیرو به حالت اولیه خود بازگردند. اما مواد شکننده مانند سرامیک‌ها، به‌محض رسیدن به حد خاصی از تنش، دچار شکست می‌شوند.
رابطه تنش و کرنش: قانون هوک و مفاهیم اساسی آن
در محدوده الاستیک مواد، قانون هوک بیان می‌کند که تنش و کرنش با یکدیگر رابطه‌ای خطی دارند:
این رابطه تا زمانی برقرار است که ماده وارد محدوده تغییر شکل پلاستیک نشود.
مدول یانگ و نسبت پواسون؛ کلید درک رفتار مواد تحت تنش
مدول یانگ(Young's Modulus) نشان‌دهنده سختی یک ماده در برابر تغییر شکل است. موادی که مدول یانگ بالاتری دارند، سفت‌تر هستند.
نسبت پواسون(Poisson’s Ratio) نیز نشان می‌دهد که وقتی یک ماده تحت تنش کششی قرار می‌گیرد، در جهات دیگر چگونه تغییر شکل می‌دهد.
مقدار این نسبت برای بیشتر مواد بین 0.2 تا 0.5 است.
چگونه نمودار تنش-کرنش ویژگی‌های مواد را مشخص می‌کند؟
نمودار تنش-کرنش یکی از ابزارهای مهم برای تحلیل رفتار مکانیکی مواد است. این نمودار به ما نشان می‌دهد که ماده در چه مرحله‌ای دچار تغییر شکل دائمی یا شکست می‌شود.
در این نمودار، نقاط مهمی مانند حد الاستیک، نقطه تسلیم و نقطه شکست مشخص می‌شوند که در طراحی مهندسی اهمیت زیادی دارند.
تنش‌های محوری، برشی و خمشی: تفاوت‌ها و کاربردهای آن‌ها
✅ تنش محوری: در امتداد طولی ماده اعمال می‌شود (کششی یا فشاری).
✅ تنش برشی: نیروهای موازی با سطح مقطع را شامل می‌شود.
✅ تنش خمشی: ترکیبی از کشش و فشار که در تیرها و پل‌ها دیده می‌شود.
چرا برخی مواد در برابر تنش دوام بیشتری دارند؟
برخی مواد مانند فولادهای آلیاژی، پلیمرهای مهندسی و کامپوزیت‌ها دارای ترکیب‌بندی ویژه‌ای هستند که استحکام بالاتری در برابر تنش و کرنش ایجاد می‌کنند. این ویژگی‌ها معمولاً به دلیل ریزساختار داخلی، عملیات حرارتی و ترکیب شیمیایی مواد به وجود می‌آیند.
برای خرید دستگاه تست کشش یونیورسال بن افزار با ما تماس بگیرید.
منحنی تنش-کرنش: بررسی رفتار مواد از کشش تا شکست
این منحنی رفتار ماده را از لحظه‌ای که نیرو اعمال می‌شود تا زمانی که دچار شکست شود، نشان می‌دهد. مراحل مهم آن عبارتند از:
- ناحیه الاستیک: ماده پس از برداشتن نیرو به حالت اولیه برمی‌گردد.
- ناحیه پلاستیک: تغییر شکل دائمی شروع می‌شود.
- نقطه تسلیم: آغاز تغییر شکل دائمی بدون افزایش زیاد در تنش.
- نقطه شکست: ماده دیگر قادر به تحمل تنش نیست و می‌شکند.
نتیجه‌گیری
مفهوم تنش و کرنش یکی از اصول پایه‌ای در تحلیل سازه‌ها، طراحی قطعات صنعتی و درک رفتار مکانیکی مواد است. شناخت رابطه میان این دو کمیت و نمودارهای مرتبط، به ما کمک می‌کند مواد مناسب برای کاربردهای مختلف را انتخاب کنیم و از شکست زودهنگام سازه‌ها جلوگیری کنیم.