برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۱۷۳
  • بازدید این ماه ۱۰۲
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

خواص مکانیکی (1)

تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کم‌تر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانه‌ها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. برای درک بهتر خواص مکانیکی نانومواد ابتدا لازم است با برخی مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش و تعاریف نشان دهنده خواص مکانیکی مواد همچون استحکام آشنا شوید. لذا ابتدا در این بخش با مفاهیم اولیه و مورد نیاز برای مطالعه خواص مکانیکی نانومواد آشنا شده و سپس در بخش آینده خواص مکانیکی مواد نانوساختار را بررسی می‌کنیم.
مقدمه:
تولید فلزات و آلیاژهایی با اندازه کم‌تر از 100 نانومتر باعث دستیابی به موادی با استحکام بسیار بالا شده است. در واقع کوچک کردن دانه‌ها در مواد، ابزار قدرتمندی است تا ساختارهایی با خواص مکانیکی عالی تولید گردد. برای درک بهتر خواص مکانیکی نانومواد ابتدا لازم است با برخی مفاهیم و تعریف‌های اولیه رفتار مکانیکی مواد همچون تنش، کرنش و تعاریف نشان دهنده خواص مکانیکی مواد همچون استحکام آشنا شوید. لذا ابتدا در این بخش با مفاهیم اولیه و مورد نیاز برای مطالعه خواص مکانیکی نانومواد آشنا شده و سپس در بخش آینده خواص مکانیکی مواد نانوساختار را بررسی می‌کنیم.

1- تنش
نیروی وارد بر واحد سطح، «تنش» نامیده می‌شود. به بیان دیگر، تنش عبارت است از خارج قسمت برآیند نیروهای وارد بر سطحی از یک جسم به مساحت آن سطح. فرمول تنش برای یک سطح به این صورت است:
Ϭ= P/A
که در رابطه‌ی فوق Ϭ (خوانده می‌شود: زیگما) تنش، Pنیروی وارد شونده بر سطح و A مساحت مقطع تحت تنش است (شکل 1).
filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

شکل 1: تنش حاصل از اعمال نیرو بر سطح

هرچه سطح اعمال نیرو در یک جسم بیشتر باشد، تنش کم‌تری به آن وارد می‌شود، چرا که نیروی اعمال شده در این سطح بزرگ توزیع می‌شود. تنش را عموما با یکی از واحدهایN/cm2 ، N/mm2 یا kg/cm2 نشان می‌دهند.

2-کرنش

هنگامیکه یک جسم تحت تنش قرار می‌گیرد، تغییر شکلی در راستای نیروی واردشده در آن به وجود می‌آید. نسبت تغییر شکل نسبت به طول اولیه‌ی جسم را «کرنش» می‌گویند. به بیان دیگر، کرنش عبارت است از خارج قسمت تغییر طول ناشی از تنش به طول اولیه پیش از اعمال تنش. معادله‌ی کرنش به صورت زیر است:

ε=Δl/L
∆l= L’-L
در روابط فوق ε (خوانده می‌شود: اپسیلون) کرنش، L طول اولیه جسم،L’ طول جسم پس از اعمال تنش، و ∆l تغییر طول ناشی از تنش در جسم است (شکل 2). در واقع، کرنش درصد تغییر طول ماده به ازای تنش وارد شده است و ارتباطی مستقیم با طول نهایی جسم ندارد. کرنش، عکس‌العمل مواد به تنش اعمال شده است. هر چه این کرنش کوچک‌تر باشد، آن ماده سختی بیشتری دارد و انعطاف‌پذیری کم‌تری از خود نشان می‌دهد. از آنجا که کرنش حاصل تقسیم دو عدد با واحد طول بر یکدیگر است، در عمل کرنش بدون واحد محسوب می‌شود.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: کرنش جسم حاصل از تنش اعمال شده

3- قانون هوک

مقادیر تنش و کرنش واردشده بر یک جسم همیشه رابطه‌ای مستقیم با یکدیگر دارند، یعنی به ازای افزایش تنش میزان کرنش نیز افزایش می‌یابد. تنش و کرنش برای هر نوع از مصالح، نموداری دو بعدی به وجود می‌آورند که به آن «نمودار تنش - کرنش»، می‌گویند و تغییرات کرنش به ازای تغییرات تنش روی آن نمایش داده می‌شود (شکل 3). در نمودار تنش - کرنش، همیشه تنش بر محور عمودی و کرنش روی محور افقی نمایش داده می‌شود. این نمودار ممکن است نموداری خطی، نموداری منحنی، یا ترکیبی از خط و منحنی باشد که به نوع جسم بستگی دارد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: نمودار تنش – کرنش مواد. رابطه مستقیم تنش و کرنش در ناحیه خطی نشان داده شده است

در نمودار تنش - کرنش، غالبا بخش اول منحنی ترسیم شده، نموداری خطی است. یعنی در این بخش نوع تغییرات کرنش به ازای تغییر تنش به صورت خطی عمل می‌کند. تغییر شکل در این ناحیه به صورت ارتجاعی (یا الاستیک یا کشسان) و برگشت‌پذیر است. این بدان معنا است که اگر نیرو به مقدار محدود به یک جامد وارد شود، آن جامد بعد از باربرداری، ابعاد اولیه خود را باز می‌یابد. حد نیرویی که در بیش از آن ماده رفتار کشسان ندارد، حد کشسان نامیده می‌شود. ضریب زاویه‌ی این ناحیه‌ی خطی از نمودار تنش - کرنش «ضریب ارتجاعی یا الاستیک» یا «مدول یانگ» نامیده می‌شود. این ضریب برابر تانژانت زاویه‌ی ایجاد شده بین نمودار خطی و محور افقی است. واحد پارامتر E یا ضریب ارتجاعی با واحد تنش، یعنی N/cm2 ، N/mm2، یا kg/cm2 یکی است.
اگر با استفاده از ضریب ارتجاعی، معادله‌ی ناحیه‌ی خطی نمودار تنش - کرنش نوشته شود، ملاحظه می‌شود که ضریب ارتجاعی با تنش رابطه‌ی مستقیم و با کرنش رابطه‌ی معکوس دارد. نسبت تنش به کرنش برابر با ضریب ارتجاعی است که به آن «قانون هوک» می‌گویند و به صورت زیر نمایش داده می‌شود:
E=Ϭ/ε
مقدار تغییر شکل ارتجاعی فلزات بسیار کم است و برای اندازه‌گیری آن باید از دستگاه‌های بسیار دقیقی استفاده کرد. در صورتی که نیروی وارد به جسم از حد کشسان تجاوز کند تغییر شمل به وجود آمده در جسم، بر اثر باربرداری از بین نمی‌رود. ایجاد تغییر شکل دائم در یک ماده را تغییر شکل پلاستیک یا موم‌سان می‌گویند.
برای بدست آوردن خواص مکانیکی مواد آنها را تحت نیروهای کششی یا فشاری قرار می‌دهند و نمودار تنش – کرنش آن را بدست می‌آورند. در شکل 4 نمودار مرسوم تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش تا شکست جسم را نشان داده است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: نمودار تنش – کرنش بدست آمده از آزمون کشش یک نمونه

خواص مکانیکی مهمی که جهت مطالعه خواص نانوساختارها باید با آنها آشنا شوید به صورت زیر هستند:

1- حد تناسب: نقطه‌ای است که در آن منحنی تنش – کرنش از حالت خطی خارج می‌شود. این مقدار بسیار نزدیک به حد کشسان یا تنش تسلیم است ولی چون بدست آوردن حد کشسان بسیار دشوار است، عموما حد تناسب را محاسبه می‌کنند.
2- مدول یانگ یا کشسانی.
3- استحکام تسلیم: تنشی است که مقدار تغییر شکل دائم در آن بسیار کم و برابر با کرنشی به مقدار 002/0 است.
4- استحکام کششی: بیان گردید که اگر تنش بیشتر از حد کشسان شود، تغییر شکل موم‌سان پدید می‌آید. با ازدیاد تغییر شکل موم‌سان، استحکام جسم (عموما فلزات) افزایش می‌یابد، به حدی که نیروی لازم برای ادامه تغییر شکل مرتبا زیاد می‌شود. در یک لحظه بار به میزان حداکثر می‌رسد. حداکثر باری که هر فلز می‌تواند در برابر آن پایداری کند، تقسیم بر سطح مقطع اولیه جسم، استحکام کششی نام دارد.
5- تنش شکست: در فلزات شکل‌پذیر اگر مقدار بار از نیروی حداکثر تجاوز کند، قطر نمونه به سرعت کم می‌شود و در نتیجه نیروی وارد شده برای ادامه تغییر شکل به سرعت افت می‌کند و این به شکست نمونه منجر می‌شود.
6- درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع نهایی.
اشاره به این نکته ضروری است که استحکام کششی و استحکام تسلیم، معرف استحکام ماده و درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع معرف شکل‌پذیری یا داکتیلیته مواد هستند.
در این بخش با برخی از مفاهیم اولیه خواص مکانیکی مواد آشنا شدید. خواص مکانیکی مواد بسیار گسترده‌تر از مطالب و تعریف‌های بیان شده است، با این حال برای درک اولیه از خواص مکانیکی نانوساختارها، این مفاهیم بسیار کارگشا است. در بخش بعد به بررسی تغییر خواص مکانیکی نانومواد می‌پردازیم.

منابـــع و مراجــــع

1. متالورژی مکانیکی، جرج ای. دیتر. ترجمه شهره شهیدی. مرکز نشر دانشگاهی

2. ایستایی 2، علی اکبر حیدری و محمد فرخ زاد. انتشارات فاطمی.