درصد ازدیاد طول سطح خارجی (Percent Elongation)

مقدمه

یکی از مهم‌ترین شاخص‌های مکانیکی در علم مواد و مهندسی، درصد ازدیاد طول سطح خارجی (Percent Elongation) است. این پارامتر میزان تغییر شکل پلاستیک یک ماده را در اثر اعمال نیرو نشان می‌دهد و نقش کلیدی در تحلیل رفتار مکانیکی فلزات، پلیمرها و حتی مصالح ساختمانی دارد.

وقتی یک نمونه تحت آزمایش کشش (Tensile Test) قرار می‌گیرد، در ابتدا تغییر شکل‌ها در محدوده الاستیک هستند؛ یعنی با برداشتن بار، نمونه به حالت اولیه بازمی‌گردد. اما اگر بار افزایش یابد، نمونه وارد ناحیه پلاستیک شده و پس از گسیختگی، طول آن بیشتر از حالت اولیه خواهد بود. مقدار این افزایش طول، نسبت به طول اولیه نمونه، به‌عنوان درصد ازدیاد طول تعریف می‌شود.

تعریف درصد ازدیاد طول

فرمول محاسبه درصد ازدیاد طول به‌صورت زیر است:

$%Elongation=Lf−L0L0×100\% Elongation = \frac{L_f – L_0}{L_0} \times 100$

$L_0$ : طول اولیه نمونه قبل از اعمال بار
$L_f$ : طول نهایی نمونه بعد از شکست

این شاخص بیانگر میزان چقرمگی و شکل‌پذیری (Ductility) ماده است. هر چه درصد ازدیاد طول بیشتر باشد، ماده شکل‌پذیرتر است و برعکس.

اهمیت درصد ازدیاد طول در مهندسی مواد

ارزیابی شکل‌پذیری: این پارامتر نشان می‌دهد که یک ماده قبل از شکست تا چه اندازه می‌تواند تغییر شکل دهد.
انتخاب مواد در طراحی: در صنایع خودروسازی، هوافضا یا ساختمانی، انتخاب مواد با درصد ازدیاد طول مناسب برای جلوگیری از شکست ناگهانی بسیار مهم است.
کنترل کیفیت: درصد ازدیاد طول یکی از پارامترهای استاندارد در آزمون‌های کشش است که کیفیت مواد اولیه را مشخص می‌کند.
مقایسه مواد مختلف: با این شاخص می‌توان به‌طور ساده فلزات نرم مانند آلومینیوم را با فلزات سخت‌تر مانند فولاد مقایسه کرد.

عوامل مؤثر بر درصد ازدیاد طول

چندین عامل می‌توانند بر میزان درصد ازدیاد طول تأثیر بگذارند:

1. جنس ماده

فلزات نرم مانند مس و آلومینیوم معمولاً درصد ازدیاد طول بالایی دارند.
فلزات سخت و ترد مانند چدن یا کاربیدها درصد کمی ازدیاد طول دارند.

2. دما

افزایش دما معمولاً باعث افزایش شکل‌پذیری و در نتیجه بالا رفتن درصد ازدیاد طول می‌شود.

3. عملیات حرارتی

فرایندهایی مثل آنیلینگ (Annealing) می‌توانند انعطاف‌پذیری ماده را افزایش دهند.

4. ریزساختار

اندازه دانه‌های کریستالی و وجود ناخالصی‌ها در ساختار ماده نقش مهمی در میزان تغییر شکل دارند.

5. شرایط آزمون

سرعت بارگذاری
طول اولیه نمونه
وجود ناهمگنی در سطح مقطع

همگی می‌توانند بر نتیجه نهایی اثر بگذارند.

MacArtney Pressure Vessels Advanced systems for hydrostatic testing

درصد ازدیاد طول در فلزات مختلف

فولاد نرم (Mild Steel): حدود 25 تا 35 درصد
آلومینیوم: 20 تا 40 درصد
مس: 40 تا 60 درصد
چدن: کمتر از 5 درصد

این مقادیر نشان می‌دهد که مس و آلومینیوم شکل‌پذیرتر از فولاد هستند و چدن به دلیل ساختار ترد خود درصد بسیار کمی ازدیاد طول دارد.

کاربرد درصد ازدیاد طول در صنایع

صنایع خودروسازی: انتخاب ورق‌های فلزی که باید در فرآیند پرس‌کاری و شکل‌دهی تغییر طول زیادی پیدا کنند.
ساختمان‌سازی: میلگردها باید درصد ازدیاد طول مناسبی داشته باشند تا در برابر زلزله و نیروهای ناگهانی مقاوم باشند.
صنایع هوافضا: استفاده از آلیاژهایی با درصد ازدیاد طول بالا برای جلوگیری از شکست‌های ناگهانی.
تولید سیم و کابل: مس و آلومینیوم به دلیل درصد ازدیاد طول بالا در صنعت برق کاربرد گسترده‌ای دارند.

ارتباط درصد ازدیاد طول با خواص دیگر

استحکام کششی (Tensile Strength): معمولاً با افزایش استحکام کششی، درصد ازدیاد طول کاهش می‌یابد.
چقرمگی (Toughness): مواد با درصد ازدیاد طول بالا معمولاً چقرمه‌تر هستند.
سختی (Hardness): افزایش سختی اغلب منجر به کاهش شکل‌پذیری و در نتیجه کاهش درصد ازدیاد طول می‌شود.

استانداردهای آزمون درصد ازدیاد طول

برای اندازه‌گیری دقیق این شاخص، استانداردهای متعددی وجود دارد، از جمله:

ASTM E8/E8M – استاندارد آزمون کشش فلزات
ISO 6892 – استاندارد بین‌المللی آزمون کشش
DIN 50125 – استاندارد آلمانی برای نمونه‌های کشش

این استانداردها روش آماده‌سازی نمونه، سرعت بارگذاری و نحوه محاسبه درصد ازدیاد طول را مشخص می‌کنند.

مثال عددی از محاسبه درصد ازدیاد طول

فرض کنید یک نمونه فولادی با طول اولیه $L_0 = 50 \, mm$ در اثر آزمون کشش تا طول $L_f = 62.5 \, mm$ افزایش یابد.

$%Elongation=62.5−5050×100=25%\% Elongation = \frac{62.5 – 50}{50} \times 100 = 25\%$

این نتیجه نشان می‌دهد که ماده قابلیت تغییر طول 25 درصدی پیش از شکست را داشته است.

مزایا و محدودیت‌های استفاده از درصد ازدیاد طول

مزایا

سادگی محاسبه
امکان مقایسه سریع مواد
معیار مهم برای انتخاب مواد در طراحی مهندسی

محدودیت‌ها

به طول اولیه نمونه وابسته است.
فقط تغییر طول در راستای طولی را نشان می‌دهد و تغییرات در سطح مقطع یا حجم را نادیده می‌گیرد.
ممکن است در مواد ترد که قبل از شکست تغییر طول کمی دارند، اطلاعات کافی ارائه ندهد.

جمع‌بندی

درصد ازدیاد طول سطح خارجی (Percent Elongation) یکی از کلیدی‌ترین شاخص‌های مکانیکی برای توصیف رفتار مواد تحت بار کششی است. این پارامتر نشان‌دهنده میزان شکل‌پذیری و مقاومت ماده در برابر شکست ناگهانی است و نقش مهمی در انتخاب مواد برای صنایع مختلف ایفا می‌کند.

با درک صحیح این مفهوم، مهندسان می‌توانند انتخاب‌های بهتری در طراحی سازه‌ها، قطعات صنعتی و محصولات مختلف داشته باشند و ایمنی و کارایی سیستم‌ها را افزایش دهند.