تنش تسلیم یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های مکانیکی فولاد است که نشان می‌دهد ماده در چه مرحله‌ای از تحمل نیرو، تغییر شکل دائمی می‌دهد. این ویژگی تأثیر زیادی در انتخاب نوع فولاد برای کاربردهای مختلف دارد و با کمک آن مرز بین محدوده الاستیک و پلاستیک فلز مشخص می‌گردد. در این مقاله، به‌زبان ساده و کاربردی، با مفهوم تنش تسلیم و تفاوت آن در انواع فولاد به‌ویژه ST37 و ST52 آشنا می‌شوید و خواهید دید که چرا توجه به این ویژگی می‌تواند تفاوت میان یک سازه مطمئن و یک اشتباه پرهزینه باشد.
تنش تسلیم در آهن و فولاد چیست و چرا اهمیت دارد؟
تنش تسلیم یکی از کلیدی‌ترین پارامترهای مکانیکی آهن و فولاد است که نشان می‌دهد فولاد تا چه حد می‌تواند در برابر نیروی وارد شده مقاومت کند؛ بدون آن‌که دچار تغییر شکل دائمی شود. در واقع، فولاد دارای دو ویژگی مکانیکی اصلی به نام‌های استحکام تسلیم و استحکام کششی است که هر دو نقش مهمی در تحلیل مقاومت مصالح فلزی دارند. وقتی تنش وارد شده به ماده از حد مشخصی کمتر باشد، تغییر شکل آن موقتی و قابل بازگشت است، اما اگر تنش از مقدار مشخصی عبور کند، فولاد وارد ناحیه تغییر شکل دائمی یا پلاستیک می‌شود. این حد مرزی را تنش تسلیم یا استحکام تسلیم می‌نامند و آن را با نماد Y.S (Yield Strength) نمایش می‌دهند. جهت اطلاع از قیمت آهن‌آلات مختلف می‌توانید به وبسایت عصرآهن مراجعه کنید.
بررسی تنش و کرنش در انواع فولاد
تنش و کرنش از مفاهیم پایه‌ای در علم مقاومت مصالح هستند که نقش کلیدی در تحلیل رفتار سازه‌ها ایفا می‌کنند. در صورتی که نیرویی به یک قطعه از سازه یا کل آن وارد شود، واکنشی در ماده به‌وجود می‌آید که با نام تنش و کرنش شناخته می‌شود. تنش در واقع بیانگر مقدار نیروی خارجی وارد شده به ازای هر واحد سطح است و در سیستم بین‌المللی با واحد پاسکال (Pa) یا نیوتن بر متر مربع (N/m²) اندازه‌گیری می‌شود.
این نیروها می‌توانند باعث تغییر شکل جسم‌هایی مثل فولاد نیز شوند. میزان این تغییر شکل به ویژگی‌های مکانیکی ماده بستگی دارد. نسبت تغییر طول ایجاد شده در سازه به طول اولیه آن، کرنش نام دارد. کرنش بدون واحد است، چون حاصل تقسیم دو طول بر یکدیگر است.
در شرایط واقعی، سازه‌ها ممکن است تحت انواع مختلفی از بارگذاری قرار گیرند، از جمله نیروهای محوری، نیروهای برشی، لنگر خمشی و پیچش. هر یک از این بارگذاری‌ها تنش‌ها و کرنش‌های خاص خود را در سازه ایجاد می‌کنند، که شناخت آن‌ها برای طراحی ایمن و بهینه بسیار ضروری است. در ادامه با بررسی رفتار انواع فولاد در برابر این عوامل، به درک دقیق‌تری از عملکرد آن‌ها در شرایط عملیاتی می‌رسیم.
مقایسه تنش تسلیم فولاد ST52 و ST37
فولادهای ST37 و ST52 هر دو از پرکاربردترین گریدهای فولاد ساختمانی هستند، اما تفاوت‌هایی کلیدی در ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها باعث شده در شرایط متفاوتی مورد استفاده قرار گیرند. فولاد ST37 به دلیل جوش‌پذیری بالا و انعطاف‌پذیری مناسب، انتخابی محبوب در بسیاری از سازه‌های سبک و معمولی است. تنش تسلیم این فولاد حدود ۲۴۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع برآورد می‌شود که نشان‌دهنده مقاومت بالای آن در برابر نیروهای فشاری است.
در مقابل، فولاد ST52 با تنش تسلیم حدود ۳۶۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع، قدرت بالاتری در برابر تغییر شکل دائمی دارد و گزینه‌ای مناسب برای سازه‌هایی با بارگذاری بالا یا نیاز به مقاومت بیشتر محسوب می‌شود. در حالی که ST52 از نظر مقاومت مکانیکی برتری دارد، اما ST37 به دلیل نرمی بیشتر، در برخی موارد عملکرد بهتری در فرآیندهای شکل‌دهی و جوشکاری از خود نشان می‌دهد. انتخاب بین این دو گرید باید بر اساس نیاز پروژه، نوع بارگذاری و شرایط اجرایی انجام شود.
تنش تسلیم فولاد ST37
فولاد ST37 یکی از متداول‌ترین انواع فولاد ساختمانی در ایران است که به دلیل ویژگی‌هایی مانند شکل‌پذیری بالا، جوش‌پذیری مناسب و قیمت مقرون‌به‌صرفه، کاربرد گسترده‌ای در پروژه‌های ساختمانی، صنعتی و عمرانی دارد. تنش تسلیم این فولاد معادل ۲۴۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است؛ یعنی تا این میزان تنش، فولاد بدون تغییر شکل دائمی باقی می‌ماند. همچنین تنش نهایی یا استحکام کششی آن حدود ۳۷۰۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع در نظر گرفته می‌شود. این ویژگی‌ها نشان می‌دهند که ST37 برای سازه‌هایی با بارهای متوسط گزینه‌ای کاملاً مناسب است. از جمله کاربردهای رایج آن می‌توان به ساخت اسکلت فلزی ساختمان‌ها، قطعات صنعتی سبک و سوله‌های کوچک اشاره کرد.
تنش تسلیم فولاد ST52
فولاد ST52 به دلیل تنش تسلیم بالاتر نسبت به فولاد ST37، در رده فولادهای مستحکم برای پروژه‌های سنگین صنعتی قرار می‌گیرد. این آلیاژ با تنش تسلیم حدود ۳۵۵ مگاپاسکال، در برابر نیروهای کششی و فشاری عملکرد و مقاومت بالایی دارد. به همین خاطر، در ساخت انواع پل‌ها، سازه‌های بزرگ صنعتی، بازوهای جرثقیل و ماشین‌آلات سنگین به‌طور گسترده استفاده می‌شود. از دیگر مزایای مهم ST52 می‌توان به جوش‌پذیری مناسب و ماشین‌کاری آسان اشاره کرد.
استحکام تسلیم چه تأثیری در انتخاب نوع فولاد دارد؟
در فرآیند انتخاب فولاد مناسب برای هر پروژه، استحکام تسلیم یکی از فاکتورهای کلیدی به شمار می‌رود که باید به آن توجه کرد. این ویژگی مشخص می‌کند که فولاد تا چه حد می‌تواند در برابر نیرو یا فشار وارده مقاومت کند، پیش از آن‌که دچار تغییر شکل غیرقابل برگشت شود. انتخاب صحیح فولاد با استحکام تسلیم متناسب با نوع پروژه، نقش مهمی در افزایش ایمنی سازه، دوام طولانی‌مدت و عملکرد مطمئن در شرایط مختلف دارد.
به عنوان مثال، در پروژه‌هایی با بارهای سبک‌تر یا نیاز به انعطاف‌پذیری بالا، فولاد ST37 می‌تواند گزینه‌ای مناسب باشد. اما در پروژه‌های بزرگ‌تر و با فشارهای بالا، فولادهایی مانند ST52 که مقاومت بیشتری در برابر تغییر شکل دارند، ترجیح داده می‌شوند. در نهایت، درک درست از استحکام تسلیم نه‌تنها به تصمیم‌گیری بهتر کمک می‌کند و در کاهش هزینه‌های تعمیر، افزایش عمر مفید سازه و پیشگیری از خرابی‌های احتمالی نیز مؤثر خواهد بود.
اهمیت آزمایش تنش و کرنش فولاد
در پروسه انتخاب فولاد مناسب در پروژه‌های ساختمانی، باید ویژگی‌های مکانیکی هر نوع فولاد را به‌خوبی شناخت. برخلاف تصور عموم، فولاد تنها یک فلز ساده نیست؛ بلکه آلیاژی متنوع با ترکیبات و خواص متفاوت است. مهم‌ترین عامل در تعیین رفتار مکانیکی فولاد، میزان کربن و عناصر آلیاژی موجود در آن است که مستقیماً بر سختی، شکل‌پذیری و تنش تسلیم تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که هر نوع فولاد می‌تواند پاسخ متفاوتی به نیروهای وارده نشان دهد، انجام آزمایش‌های تنش و کرنش برای تعیین دقیق پارامترهایی مانند استحکام تسلیم و مدول الاستیسیته ضروری است. این آزمایش‌ها به مهندسان کمک می‌کنند تا اطمینان یابند فولاد انتخاب‌شده با شرایط بارگذاری مورد انتظار سازگار است و در طول عمر سازه، عملکرد ایمنی خواهد داشت.
جمع بندی
در این مقاله با مفهوم تنش تسلیم فولاد و اهمیت آن در طراحی و انتخاب مصالح ساختمانی آشنا شدیم. فهم دقیق رفتار فولاد در برابر نیروهای اعمال‌شده برای مهندسان و سازندگان نقش حیاتی دارد. همچنین دیدیم که فولادهای مختلف مانند ST37 و ST52 دارای مقادیر متفاوتی از تنش تسلیم هستند و این تفاوت‌ها باعث می‌شود هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب باشند. در نهایت، انجام آزمایش‌های تنش و کرنش می‌تواند اطلاعات ارزشمندی برای تحلیل عملکرد فولاد در شرایط واقعی فراهم کند. بنابراین، آگاهی از تنش تسلیم نه‌تنها به ایمنی سازه‌ها کمک می‌کند، بلکه انتخاب‌های فنی هوشمندانه‌تری را نیز ممکن می‌سازد.
