استحکام یک ماده، به طور کلی، مقداری است که توسط آن تسلیم، شکست یا تغییر شکل بیش از حد در یک عضو حامل بار رخ می دهد. استحکام برشی ویژگی ماده ای است که مقاومت یک ماده در برابر بار برشی را قبل از شکست قطعه در برش توصیف می کند. عمل برشی یا شکست لغزشی که با مقاومت برشی توصیف می‌شود به موازات جهت نیروی وارد بر یک صفحه اتفاق می‌افتد.

در صنایع ساختمانی، خودروسازی، هوافضا و سایر صنایع مهندسی، دانستن مقاومت برشی مواد برای طراحی دستگاه‌های مکانیکی و سازه‌ای و همچنین انتخاب مواد مورد استفاده برای یک کاربرد حیاتی است. همچنین در اندازه گیری اجزا یا قطعات مورد توجه قرار می گیرد [1].

در اینجا، با این موارد آشنا خواهید شد:

• تفاوت مقاومت برشی و تنش برشی
• چندین نظریه شکست در مواد
• نظریه حداکثر تنش برشی
• نحوه آزمایش مقاومت برشی
• مواد رایجی که تحت آزمایش مقاومت برشی قرار می گیرند

مقاومت برشی و تنش برشی

استحکام برشی و تنش برشی اغلب به جای یکدیگر استفاده می شوند، اما یک تمایز فنی بین این دو وجود دارد. تنش برشی نسبی است و نسبت به مقدار بار برشی اعمال شده به یک ماده در واحد سطح تغییر می کند. از طرفی مقاومت برشی یک مقدار ثابت و معین در ماهیت کلی یک ماده است [1, 2].

تئوری های شکست

برای درک مقاومت برشی، درک نظریه های مختلف شکست مهم است.

به طور کلی برای مواد شکننده، علت خرابی به دلیل الف است نیروی در کشش.

برای مواد انعطاف پذیر، علت شکست اغلب به دلیل نیروهای برشی.

منحنی تنش-کرنش برای این دو نوع ماده متفاوت است. به طور معمول، پارامترهای مقاومت مواد با انجام آزمایش های تک محوری شناسایی می شوند. اما در واقعیت، موقعیت‌ها تنش‌های چند بعدی و ترکیبی ایجاد می‌کنند که در یک نقطه یا سرتاسر یک عضو عمل می‌کنند و اندازه‌گیری هر یک از تنش‌ها و تأثیر آن برای آنها غیرعملی است.

تئوری های شکست برای پیش‌بینی عملکرد یک ماده در رابطه با استحکام کششی آن و ایجاد رابطه بین هر منبع تنش ایجاد شده ضروری هستند.

برای مواد شکننده، شکست ناشی از برش ناشی از لغزش اتم‌های مواد ناشی از تنش‌های برشی و اعوجاج است. بنابراین، برای اهداف طراحی، مقاومت تسلیم در برش پارامتر مقاومتی است که باید استفاده شود [2, 3, 4].

نظریه تنش برشی حداکثر

این تئوری بیان می کند که شکست مواد زمانی رخ می دهد که حداکثر تنش برشی ایجاد شده توسط تنش های ترکیبی برابر یا بیشتر از مقدار تنش برشی بدست آمده در تسلیم در آزمایش کشش تک محوری باشد. [2-4].

فرض کنید در آزمایش تک محوری، تنش های اصلی عبارتند از:

`sigma _{1} = S_{y}`

«سیگما _{2} = 0».

«سیگما _{3} = 0».

جایی که σ₁، σ₂، σ₃ = حداکثر استرس طبیعی که بدن در یک نقطه خاص می تواند تحمل کند. اس_y = قدرت تسلیم

مقاومت برشی در هنگام تسلیم عبارت است از:

`S_{sy}=frac{(sigma _{1}-sigma_{2})}{2}=frac{S_{y}}{2}`

یا

`S_{sy}=frac{(sigma _{1}-sigma_{3})}{2}=frac{S_{y}}{2}`

برای یک مواد همگن، همسانگرد، انعطاف پذیر با تنش استاتیکی دو یا سه بعدی، برای شناسایی و محاسبه σ₁، σ₂، σ₃ و حداکثر تنش برشی، 𝜏_حداکثر:

`tau_{max}=frac{(sigma _{1}-sigma_{2})}{2}`

با توجه به تئوری حداکثر تنش برشی، می‌توانیم حداکثر تنش برشی را با معیار شکست مقایسه کنیم:

`tau _{max}leq S_{sy}`

و بنابراین، ضریب ایمنی را می توان از طریق:

`N=frac{S_{sy}}{tau _{max}}`

تست مقاومت برشی

استحکام برشی یکی از ملاحظات کلیدی در طراحی بسیاری از قطعات از جمله اتصال دهنده ها مانند پین ها، پیچ ها و پیچ ها می باشد. برای تعیین حداکثر تنش برشی آزمایش برشی به دو صورت انجام می شود.

1. روش اول به گونه‌ای انجام می‌شود که یک نمونه در هر دو انتها لنگر می‌یابد، بنابراین ممکن است ماده تا زمان شکست دچار برش مضاعف شود و بخش میانی آن از بین برود.
2. روش دوم با قرار دادن انتهای مخروطی مواد در یک فیکسچر که از محور عمودی منحرف شده است و سپس اعمال نیروی کششی به دست می آید.

مواد برای آزمایش مقاومت برشی

بسیاری از مواد برای مشخص شدن مقاومت برشی آنها آزمایش می شوند، اما می توان آنها را به سه گروه طبقه بندی کرد: بسترهای سفت و سخت، کامپوزیت های لایه ای و چسب ها. تست استحکام برشی به دسته بندی چسب بر اساس مقاومت برشی زمانی که از ماده ای که به آن چسبیده کشیده می شود، کمک می کند. فلزات، چوب و پلاستیک در دسته مواد سفت و سخت قرار می گیرند. استحکام برشی کامپوزیت های لایه ای با آزمایش حدود لایه ها، لایه ها و الیاف آن تعیین می شود. [5].

در اینجا مقادیر مقاومت برشی برخی از مواد جالب با کاربردهای نسبی آنها آورده شده است.

مواد	مقاومت برشی (MPa)	برنامه های کاربردی
مواد نورد AMPCOLOY® 83	620	جوش لب به لب فلاش، قطعات برای قطعات الکتریکی
اکستروژن های AMPCO® M4	538	بلبرینگ ارابه فرود هواپیما، قالب های خمشی، چرخ دنده
میله های اکسترود شده و کشیده شده AMPCO® 45	448-483	یاتاقان های هواپیما، پمپ ها و شفت های دریایی و حلقه های سایش
بازیگران پیوسته AMPCO® 21	414	حلقه های قالب، درج ها، رول های تشکیل دهنده
فسفر برنز	250-430	فنرها، گیره ها، گازها، کاربردهای معماری
آلومینیوم 5083 H321	185	سیستم های سیالات، ذخیره سازی مایعات، خودرو
اکستروژن های آلومینیومی 5083 ‘F’	175	سیستم های سیالات، مخازن تحت فشار، وسایل نقلیه تجاری