چقرمگی-Toughness-Plastic deformation-چقرمگی ضربه ای-چقرمگی شیار-چقرمگی شکست-آزمون های چقرمگی

در علم مواد و متالورژی، منظور از چقرمگی (Toughness) توانایی یک ماده در جذب انرژی. و تغییر شکل خمیری (Plastic deformation). قبل از وقوع شکست می باشد. تعریف دیگری برای چقرمگی مواد، میزان انرژی به ازای حجم واحدی است که ماده می تواند از شکستن جذب کند. همچنین به صورت مقاومت ماده در برابر شکست در صورت قرار گرفتن در معرض تنش نیز تعریف می شود.

چقرمگی و استحکام

چکش خواری، میزان تغییر فرم پلاستیک قبل از شکست است. اما صرفاً این که یک ماده چکش خوار باشد. به معنی چقرمه بودن آن نیست. کلید ست یابی به چقرمگی، ترکیب مناسبی از استحکام و چکش خواری است. یک ماده با استحکام و چکش خواری بالا، چقرمگی بیشتری. نسبت به ماده های با استحکام پایین و چکش خواری بالا خواهد داشت. بنابراین، یک روش برای اندازه گیری چقرمگی از طریق محاسبه سطح زیر نمودار تنش کرنش است. که از آزمون کشش به دست می آید. این مقدار، «چقرمگی ماده» نامیده میشود. و واحدهای آن بصورت انرژی بر حجم است. چقرمگی ماده معادل جذب آهسته انرژی توسط آن ماده است.

متغیرهای متعددی هستند که تأثیر زیادی بر چقرمگی ماده دارند. این متغیرها عبارتند از:

• نرخ کشش (نرخ بارگذاری)
• دما
• اثر شکاف

یک فلز ممکن است تحت بار ایستا، چقرمگی رضایت بخشی داشته باشد. اما زیر با دینامیک یا ضربه، دچار شکست شود. بعنوان یک قانون، چکش خواری در نتیجه چقرمگی، با افزایش نرخ بارگذاری کاهش می یابند. دما دومین متغییر است که تأثیر عمده ای بر چقرمگی دارد. هنگامی که دما کاهش می یابد، چکش خواری و چقرمگی نیز کاهش می یابد. متغیر سوم اثر شکاف است که با توزیع تنش در ارتباط است.

یک ماده ممکن است هنگامی که تنش یک محوره به آن وارد می شود. چقرمگی خوبی از خود نشان می دهد. اما هنگامی که تنش چند محوره به واسطه حضور شکاف ایجاد شود. ماده ممکن است نتواند تحمل تغییر فرم الاستیک و پلاستیک هم زمان در جهت های مختلف را داشته باشد. گونه های استاندارد مختلفی از آزمون چقرمگی وجود دارد. که برای شرایط بارگذاری یا طراحی اجزای مختلف، داده تولید می کنند. سه نوع از ویژگی های چقرمگی که با جزئیات بیشتر دربارۀ آن ها صحبت خواهد شد عبارت است از:

1- چقرمگی ضربه ای

2- چقرمگی شیار

3- چقرمگی شکست

میزان چقرمگی را می توان با محاسبه زیر منحنی تنش – کرنش انجام داد. چقرمگی انرژی تغییر فرم مکانیکی بر واحد حجم، قبل از شکست است. توصیف صریح آن به فرم ریاضی به صورت زیر است:

آزمون های چقرمگی

چقرمگی یک ماده با استفاده از یک تکه کوچک از آن ماده قابل اندازه گیری است. یک ابزار آزمون متداول، از یک پاندول برای ضربه زدن به نمونه شیاردار با سطح مقطع مشخص استفاده می کند. و سبب تغییر شکل آن می گردد. ارتفاعی که از آن جا پاندول رها می شود. منهای ارتفاعی که بعد از تغییر فرم نمونه به آن می رسد. ضرب در وزن پاندول، انرژی است که توسط نمونه، هنگام تغییر فرم ناشی از ضربه پاندول، جذب شده است. آزمون های استحکام ضربه ای شیاردار چارپی و آیزود، آزمون های ASTM استانداردی هستند. که برای بررسی چقرمگی مورد استفاده قرار می گیرند.

واحد چقرمگی

واحد چقرمگی کششی (با انرژی تغییر فرم، UT) به صورت ژول بر متر مکعب (J.m-3). در سیستم SI و اینچ پوند نیرو بر اینچ مکعب (In.lbf.In-3) در سیستم واحد آمریکایی است. در سیستم SI، واحد چقرمگی کششی به راحتی با استفاده از مساحت زیر نمودار تنش – کرنش (σ–ε) قابل محاسبه است. که چقرمگی کششی را به صورت زیر به دست می آید.

U_T = Area underneath the stress–strain (σ–ε) curve = σ × ε

U_T [=] Pa × ΔL/L = (N·m⁻²)·(unitless)

U_T [=] N·m·m⁻³

U_T [=] J·m⁻³

چقرمگی و استحکام

چقرمگی همچنین از طریق نواحی نمودار تنش کرنش نیز قابل تعریف است. چقرمگی به سطح زیر منحنی تنش کرنش ارتباط دارد. برای چقرمه بودن، یک ماده باید هم محکم باشد و هم چکش خوار. برای مثال، مواد شکننده (مانند سرامیک ها) که محکم هستند. اما چکش خواری محدودی دارند، چقرمه نیستند. از طرف دیگر، مواد با چکش خواری بالا و استحکام پایین نیز چقرمه نیستند. برای چقرمگی، یک ماده باید بتواند هم تنش های بالا و هم کرنش های بالا را تحمل کند. بطور کلی استحکام نشان می دهد که ماده چه میزان نیرو را می تواند تحمل کند. در حالی که چقرمگی می گوید ماده قبل از گسیختگی، چه میزان انرژی می تواند چذب کند.

با توجه به نمودارهای استحکام و چقرمگی می توان اطلاعات خوبی برای تعیین خواص مواد مختلف بدست آورد. و همچنین این اطلاعات برای انتخاب مواد در کاربردهای مختلف بسیار مفید می باشد. برای مثال در صنعت فولاد عموماً به منظور جذب انرژی در ضربات ماشین استفاده می شود. زیرا چقرمه و محکم است یا تیغه های اره و سرهای چکش فولاد آب دهی و برگشت دهی شده اند. تا بطور متعادلی استحکام بالا و چقرمگی خوبی پیدا کنند.

چقرمگی در مهندسی

امروزه مهندسان با در نظر گرفتن خواص مربوط به چقرمگی. از مواد مختلف با سطح چقرمگی های مختلف در کاربردهای گوناگون استفاده می کنند. از جمله این استفاده ها می توان به جلیقه های ضد گلوله اشاره کرد. برای مثال مهندسین در دهه 1960 یک جلیقه ضد گلوله و مناسب را ساختند. که بر خلاف زره های سنتی بسیار ارحت بود. جلیقه های ضد گلوله سبک از فلز ساخته شده اند. بلکه از بافت های فیبری که قابل دوخت بر روی جلیقه. و دیگر لباسهای سبک می باشد، ساخته شده اند. یک نمونه از این بافت ها پارچه کولار می باشد. در گذشته Kevlar رایج ترین نوع الیاف برای ساختن جلیقه های ضد گلوله بود. ولی امروزه مواد دیگری به کار گرفته شده است. که در دسترس ترین آنها، Vectran نام دارد. و حدوداً دو برابر مقاوم تر از kevlar و 5 تا 10 برابر مقاوم تر از فولاد است.

یک نوع الیاف دیگر که اخیراً رایج شده، ابریشم عنکبوت نام دارد. بر روی بزها کارهای ژنتیکی انجام شد تا بتوان از آنها در تولید جزء شیمیایی ابریشم عنکبوت استفاده نمود. ماده حاصله Biosteel نام گرفت. یک رشته از Biosteel بیست برابر مقاوم تر از فولاد است. اگر یک تکه از ماده ضد گلوله را زیر میکروسکوپ قرار دهیم، همین ساختار را مشاهده خواهیم کرد. رشته های بلندی از الیاف را که به هم تنیده شده اند. تا یک ساختار توری شکل متراکم را تشکیل دهند. حال با توجه به اینکه یک گلوله بسیار سریع تر از توپ حرکت می کند. بنابراین این نوری باید از مواد محکم تری ساخته شود.

معروف ترین ماده ای که در ساخت جلیقه های ضد گلوله به کار می رود، الیافی به نام Kevlar است. Kevlar الیافی سبک وزن است که 5 برابر مقاوم تر از یک تکه فولاد، در همان وزن است. زمانی که این ماده به صورت یک تور متراکم در می آید، میتواند نیروی زیادی را جذب کند. به منظور جلوگیری از رسیدن گلوله به سطح بدن. جلیقه ضد گلوله باید برخلاف ضربه مستقیمی که گلوله وارد می کند، عمل کند.

الیاف دیگری وجود دارد که نانو لوله های کربنی نامیده می شود. و گفته می شود که حتی از ابریشم عنکبوت نیز مقاوم تر است. نخ نانو لوله های کربنی هنوز هم کمیاب است و قیمت کنونی این الیاف برای هم گرم 500 دلار است. که به مرور زمان این قیمت ها نزول پیدا خواهند کرد. و این نوع الیاف، به عنوان الیاف، با دوام در جلیقه های ضد گلوله به کار خواهند رفت.

همچنین می توان از چدن به عنوان ماده با استحکام بالا و چقرمگی کم نام برد. که کاربردهای مختلفی در صنعت دارد. در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها. بدنه های پمپ قطعات ماشین آلات که در معرض شوک و خستگی هستند. میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزات فرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و… برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلاً در ساخت مفصل های فرمان. دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگ ها و چرخ دنده ها. صفحه کلاج ها و… در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است.

مثلاً در تجهیزات الکتریکی کشتی ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره. قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا. برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه. قطعات کوره ها، قالب های شمش، قالب های شیشه، بوته های ذوب فلز.

اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی به ویژه در محیط های قلیایی هستند. چدن های نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا. به صورت برجسته ای مقاوم به خوردگی در محیط های مناسب و مختص به خودشان هستند. مهم ترین کاربرد این چدن ها در پمپ های دنده ای حمل اسید سولفوریک پمپ ها. و شیرهایی که در آب دریا مصرف می شوند. قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی. سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.

فولاد رسول دلاکان

با سالها تجربۀ ارزشمند و گرانبها در عرصه تأمین و توزیع انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی. با گواهینامه ها و آنالیزهای معتبری که ضمیمه محصولاتش به مشتریان خویش ارائه داده است. توانسته رضایتمندی مشتریان خویش را همواره فراهم آورد.

صنعتگر شریف و گرامی از اینکه ما را جهت خرید کالا (فولاد آلیاژی) مورد نیاز خویش. انتخاب می نمایید از شما سپاسگزاریم.

ارتباط با ما
09122136675 – 02128423820-09922704358
واتس آپ: 09122136675
اینستاگرام: fooladdalakan
ایمیل : fooladrasuldalakan@gmail.com