چقرمگی یکی از ویژگی های اساسی ماده است که توانایی یک ماده برای جذب انرژی و مقاومت در برابر ضربه تا شکست را اندازه گیری می کند. به بیان دیگر، چقرمگی مقدار انرژی در واحد حجم است که یک ماده می تواند قبل از گسیختگی یا شکست جذب کند و با ناحیه زیر منحنی تنش-کرنش نشان داده می شود.
چقرمگی چیست؟
چقرمگی توانایی یک ماده برای جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیکی بدون شکستگی است. یکی از تعاریف چقرمگی این است که که نشان دهنده مقاومت یک ماده در برابر شکست در هنگام وجود ترک (یا سایر نقص های متمرکز کننده تنش) است. چقرمگی معمولا با تست Charpy یا Izod اندازه گیری می شود. تست ضربه چقرمگی را در شرایط بارگزاری ناگهانی و وجود ایراداتی مانند بریدگی یا ترک اندازه گیری می کند که تنش را در نقاط ضعیف متمرکز می کند. چقرمگی به عنوان کار مورد نیاز برای تغییر شکل یک اینچ مکعب فلز تا زمانی که شکسته شود تعریف می شود.
انواع چقرمگی
هنگام صحبت از چقرمگی، باید بین چقرمگی ضربه، که اغلب تحت بارگزاری با نرخ کرنش بالا در بالای نقطه تسلیم اتفاق می افتد و چقرمگی شکست، که عموما تحت بارگزاری با نرخ کرنش پایین تر رخ می دهد، تمایز قائل شد. گریدهای گوناگون فولادها بر اساس نوع ترکیباتشان ویژگی های مقاومتی و شکل پذیری متفاوتی از خود نشان می دهند. معیاری از چقرمگی خوب تعادل بین این خواص مکانیکی و چرخه عمر و کارکرد آنها است. در صورتی که نمی دانید نقطه تسلیم چیست و چگونه محاسبه می شود، تنش تسلیم چیست و روش محاسبه استحکام تسلیم را بخوانید.
مواد چقرمه می توانند مقدار قابل توجهی انرژی را قبل از شکست جذب کنند، در حالی که مواد ترد و شکننده انرژی بسیار کمی جذب می کنند. مقایسه نواحی زیر هر منحنی تنش-کرنش این تفاوت را آشکار می کند. ماده ای با استحکام بالا و شکل پذیری بالا، چقرمگی بیشتری نسبت به ماده ای با استحکام کم و شکل پذیری پایین خواهد داشت. به یاد داشته باشید که مواد شکننده ممکن است استحکام بالایی داشته باشند، اما به دلیل مقادیر کرنش محدود، چقرمه نیستند.
چرا چقرمگی مهم است؟
بسیاری از خرابی های فاجعه بار قطعات و تجهیزات به دلیل ترکیبی از خواص نامناسب مواد، طراحی نامناسب، فرآیندهای تولید یا ساخت نامناسب، بارگزاری ناهمگون یا بیش از حد و عیوب ساختاری ایجاد می شوند. این خرابی ها اغلب با درک ویژگی های مکانیکی یک ماده مانند چقرمگی ضربه و شکست آن، به بهترین شکل قابل حل شدن هستند.
چه عواملی بر چقرمگی یک ماده تاثیر می گذارد؟
عوامل کلی که بر چقرمگی تاثیر می گذارند، عبارتند از:
- عناصر آلیاژی
- روش های ساخت
- ریزساختار
- شرایط دمایی
- شرایط کاربری و سرویس دهی
چندین متغیر وجود دارد که تأثیر عمیقی بر چقرمگی یک ماده دارند. این متغیرها شامل نرخ بارگزاری (یا نرخ کرنش)، دما، توزیع تنش، توپوگرافی سطح، وجود یا عدم وجود هرگونه نقص یا ترک از قبل و شدت تنش آنها است.
یک قطعه فولادی ممکن است تحت بارهای استاتیکی دارای چقرمگی رضایت بخشی باشد، اما تحت بارهای دینامیکی یا ضربه ای به سرعت بشکند. به طور کلی، شکل پذیری و در نتیجه چقرمگی با افزایش نرخ بارگزاری کاهش می یابد. بیشتر مواد در دماهای پایین تر شکننده تر و در دماهای بالاتر انعطاف پذیرتر هستند. در نهایت، توزیع تنش یک عامل حیاتی است. یک ماده ممکن است چقرمگی خوبی را در زمان اعمال تنش تک محوری است نشان دهد، اما زمانی که یک تنش چند محوری به دلیل وجود یک ترک ایجاد می شود، ماده در برابر تغییر شکل الاستیک و پلاستیک همزمان در جهات مختلف مقاومت نکند.
به عنوان یک قاعده کلی، هر چه سختی و استحکام کمتر باشد، شکل پذیری و چقرمگی یک ریزساختار بالاتر است. البته موارد استثنایی نیز وجود دارد.
در ساختارهای کریستالی، چقرمگی به شدت به ساختار کریستالی بستگی دارد. مواد با ساختار مکعبی با وجوه پر (FCC) به طور معمول انعطاف پذیر هستند، در حالی که مواد با ساختار شش ضلعی بسته (HCP) معمولا شکننده هستند. مواد با ساختار مکعبی مرکز پر (BCC) اغلب تغییرات چشمگیری را در حالت شکست با دما نشان می دهند. فولادهای با ریزساختارهای فریتی نیز به طور ذاتی دارای چقرمگی کمتری هستند.
روش های تست چقرمگی
چقرمگی یک ماده را می توان با آزمایش کشش اندازه گیری کرد، با اندازه گیری سطح زیرین منحنی تنش-کرنش، چقرمگی محاسبه می شود. چقرمگی معادل جذب آهسته انرژی توسط ماده است و دارای واحد اندازه گیری انرژی در حجم است.
مقایسه مقادیر نسبی استحکام تسلیم، استحکام کششی نهایی و درصد انعطاف پذیری مواد مختلف، نشانه خوبی از چقرمگی نسبی آنها را نشان می دهد. مواد با استحکام تسلیم بالا و شکل پذیری بالا چقرمگی بالایی دارند. داده های تنش-کرنش یکپارچه برای اکثر مواد به آسانی در دسترس نیست، بنابراین روش های آزمایش دیگری برای کمک به تعیین چقرمگی ابداع شده است (مطالعه بیشتر: آزمون خستگی چیست و نحوه اجرای تست خستگی).
چقرمگی ضربه
متداول ترین تست برای چقرمگی، تست ضربه چارپی (V-notch) است. این آزمایش تاثیر بارگزاری با نرخ کرنش بالا و یک بریدگی تیز بر انرژی جذب شده برای شکست را ارزیابی می کند. چقرمگی ضربه توانایی یک ماده برای جذب انرژی با یا بدون حضور یک تشدید کننده تنش مانند بریدگی است. از آنجایی که چقرمگی تا حد زیادی تحت تاثیر دما قرار می گیرد، این آزمایش اغلب چندین بار با هر نمونه در دمای متفاوت انجام می شود. دمای انتقال شکل پذیری به تردی (DBTT) اغلب یکی از ملاحظات بسیار مهم در انتخاب یک ماده است.
چقرمگی شکست
تست چقرمگی شکست (K1c) شدت تنش مورد نیاز برای شکست ناشی از گسترش یک ترک تیز ارزیابی می کند. این تست نشان دهنده میزان تنش مورد نیاز برای انتشار یک ترک از پیش وجود داشته و شکست قطعه در اثر آن است. عیوب ممکن است به صورت ترک، حفره، ذرات غیرفلزی، عیوب جوش، ناپیوستگی، گرم شدن بیش از حد در حین فورج یا ترکیبی از چندین عامل باشد. چقرمگی شکست به طور کلی به دما، محیط، سرعت بارگزاری، ترکیب مواد و ریزساختار آن بستگی دارد. اگرچه می توان انرژی چارپی را با چقرمگی شکست مرتبط کرد، اما درجه زیادی از عدم قطعیت به همراه دارد، زیرا داده ای تجربی است.
تفاوت سختی و چقرمگی
سختی و چقرمگی هر دو از ویژگی های مواد هستند که دو معیار مستقل برای شناخت مواد به ما می دهند. مواد چقرمه آنهایی هستند که در برابر شکستگی مقاوم هستند. چقرمگی با مقدار انرژی که ماده پیش از شکست می تواند تحمل کند اندازه گیری می شود. از سوی دیگر، سختی میزان مقاومت یک ماده در برابر خراش، بریدگی یا سایر ساییدگی ها و همچنین تغییر شکل پلاستیک است.
سختی و چقرمگی رابطه معکوس دارند. با افزایش یکی، دیگری به نوبه خود کاهش می یابد. همانطور که گفتیم، سختی معیاری برای سنجش مقاومت یک ماده در برابر برش، سایش و فرو رفتگی است. همچنین معیاری است برای میزان تمایل (یا عدم تمایل) یک ماده به تغییر شکل پلاستیکی (دائمی) است. اگر ماده ای به سختی خراشیده شود یا تمایلی به خم شدن نداشته باشد، نسبتا سخت است.
سختی با دستگاه سختی سنج اندازه گیری می شود و معمولا در مقیاس راکول اندازه گیری می شود. سختی سنج اندازه گیری می کند که یک قلم با مشخصات استاندارد تا چه حد می تواند به سطح یک ماده نفوذ کند.
در پایان، در صورتی که به این نوع مقالات آموزشی در حوزه مکانیک علاقه مند هستید خواندن دو مقاله پدیده کاویتاسیون چیست و پدیده ضربه قوچ چیست را به شما توصیه می کنیم.
خرید لوله و اتصالات از پردیس فولاد
مجموعه پردیس فولاد با نزدیک به چهار دهه حضور تاثیر گذار در صنایع فولاد کشور، امکان خرید انواع لوله فولادی، استنلس استیل، آلیاژی، حرارتی، برودتی، آتشخوار و مانیسمان برای مشتریان فراهم کرده است. همچنین انواع ولوها، فلنج ها و اتصالات و صنعتی نیز در سبد محصولات پردیس فولاد وجود دارد. اگر قصد مشاوره یا خرید انواع لوله را دارید با ما تماس بگیرید. مهندسان و کارشناسان مجموعه آماده پاسخ گویی به کلیه سوالات و دادن مشاوره رایگان به شما مشتریان عزیز هستند. همچنین شما را در جریان قیمت لوله و اتصالات قرار می دهند.
