آزمون کشش و فرایند Tensile test

آزمون کشش Tensile test، آزمونی برای تعیین رفتار ماده تحت کشش است. این آزمون یکی از روش های اساسی برای آزمایش خواص مکانیکی مواد است. برای بررسی عملکرد مواد و اینکه آیا استانداردهای مربوطه را برآورده می کند یا خیر.

آزمون کشش یا Tensile test چیست؟

آزمون کشش فرایندی با اعمال نیروی کششی به یک نمونه تحت شرایط خاص برای تعیین مقاومت نمونه در برابر بار اعمال شده است.

داده های به دست آمده از آزمون کشش را می توان برای تعیین حد الاستیک، درصد ازدیاد طول، مدول الاستیسیته، ضریب هوک، درصد کاهش سطح مقطع، استحکام کششی، نقطه تسلیم، استحکام تسلیم و سایر خواص کششی ماده مورد استفاده قرار داد.

یکای اندازه گیری استحکام مواد

• استحکام یک ماده، به شکل نیرو بر واحد سطح ماده بر حسب پاسکال (Pa) تعریف می شود.
• 1 Pa = 1 N/m²
• از آنجایی که واحد Pa بسیار کوچک است، اغلب از MPa به عنوان واحد استحکام استفاده می شود، به عنوان مثال، استحکام تسلیم فولاد به طور کلی عددی بین 100 تا 2000 مگاپاسکال (MPa) است.
• 1 مگاپاسکال = Pa 10⁶

شاخص های استحکام کششی مواد

منحنی تنش-کرنش خروجی آزمون کشش است که در شکل زیر می بینید.

• تنش تسلیم بالایی: این شاخص از رابطه ReH = FeH / S_o به دست می آید که در آن S_o سطح مقطع اولیه نمونه و FeH تنش اعمالی در نقطه تسلیم بالایی است.
• تنش تسلیم پایینی: این شاخص از رابطه ReL = FeL / S_o به دست می آید که در آن S_o سطح مقطع اولیه نمونه و FeL  تنش اعمالی در نقطه تسلیم پایینی است.
• استحکام کششی: این شاخص از رابطه Rm = Fmax / S_o به دست می آید که در آن S_o سطح مقطع اولیه نمونه و Fmax حداکثر نیروی محوری است.

پدیده تسلیم ماده نقطه دقیقی نیست، به طور کلی تا 0.2٪ تغییر شکل نمونه را برای حد تسلیم در نظر می گیرند، که به عنوان حد تسلیم شرطی یا استحکام تسلیم شرطی شناخته می شود.

فولاد پرکربن دارای استحکام بالا، پلاستیسیته ضعیف و بدون فاز تسلیم آشکار در فرآیند کششی است، بنابراین نمی توان استحکام تسلیم را مستقیما تعیین کرد و به جای تنش تسلیم از تنش تسلیم شرطی استفاده می شود.

تنش تسلیم شرطی: نشان دهنده تنش مربوط به کشیدگی پلاستیک 0.2٪ است.

شاخص پلاستیسیته در آزمون کشش

هنگامی که تنش از روی نمونه برداشته می شود، تغییر شکل الاستیک ناپدید می شود، اما تغییر شکل پلاستیک باقی می ماند. در مهندسی، از تغییر شکل باقی مانده پس از شکسته شدن قطعه برای نشان دادن شاخص پلاستیسیته ماده استفاده می شود. دو شاخص متداول پلاستیسیته وجود دارد. (تنظیم شیر فشار شکن)

ازدیاد طول: A = (L_u – L_o) / L_o * 100%

کاهش سطح مقطع:  Z = (S_o – S_u) / S_o * 100%

مفاهیم و اصطلاحات مربوط به آزمون کشش

تنش و کرنش (Stress and strain)

تنش: تنش نیرویی است که بر واحد سطح اثر می کند، به صورت N/mm² و بر حسب واحدهای متریک kPa یا MPa بیان می شود.

کرنش: کرنش سرعت تغییر در ابعاد یک ماده آزمایشی است، تغییر ابعاد ناشی از بارگذاری یک تنش است. از آنجایی که کرنش یک نرخ تغییر است، هیچ واحدی ندارد.

اصطلاحات مربوط به نمونه

• سطح مقطع S_o: سطح مقطع اولیه نمونه قبل از آزمایش.
• طول نمونه L_o: طول نمونه قبل از اعمال نیرو.
• طول نمونه پس از شکست L_u: طول نمونه پس از شکست.
• ازدیاد طول پس از شکست A: نسبت طول باقیمانده نمونه پس از شکست (L_u – L_o) به طول اولیه اصلی L_o، که به صورت درصد بیان می شود.
• کاهش سطح مقطع Z: نسبت حداکثر کاهش سطح مقطع (S_o – S_u) به سطح مقطع اولیه پس از شکستن نمونه، به صورت درصد بیان می شود.

دستگاه آزمون کشش چیست؟

دستگاه آزمون کشش به عنوان دستگاه تست کشش جهانی نیز شناخته می شود. تستر کششی یک دستگاه تست نیروی مکانیکی است که برای بارگذاری استاتیکی، کشش، فشرده سازی، خمش، برش، پارگی، لایه برداری و دیگر آزمایش خواص مکانیکی مواد مختلف استفاده می شود. دستگاه آزمون کشش یکی از تجهیزات ضروری برای توسعه مواد، آزمایش خواص فیزیکی، آموزش و تحقیق، کنترل کیفیت و غیره است.

آزمون کشش برای چه موادی است؟

• مواد لاستیکی: قطعات لاستیکی، شیلنگ ها، نوارها، حلقه های اورینگ، لاستیک ها و سایر مواد لاستیکی.
• مواد پلاستیکی: قطعات پلاستیکی، فیلم ها، لوله ها، صفحات، مواد بسته بندی، محصولات نایلونی، رول های ضد آب و سایر مواد و محصولات پلاستیکی.
• مواد فلزی: قطعات فولادی، قطعات فولادی زنگ نزن، پیچ و مهره، سیم های فولادی، قطعات آلیاژی و سایر مواد و قطعات فلزی.
• مصالح ساختمانی: چوب، ورق، شیشه، بتن، قطعات گرافیتی و غیره.

آماده سازی برای آزمون کشش

محل، جهت و تعداد نمونه برداری سه عاملی هستند که تأثیر بسزایی در نتایج آزمایش های خواص مواد دارند. محل، جهت و تعداد نمونه ها باید مطابق با استاندارد ISO 377 باشند.

روش نمونه گیری

• نمونه برداری مستقیم از مواد اولیه
• از نواحی مهم روی قطعه (ضعیف ترین و خطرناک ترین قسمت ها) نمونه برداری می شود.
• آزمایش مستقیم با قطعات فیزیکی، به عنوان مثال. میله های تقویت کننده، پیچ و مهره، پیچ یا زنجیر.
• آزمایش مستقیم بر روی نمونه های ریخته گری یا ماشینکاری شده.

پردازش نمونه ها

• برای جلوگیری از تحت تاثیر قرار گرفتن خواص مکانیکی با تغییر شکل سرد یا گرم، معمولاً نمونه با روش ماشین کاری آماده می شود.
• مقاطع موازی باید صاف، بدون کار سختی و عاری از عیوب مانند براده، آثار ابزار و فرز باشند.
• بخش گیره برای مواد شکننده باید کروی با شعاع بزرگ باشد.
• برای نمونه های ریخته گری شده بدون ماشین کاری، سطوح باید صاف و یکنواخت باشد.

بازرسی نمونه و علامت گذاری

• نمونه باید قبل از آزمایش بررسی شود تا اطمینان حاصل شود که ظاهر آن با الزامات مطابقت دارد.
• علائم اصلی نمونه ها معمولا با خطوط ریز مشخص می شوند و روش مورد استفاده نباید بر شکستگی زودرس نمونه تأثیر بگذارد.
• برای مواد بسیار نازک یا شکننده، نمونه را می توان با یک رنگ یا یک خط علامت گذاری کرد.
• علاوه بر این، سطح مقطع اولیه نمونه باید قبل از آزمایش اندازه گیری و محاسبه شود.

فرایند آزمون کشش یا Tensile test

1. نمونه را آماده کنید: نمونه را مطابق با الزامات استاندارد آماده کنید و اطلاعات را نگه دارید.
2. دستگاه تست کشش را تنظیم کنید: فیکسچر را مطابق استاندارد آزمایش تغییر دهید و شرایط آزمایش دستگاه کششی را تنظیم کنید.
3. نمونه را ببندید: ابتدا نمونه را در شکاف بالایی گیره قرار دهید، سپس شکاف پایینی را در موقعیت گیره مناسب ببرید و در نهایت انتهای پایینی نمونه را به گیره ببندید.
4. بررسی و اجرای آزمایشی: بررسی کنید که مراحل فوق کامل شده باشد. ماشین کشش را راه اندازی کنید و میزان کمی نیرو را از قبل بارگیری کنید (بار اعمالی نباید از حد متناسب ماده تجاوز کند) و سپس بارگیری را تا صفر تخلیه کنید تا بررسی شود که دستگاه کشش به درستی کار می کند.
5. دستگاه کشش را راه اندازی کنید و تست کشش را انجام دهید.
6. قطعه آزمایش و کاغذ ریکورد را بردارید.
7. طول نمونه پس از شکست را با کولیس ورنیه اندازه گیری کنید.
8. حداقل قطر را در انقباض گردنی شدن با کولیس ورنیه اندازه گیری کنید.

آزمون کشش: چهار مرحله منحنی تنش-کرنش

OB: مرحله تغییر شکل الاستیک

در مرحله تغییر شکل الاستیک یک ماده فلزی، تنش و کرنش مطابق با قانون هوک، یعنی σ = Eε، با یک ضریب E که مدول الاستیسیته نامیده می شود، متناسب با یکدیگر هستند.

E = σ/ε

حد الاستیک به حدی نزدیک به حد تناسب است که در مهندسی به جای حد الاستیک، حد تناسبی تقریبی استفاده می شود.

BC: مرحله تسلیم

مرحله تسلیم هنگامی است که یک ماده فلزی پدیده تسلیم را نشان می دهد. در طول آزمایش به نقطه تنشی که در آن تغییر شکل پلاستیک بدون افزایش نیرو رخ می دهد، نقطه تسلیم می گویند.

تنش تسلیم بالا: بالاترین تنش قبل از تسلیم نمونه

تنش تسلیم پایین: کمترین تنش در هنگام تسلیم بدون احتساب اثر گذرای اولیه

مقدار تنش مربوط به نقطه تسلیم پایین معمولا با عنوان استحکام تسلیم نامیده می شود.

CD: مرحله تقویت یا افزایش استحکام Reinforcement stage

پس از مرحله تسلیم، نقطه C منحنی دوباره به تدریج شروع به بالا رفتن می کند، که نشان می دهد برای افزایش کرنش باید تنش را افزایش داد. در این مرحله ماده توانایی خود را برای مقاومت در برابر تغییر شکل، در پدیده ای به نام استحکام بخشی به دست آورده است. بخش CD مرحله تقویت (Reinforcement stage) نامیده می شود.

مقدار تنش مربوط به بالاترین نقطه منحنی استحکام کششی (UTS) ماده نامیده می شود و یکی دیگر از شاخص های مهم استحکام ماده است.

DE: مرحله گردنی شدن

هنگامی که منحنی به نقطه D می رسد، تغییر شکل به طور قابل توجهی در یکی از قسمت های ضعیف نمونه افزایش می یابد (جایی که ماده ناهموار یا معیوب است)، سطح مقطع موثر به شدت کاهش می یابد، پدیده گردنی شدن رخ می دهد و نمونه به سرعت کشیده می شود.

چند منحنی تنش-کرنش رایج

منحنی (a) منحنی تنش-کرنش برای فولاد نرم (با درصد کربن ناچیز) است که دارای فاز تسلیم دندانه دار، با حدتسلیم بالا و پایین، تغییر شکل پلاستیک یکنواخت و به دنبال آن گردنی شدن و سپس شکستن نمونه است.

منحنی (b) منحنی تنش-کرنش برای فولاد کربن متوسط است که دارای فاز تسلیم است، اما با نوسانات کوچک و تقریبا یک خط مستقیم، با تغییر شکل پلاستیک یکنواخت به سمت گردنی شدن و سپس شکستن نمونه می رود.

منحنی (c) منحنی تنش-کرنش فولاد کوئنچ شده با دمای متوسط تا پایین است که فاز تسلیم قابل مشاهده ای ندارد و پس از تغییر شکل پلاستیکی یکنواخت، گردنی شدن ایجاد می شود و سپس نمونه شکسته می شود.

منحنی (d) منحنی تنش-کرنش چدن است که نه تنها فاز تسلیم ندارد، بلکه پس از ایجاد مقدار کمی تغییر شکل پلاستیکی یکنواخت، ناگهان شکسته می‌شود.

استانداردهای آزمایش متداول برای آزمون کشش

• ISO 6892-1 : مواد فلزی – آزمایش کشش – قسمت 1: روش آزمایش در دمای محیط
• ISO 6892-2: مواد فلزی – آزمایش کشش – قسمت 2: روش آزمایش در دمای بالا
• ISO 204: مواد فلزی – روش تست خزش تک محوری در کشش
• ISO 377: فولاد و محصولات فولادی – محل و آماده سازی نمونه ها و قطعات آزمایشی برای آزمایش مکانیکی
• ISO 783: مواد فلزی – آزمایش کشش در دمای بالا
• JIS G0601: ورق فولادی روکش شده – تست مکانیکی و تکنولوژیکی
• ISO 3108: سیم فولادی برای اهداف عمومی – تعیین تنش شکست واقعی
• EN 10319: مواد فلزی – تست کششی – قسمت 1: رویه آزمایش ماشین‌ها
• ISO 15579: مواد فلزی – تست کشش در دمای پایین
• ASTM B557M: قطعات آزمایش و روش تست کشش برای محصولات آلومینیوم فرفورژه و آلیاژهای منیزیم
• DIN EN ISO 2566-1: فولاد – تبدیل مقادیر ازدیاد طول – قسمت 1: فولادهای کم آلیاژ و کربنی
• DIN EN ISO 2566-2: فولاد – تبدیل مقادیر ازدیاد طول – قسمت 2: فولادهای آستنیتی
• ASTM E111-04 و ASTM E1875-00: روش تست استاندارد برای مدول یانگ، مدول Tangentو مدول Chord
• روش تست استاندارد برای مدول یانگ پویا، مدول برشی و نسبت پواسون توسط رزونانس صوتی

انواع دستگاه آزمون کشش

انواع دستگاه آزمون کشش عبارتند از:

1. دستگاه تست کشش هیدرولیکی (فرایند هیدروفرمینگ لوله)
2. دستگاه تست کشش مغناطیسی
3. دستگاه تست کشش جهانی یا یونیورسال در مدلهای زیر

• تست کشش یونیورسال مدل ST-Series
• تست کشش یونیورسال مدل STA Series
• تست کشش یونیورسال مدل STB Series
• تست کشش یونیورسال مدل STC
• تست کشش یونیورسال مدل STD

خرید انواع لوله فولادی 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 صنعتی نیز در سبد محصولات پردیس فولاد وجود دارد. اگر قصد مشاوره یا خرید انواع لوله و اتصالات 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 فولادی و دیگر انواع لوله و اتصالات قرار می دهند.

برگرفته از:  tec-science، teste، amlinstruments و maeden