آزمایش ضربه

تست ضربه آزمونی ساده برای تشخیص تمایل مواد به شکست ترد است. رفتار مواد در برابر ضربه در مقایسه با بار استاتیکی مشابه (مثلا کشش یا خمش) بسیار متفاوت است. بنابراین تست ضربه معیاری مناسب را برای مقایسه‌ی این دو حالت در اختیار قرار می دهد.

یکی از نتایج مهمی که می توان از آزمون ضربه به دست آورد، دمای تبدیل نرمی به تردی است. همچنین در این آزمون با استفاده از نمونه‌‌های فاق‌ دار، می توان شرایط تنش سه‌ بعدی را در نمونه ایجاد کرده و قابلیت تغییر شکل پلاستیک را در آن محدود کرد. در نهایت مقدار انرژی جذب شده توسط نمونه در هنگام شکست به دست می آید که این انرژی معیاری از چقرمگی مواد محسوب می شود.

مهم‌ترین و متداول‌ترین روش‌های تست ضربه، دو روش آیزود و چارپی هستند. پیش از آن که به معرفی مکانیزم این دو روش بپردازیم، دو مفهوم مهم چقرمگی و دمای تبدیل نرمی به تردی را معرفی می کنیم.

چقرمگی چیست؟

چقرمگی یک ماده به مقاومت آن در برابر انتشار ترک یا توانایی آن برای جذب انرژی در تغییر شکل پلاستیک گفته می شود. در واقع چقرمگی بیانگر کاری­ست که بر واحد حجم ماده بدون شکست می تواند انجام شود. این مفهوم همان سطح زیر منحنی تنش-کرنش حقیقی است که از تست کشش نیز به دست می آید.

ماده ای که چقرمگی بالایی دارد ترکیب بهینه ای از انعطاف پذیری و استحکام را داراست. ماده ای با استحکام بالا و انعطاف پذیری پایین و یا ماده ای با استحکام پایین و انعطاف پذیری بالا چقرمگی پایینی دارد. یکی از نتایج مهمی که از تست ضربه استخراج می شود همین خاصیت مواد است.

دمای تبدیل نرمی به تردی

دمای نرمی به تردی (DBTT) دماییست که پایین تر از آن ماده در برابر شکست رفتار ترد و بالاتر از آن رفتار نرم از خود نشان می دهد. شکست ترد لحظه ای و دارای سطحی هموار است اما شکست نرم طی مدت زمانی طولانی تر و با سطحی ناهموار اتفاق می افتد. حال اگر تست ضربه در بازه های دمایی مختلفی انجام شود، با تقریب خوبی می توان این دما را شناسایی کرد. شناخت این دما برای ساخت بسیاری از سازه ها مانند سازه های فولادی و دیگر مواد ساختمانی ضروری است.

تست ضربه شارپی چیست؟

در آزمون ضربه شارپی نمونه به صورت یک تیر با تکیه گاه ساده تعبیه می شود و ضربه در میانه دهانه تیر، درست پشت محل شیار وارد می گردد. در دستگاه تست شارپی استاندارد، انرژی آونگ در پایین ترین نقطه حرکت برابر با ۳۲۰ ژول است. البته ماشین های شارپی کوچک تری هم ساخته شده اند. سرعت آونگ دستگاه شارپی استاندارد ۳۲۰ ژولی، در پایین ترین نقطه‌ی حرکت، به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از سرعت برخورد آونگ ماشین ایزود استاندارد و در حدود ۵ متر بر ثانیه است. نمونه های تست شارپی را می توان با شیار V شکل یا U شکل تهیه کرد.

آزمون ضربه شارپی برای ارزیابی خواص ضربه ای در دماهایی غیر از دمای محیط نیز مناسب است زیرا لازم نیست نمونه آزمایش در گیره بسته شود.

مورد دیگری که از تست ضربه شارپی می توان به دست آورد، سطح شکست است. در این روش تعیین می شود که شکست رشته ای (شکست برشی)، دانه ای (شکست رخ برگی) یا مخلوطی از هر دو است. این حالت های مختلف شکست به سادگی و حتی بدون بزرگنمایی با چشم غیر مسلح قابل تشخیص هستند. سطح صاف شکست (رخ برگی) ظاهر براقی دارد. در صورتی که سطح شکست به صورت نرم باشد، (شکست رشته ای)، دارای ظاهری کدر است.

برای بررسی سطح شکست معمولا درصد شکست رخ برگی یا رشته ای تخمین زده می شود. شکست رشته ای ابتدا در اطراف سطح بیرونی نمونه (لبه برش) ظاهر می شود.

سومین کمیتی که گاهی در آزمایش شارپی به دست می آید شکل پذیری است که با درصد انقباض نمونه در محل شیار نشان داده می شود. مقدار انرژی جذب شده توسط نمونه در هنگام شکست (چقرمگی) نیز از میزان اختلاف ارتفاع اولیه و ثانویه آونگ به دست می‌آید.

اساس کار تست ضربه آیزود

دستگاه تست ضربه آیزود از یک آونگ سنگین نصب شده در یک قاب محکم تشکیل می شود. آونگی با جرم ۲۷٫۲۴ کیلوگرم (۶۰ پوند)، از ارتفاع ۰٫۶۱ متری (۲ فوت) شروع به حرکت می‌کند. سرعت آونگ در پایین‌ترین نقطه نوسان، تقریباً۳٫۵ متر بر ثانیه است. آونگ در پایین‌ترین نقطه حرکتش به نمونه آزمایش شیاردار، که محکم در گیره بسته شده است، برخورد می‌کند. بخشی از ضربه آونگ صرف شکستن نمونه آزمایش می‌شود. پس از برخورد، بالاترین ارتفاع آونگ یادداشت می‌شود. مقدار واقعی انرژی مصرف شده در اثر شکست نمونه، توسط شاخص متحرکی که همراه با آونگ در حال حرکت، روی یک صفحه مدرج حرکت می‌کند و در موقعیت حداکثر آونگ متوقف می‌شود، قابل خواندن است. نتیجه آزمایش ضربه نمونه شیاردار به صورت انرژی جذب شده در واحد سطح گزارش می‌شود و متداول‌ترین واحد آن کیلوژول بر مترمربع است. مساحت مورد محاسبه، مقطع باقیمانده در قسمت شکاف است.

معمولا برای آزمایش آیزود از نمونه های سه شیاره استفاده می شود. با هر نمونه آزمایش سه شیاره، سه نتیجه آزمایش به دست می آید. پس از آزمایش اول و دوم نمونه را بالا آورده و در محل جدید در گیره می بندند. استقرار دقیق نمونه آزمایش در گیره بسیار مهم است و برای این منظور از یک شابلن ویژه استفاده می شود. نتایج تست ضربه آیزود می توانند پراکندگی زیادی داشته باشند و توصیه می شود میانگین نتایج شش آزمایش یا بیشتر گزارش شوند. تفاوت اصلی مکانیزم این روش با روش شارپی در شکل زیر مشخص شده است.

کاربرد های تست ضربه

از مهمترین کاربرد های تست ضربه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

تعیین مقاومت ماده در برابر ضربه

بررسی اثر دما بر مقاومت ضربه

بررسی درجه حساسیت مواد به شکاف (ناچ یا فاق)

ارزیابی خصوصیات سطح مقطع شکست

کمک به انتخاب صحیح مواد در شرایط دارای تنش و دمای مشخص

تخمین و طبقه‌بندی رفتار شکست ترد و نرم

تعیین چقرمگی

تعیین دمای تبدیل نرمی به تردی

تعیین موفقیت یا عدم موفقیت عملیات حرارتی

 تعیین مقاومت به شکست در اتصالات جوشکاری شده