کشش فلزات

تست کشش متداول ترین آزمون پژوهشی براي بررسی خواص مکانیکی فلزات و آلیاژ ها می باشد. در تست کشش، نمونه استاندارد کشش تحت نیروي کششی قرار می گیرد تا در نهایت منجر به شکست و پارگی نمونه شود. تنش تسلیم، استحکام کششی، طول نسبی، کاهش سطح مقطع و مدول یانگ از جمله پارامتر هاي مهم مشخصات مکانیکی فلزات و آلیاژها هستند که با انجام تست کشش می توان به آنها دست یافت. آزمایشگاه متالورژي مکانیکی مرکز پژوهش متالورژي رازي با در اختیار داشتن 5 دستگاه ماشین کشش یونیورسال با ظرفیت لود سل هاي متفاوت از 100 کیلو نیوتن تا 1000 کیلو نیوتن امکان انجام تست کشش و تعیین پارامترهاي ذکر شده را براي محصولات مختلف فراهم آورده است.

تست کشش که با عنوان تست تنش نیز شناخته می شود، شاید اساسی ترین نوعِ آزمون مکانیکی مواد است که می توان روی یک ماده انجام داد. تست های کشش، ساده، نسبتاً ارزان و کاملاً استاندارد هستند. با کشیدن ماده، می توان سریعا واکنش آن در برابر نیروهای اعمالی را تعیین نمود. هنگامیکه ماده کشیده می شود، به استحکام کششی و ازدیاد طول آن ماده می توان دست یافت.

رایج ترین دستگاه تست مورد استفاده در آزمون کشش از نوع یونیورسال یا همه منظوره است. این نوع دستگاه دارای دو بلوکه ثابت است که یکی برای طول نمونه تنظیم می شود و دیگری برای اعمال نیرو ساخته شده است که در دو نوع هیدرولیکی و الکترومغناطیسی وجود دارند.دستگاه باید قابلیت های مناسب را برای نمونه در حال آزمایش داشته باشد. در این خصوص 3 پارامتر اصلی وجود دارد: ظرفیت فشار، سرعت و دقت. ظرفیت فشار به این حقیقت اشاره دارد که دستگاه باید قادر به تولید نیروی کافی برای شکست نمونه باشد. این نیرو باید به اندازه کافی سریع یا آرام باشد تا بتواند شرایط حقیقی را شبیه سازی کند. برای مثال یک دستگاه بزرگ که برای اندازه گیری کشش های طویل طراحی شده ممکن است با یک ماده ی شکننده که کشش های کوتاه قبل از شکستن را تجربه کرده کار نکند.
 

تنظیم نمونه تست یک موضوع مهم به شمار می رود، چرا که اگر نمونه به طور نادرست تنظیم شده باشد یعنی تحت زاویه باشد یا افست بسته شده باشد باعث می شود که دستگاه یک نیروی اضافی خمشی نیز به آن وارد کند. این مخصوصاً برای مواد شکننده بد است زیرا که به طور زیادی در نتایج باعث بروز خطا می شود. این وضعیت می تواند با استفاده از نشیمنگاه های کروی یا مفصل های همه کاره بین گیره ها و ماشین تست به حداقل برسد. این تنظیم نادرست هنگامی نمایان می شود که در حین اجرای آزمون، قسمت خطی منحنی تنش- کرنش به صورت منحنی باشد نه خطی.

اندازه گیری کرنش معمولاً با یک کشش سنج انجام می شود اما کرنش سنج اغلب در آزمون نمونه های کوچک یا هنگامی که نسبت پواسون مشخص باشد نیز استفاده می شود. دستگاه های جدیدتر زمان و نیرو سنج دیجیتال و سیستم های اندازه گیری کشش که شامل سنسورهای الکترونیکی متصل شده به دستگاه جمع آوری داده ( اغلب کامیپوتر) و نرم افزار که برای ویرایش و خروجی داده است را دارا می باشند.

هدف از آزمون کشش

تست‌های کشش به دلایل مختلف انجام می‌شود. نتایج آزمایشها کششی در انتخاب مواد برای برنامه‌های کاربردی مهندسی استفاده می‌شود. خواص کششی اغلب در مشخصه های مواد، برای اطمینان از کیفیت قرار خواهد داشت. خواص کششی اغلب در هنگام توسعه مواد و فرایندهای جدید اندازه‌ گیری می‌شوند تا مواد و فرآیندهای مختلف مقایسه شوند. در نهایت، خواص کششی اغلب برای پیش‌بینی رفتار یک ماده تحت انواع نیرو غیر از کشش یکسان استفاده می‌شود.

استحکام مواد اغلب نگرانی اصلی است، استحکام مدنظر ممکن است از لحاظ تنش لازم برای ایجاد تغییر قابل توجه شکل پلاستیک یا حداکثر استرس که ماده می‌تواند در مقابل آن مقاومت کند اندازه‌گیری شود. این اندازه‌گیری‌ها با دقت کافی (در قالب عوامل ایمنی)، در طراحی مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین تمایل به انعطاف ‌پذیری مواد، که چقدر می‌توان شکل آن را قبل از شکستگی تغییر داد محاسبه می‌شود. به ندرت شکل‌ پذیری به‌ طور مستقیم در طراحی گنجانیده شده‌ است ولی درعوض، در مشخصات مواد برای اطمینان از کیفیت و سختی قرار داده شده‌است. خواص الاستیک هم ممکن است مورد توجه باشد، اما برای اندازه‌گیری این خواص در آزمایش کششی از تکنیک‌های خاصی استفاده می‌شود و برای اندازه‌گیری دقیق تر می‌توان از طریق تکنیک‌های اولتراسونیک انجام داد.
 

چرا تست کشش یا تست تنش را اجرا می‌کنیم؟

با استفاده از تست کشش می‌توان دربارهٔ خواص ماده تا حد زیادی آشنا شد. وقتی به کشیدن قطعه تا زمان شکستن ادامه دهید، به مشخصات کششی خوب و کاملی دست خواهید یافت. منحنی حاصله نمایانگر چگونگی واکنش ماده در برابر نیروهای اعمالی خواهد بود. حداکثر تنش بسیار مهم بوده و معمولاً در نمودار «استحکام نهایی» یا UTS نامیده می‌شود. در اکثر آزمون‌های کشش مواد، می‌توان مشاهده کرد که در مراحل اولیهٔ آزمون ارتباط بین نیروی اعمالی یا بار وارده و ازدیاد طول نمونه تحت تست، به ‌صورت خطی است. در این ناحیه، نمودار از رابطه ای به نام «قانون هوک» تبعیت می‌کند که در آن نسبت تنش به کرنش مقدار ثابت E= σ/e است. E معرف شیب خط در این ناحیه است، که درآن تنش متناسب با کرنش بوده و «مدول الاستیسیته» یا «مدول یانگ» نامیده می‌شود.

مدول الاستیسیته مقیاسی از سفتی ماده است، اما فقط در ناحیهٔ خطی منحنی اعمال می‌گردد. اگر نمونه ای در این ناحیه خطی تحت بار قرار گیرد، با برداشتن بار ماده دقیقاً به همان شرایط قبل از بارگذاری باز خواهد گشت. در نقطه ای که منحنی دیگر خطی نیست و از خط مستقیم منحرف می‌گردد، قانون هوک دیگر قابل اجرا نبوده و تغییر شکل دائمی در نمونه به وقوع می‌پیوندد. این نقطه «حد الاستیک یا حد تناسب» نامیده می‌شود. از این نقطه به بعد در تست کشش، به هر افزایش بار یا نیرو، ماده واکنش پلاستیکی نشان می‌دهد. در این زمان اگر بار از نمونه برداشته شود، ماده به شرایط اولیه قبل از اعمال فشار باز نخواهد گشت. مقدار «استحکام تسلیم» ماده عبارت است از تنش وارده که در آن تغییر پلاستیک همچنان که بار اعمال می‌شود در ماده رخ می‌دهد.

برای برخی مواد (به عنوان مثال فلزها و پلاستیک‌ها)، خروج از ناحیه خطی الاستیک به راحتی قابل شناسایی نیست. از این رو، روش آفست، برای تعیین استحکام تسلیم مادهٔ تحت آزمون بکار می‌رود. این روش‌ها در استاندارد ASTM E8 (فلزها) و D632 (پلاستیک‌ها) مورد بحث قرار می‌گیرند. آفست یا آستانه به‌صورت درصدی از تغییر طول مشخص می‌گردد (برای فلزها طبق استاندارد ASTM E8 معمولاً ۰٫۲٪ و برای پلاستیک‌ها ۲٪ مورد استفاده قرار می‌گیرد). تنشی (R) که از نقطه تقاطع (r) منحنی با خط رسم شده منطقه الاستیک خطی (با شیب برابر با مدول الاستیسیته) از آفست "m"، تعیین می‌گردد، استحکام تسلیم به روش آفست را ارائه می‌کند.

منحنی کشش برخی مواد ناحیه خطی تعریف شدهٔ خوبی ندارد. در این موارد، استاندارد ASTM E111 روش‌های جایگزین دیگری در تعیین ضریب الاستیسیته یک ماده به همان خوبی مدول یانگ ارائه می‌کند. این ضرائب جایگزین، مدول متقاطع و مدول مماس هستند. در زمان آزمون کشش می‌توانید میزان کش آمدگی یا ازدیاد طول نمونهٔ تحت آزمون کشش را بیابید. این مقدار می‌تواند از اندازه‌گیری مطلق میزان تغییر در طول یا اندازه گیریِ نسبی به نام «کرنش» بیان گردد. کرنش به خودی خود می‌تواند به دو طریق مختلف بیان گردد، «کرنش مهندسی» و «کرنش حقیقی». کرنش مهندسی شاید ساده‌ترین و رایج‌ترین اصطلاح برای کرنش باشد که از نسبت تغییر طول به طول اولیه حاصل می‌گردد، e=∆L/L0. کرنش حقیقی مشابه کرنش مهندسی است با این تفاوت که بر اساس طول آنی (لحظه ای) نمونه تحت آزمون تعیین می‌گردد، که در آن Li معرف طول لحظه ایی و L0 بیانگر طول اولیه می‌باشد.

یکی از خواصی که می‌توانید برای مواد تعیین کنید استحکام نهایی (UTS) است. UTS ماکزیمم باری است که نمونه می‌تواند در طول تست تحمل کند. UTS ممکن است با استحکام شکست برابر باشد یا نباشد، و این بستگی دارد که چه نوع ماده ای را مورد آزمون قرار می‌دهید، شکننده، چکش خوار، یا حتی ماده ای که هر دو مشخصه را داراست. گاهی ممکن است که یک ماده زمانیکه در آزمایشگاه تحت تست قرار می‌گیرد چکش خوار باشد، اما زمانیکه از آن استفاده می‌شود و در معرض سرمای شدید قرار می‌گیرد، ممکن است رفتارش به شکننده تغییر یابد.

دستگاه آزمون کشش

ماشین های تست کشش فلزات در انواع مختلفی ساخته و عرضه می شوند. بعضی از آن ها فقط برای انجام تست کشش طراحی شده اند و بعضی دیگر از نوع یونیورسال هستند و برای تست کشش و فشار تک محوری و هم چنین خمش سه نقطه ای مناسب هستند. بعضی از این ماشین ها، کوچک و رومیزی هستند که نیروی حداکثر آن ها بین ۵۰۰ نیوتن تا ۲۰ کیلونیوتن تغییر می کند. در صورتی که در انتهای دیگر طیف این گونه ماشین ها، ماشین های بزرگ تا ظرفیت یک مگانیوتن و حتی بیشتر وجود دارند. علی رغم اندازه و نوع کاربرد ماشین، یعنی ماشین های کوچک یا بزرگ و ماشین های مورد استفاده برای آزمون کشش، آزمون فشار یا تست خمش، لازم است تعدادی ویژگی مشخص در ماشین وجود داشته باشد.

این ویژگی ها عبارتند از:

• برای تنظیم محل و نگهداری نمونه آزمایش در وضعیت مطلوب
• مکانیزمی برای اعمال نیرو به نمونه آزمایش و تغییر نیرو با آهنگ کنترل شده
• سیستمی برای اندازه گیری دقیق نیروی وارد شده

علاوه بر این، در بعضی از ماشین های آزمایش، سیستم هایی برای اندازه گیری و ثبت دقیق تغییرات ابعاد نمونه آزمایش گنجانده شده اند. ولی عموماً این گونه اندازه گیری ها با استفاده از دستگاه های مجزا مانند ازدیاد طول سنج و پیچش سنج که به نمونه آزمایش وصل می شوند، صورت می گیرد.

مطابق با نوع بارگذاری روی نمونه، دو نوع دستگاه آزمون کشش وجود دارد:

• مکانیکی: دارای یک سر نیرو دهنده است و یک یا چند پیچ متصل به آن هستند و مهره ای چرخان منجر به حرکت پیچ می شود. در این ماشین طی آزمون، نرخ افزایش طول ثابت نگه داشته می شود.
• هیدرولیکی: در این نوع نیرو توسط یک پیستون هیدرولیکی که درون سیلندری حاوی روغن در حرکت است، اعمال می شود. در این دستگاه طی آزمون، نرخ بارگذاری ثابت است که می تواند متناسب با زمان مورد نظر برای شکست نمونه، تنظیم شود.

برای رسیدن به نتایجی که کاملا بیانگر خواص ماده باشد، باید بارگذاری روی نمونه از نوع محوری خالص باشد. نیرو از طریق گیره نمونه آزمایش، از ماشین آزمایش به ماده منتقل می شود. گیره های نمونه آزمایش انواع متفاوت دارند. ساده ترین آن ها گیره گُوه ای شکل است. گوه ها دارای لقمه هایی با سطح مضرس هستند تا در نمونه فرو رفته و آن را محکم نگه دارند. گیره های گوه ای برای گرفتن هر دو نوع نمونه آزمایش تخت و گرد، مناسب هستند. یک امتیاز گیره های گوه ای این است که هیچ گونه آماده سازی برای انتهای نمونه های آزمایش لازم نیست، تنها هنگام نصب نمونه های تخت دقت در هم راستا کردن آن ها ضروری است. گیره های گوه ای برای مواد خیلی سخت مناسب نیستند زیرا ممکن است هنگام اعمال نیرو قطعه در گیره بلغزد.

تهیه شده در گروه تولید محتوای فولاد 24