چقرمگی

با سلام خدمت دوستان و همراهان همیشگی پارس بوته. امروز هم با یک مطلب آموزشی دیگر در خدمت شما هستیم. یکی از خواص مهم ماده که جزو 10 خواص برتر آن محسوب می‌شود چقرمگی (Toughness) است و این خواص برای هر ماده با ماده دیگر متفاوت است.

چقرمگی توانمندی یک ماده به منظور مقاومت یک ماده در شکل‌پذیری خمیری و میزان جذب انرژی آن ماده در برابر ضربات و فشاری که به آن وارد می‌شود قبل از شکسته شدن است.

برای تشخیص اینکه یک ماده چه میزان چقرمگی دارد باید به دو مؤلفه توجه کرد. چکش‌خواری ماده یکی از آن مؤلفه‌ها است ولی این جمله که یک ماده هر چقدر چکش‌خواری و شکل‌پذیری بالایی داشته باشد در نتیجه چقرمگی بالایی دارد اشتباه است.

یکی دیگر از مؤلفه‌های تشخیص، مستحکم بودن آن ماده در برابر شکل‌پذیری است. بنابراین دو مؤلفه استحکام و چکش‌خواری میزان تحمل آن ماده را مشخص می‌کند. بررسی این خاصیت به صورت محاسباتی که در نمودار تنش-کرنش انجام می‌شود برای هر ماده مشخص می‌گردد. در ادامه با ما همراه باشید تا با این رفتار مواد و انواع آن آشنا شوید.

چقرمگی چیست

چقرمگی میزان استحکام و چکش‌خواری یا شکل‌پذیری پلاستیکی یک ماده قبل از شکستن آن است. هر چه میزان این چکش‌خواری بالا باشد به مفهوم خاصیت بالای آن ماده نبوده و مستحکم بودن آن ماده در برابر ضربات و فشاری که به آن وارد می‌شود نیز نقشی مؤثر در میزان آن دارد.

میزان متغیرهایی که برای محاسبه چقرمگی یک ماده اهمیت دارد نرخ کشش ، دما و اثر شکاف بر آن ماده است که در نمودار تنش-کرنش ترسیم می‌شود.

در نتیجه برای محاسبه و تعیین میزان هر ماده نموداری طراحی شد که واحدهای آن به صورت انرژی بر حجم بوده و به آن نمودار تنش-کرنش گویند. این نمودار گرافیکی به دو شیوه مهندسی و حقیقی میزان واکنش ماده را نسبت به فشار و شکل‌پذیری مورد بررسی قرار می‌دهد.

تفاوت این دو نمودار بستگی به شکل‌پذیری مواد دارد که برخی از آن‌ها چون شکل‌پذیری در طول واکنش‌هایی که انجام می‌دهد مؤثر است از نمودار تنش-کرنش مهندسی استفاده می‌شود.

ولی در برخی دیگر از مواد واکنش‌ها متفاوت است و مواد در لحظه‌ای از زمان واکنش خود را نشان می‌دهد که در این صورت به نمودار لحظه‌ای تنش-کرنش حقیقی نیاز است تا به بررسی آن بپردازند. در این نمودارها به بررسی استحکام نهایی و تسلیم ماده، لحظه شکست، ناحیه کار سختی و ناحیه گلویی‌شدن ماده پرداخته می‌شود.

انواع چقرمگی

این خاصیت مؤلفه‌ای است برای نشان دادن استحکام یا سختی و شکل‌پذیری پلاستیکی یک ماده قبل از اینکه در آن شکستگی رخ بدهد و در سه زمان اتفاق می‌افتد که به آن نوع ضربه‌ای، شیار و شکست گفته می‌شود. برای بررسی بیشتر این سه نوع از چقرمگی در ادامه مطلب با ما همراه باشید:

چقرمگی ضربه‌ای

منظور از نوع ضربه‌ای میزان جذب انرژی ماده و مقاومت در برابر ضربات قبل از شکستن آن ماده را گویند. به مفهومی دیگر هرچه میزان تحمل یک ماده در برابر ضربات و فشارهای وارد شده به آن بیشتر باشد تا زمانی که ماده دچار شکستگی شود، در مقابل چقرمگی ضربه‌ای آن ماده نیز بیشتر است.

چقرمگی شیار

در این روش برای محاسبه میزان چقرمگی میزان توانایی و مقاومت یک ماده در برابر ضربات و فشار وارد شده در زمان وجود نقصی در آن بررسی و محاسبه می‌شود. این نوع ظرفیت یک ماده برای جذب انرژی از نقطه‌ای متمرکز یا شیار موجود در آن را نشان می‌دهد.

اکثر فلزاتی که کم‌آلیاژ یا کربنی هستند و از استحکامات بالایی برخوردارند در زمان کاهش دما برای شکل‌پذیری ممکن است در حالتی شکننده قرار بگیرند. لازم به ذکر است که بدانید در برخی از این موارد ممکن است خود فلز یا جسم از قبل دچار نقصی مانند ترک باشد.

چقرمگی شکست

زمانی که یک ماده دچار شکستگی به صورت ناگهانی یا غیرمنتظره و بدون اندازه محدود شود به مقدار ضریب شدت تنش آن ماده چقرمگی شکست گویند. مقدار این ضریب را می‌توان در دو حالت (mode 1 , mode 2) مورد بررسی قرار داد که حالت اول آن را تحت شرایط کرنش صفحه‌ای مورد محاسبه قرار می‌دهند.

این حالت از ضریب شدت تنش برای کرنش صفحه‌ای را شکست کرنش صفحه‌ای گویند که روشی کمی به منظور محاسبه مقاومت یک ماده در برابر ایجاد ترک در آن است.

اندازه‌گیری چقرمگی

اندازه‌گیری مقدار این خاصیت مواد به تحلیل و بررسی سه ویژگی نرخ کشش، دما و اثر شکاف بستگی دارد. برای بدست آوردن آن می‌توان از دو آزمون ضربه شارپی و ضربه ایزود استفاده کرد.

در آزمون ضربه شارپی که یک آزمون استاندارد برای تعیین چقرمگی است، میزان انرژی که ماده می‌تواند تا زمان شکستگی جذب کند را اندازه‌گیری می‌کنند. در این روش وزنه آونگی را از ارتفاع مشخص رها کرده و به فلزی که در حالت افقی قرار گرفته و هر دو سمت آن مهار شده ضربه وارد می‌کند تا زمانی که آن فلز را بشکند.

میزان انرژی جذب شده توسط فلز را از روی ارتفاعی که وزنه آونگی بالا رفته و مقایسه آن با ارتفاع اولیه مشخص می‌دهد. علاوه‌براین مشخص کردن دمای برای تعیین شکل‌پذیری و شکنندگی فلزات بسیار مهم و تعیین کننده است. اکثر فلزات با کاهش دما از حالتی شکل‌پذیر به حالتی شکننده تغییر پیدا می‌کنند که به این دما، دمای گذار شکل‌پذیر به شکننده گویند.

در آزمون ضربه ایزود مشابه ضربه شارپی است فقط با این تفاوت که فلز به صورت عمودی و یک سمت آن درگیر ضربات است.

عوامل موثر بر چقرمگی

برای محاسبه میزان چقرمگی هر ماده عوامل و شرایطی بر آن اثرگذار است. این عوامل عبارتند از:

• افزایش ناگهانی یا ضربه‌ای شدت بارگذاری ماده را کاهش می‌دهد
• چقرمگی بارگذاری ثابت یا تدریجی از بارگذاری ناگهانی یا ضربه‌ای بیشتر است
• زمان جذب انرژی و شکل‌پذیری خمیری قبل از شکست در بارگذاری ناگهانی کم است
• کاهش دما موجب کاهش این خاصیت بسیاری از مواد می‌شود
• دمای پایین موجب محدودیت در تبلور دوباره و دیگر شرایط لازم برای تغییر شکل‌پذیری شده و احتمال شکست ترد و غیرمنتظره را افزایش می‌دهد
• در صورت وجود یا ایجاد شکاف در ماده موجب تنش شدید در نقطه‌ای متمرکز شده و کاهش را به دنبال دارد
• وجود ترک‌ها یا معایب در ساختار ماده موجب ایجاد نوعی چقرمگی شکست در آن می‌شود
• ساختار و اندازه بلوری ماده یا معایبی بلوری مانند ناخالصی تاثیر قابل توجهی در افزایش یا کاهش آن دارد
• چقرمگی ساختار بلوری FCC از BCC بیشتر است
• وجود ناخالصی‌هایی مانند فسفر و گوگرد سبب کاهش و وجود آلیاژهایی مانند کربن سبب افزایش چقرمگی ماده می‌شود
• تاثیرپذیری آن در فرآیندهای آهنگری، نورد و حرارتی مانند فرآیند آنیلینگ سبب افزایش آن و فرآیند آبکاری سبب کاهش چقرمگی می‌شود

سخن پایانی

چقرمگی میزان استحکام و شکل‌پذیری پلاستیکی فلزات همراه با جذب انرژی ناشی از ضربات و فشار وارد شده به آن قبل از بروز شکستگی است. چقرمگی در نوع ضربه‌ای، شیار و شکست وجود دارد که برای هر فلز می‌تواند مقادیر آن متفاوت باشد. در این مقاله شما را با مفهوم آن و عوامل افزایش و کاهش آن در فلزات آشنا کردیم.

همچنین نحوه اندازه‌گیری این خاصیت هر فلز را با استفاده از دو آزمون ضربه‌ای شارپی و ایزود به شما معرفی شد. بنابراین میزان استحکام و شکل‌پذیری هر فلز برای ساخت انواع قطعات پرکاربرد در صنایع ریخته‌گری با توجه به آزمایش‌ها و تست‌های مهندسی تعیین شده تا بتوان قطعاتی مقاوم و پربازده را تولید کرد.