آزمون کشش – Tensile test

آزمون کشش - Tensile test

آزمون های مکانیکی نقش مهمی در ارزیابی و بررسی خصوصیات مواد مهندسی دارند. علاوه بر این، در خصوص شناخت و توسعه مواد جدید و کنترل کیفیت مواد در حوزه های طراحی و ساخت، نیز حائز اهمیت هستند. آزمون کشش (tensile test) که در دسته آزمون های مخرب قرار دارد، یکی از متداول ترین آزمونها برای اندازه گیری خواص مکانیکی یک ماده است که اطلاعات اساسی در مورد خواص استحکامی ماده فراهم می کند.

خروجی آزمون کشش یک منحنی تنش-کرنش است، (stress-strain curve). مهم ترین پارامترهایی که از یک منحنی تنش-کرنش حاصل می شود، بدین شرح است: استحکام کششی (ultimate tensile strength) یا UTS، استحکام تسلیم (yield strength)، مدول الاستیک (E)، درصد ازدیاد طول (elongation) و درصد کاهش سطح مقطع (reduction area). از دیگر پارامترهایی که از طریق منحنی تنش-کرنش محاسبه می شوند، می توان به چقرمگی (toughness)، جهندگی (resilience) و ضریب پواسان (ν) اشاره کرد.

آزمون کشش

۱- کلیات آزمون

برای انجام آزمون کشش باید یک نمونه کششی مطابق استاندارد (مثلا استاندارد ASTM E8)، برای قرار گرفتن در فک های دستگاه، آماده شود. شکل ۱ قسمت الف، یک نمونه از دستگاه آزمون کشش را نشان می دهد و در قسمت ب، یک نمونه کششی استاندارد، به همراه نواحی مربوطه نشان داده شده است.

مطابق شکل ۱- ب، ناحیه سطح گیره، بازوهای نمونه بوده که در داخل فک های دستگاه محکم می شوند. این بازوها باید بزرگ باشند تا نمونه به سهولت داخل فک ها قرار بگیرد و طی آزمون ثابت باشد و نلغزد. برای نمونه هایی با سطح مقطع مدور، در صورت لزوم این بازوها رزوه می شوند.

طول گیج (gage length)، طولی است که برای اندازه گیری درصد ازدیاد طول و بررسی تغییر شکل مومسان نمونه استفاده می شود و نمونه آماده شده بایستی در سرتاسر این طول یکنواخت باشد.

لازم به یاد آوری است که اندازه گیری درصد کاهش سطح مقطع برای نمونه هایی با سطح مقطع مدور، نیز در همین ناحیه انجام می شود.

آزمون کشش - Tensile testالف-یک نمونه دستگاه آزمون کشش

آزمون کشش - Tensile test
ب-نمونه استاندارد آزمون کشش همراه با قسمت های مربوطه
شکل۱٫ دستگاه آزمون کشش و نمونه استاندارد

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

الف- نوع مکانیکی که دارای یک سر نیرو دهنده (cross head) است و یک یا چند پیچ متصل به آن هستند و مهره ای چرخان منجر به حرکت پیچ می شود. در این ماشین، در طول آزمون، نرخ افزایش طول ثابت نگه داشته می شود.

ب- نوع هیدرولیکی که نیرو، توسط یک پیستون هیدرولیکی که درون سیلندری حاوی روغن، در حرکت است، اعمال می شود.  در این ماشین، در طول آزمون، نرخ بارگذاری ثابت است که می تواند متناسب با زمان مورد نظر برای شکست نمونه، تنظیم شود.

۲- منحنی تنش-کرنش

بعد از قرار دادن نمونه در دستگاه، نیروی کششی به نمونه اعمال می شود تا زمانی که شکست رخ دهد. نیروی لازم برای ایجاد ازدیاد طول گزارش می شود و منحنی نیرو-ازدیاد طول، ترسیم می شود. با انجام محاسبات لازم، به شرح ذیل، منحنی تنش-کرنش مهندسی از این منحنی اولیه استخراج می شود.

در این روابط، Ϭ تنش مهندسی است که حاصل تقسیم نیرو بر سطح مقطع اولیه است و e کرنش مهندسی است و حاصل تقسیم ازدیاد طول بر طول اولیه گیج (gage length)، است. تنش و کرنش مهندسی مستقل از هندسه و شکل قطعه هستند. در شکل ۲ یک نمونه از منحنی تنش-کرنش مهندسی، برای مواد نرم (ductile) مشاهده می شود.

آزمون کشش - Tensile testشکل۲٫ نمونه ای از منحنی تنش-کرنش مهندسی برای مواد نرم

  • منطقه کشسان یا الاستیک: بخش خطی منحنی، از ابتدا تا نقطه تسلیم (yielding point) که تغییر شکل به صورت الاستیک است، منطقه الاستیک نامیده می شود. در این منطقه تنش و کرنش رابطه خطی دارند و قانون هوک به شرح ذیل برقرار است:

ثابت E در رابطه فوق، مدول الاستیک یا مدول یانگ، نامیده می شود و برای هر ماده ای مقدار معینی دارد.

  • منطقه مومسان یا پلاستیک: این منطقه بعد از نقطه تسلیم شروع می شود. نقطه تسلیم آغاز شروع تغییر شکل موسان نمونه است. تغییر شکل مومسان به صورت ثابت تا نقطه اوج منحنی (UTSϬ) یا همان استحکام کششی، ادامه دارد. در UTSϬ فرایند گلویی شدن نمونه، شروع می شود. UTSϬ مطابق فرمول ذیل محاسبه می شود:

از آنجا که محاسبه استحکام کششی ساده است و یک پارامتر کاملا تکثیر پذیر (reproducible) است، لذا پارامتر مفیدی برای تعیین ویژگی های مواد و کنترل کیفی محصول است. روابط تجربی ارزشمندی بین استحکام کششی و خواصی مانند سختی و استحکام خستگی وجود دارد که اغلب مفید هستند. برای مواد ترد و شکننده (brittle) نیز، استحکام کششی یک معیار معتبر در طراحی محسوب می شود.

  • استحکام تسلیم: فرایند تسلیم شدن، شروع اولین تغییر شکل مومسان نمونه است و سطح تنشی که این تسلیم در آن آغاز می شود، استحکام تسلیم نامیده می شود که یک پارامتر مهم در طراحی است. برای بیشتر مواد، یک انتقال تدریجی از رفتار الاستیک به رفتار پلاستیک مشاهده می شود، لذا تعیین نقطه ای که این انتقال صورت می گیرد مشکل است.

معیارهای مختلفی برای تعیین نقطه تسلیم استفاده می شوند که به عواملی مثل دقت اندازه گیری کرنش و استفاده مفهومی از داده ها، بستگی دارند. روش کرنش افست (۲% offset strain)، یک روش مرسوم برای اندازه گیری استحکام تسلیم است. برای تعیین آن از نقطه ۰٫۲% روی محور افقی، خطی موازی ناحیه خطی نمودار رسم شده و محل تقاطع این خط با منحنی تنش-کرنش، به عنوان نقطه تسلیم تعیین می شود. شکل ۳ یک نمونه از این روش را نشان می دهد.

آزمون کشش - Tensile test
شکل۳٫ روش %۰٫۲ برای تعیین استحکام تسلیم

  • داکتیلیته:درجه ای از تغییر شکل مومسان، که یک ماده می تواند تا قبل از شکست نشان دهد، داکتیلیته نامیده می شود. ماده ای که تغییر شکل موسان اندکی نشان دهد یا قبل از شکست هیچ گونه تغییر شکل موسانی نداشته باشد، ترد یا شکننده عنوان می شود. درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع هم نمادی از داکتیلیته هستند که ذیلا روابط مربوطه آورده می شود:

در این روابط z و q به ترتیب، درصد ازدیاد طول و درصد کاهش سطح مقطع را نشان می دهند.

  • جهندگی: ظرفیت ماده برای جذب انرژی در منطقه الاستیک، جهندگی نامیده می شود.
  • چقرمگی: توانایی ماده در پذیرش تغییر شکل موسان و جذب انرژی تا قبل از شکست، چقرمگی نامیده می شود. سطح زیر منحنی تنش-کرنش، تا نقطه استحکام کششی نشان دهنده چقرمگی ماده است. شکل ۴ چقرمگی سه گروه فولاد کربنی را نشان می دهد.

آزمون کشش - Tensile testشکل۴٫ سطح زیر منحنی تنش-کرنش که بیانگر چقرمگی ماده است.

ضریب پواسان: نسبت تغییر اندازه جانبی (کرنش عرضی) به تغییر اندازه محوری (کرنش طولی)، ضریب پواسان نامیده می شود. (رابطه ذیل)

از آنجا که در بیشتر مواد مهندسی، کرنش عرضی و طولی مختلف العلامت هستند، فرمول با علامت منفی ارائه شده است تا مقدار حاصله مثبت گردد.

می‌توانید فیلم مربوط به آزمون کشش را +اینجا مشاهده کنید.
در صورت علاقه می‌توانید پست مربوط به آزمون فشار را +اینجا مشاهده کنید.
همچنین می‌توانید جزوات درس خواص‌مکانیکی را از +اینجا دانلود نمایید.

منابع :

  • پیوست شده است.

لینک کوتاه مطلب

متالورژي خورشیدی دوشنبه ۲۲ مرداد ۱۳۹۷ 180 بازدید
رمز کلیه فایل های فشرده : (باحروف کوچک تایپ شود)

دیدگاه کاربران ۰دیدگاه

دیدگاه خود را بنویسید