دستگاه تست کشش

دستگاه تست کشش چیست؟

تست کشش یکی از اصلی ترین تست های متالورژیکی است که برای تعیین استحکام و دیگر خواص مکانیکی مواد مهندسی به کار می رود. این آزمون که در گروه آزمون ‌های مخرب قرار می ‌گیرد، به کمک دستگاه تست کشش اجرا می شود. این دستگاه با دو فک متحرک و قدرتمند، نمونه استاندارد را تحت کشش قرار می دهد. به عبارتی با دور شدن فک ها از هم و ایجاد تغییرات ابعادی در نمونه، رفتار ماده به وسیله رایانه رصد شده و خروجی به شکل یک نمودار روی صفحه کامپیوتر نمایان می شود.

چرا باید از آزمون کشش استفاده کنیم؟

نتایجی که از تست کشش حاصل می شود، برای طراحان و مهندسان اهمیت فراوانی دارد. در بسیاری از فرایندهای ساختمانی یا صنعتی، تنها شکست نهایی قطعه به منزله ازکارافتادگی آن نیست. بلکه تغییر شکل پلاستیک، کمانش و تمرکز تنش نیز نوعی از کار افتادگی محسوب می شود.

بنابراین، علاوه بر آگاهی از نقطه شکست و تنش و کرنش مربوط به آن، داشتن اطلاعاتی دقیق از مقدار تنشی که تغییر شکل پلاستیک آغاز می شود نیز بسیار مهم است. بعضی فلزات و آلیاژها مثل فولاد، نقطه تسلیم مشخصی دارند، ولی در بیشتر فلزات تغییر شکل از حالت الاستیک به پلاستیک به آرامی صورت می گیرد.

با توجه به اطلاعات دقیقی که آزمون کشش از رفتار قطعات در برابر اعمال نیرو ارائه می کند، می توان از آن به عنوان ابزاری جهت انتخاب مواد مهندسی برای کاربردهای مناسب استفاده کرد. اکثر استانداردهای مهندسی انجام این آزمون مخرب را اجباری و ضروری می دانند.

9

دقیــقه مطالعه

استانداردهای مهندسی و آموزش استفاده از آنها

اول باید تکلیفمان را روشن کنیم که استانداردهای مهندسی دقیقا چه استانداردهایی را ...

آشنایی با انواع دستگاه تست کشش

دستگاه های تست کشش در مدل ها و انواع مختلفی عرضه می شوند. بعضی از آن ها فقط برای انجام تست کشش طراحی شده اند، در حالی که بعضی دیگر، تست های فشار تک محوری و هم چنین تست های خمش سه نقطه ای را نیز اجرا می کنند.

برخی مدل ها کوچک و رومیزی هستند و حداکثر نیروی آن ها بین ۵۰۰ نیوتن تا ۲۰ کیلونیوتن متغیر است. در مقابل، دستگاه های بزرگی وجود دارند که تا یک مگانیوتن و حتی بیشتر از آن می توانند نیرو وارد کنند.

یک طبقه بندی قدیمی وجود دارد که دستگاه آزمون کشش را به دو نوع نرم و سخت تقسیم می کند. دستگاه تست کشش سخت یا مکانیکی ماشینی صلب با ثابت فنر بزرگ است. این دستگاه ها از پیچ و مهره و چرخ دنده و فنر برای اعمال نیرو استفاده می کنند. در صورتی که دستگاه‌ های تست کشش نرم یا هیدرولیکی از مایعات برای انتقال نیرو استفاده می کنند.

این جا ما دستگاه تست کشش را در یک طبقه بندی مدرن تر، به سه نوع هیدرولیکی، الکترومغناطیسی و یونیورسال تقسیم کرده ایم. البته خود دستگاه یونیورسال نیز می تواند الکترومغناطیسی یا هیدرولیکی باشد. اما به علت گستردگی و شهرتی که دارد، به شکل مجزا بررسی می شود.

دستگاه تست کشش هیدرولیکی

این نوع دستگاه نسبت به دو نوع دیگر قدمت بالاتری دارد. ماشین های هیدرولیکی برای اعمال کشش و فشار به قطعات از فشار مایعات استفاده می کنند. به این ترتیب که پس از راه اندازی دستگاه با جریان الکتریسیته، الکتروموتور روشن شده و پمپ روغن دستگاه با اعمال فشار روغن به جکی که بالای دستگاه قرار دارد فک بالایی را به بالا هدایت می کند.

9

دقیــقه مطالعه

پمپ وکیوم (پمپ خلا)

اگر تاکنون گذرتان به آزمایشگاه های شیمیایی افتاده باشد، حتما پمپ وکیوم یا خلاء ر...

در این دستگاه دو اهرم دورانی وجود دارد که یکی از آن ها برای اعمال فشار روغن به جک و دیگری برای تخلیه فشار است. در این دستگاه آزمون کشش برای اندازه گیری مقادیر تنش از سیستمی به نام «ساعت اندیکاتور» استفاده می شود.

دستگاه های هیدرولیکی به چه صورتی کار می کنند؟

در این دستگاه یک صفحه مدرج دایره ای برای اندازه گیری نیرو وجود دارد. عقربه این نیروسنج با پیستون دستگاه مرتبط است. فشار روغنی که باعث حرکت جک می شود، پیستون را نیز حرکت داده و سبب چرخش عقربه نیروسنج می شود.

با اندازه گیری نیروی اعمال شده و تغییر طول قطعه، می توان نمودار نیرو – تغییر طول را رسم کرد و با تقسیم این مقادیر بر سطح مقطع اولیه و طول اولیه، نمودار جدیدی تحت عنوان تنش – کرنش مهندسی را استخراج کرد.

وجود خطا در نتایج محاسبه با این دستگاه ها، یکی از معایب بزرگ آن ها به شمار می رود. امروزه دستگاه های تست کشش هیدرولیکی منسوخ شده اند، اما هنوز هم در بازار، مراکز علمی و آزمایشگاهی تعدادی از آن ها وجود دارند.

دستگاه تست کشش الکترومغناطیسی (بال اسکرو)

این دستگاه ها نسبت به نوع هیدرولیکی دقت بالاتری دارند، چرا که تمام اطلاعات توسط سیستم های کامپیوتری خوانده شده و محاسبات آن با دقت بالا انجام می شود. بنابراین بر اساس نتایج این دستگاه ها، می توان با تقریب دقیق تری از اطلاعات و خواص قطعه صحبت کرد.

در این دستگاه ها پس از اجرای تست، اطلاعات استخراج شده از طریق کابل های الکتریکی به کامپیوتر ارسال می شوند. این اطلاعات در کامپیوتر با استفاده از کارت گرافیکی و نرم افزار مخصوص خوانده می شوند. سپس محاسبات با استفاده از نرم افزار بر روی آن ها انجام می گیرد و اطلاعات لازم در مورد قطعه در اختیار کاربر قرار داده می شود.

دستگاه تست کشش یونیورسال

دستگاه تست کشش یونیورسال یا به اختصار UTM بیشترین کاربرد را بین دستگاه های تست کشش دارد. این دستگاه قابلیت انجام تست ‎های کشش، فشار، خمش سه نقطه ای و خستگی را روی انواع فولاد، پلاستیک، لاستیک، سیم، کابل و پیچ دارد.

دستگاه یونیورسال چه برتری هایی نسبت به دیگر دستگاه ها دارند؟

• قابلیت ایجاد ارتباط بین دستگاه و نرم افزار از طریق Wifi
• انجام آزمون به صورت خودکار با کمترین دخالت دست
• استفاده از لودسل (Load Cell) با دقت 0.01 درصد
• استفاده از فک های متنوع برای تست قطعات گرد و مربعی
• بالا بودن سرعت اجرای تست
• دقت بالا در سنجش نیرو
• دقت بالا در اندازه گیری جابه جایی
• گزارش دهی منظم و با زمان بندی دلخواه از تست ها

برخی از مدل های دستگاه یونیورسال

• 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

نیرو در دستگاه تست کشش با روش های مختلفی اندازه گیری می شود:

نیروی وارد بر نمونه به چند روش قابل اندازه گیری است. برخی از دستگاه های قدیمی از سیستمی با یک اهرم مکانیکی با یک وزنه متحرک استفاده می کنند. مشکل اصلی این سیستم ها بزرگ و حجیم بودن آن ها است که در ماشین های با ظرفیت بالاتر، بیشتر نمود پیدا می کند.

در دستگاه های هیدرولیکی، با اعمال نیرو بر نمونه، فشار روغن بر یک پیستون وارد می شود که باعث حرکت اهرم آونگی شده و آونگ را از وضعیت قائم حرکت می دهد. حرکت این آونگ باعث چرخش عقربه‌ی روی صفحه مدرج می شود و نیرو را اندازه گیری می کند.

سومین سیستم اندازه گیری نیرو در دستگاه تست کشش ، استفاده از تغییر شکل یک فنر است. به این ترتیب که تغییر شکل الاستیک یک تیغه فولادی تحت بار، باعث حرکت پیستون در یک سیلندر محتوی جیوه می شود. در نتیجه جیوه با فشار وارد لوله شیشه ای نصب شده در کنار یک خط کش مدرج می شود و مقدار نیرو را گزارش می کند.

اما جدیدترین سیستم اندازه گیری نیرو، استفاده از سلول نیرو است. در اغلب موارد این سلول نیرو یک ترانسدیوسر با یک قطعه مجهز به کرنش سنج برقی است. اعمال نیرو یک سیگنال برقی خروجی از سلول تولید می کند که پس از تقویت یا به صورت یک عدد نمایش داده می شود و یا توسط یک رسام ثبت می شود.

9

دقیــقه مطالعه

پیش از خرید ابزار دقیق ؛ آن ها را بشناسید!

بی شک نمی توان سرعت پیشرفت بالای تکنولوژی را بدون ابزارهای اندازه گیری دقیق تصور...

دستگاه آزمون کشش از چه قسمت هایی تشکیل شده است؟

لودسل یا سلول بارگذاری (Load Cell)

این بخش معمولاً شامل دو فک نگهدارنده قوی می ‌شود. البته برخی از دستگاه‌ های کوچک تنها یک نگهدارنده دارند. لودسل نوعی سنسور است که در ماشین های تست کشش برای اندازه گیری وزن و نیرو به کار می رود.

لودسل ها در انواع مختلف کششی، خمشی، فشاری و … عرضه می شوند. این قطعه شامل یک هسته فلزی و تعدادی گیج کرنش (Strain gauge) است. گیج کرنش به هسته چسبیده شده و بر اثر اعمال نیرو تغییر شکل می دهد و پس از برداشتن نیرو به حالت اولیه خود برمی گردد.

نقش لودسل در دستگاه آزمون کشش این است که تغییرات وزن را بر اساس تغییرات ولتاژ گزارش می کند. یعنی وزن بار وارده را حس کرده و آن را به نشان دهنده الکترونیکی منتقل می کند. لودسل های مرغوب و دقیق دارای استاندارد جهانی OIML هستند. از این رو عملیات سنجش وزن توسط  لودسل هایی که فاقد این استاندارد باشند، قابل اطمینان نیستند.

انواع لودسل دستگاه آزمون کشش

• لودسل فشاری (Canister) : شکل ظاهری این لودسل قوطی مانند است. فشار وارده بر این نوع لودسل از سمت بار، باعث تغییرات طولی کمتر از قطر یک تارمو در لودسل می گردد. این نوع لودسل ها اغلب در باسکول های جاده ای دیده می شوند.
• لودسل کششی (S Type) : شکل ظاهری این لودسل شبیه حرف S است. مکانیسم عملکرد این نوع بر اساس تغییرات طول است. یک طرف این لودسل از بالا به نقطه ای ثابت متصل شده و از پایین نیرو به آن اعمال می شود. این نوع لودسل در سیستم های توزین آویز هم استفاده می شود .
• لودسل خمشی (Shear beam) : از این نوع لودسل، علاوه بر دستگاه تست کشش، اغلب در باسکول کفه ای و برخی پروژه های خاص استفاده می شود.
• لودسل تک پایه (Single point) : این نوع لودسل اغلب برای کفه های کوچک نظیر ترازوها و باسكولت ها استفاده می شود.

کراس هد یا کلگی (Cross Head)

این بخش وظیفه کنترل حرکت به سمت بالا و پایین را دارد. در دستگاه‌ هایی با نرخ کشش ثابت (Constant Rate of Extension) یا اصطلاحاً دستگاه‌های CRE، سرعت حرکت کلگی ثابت است. در بعضی دستگاه‌ ها امکان تعریف سرعت برای کلگی یا اجرای آزمایش‌ های چرخه ‌ای با نیروی ثابت، تغییر شکل ثابت و غیره وجود دارد. کلگی ‌ها در انواع مختلفی نظیر الکترومکانیکی، دارای کنترل هیدرولیکی، کنترل خطی و کنترل رزونانسی وجود دارند.

جانکشن باکس (Junction Box)

جانکشن باکس (یا جعبه تقسیم الکتریکی) قطعه ای است که نقش وصل کردن لودسل های دستگاه به یکدیگر و یکسان سازی نقاط مختلف از لحاظ نمایش بار را به عهده دارد. بنابراین هر چه دقت سنسوری لودسل بالا باشد، باز هم به دقت جانکشن باکس وابسته است. مشخصات یک جانکشن باکس ایده آل عبارتند از:

• داشتن جعبه سیلد شده (مهر و موم شده) که حداقل کلاس حفاظتی آن IP65 باشد.
• اجزای این قطعه قبل از مصرف تست شده باشند و حداکثر خطای آن ها در گستره استاندارد باشد.
• ثبات حرارتی مقاومت های به کار رفته در آن بالا باشد.

اکستنسومتر یا کشش سنج (Extensometer)

دستگاهی که تغییرات طول نمونه را در دستگاه تست کشش اندازه گیری می کند، اکستنسومتر است. این ابزار با اتصال به دو سر قطعه کار میزان افزایش طول آن را حین آزمون اندازه گیری می کند.

کشش سنج های امروزی دقت بالایی تا حدود 1 میکرومتر دارند. با استفاده از همین بخش دستگاه است که می توان منحنی تنش – کرنش نمونه را رسم کرد و پارامترهایی از قبیل مدول یانگ، ازدیاد طول نقطه تسلیم، ازدیاد طول ماکزیمم تنش و ازدیاد طول کلی را استخراج کرد.

نرم افزار دستگاه آزمون کشش

هر دستگاه تست کشش با توجه قابلیت هایی که دارد، از نرم افزار مشخصی برای اجرای دستورات و محاسبات مربوط به تست کشش بهره می برد. معمولا این نرم افزارها دارای قابلیت هایی برای کالیبراسیون بسیار دقیق لودسل و اکستنسومتر هستند و این قابلیت را فراهم می آورند که اپراتور دستگاه بتواند لودسل را در ۲ نقطه و اکستنسومتر را در ۶ نقطه کالیبره کند.

9

دقیــقه مطالعه

کالیبراسیون به زبان خیلی ساده!

همواره از کودکی به ما توصیه شده که دقت کنیم! در واقع این «دقت» بوده که تعیین کنن...

همچنین نرم افزار انرژی نقاط تنش تسلیم و شکست (و در مواردی دیگر خواص مکانیکی) را به صورت خودکار محاسبه کرده و نمایش می دهد. این نرم افزار فقط با شماره سریال دستگاه مربوطه فعال می شود. بنابراین فقط مخصوص کامپیوتر متصل به دستگاه است و در کامپیوترهای دیگر کاربردی ندارد.

قابلیت هایی که از این نرم افزارها انتظار می رود، عبارتند از:

• نمایش سرعت، نیرو و افزایش طول در لحظه
• سنجش ازدیاد طول با خطای حداکثر 0.05 میلی متر
• قابلیت نصب بر روی سیستم عامل های ویندوز XP و بالاتر
• محیط گرافیکی ساده و کاربر پسند
• محاسبه و نمایش تنش تسلیم و انرژی شکست
• توانایی کالیبراسیون بسیار دقیق لودسل و اکستنسومتر
• قابلیت ذخیره داده های هر تست به شکل جداگانه و مشاهده مجدد آن
• توانایی چاپ نتایج هر تست
• ارتباط با بخش کنترل از طریق درگاه سریال
• رسم منحنی تست کشش به صورت زمان حقیقی (در لحظه)
• قابلیت زوم و زوم بک و جابجایی منحنی تست کشش

اگر قصد تهیه دستگاه تست کشش را دارید، به نکات زیر توجه داشته باشید:

بدون در نظر گرفتن اندازه و نوع کاربرد این دستگاه (یعنی انواع کوچک یا بزرگ و یا ماشین های مورد استفاده برای آزمون کشش، فشار یا خمش) لازم است تا به چند ویژگی توجه داشته باشید:

• دستگاه باید به سیستمی برای تنظیم محل و نگهداری نمونه آزمایش در وضعیت مطلوب مجهز باشد.
• دستگاه باید به سیستمی برای اعمال نیرو به نمونه و تغییر آن با آهنگی کنترل شده مجهز باشد.
• دستگاه باید سیستمی جهت اندازه گیری و ثبت دقیق تغییرات ابعاد نمونه داشته باشد.
• نباید هیچ گونه لقی در اجزای مختلف و به ویژه کلگی و اتصالات مشاهده شود.
• دستگاه باید سریال معتبر جهت نصب نرم افزار داشته باشد.
• دستگاه باید قابلیت اعمال نرخ کرنش به صورت ثابت را داشته باشد.

نتایج آزمایش برای برخی نمونه ها مثل اغلب نمونه های پلیمری به آهنگ کرنش نمونه وابسته است. برای این مواد آهنگ های کرنش در استانداردهای مربوطه تعیین شده اند. مهم ترین استانداردهای تست کشش عبارتند از:

• ASTM E8/E8M
• ASTM A370
• DIN EN ISO 6892-1
• DIN 50125
• ISO 898-1