تست خمش مواد

مروری بر تست خمش مواد

مقدمه

پیش از این در مقاله روش های بازرسی مخرب اشاره کردیم که در این گونه روش ها، قطعه پس از آزمایش غیرقابل استفاده خواهد بود. زیرا تغییراتی که در ابعاد یا ترکیب شیمیایی ماده رخ می دهد، برگشت ناپذیر خواهد بود. با این حال ضرورت انجام این آزمایش ها در صنایع مختلف همواره وجود دارد. در این مقاله قصد داریم به معرفی تست خمش که یکی از مطرح ترین تست های مخرب مکانیکی است، بپردازیم.

تست خمش چیست؟

تست خمش آزمایشی برای ارزیابی خواص مکانیکی مواد است که در آن مقاومت قطعه در برابر خم شدگی و شکستن مورد آزمایش قرار می گیرد. این آزمون راهی ساده و ارزان برای ارزیابی کیفیت مواد به شمار می رود. استانداردهای معمول مورد استفاده در آزمون خمش ASTM E290 و ASTM E858 هستند.

سال هاست که از این تست مخرب برای ارزیابی خواص خمشی قطعات متالورژی پودر، بتن، سنگ، چوب، پلاستیک، شیشه و سرامیک در مقیاس صنعتی استفاده می شود. از نتایج این آزمون، مدول الاستیسیته خمشی، تنش خمشی و کرنش خمشی قطعات را می توان استخراج کرد. در این آزمون معمولا نمونه تا مرز شکست پیش می رود تا تمام جزئیات مقاومتی آن در برابر نیروهای خمشی ارزیابی گردد. همان طور که مشخص است در نمونه زیر زاویه خمش نهایی برابر ۱۱۵ درجه است.

اصول و محاسبات آزمون خمش

• روش انجام آزمایش

این آزمون معمولا توسط دستگاه تست کشش یونیورسال (universal) و به دو صورت سه نقطه ای و چهار نقطه ای انجام می شود. سمبه دستگاه یونیورسال برای اجرای تست خمش، با سرعت مشخصی که معمولا بین ۱۱ تا ۱۰ میلی متر بر دقیقه است به سمت قطعه مورد آزمون حرکت می کند. در حالت سه نقطه ای قطعه مورد آزمون روی پایه ای که دارای دو قسمت به عنوان تکیه گاه است قرار گرفته و نیرو مطابق شکل زیر از طریق سمبه به وسط قطعه اعمال می گردد.

اصول تست خمش چهار نقطه ای همانند تست خمش سه نقطه ای است با این تفاوت که به جای یک سمبه از دو سمبه جهت اعمال نیرو استفاده می شود. مطابق شکل زیر فاصله سمبه ها از دو طرف، با تکیه گاه های نزدیک خود برابر است.

در هر دو حالت نیروی اعمالی به سمبه هنگام برخورد به قطعه افزایش می یابد و همچنین قطعه در محل برخورد با سمبه به سمت پایین حرکت می کند. حین آزمون خمش، در سطح بالایی قطعه تنش فشاری و در سطح پایینی آن تنش کششی ایجاد می شود. به این علت که معمولا تحمل مواد در برابر تنش کششی کمتر از تنش فشاریست. اگر قطعه شکننده باشد از ناحیه پایین دچار شکستگی یا ترک می گردد.

• نمودار و محاسبات

متداول ترین نوع تست خمش، تست سه نقطه ای است. برای این نوع تست، نرم افزار دستگاه مقدار نیروی اعمالی و مقدار خم شدگی قطعه را در یک نمودار دو بعدی رسم می کند که در آن محور عمودی معرف نیرو (تنش) و محور افقی معرف میزان خم شدگی (کرنش) است. پس از انجام آزمون خمش، اکثر مواد بعد از برداشتن نیرو تا یک مقدار مشخص، بدون آنکه تغییر شکل دائمی یا پلاستیک در آنها ایجاد شود به حالت اولیه باز می گردند. این ناحیه به ناحیه الاستیک معروف است که در آن منحنی به صورت یک خط با شیب مشخص نمایش داده شده می شود. در این منطقه نسبت نیرو به جابجایی دارای مقدار معینی بوده و از قانون هوک پیروی می کند. با افزایش نیرو قطعه وارد ناحیه پلاستیک می شود. در ناحیه پلاستیک با برداشتن نیرو، قطعه دیگر به حالت اولیه باز نمی گردد. نقطه شروع این ناحیه به نقطه تسلیم معروف است. با ادامه روند افزایش نیرو، در نقطه ای قطعه توانایی تحمل نیرو را نداشته و کاملا خم می شود و نیروی اعمالی توسط دستگاه کاهش می یابد. این نقطه همان نقطه شکست در تست خمش است.

برای استخراج نتایج از تست خمش لازم است که مقادیر متغیرهای زیر به دقت اندازه گیری شوند. این اندازه گیری ها بسته به نوع متغیر ممکن است قبل از آزمون خمش و یا بعد از آن انجام شوند.

سپس مدول الاستیسیته خمشی، تنش خمشی و کرنش خمشی قطعه تست با روابط ارزشمند زیر محاسبه می گردند.

دستگاه تست خمش

در فرایندهای آزمایشی صنعتی و دانشگاهی، معمولا از دستگاه کشش یونیورسال یا TB برای تست خمش استفاده می شود. این دستگاه اغلب برای کنترل کیفیت، بازرسی، آزمون فیزیکی مخرب، تحقیقات مکانیکی در توسعه مواد و محیط تولید کاربرد دارد. در دستگاه کشش یونیورسال علاوه بر آزمون های کشش و فشار، آزمون های دیگری نیز مانند خمش، برش، قدرت اتصال، استحکام شکست، لایه برداری، پاره شدن، خستگی و قابل پیاده سازی هستند. دستگاه تست کشش یونیورسال قابلیت انجام آزمون‎ خمش را روی انواع فولاد، پلاستیک، لاستیک، سیم، کابل و پیچ دارد. توسط نرم افزار کامپیوتری پیشرفته آن نگاره تست خمش به صورت خودکار انجام شده و نتایج محاسبه و اعلام می گردند. از ویژگی های این دستگاه می توان موارد زیر را نام برد:

• امکان اتصال انواع گیره ها و سندان ها
• ارتباط دستگاه و نرم افزار نگاره به صورت WiFi
• دارای لودسل (loadsell) با دقت ۰٫۰۱% نیروی نامی
• فک های متنوع برای قطعات گرد و چهارگوش
• گیره با مکانیزم گوه ‎ای و درایور با جک های پنوماتیکی
• قابلیت انجام تست ها به صورت خودکار

کاربردهای تست خمش

یکی از مهمترین کاربردهای تست خمش در صنایع، اندازه گیری میزان تحمل شاسی در وسایل نقلیه است. به عنوان مثال شاسی یک خودرو را در نظر بگیرید. میزان نیروهای اعمال شده به شاسی در محلی که چرخ زیر آن وجود ندارد محدود است و در صورت افزایش نیرو بیش از حد مجاز می تواند باعث خم شدن شاسی خودرو شود. حال اگر حد تحمل خمشی برای شاسی اندازه گیری گردد می توان این نیروها را با توجه به جنس شاسی بهینه سازی کرد. علاوه بر این، این آزمون در اندازه گیری میزان مقاومت خمشی قطعات جوشکاری شده در نقطه اتصال نیز کاربرد بسیار وسیعی در صنعت دارد. نتایج تست خمش، از مهم ترین جزئیات کنترل کیفیت برای جوش هاست.

از کاربردهای دیگر تست خمش می توان به صنعت ساختمان اشاره کرد. در سازه ها می بایست تیرها و میلگردها تحت آزمون خمش قرار گرفته و حداکثر تحمل بار آن ها تعیین شود تا هنگام بارگذاری دچار مشکل خمیدگی نشوند. علاوه بر صنعت ساختمان، آزمون خمش برای اندازه گیری مقاومت خمشی ایمپلنت ها و سازه های مصنوعی بدن انسان مانند استخوان ها استفاده گسترده ای دارد. معمولا این اعضای مصنوعی در مفاصل بدن تحت بارهای خمشی قرار می گیرند. بنابراین حصول اطمینان از مقاومت این اعضا ضروریست. تست خستگی خمشی نیز با اعمال بارهای خمشی متناوب یا سیکلی قابل اجراست و می توان خواص خستگی خمشی قطعات را در این تست ارزیابی کرد.

در این قسمت توجه شما را به فیلمی که در خصوص تست خمش تهیه شده، جلب می کنیم.

جمع بندی

تست خمش یکی از تست های مخرب پرکاربرد است که به علت مزایایی همچون سادگی، ارزانی و دقت بالا کاربرد گسترده ای در مراکز تحقیقاتی و صنایع دارد. از داده های به دست آمده حاصل از این تست می توان مشخصات خمشی ماده مانند مدول خمشی، تنش و کرنش خمشی مواد را به دست آورد. وجود این مزایا باعث شده تا امروزه آزمون خمش به عنوان مرجعی مناسب برای تعیین خصوصیات خمشی ماده در فرایندها و طراحی ها واقع شود.

بررسی سایر روش های بازرسی مخرب مواد

• آزمون کشش (Tensile Test)
• آزمون فشار (Compression Test)
• مروری بر روش های سختی سنجی مواد (Haedness Test)
• آشنایی با تست ضربه (Impact Test)
• خزش و مکانیزم های آن (Creep and Mechanisms)
• از خستگی در مواد چه می دانیم؟ (Fatigue Test)
• متالوگرافی و کاربردهای آن (Metallography)

منابع

• substech.com
• sciencedirect.com