آزمون کشش (Tensile test)

مروری بر آزمون کشش مواد

مقدمه

آزمون های مکانیکی نقش مهمی در ارزیابی، توسعه و کنترل کیفیت مواد مهندسی دارند. آزمون کشش که در دسته آزمون های مخرب قرار دارد، معروف ترین آزمون خواص مکانیکی است که اطلاعات مهمی در خصوص خواص استحکامی ماده فراهم می کند. نتایج به دست آمده از تست کشش برای مهندسین اهمیت زیادی دارد. چرا که در اکثر موارد لازم نیست یک قطعه فلزی بشکند تا از کار افتاده تلقی شود؛ بلکه تغییر شکل پلاستیک هم نوعی از کار افتادگی است. در نتیجه اطلاع از خصوصیات کاری قطعات مخصوصا سطح تنشی که در آن تسلیم پلاستیک آغاز می شود، بسیار مهم است. با توجه به اهمیت بالای نتایج تست کشش، در این مقاله به بررسی این تست می پردازیم.

تست کشش چیست؟

تست کشش که با عنوان تست تنش نیز شناخته می شود، اساسی ترین نوع آزمون مکانیکی است که می توان روی یک ماده انجام داد. به زبان ساده در این تست با کشیدن ماده توسط فک های دستگاه کشش، می توان واکنش آن را در برابر نیروهای اعمالی تعیین نمود. مشخصا هنگامی که ماده کشیده می شود، می توان به استحکام کششی (UTS) و ازدیاد طول (EL)  آن ماده دست یافت.

در مراحل اولیه آزمون ارتباط بین بار وارد شده و ازدیاد طول نمونه، به ‌صورت خطی است. اگر نمونه ای در این ناحیه خطی تحت بار قرار گیرد، با برداشتن بار دقیقا به همان شرایط قبل از بارگذاری بازمی گردد. این ناحیه، به ناحیه الاستیک معروف است. پس از این ناحیه، با افزایش بیشتر نیرو ماده وارد ناحیه‌ی تغییر شکل پلاستیک می شود. در این ناحیه با برداشتن نیرو، ماده به شرایط قبل از اعمال نیرو باز نخواهد گشت. نقطه ای که در آن تغییر شکل از حالت الاستیک وارد پلاستیک می شود به «حد الاستیک، حد تناسب یا نقطه تسلیم» معروف است. تست کشش معمولا تا شکست قطعه ادامه می یابد تا نمودار نیرو-جابجایی و بعد از آن تنش-کرنش به شکل کامل به دست آید.

نمونه سازی در آزمون کشش

نمونه های فلزی مورد استفاده در آزمایش استاندارد کشش به نحوی شکل دهی می شوند که شکست، در قسمت مورد نظر یعنی در طول “گِیج «Gage»” صورت پذیرد. استانداردهای کاملا مشخصی برای ابعاد نمونه ها تعیین شده است (مثلا ASTM E8).

طول گیج طولی است که برای اندازه گیری درصد ازدیاد طول و بررسی تغییر شکل مومسان نمونه استفاده می شود. 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.

مطابق شکل زیر ناحیه سطح گیره، بازوهای نمونه بوده که در داخل فک های دستگاه محکم می شوند. این بازوها باید به قدری بزرگ باشند تا نمونه به سهولت داخل فک ها قرار گیرد و طی آزمون ثابت باشد و نلغزد. برای نمونه هایی با سطح مقطع مدور، در صورت لزوم این بازوها رزوه می شوند. در ریخته‌گری‌ ها و آهنگری‌ های بزرگ، معمولاً مقداری ماده اضافی در نظر گرفته می‌شود تا بتوان با جدا کردن بخش ‌های اضافی از آن قطعه، نمونه های تست کشش را تهیه کرد. این نمونه‌ها ممکن است دقیقاً نشان دهنده تمام قطعه کار نباشند چرا که ساختار بلور ممکن است در سراسر آن متفاوت باشد. در قطعه کارهای کوچک ‌تر هنگامی که قسمت‌های حیاتی از ریخته‌گری باید آزمایش شود، یک قطعه کار ممکن است برای ساختن نمونه‌های آزمون قربانی شود.

نمونه استاندارد آزمون کشش همراه با قسمت های مربوطه

دستگاه آزمون کشش

ماشین های تست کشش 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:

• سیستمی 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 عموما 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.

تحلیل نتایج تست کشش

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 است. تنش و کرنش مهندسی مستقل از هندسه و شکل قطعه هستند. در شکل زیر یک نمونه از منحنی تنش-کرنش مهندسی، برای مواد نرم یا داکتیل مشاهده می شود.

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 یا همان استحکام کششی، ادامه دارد. در استحکام کششی حداکثر، فرایند گلویی شدن نمونه، شروع می شود.تنش کششی حداکثر از رابطه زیر به دست می آید:

از آنجا که محاسبه استحکام کششی ساده است و یک پارامتر کاملا تکثیر پذیر 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 نیز، استحکام کششی یک معیار معتبر در طراحی محسوب می شود.

7

دقیــقه مطالعه

تنش و کرنش به زبان ساده

مقدمه منحنی تنش کرنش یکی از اولین منحنی‌ها یا نمودارهای استحکام مواد است که مهند...

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 آفست (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.

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 (Z) و کاهش سطح مقطع (RA) هم نمادی از داکتیلیته هستند که در این جا روابط مربوط به آن ها آورده شده است:

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

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

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.

فیلم آشنایی با تست کشش مواد

شما می توانید برای مشاهده سایر تست های مخرب به لینک های زیر مراجعه کنید:

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

منابع

• خواص مکانیکی دیتر – ترجمه شهره شهیدی
• اصول علم مواد – حسین تویسرکانی