آزمون ضربه

آزمون ضربه جزو آزمون های مکانیکی است از طریق ایجاد تنش دینامیکی و به دست آوردن انرژی شکست مواد، آنالیز قطعات را انجام می دهد. در واقع تست ضربه تمایل قطعات به شکست ترد را بیان می کند. این تست معیاری برای مقایسه رفتار مواد در برابر ضربه با رفتار مواد در برابر بار استاتیکی (کشش یا خمش) است. ازمون ضربه مقدار انرژی لازم برای شکستن قطعه در اثر ضربه را مشخص می کند. این تست یک نوع تست شبیه سازی بوده و برای جلوگیری از شکست قطعه و یا پیش بینی شکست آن کاربرد دارد.

شماتیک دستگاه تست ضربه

انواع آزمون ضربه

همانطور که پیش تر نیز به آن اشاره شد، آزمون ضربه انرژی مورد نیاز برای شکست قطعه در اثر ضربه و مقاومت قطعه ای که تحت فشار ناگهانی قرار گرفته است را اندازه گیری می کند. روش های آزمایش ضربه به دو دسته تست ضربه شارپی (charpy) و روش آیزود (Izod) تقسیم بندی می شود. تفاوت این دو روش در نحوه قرار گیری نمونه در دستگاه تست ضربه می باشد.

تست ضربه شارپی

در تست ضربه شارپي ، نمونه به شکل یک تیر بوده و ضربه در میانه دهانه تیر و پشت محل شیار وارد می شود. نمونه هایی که توسط تست ضربه شارپی مورد آزمایش قرار می گیرند، به شکل V یا U هستند. تست ضربه شارپی به منظور ارزیابی خواص ضربه ای در دمایی غیر از دمای محیط نیز کاربرد دارد. هم چنین می توان با کمک این تست، سطح شکست مواد را به دست آورد.

دستگاه تست ضربه شارپی

با کمک نتایج آزمون ضربه شارپی می توان فهمید، شکست به صورت رشته ای (شکست برشی) ، دانه ای (شکست رخ برگی) و یا ترکیبی از هر دو است. این حالت های شکست بطور واضح با چشم قابل مشاهده هستند. تخمین درصد شکست رخ برگی یا رشته ای برای ارزیابی سطح شکست لازم است. مورد دیگری که از تست ضربه شارپی می توان به دست آورد، شکل پذیری است. شکل پذیری با درصد انقباض نمونه در محل شیار نشان داده می شود. با محاسبه اختلاف ارتفاع اولیه و ثانویه آونگ نیز می توان مقدار انرژی جذب شده توسط نمونه را در تست ضربه شارپي به دست آورد.

نمونه ای که برای آزمون ضربه شارپی آماده می شود باید طبق استاندارد ASTM A370 بوده و طول آن 55 میلی متر باشد. سطح مقطع قطعه نیز باید به شکل مربعی و با ابعاد 10×10 میلی متر آماده شود. نمونه آزمون ضربه شارپی می تواند یک شیار V شکل با زاویه 45 درجه، عمق 2 میلی متر و شعاع ریشه 0.25 و یا یک شیار U شکل با عمق 5 میلی متر و شعاع ریشه 1 میلی متر داشته باشد.

آزمون ضربه ایزود

دستگاه تست ضربه ايزود دارای یک آونگ سنگین به وزن 27.24 کیلوگرم است که در یک قاب محکم قرار گرفته است. نقطه شروع حرکت آونگ از ارتفاع 0.61 متری بوده و سرعت آن در پایین نقطه، حدود 3.5 متر بر ثانیه است.

شماتیک دستگاه تست ضربه ایزود

نمونه شیاردار محکم به گیره دستگاه تست ضربه ایزود بسته شده و آونگ در پایین ترین نقطه حرکتش به آن برخورد می کند. آونگ پس از برخورد به نمونه و شکستن آن هنوز انرژی داشته و بالا می رود. بالاترین ارتفاع آونگ یادداشت می گردد. مقدار واقعی انرژی ای که باعث شکست قطعه می شود، توسط یک شاخص خوانده می شود. این شاخص همراه با آونگ روی یک صفحه مدرج در حال حرکت بوده و در موقعیت ماکزیموم آونگ متوقف می شود. نتیجه آزمون ضربه ايزود به صورت انرژی در واحد سطح گزارش می شود و معمولا با واحد کیلوژول بر مترمربع بیان می شود. مساحتی که محاسبه می شود، مقطع باقی مانده در قسمت شکاف است.

دستگاه تست ضربه آیزود اتوماتیک

نمونه مورد استفاده برای آزمون ضربه آيزود باید به صورت استاندارد تهیه شود بدین معنی که اگر به شکل مربع است، ابعاد 10×10 میلی متر و اگر دایره است، قطر 11.4 میلی متر داشته باشد. شیار V شکلی که در قطعه ایجاد می شود عمقی به اندازه 2 میلی متر دارد که با فرز ایجاد می شود. نمونه مورد استفاده برای آزمون ضربه آیزود می تواند دارای یک شیار یا سه شیار باشد. شیارهای موجود در نمونه سه شیاره در سه وجه مختلف و با زاویه 90 درجه نسبت به یکدیگر قرار می گیرند.

تفاوت نحوه وارد شدن ضربه به نمونه در دو آزمون ضربه شارپی و آزمون ضربه آیزود

کاربردهای آزمون ضربه

• اصلی ترین کاربرد این آزمون، به دست آوردن مقاومت قطعه در برابر ضربه است.
• از دیگر کاربردهای آزمایش ضربه می توان به تعیین چقرمگی، بررسی اثر دما بر مقاومت ضربه و بررسی میزان حساسیت مواد به شکاف نیز اشاره کرد.
• با استفاده از نتایج ازمون ضربه می توان در شرایطی که تنش و دمای مشخصی وجود دارد، مواد را به درستی انتخاب کرد.

دستگاه تست ضربه

• بررسی و تخمین رفتار شکست نرم و ترد قطعات با کمک آزمون ضربه امکانپذیر است.
• برای اطمینان از انجام صحیح عملیات حرارتی روی قطعه می توان از آزمون ضربه استفاده کرد.
• تعیین مقاومت به شکست در اتصالات جوشکاری شده نیز از مواردی است که توسط ازمایش ضربه امکانپذیر است.

نتایج آزمون ضربه

در قسمت های قبل چند مورد از پارامترهای حاصل از نتایج آزمون ضربه بیان شدند اما مهم ترین نتیجه آزمون ضربه ، به دست آوردن دمای تبدیل نرمی به تردی است. دمای تبدیل نرمی به تردی (DBTT) به صورت دمایی که پایین تر از آن، ماده در برابر شکست رفتار ترد و بالاتر از آن، ماده رفتار نرم از خود نشان می دهد، تعریف می شود. تفاوت شکست نرم و ترد در آزمايش ضربه در این است که، شکست ترد به صورت لحظه ای اتفاق افتاده و سطحی هموار دارد اما شکست نرم در زمان طولانی تری رخ می دهد و سطح آن نیز ناهموار است. برای شناسایی این دما، باید آزمون ضربه را در بازه های دمایی مختلفی انجام داد. پیدا کردن این دما در ساخت بسیاری از سازه ها مانند ساخت سازه های فولادی بسیار اهمیت دارد.

نمودار انرژی بر حسب دمای آزمون ضربه برای یافتن دمای تبدیل نرمی به تردی

از دیگر موارد مهمی که در آزمون ضربه شناسایی می شود، چقرمگی است. تعریف چقرمگی به صورت توانایی جذب انرژی در محدوده پلاستیک می باشد. درواقع چقرمگی میزان توانایی ماده در جذب انرژی و مقاومت آن در برابر ضربه تا لحظه شکست را نشان می دهد. چقرمگی به صورت میزان انرژی در واحد حجم تعریف شده و از ناحیه زیر منحنی تنش-کرنش (کششی) به دست می آید. به منظور بررسی مقاومت یک قطعه باید این نکته را مدنظر داشته باشید که، مقاومت در برابر ضربه با مقاومت در برابر شکست متفاوت بوده و مقدار کرنش این دو حالت نیز با هم فرق دارد.

تفاوت چقرمگی و شکست ترد

تفاوت آزمایش ضربه و تست کشش

شباهت این دو تست در این است که، اعمال نیرو در هر دو به صورت تک محوری است. اما در مقابل، در تست کشش ، نرخ کرنش پایین است و در آزمون ضربه ، نرخ کرنش بالا و نحوه اعمال نیرو به صورت ضربه ای است.

محدودیت های آزمون ضربه

ابعاد نمونه هایی که در آزمون ضربه استفاده می شوند، نسبت به نمونه های واقعی کوچکتر است به همین دلیل دمای انتقال نمونه های واقعی بیشتر است. درنتیجه دمای انتقال حاصل از ازمايش ضربه فقط برای مقایسه فلزات مختلف و آلیاژها استفاده می شود.

تفاوت دمای انتقال برای نمونه واقعی و نمونه مورد استفاده در آزمون ضربه

اگر در ساختار قطعه ترک وجود داشته باشد، طول آن بر روی دمای انتقال و انرژی جذب شده تاثیر می گذارد. درواقع با افزایش طول ترک، شکست ترد اتفاق می افتد چراکه سطح مقطع نمونه کاهش یافته و تحمل نیروهای اعمالی را ندارد درنتیجه شکست ترد صورت میگیرد.

هزینه آزمون ضربه

همانطور که می دانید و واضح است، اولین مورد تاثیر گذار در هزینه آزمون ضربه ، تعداد نمونه های موردنظر برای انجام تست است. در واقع هزینه آزمون ضربه بالا نبوده و می توان گفت به صرفه است. اما اگر هزینه آزمون ضربه قبل از ساخت قطعات فلزی یا سازه در نظر گرفته نشود باعث می شود علاوه بر گمراهی در انتخاب درست مواد، هزینه ها و خسارات دیگری ناشی از عدم آگاهی از مقاومت قطعه به وجود آید که ممکن است جبران ناپذیر نیز باشد. از آنجایی که دستگاه تست ضربه تقریبا ساده بوده و امکانات خاصی ندارد، می توان گفت هزینه آزمون ضربه از نظر دستگاه نیز به صرفه بوده و بهتر است چه در تولیدات صنعتی و چه در بخش تحقیقاتی از این تست و نتایج آن با دقت استفاده کرده تا عدم پرداخت هزینه آزمون ضربه خسارات سنگین تری را ایجاد نکند. لازم به ذکر است امروزه دستگاه های مدرن و دیجیتال نیز وجود دارند که استفاده از آن ها باعث می شود هزینه آزمون ضربه افزایش یابد.

دستگاه تست ضربه

خدمات آزمایش ضربه

اگر بخواهیم چند مورد از خدمات آزمایش ضربه را نام ببریم، می توانیم به آماده سازی نمونه در ابعاد مناسب برای دستگاه تست ضربه ، قرار دادن نمونه به شکل درست در دستگاه تست ضربه ، انجام تست و در نهایت تحویل نتایج آن اشاره کنیم. برای دستیابی به نتایجی درست، دقیق و با حداقل خطا بهتر است از خدمات آزمایش ضربه استفاده کرده و چندین بار این تست را انجام دهید. مراکز و موسسات و حتی برخی شرکت های فعال در حوزه های صنعتی، خدمات آزمايش ضربه را به متقاضیان ارائه می دهند. این مراکز در کنار خدمات آزمایش ضربه ، انواع دیگر تست های مربوط به آنالیز قطعات و ساخت قطعات فلزی، مانند تست سختی ، تست سایش ، تست فشار ، آزمون کشش و غیره را نیز انجام می دهند.