تست فشار

تست فشار یکی از آزمون های مکانیکی برای آنالیز قطعات مختلف است. اساس کار این تست بر پایه اعمال نیروی فشاری از دو طرف به قطعه است. این تست توسط دستگاه یونیورسال انجام می شود و طی آن نمونه فشرده یا له می شود و مسطح می گردد. این دستگاه علاوه بر ازمایش فشار برای انجام آزمون کشش نیز استفاده می گردد. شکل نمونه مورد استفاده در ازمون فشار می تواند به صورت مکعبی، استوانه ای و یا در برخی موارد به شکل لوله باشد.

نمونه ای در حال انجام آزمایش فشار

نحوه انجام تست فشار

همانطور که در قسمت قبل اشاره شد، ازمون فشار در دستگاه تست فشار یونیورسال انجام می شود. نمونه مورد نظر بین دو صفحه دستگاه قرار می گیرد و این دو صفحه از دو طرف سطح نمونه به آن نیرویی مخالف هم اعمال می کنند و این دو صفحه تا حد کمانش یا شکست ترد به سمت نمونه نیرو وارد می کنند که باعث می شود نمونه مسطح یا شکسته شود. شکل، هندسه و خواص استحکامی قطعه تعیین می کنند که چه دستگاهی برای انجام این آزمون استفاده شود. مکانیزم انجام این تست و اعمال نیروی فشاری، برعکس آزمون کشش است.

تصویر نمونه ای در حین انجام تست فشار دچار شکستگی شده است

 اگر بخواهیم از آزمون های فشار مختلف مثال هایی بیاوریم، می توانیم به تست یکنواخت، دوقطبی، سه گانه، دمای سرد، حرارت بالا، خستگی و خزش اشاره کنیم.

نحوه تغییر شکل قطعه حین انجام تست فشار

اعمال فشار به نمونه زیر دستگاه توسط فک های دستگاه صورت می گیرد. به علت وجود اصطکاک در سطح قاعده های قطعه، در جهت شعاع و مماس، تنش های عرضی هم زمان با اعمال فشار محوری وارد می شود. به همین دلیل و در واقع به علت وجود اصطکاک و تنش های حاصل از آن، نمونه در حین انجام تست به صورت یکنواخت تغییر شکل نمی دهد. نواحی تاثیرپذیر مخروطی شکل، منطقه مرده یا Dead Zone نامیده می شود. تنش اعمال شده به قطعه در این مناطق به حد تسلیم نرسیده است. درنتیجه قسمت های مخروط مانند نمونه که در تماس با فک های دستگاه یونیورسال قرار دارند، یا تغییر شکل نمی دهند و یا تغییر شکل کمی دارند. در مقابل، قسمت های میانی نمونه بدون هیچ محدودیتی دچار تغییر شکل پلاستیک می شود. این تغییر شکل باعث می شود نمونه به صورت بشکه ای که دورتادور آن متورم شده باشد، تغییر شکل و این تغییر شکل به صورت غیریکنواخت اتفاق می افتد.

تغییر شکل قطعه حین انجام آزمایش فشار و بشکه ای شدن قطعه

به عبارتی می توان گفت، به دلیل یکسان نبودن اصطکاک بین سنبه و فک های دستگاه تست فشار یونیورسال در تمامی سطوح نمونه، قسمت هایی از نمونه که بیشترین سطح تماس با سنبه و فک های دستگاه را دارند، تغییر شکل مومسان بیشتری داده و نوعی تغییر شکل ناموزون در نمونه رخ می دهد که اصطلاحا به آن “بشکه ای شدن” گفته می شود.

کاربرد تست فشار

از نمونه هایی می توان تست فشار گرفت که، استحکام فشاری بالا و در مقابل استحکام کششی کمتری داشته باشند. می توان گفت تقریبا تمام مواد می توانند بسته به کاربردشان تحت نیروهای فشاری قرار گیرند.

دستگاه تست فشار نیمه اتوماتیک

 اما اگر بخواهیم رایج ترین موادی که می توان از آن ها این تست گرفت را معرفی کنیم، می توانیم به کامپوزیت ها، سنگ، چوب، بتن، آجر، پلیمرها و پلاستیک ها، اسفنج ها و فلزات اشاره کنیم. در مورد فلزات، فلزاتی را می توان با آزمون فشار ارزیابی کرد که در آزمایش کشش ازدیاد طول بیش از حد نشان می دهند. در واقع برای فلزات می توان از هر دو تست فشار و آزمون کشش استفاده کرد. اما فلزاتی که ترد هستند عملکرد بهتری در آزمون فشار نشان می دهند.

عوامل موثر بر نتایج تست فشار

عوامل مختلفی مانند شکل قطعه، نسبت ارتفاع به قطر قطعه، روغن کاری و پرداخت سطحی روی نتایج حاصل از این تست تاثیرگذارند که هرکدام را در ادامه توضیح خواهیم داد.

شکل قطعه

نمونه های استوانه ای شکل در مقابل نمونه های مکعبی با همان سطح قاعده و ارتفاع، استحکام فشاری بیشتری دارند. دلیل آن هم به توزیع مناسب تر تنش در نمونه های استوانه ای نسبت به نمونه های مکعبی مربوط می باشد.

قطعه ای استوانه ای شکل که تحت تست فشار دچار شکستگی شده است

نسبت ارتفاع به قطر قطعه

رعایت نسبت ارتفاع به قطر نمونه در انجام این آزمایش مهم است چرا که این نسبت روی استحکام فشاری تاثیر می گذارد. این تاثیر بدین گونه است که، هنگامی که هر دو مخروط فشاری داخل یکدیگر شوند، استحکام فشاری به ماکزیموم مقدار خود می رسد. با کمک رابطه زیر می توان ابعاد متداول برای تست فشار را تعیین کرد.

h₀=ad₀

که در این رابطه h₀ ارتفاع اولیه نمونه، d₀ قطر اولیه نمونه و a ضریبی است که از 1 تا 3 متغیر است. اگر قطر نمونه را ثابت فرض کنیم، با افزایش نسبت d₀/h₀ (کاهش ارتفاع) ، شکست به ازای تنش های بالاتری اتفاق می افتد.

دستگاه آزمون فشار

 به منظور کاهش اصطکاک و درنتیجه افزایش تغییر شکل یکنواخت نمونه قرار گرفته در دستگاه تست فشار ، کاهش نسبت  d₀/h₀ پیشنهاد می شود. طبق آزمون های انجام شده و تجربیات، مقدار مناسب این نسبت، 0/5 است.

روغن کاری

با روغن کاری فک های دستگاه تست فشار در قسمت هایی که در تماس با نمونه هستند، ضریب اصطکاک به صفر نزدیک می شود. در غیر این صورت با اعمال نیروی فشاری روی قطعه، تنش های شعاعی و مماسی که ایجاد می شوند، باعث ایجاد بشکه ای شدن یا کمانش در راستای محور عمود بر اعمال نیرو خواهند شد. به همین دلیل، نمونه هایی که روغن کاری می شوند نتایج مناسبی ارائه می دهند. همچنین با روغنکاری عمر دستگاه و صفحه های فشار نیز افزایش می یابد.

پرداخت سطحی

از عواملی که در پرداخت سطوح قاعده نمونه روی استحکام فشاری به دست آمده تاثیر می گذارند، می توان به نوع و درجه پرداخت سطحی اشاره کرد. به این دلیل که این موارد مستقیما روی اصطکاک تاثیر می گذارند.

اپراتوری در حال انجام آزمایش فشار

نتایج تست فشار

این آزمون برای تعیین رفتار ماده تحت اعمال نیروی فشاری استفاده می گردد. تعیین رفتار ماده از طریق بررسی متغیرهایی مانند تنش، کرنش و تغییر شکل نمونه انجام می شود. درنتیجه با انجام این آزمایش و با استفاده از پارامترهای فشاری می توان استحکام فشاری، استحکام تسلیم، استحکام نهایی، حد الاستیک و مدول الاستیک را تعیین کرد. با بررسی این موارد می توان فهمید قطعه تحت آزمایش برای کاربرد موردنظر مناسب است یا خیر.

دستگاه تست فشار و نمودار حاصل از آن

از دستگاه تست فشار یونیورسال می توان نمودار نیرو بر حسب جابجایی را به دست آورد. سپس با استفاده از روابط موجود می توان نمودار تنش-کرنش را رسم کرد. کمیت های به دست آمده از نتایج تست فشار ، مشابه کمیت های قابل اندازه گیری در آزمون کشش هستند. با استفاده از این آزمایش می توان کمیت های زیر را تعیین کرد.

• حد تسلیم یا تنش سیلان (σ_y) که در واقع تنشی است که به ازای آن، تغییر شکل پلاستیک در نمودار تست فشار شروع می شود.
• استحکام فشاری مهندسی که تنشی را نشان می دهد که به ازای آن، اولین نشانه از ترک یا شکست روی سطح نمونه دیده می شود و طبق رابطه زیر است:

S=F_max/A₀

• استحکام فشاری حقیقی که در مورد آن می توان گفت، از آغاز تغییر شکل نمونه در تست فشار تا لحظه شکست نمونه، نیرو و سطح مقطع نمونه پیوسته افزایش می یابند.

σ=F/A_{لحظه ای}=Fh/A₀h₀

نمونه لوله ای قرار گرفته در دستگاه تست فشار

• کرنش فشاری مهندسی که به صورت فرمول زیر تعریف می گردد:

e=Δh/h₀

• کرنش فشاری حقیقی که به صورت فرمول زیر تعریف می شود:

ε=ln(h/h₀)

معایب تست فشار

این آزمون معایبی دارد که باعث می شود استفاده از این تست در برخی موارد با محدودیت روبرو شود. این محدودیت ها شامل موارد زیر است:

• تغییر شکل قطعه غیرهمگن است چرا که، اعمال نیروی محوری کامل، مشکل بوده و درنتیجه تنش های غیریکنواخت در قطعه ایجاد می شود.
• بین صفحات دستگاه تست فشار و نمونه، اصطکاک وجود دارد که باعث می شود تنش های اعمالی مقادیر کوچکی داشته باشند و درنهایت روی نتیجه آزمون تاثیر داشته باشد.

بررسی استحکام فشاری یک بطری آب پلاستیکی توسط آزمون فشار

• این آزمون برای نمونه های بزرگ محدودیت دارد به این دلیل که، این نمونه ها به خمیدگی و کمانش تمایل دارند و درنتیجه باید محدودیت ارتفاع نمونه نیز در این تست لحاظ شود.
• دقت نتایج این تست برای نمونه های کوچک پایین است و استفاده از نمونه های بزرگ نیز نیازمند تجهیزاتی با توان بالا است.

هزینه آزمایش فشار

هزینه آزمايش فشار به عوامل مختلفی مانند تعداد نمونه های مورد نظر برای انجام آزمایش، آماده سازی نمونه و تبدیل نمونه به ابعاد مورد نظر برای انجام تست، تجهیزات مورد استفاده در دستگاه تست فشار و غیره بستگی دارد. این موارد بررسی هزینه آزمایش فشار برای کاربر را نشان می دهند.

قطعه قرار گرفته در فک های یک دستگاه تست فشار

 اما اگر بخواهیم هزینه ازمايش فشار را برای صنایع و موسساتی که این آزمون را انجام می دهند بررسی کنیم، می توان به هزینه مربوط به خرید دستگاه های مدرن و مجهز و هزینه مربوط به تعمیر قطعات اشاره کرد.

خدمات آزمون فشار

امروزه موسسات و مراکز تحقیقاتی و بخشی از شرکت های فعال در حوزه متالورژی و صنایعی مربوط به آن، خدمات آزمون فشار را انجام می دهند. تحویل نمونه از متقاضی، آماده سازی نمونه در صورت نیاز، انجام تست فشار و تحویل نتایج آن به کاربر از جمله خدمات آزمون فشار در این مراکز است. برخی از مراکز تحقیقاتی که این آزمون را انجام می دهند، تحلیل نتایج توسط کارشناسان مربوطه را نیز به عنوان خدمات آزمون فشار ارائه می دهند.