آزمونهاي مكانيكي مواد اهميت بسياري دارند زيرا عملكرد موفقيت آميز مواد در شرايط كاري نيازمندي هايي دارد، كه تأمين اين نيازها توســـط خواص فيزيكي و مكانيكي آن مشخص ميشود. نمونه هايي از خواص فيزيكي عبارت اند از چگالي، خواص مغناطيسي، هدايت حرارتي و نفوذپذيري گرمايي، خواص الكتريكي، گرماي ويژه و ضــريب انبســاط حرارتي.

معمولاً خواص مكانيكي بصـــورت رابطه ميان نيروها (يا تنش) وارده به يك فلز و مقاومت ماده در برابر تغيير شكل (مانند كرنش) و شكست بيان مي شوند. آزمونهاي مكانيكي مختلفي به كار گرفته مي شوند تا خواصي مانند مدول الاستيسيته، استحكام تسليم، تغيير فرم الاستيك و پلاستيك، سختي، مقاومت در برابر خستگي و چقرمگي شكست را اندازه بگيرند. دامنه خواص قابل بررسي بسيار گسترده است؛ از ميان اين خواص ميتوان از اسـتحكام نهايي كشـشـي، فشـاري و برشـي در دماي محيط و ديگر دماها، سفتي، سختي، استحكام ضربه اي، خواص تابع زمان مانند پديده هاي خستگي و خزش، مقاومت به اكســـايش، مقاومت به خوردگي و … نام برد. ارزيابي كامل تمام اين خواص براي هر ماده بسيار پرهزينه و وقت گير است و مهندس طراح بايد مشخص كند كدام خاصيت براي كاربرد مورد نظر مورد توجه است.

توجه داشــته باشــيد كه نياز به آزمون با پايان يافتن توليد از بين نميرود و لازم اســت ماده در طول عمر كاري اش مورد بازبيني و آزمون قرار گيرد تا تغييرات احتمالي ايجادشده در آن، از قبيل خسارتهاي مربوط به خستگي و خوردگي مشخص گردد.

1-2-15- آزمون سختی سنجی¹

براي بررسي سختي آزمونهاي متنوعي وجود دارد ازجمله آزمون سختي سنجي موس، آزمون سختي سنجي برينل، آزمون سختي سنجي ويكرز، آزمون سختي سنجي راكول، آزمون ميكروسـختي ويكرز، آزمون سـختي سـنجي نوپ، آزمون سـختي سـنجي شـر، سختي ميير، سختي در دماي بالا و … در ادامه يك مورد از آنها را بررسي ميگردد.

سختی سنجی راکول²

در اين آزمايش عمق فرورفتگي تحت بار ثابت، بعنوان مقياسي براي سختي استفاده ميشود. دليل پذيرش عمومي اين آزمايش، سرعت آن، عدم امكان بروز خطاي كاربر، قابليت تشخيص تغييرات كوچك سختي در فولاد سخت شــده و كوچك بودن اندازه فرورفتگي اســت. (بنابراين قطعات عمليات حرارتي شــده، ميتوانند بدون صدمه ديدن آزمايش شوند.) در آزمون راكول، براي ســـنجش ســـختي مواد مختلف از بارها و ســـنبه هاي متفاوتي استفاده ميشود. به طور كلي مخروط الماسي 120 درجه اي كه رأس آن كمي گرد است، به نام ســنبه برينل و گلوله هاي فولادي به قطرهاي 0.15 و 0.32 ســانتي متر به عنوان سنبه به كار ميروند. بارهاي اصلي كه به كار ميروند 150 ،100 ،60 كيلوگرم هستند. چون سختي راكول به بار و سنبه بستگي دارد، تعيين تركيب بار و سنبه مورد استفاده ضروري است. (اين عمل، با حروفي كه تركيب خاص بار و سنبه را نشان ميدهد، انجام ميشود و جدول مخصوص وجود دارد.)

نمونه ايي از دستگاه آزمون راكول

نحوه انجام آزمون راكول، هنگاميكه يك فرورونده تحت تأثير نيرو به درون يك ماده فشرده مي شود، هر دو نوع كرنش الاستيك و پلاستيك در اين ماده به وجود مي آيد. ولي ســختي، مقاومت ماده در برابر تغيير شـكل پلاسـتيك اســت. بنابراين، بايد نيروي فرورونده قبل از خواندن ســختي حذف شــود. البته براي اطمينان از اينكه اندازه خوان، عدد درست سختي را نشان ميدهد، هنگام خواندن، يك نيروي مختصر روي فرورونده اعمال ميشود تا مطمئن شويم كه فرورونده در تماس كامل با كف فرورفتگي قرار دارد. اين امر در ســـختي راكول از طريق اعمال يك نيروي جزئي (كم) و يك نيروي كلي (زياد) حاصل ميشود. بيشترين ميزان اطمينان به نتايج آزمون راكول هنگامي است كه عدد سختي بين 20 و 70 باشد. مقياس هاي مختلف راكول با همديگر همپوشاني دارند و نكته مهم اين است كه تركيب مناسب فرورونده و نيروي فشار براي ماده موردنظر انتخاب شود. عمق حفره نبايد از 100 درجه صفحه نمايش تجاوز كند.

2-2-15- آزمون کشش¹

منحني تنش – كرنش مهندسي

اين منحني از آزمون كشــش به دســت مي آيد. با آزمايش كشــش يك فلز نرم ميتوان داد ههايي اسـاسـي درباره خواص مكانيكي آن به دسـت آورد. در اين آزمايش يك نمونه اســتاندارد شــده را در جهت محوري تحت بارگذاري قرار ميگيرد و در نهايت تحت اثر افزايش اين نيرو مي شـــكند. در حين آزمايش مقدار افزايش طول در فواصـــل متناوب اندازه گيري شـــده و تنش و كرنش ميانگين طبق معادلات به دســـت مي آيند. داده هاي به دست آمده از آزمايش كشش به صورت نمودار تنش-كرنش رسم ميشود.

منحني تنش – كرنش مهندسي

پارامترهايي كه از منحني تنش – كرنش مهندسي به دست مي آيند عبارت اند از:

– استحكام كششي

– استحكام تسليم

– داكتيليته (شكل پذيري)

– مدول كشساني

– جهش يا برجهندگي

نحوه انجام آزمايش كشش

نمونه استاندارد را در قسمت مركزي فك ها يا صفحه هاي دستگاه آزمايش قرار داده و از دو طرف تحت تأثير نيروي كشش قرار ميدهند. تنش طولي ميانگين از تقســـيم بار بر ســـطح مقطع اوليه به دســـت مي آيد و كرنش مورد اســتفاده در منحني تنش – كرنش مهندســي، كرنش خطي ميانگين اســت كه از تقسيم ازدياد طول مربوط به طول نمونه بر طول اوليه آن به دست مي آيد. شـــكل و مقدار منحني تنش – كرنش يك فلز به تركيب شـــيميايي، عمليات حرارتي، تاريخچه قبلي تغيير شكل پلاستيك (مومسان) و آهنگ كرنش، دما و حالت تنش وارده هنگام آزمايش بستگي دارد. استحكام كششي، استحكام تسليم، درصد ازدياد طول و كاهش ســطح مقطع پارامترهايي هســتند كه در تشــريح منحني تنش – كرنش هر فلز به كار ميروند. دو پارامتر اول معرف اســـتحكام و دو تاي بعدي معرف داكتيليته (شكل پذيري) هستند. بطور خلاصه، ميتوان گفت كه در ابتدا بعد از تغيير شكل الاستيك (كشسان)، مقدار كار ســختي بيش از كاهش در ســطح مقطع اســت و نيرو با ادامه تغيير شــكل افزايش مي یابد ولي در يك نقطه كه مقدار كاهش در ســطح مقطع بيش از كار ســختي اســت، جسم شروع به گلويي شدن ميكند و نيروي لازم براي ادامه تغيير شكل كاهش مييابد. ولي در واقع كرنش سختي يا كار سختي فلز تا لحظه شكست آن ادامه دارد. بطوريكه تنش لازم براي ازدياد طول بايد زياد شود، اين پديده در منحني تنش – كرنش حقيقي ديده ميشود.

منحني تنش – كرنش حقيقي

در منحني تنش – كرنش حقيقي تنش حقيقي بطور پيوســته تا ايجاد شــكســت زياد ميشود؛ زيرا تنش حقيقي برحسب سطح مقطع واقعي نمونه محاسبه ميشود. در اين منحني، مقدار كرنش نيز برحسب مقادير لحظه اي محاسبه ميشود. منحني تنش – كرنش حقيقي به منحني جريان نيز موسوم است، چون مشخصه هاي جريان پلاستيك ماده را نشان ميدهد. منحني تنش – كرنش مهندسي نمودار واقعي ويژگيهاي تغيير شكل يك فلز نيست، زيرا بر مبناي ابعاد اوليه نمونه بدست مي آيد ولي، اين ابعاد حين آزمايش دائماً تغيير ميكند. همچنين فلز نرمي كه در كشـــش، كشــيده ميشــود، ناپايدار شــده و طي آزمايش گلويي ميشــود. چون در اين مرحله از آزمايش سطح مقطع نمونه به سرعت كم مي شود، بار لازم براي ادامه تغيير شكل افت ميكند. به همين ترتيب، تنش ميانگين بدست آمده بر مبناي سطح اوليه، كم شده و اين امر باعث افت منحني تنش- كرنش پس از نقطه بار حداكثر ميشود. درواقع، فلز در تمام م سير تا ايجاد شكست، كارسخت ميشود، طوري كه تنش لازم براي ايجاد تغيير شكل بيشتر نيز بايد زياد شود.

منحني تنش – كرنش حقيقي

تنش حقيقي σ و تنش مهندسي s طبق فرمول زير باهم رابطه دارند.

(σ = s(e + 1

اســـتخراج معادله بالا با فرض ثابت بودن حجم و توزيع همگن كرنش در امتداد طول گيج نمونه كشش انجام شده است. بنابراين معادله بالا فقط تا شروع گلويي صادق است.

فراتر از بار حداكثر، تنش حقيقي بايد توســط مقادير حقيقي بار و ســطح مقطع تعيين شـــود. معمولاً پارامترهايي كه در زير ذكر ميشـــوند از منحني تنش حقيقي – كرنش حقيقي بدست مي آيند.

– تنش حقيقي در بار حداكثر

– تنش حقيقي شكست

– كرنش حقيقي شكست

– كرنش حقيقي يكنواخت

– كرنش حقيقي گلويي شدن موضعي

نحوه انجام آزمايش كشـش

اين نوع همانند حالت بدســت آوردن منحني تنش – كرنش مهندسي مي باشد.

3-2-15- آزمون خمش¹

آزمون خمش بيشتر براي تعيين استحكام كششي مواد ترد به كار ميرود. آزمون كشش محوري مواد ترد، مانند شيشه و سراميك، اگر غير ممكن نباشد فوق العاده دشوار است. علت اين امر، مسائل مربوط به تهيه نمونه آزمايش با شكل مناسب و نگاه داشتن درست آن در ماشين آزمايش است. آزمونهاي خمشي در مورد بتن و پلاستيك هاي تقويت شده نيز بكار ميروند. روش متداول تعيين استحكام كششي مواد ترد، آزمون خمش سه نقطه اي است.

آزمون خمش سه نقطه اي

نمونه ايي از دستگاه خمش سه نقطه ايي

استحكام خمشي اي كه به اين ترتيب بدست مي آيد ضريب پارگي يا MOR ماده نيز خوانده ميشــود. هنگامي كه نمونه آزمايش در معرض خمش قرار ميگيرد، در ســطح بالايي آن تنش فشاري و در سطح پاييني آن تنش كششي به وجود مي آيد. استحكام كششي اين مواد كمتر از استحكام فشاري آنها است. هنگامي كه نمونه آزمايش در خمش آزمايش مي شود، شكست از سطح كششي آغاز مي شود و در نتيجه، نيروي شكست به استحكام كششي ماده مربوط است. بايد توجه داشـــت كه آزمونهاي ديگري نيز در مورد خمش وجود دارد مانند آزمون خمش چهار نقطه اي.

آزمون خمش چهارنقطه اي

نمونه ايي از دستگاه خمش چهارنقطه ايي

4-2-15- آزمون فشـــار¹

آزمون فشار معمولا براي بررســـي كيفيت مواد ترد مانند چدن، آلياژ هاي ترد و هم چنين مواد غير فلزي ديگري كه تحت شرايط كاري بيشتر تحت تاثير نيروهاي فشاري قرار خواهد گرفت، مثل تكيه گاه هاي فلزي يا آلياژهاي ياتاقاني، مواد ســـراميكي، بتن و همچنين براي بررسي رفتار مواد فلزي كه در عمليات شكل دهي تحت تنش هاي فشاري قرار ميگيرند، بكار ميرود. روش آزمايش فشـار، نمونه اســتوانه اي شــكل توپر را در قســمت مركزي فك ها يا صفحه هاي فشاري دستگاه آزمايش قرار داده و از دو طرف تحت تاثير نيروي فشاري قرار ميدهند.

5-2-15- آزمون خستگی¹

آزمون خستگي در آزمايشگاه معمولا بر اساس چرخه بارگذاري يكنواخت، كه بصورت تناوبي، تكراري، و يا نوساني اعمال ميشوند، انجام ميشود. دستگاه هاي متنوعي براي انجام آزمون خستگي طراحي شده اند.

نمونه ايي از دستگاه آزمون خستگي

نحوه انجام آزمايش خستگي، در مرحله اول بايد قطعات استاندارد سازي شوند كه بر اســـاس نوع آزمايش شـــكل و اندازه قطعه متفاوت خواهند بود ولي در نهايت قطعه بارگذاري متناوبي را تجربه خواهد كرد. در بعضــي از آزمون هاي خســتگي قطعه را به هنگام چرخش در وضــعيت خميده نگه ميدارند. از جمله اين آزمون ها، آزمايش تير چرخان مي باشد در اين آزمايش ها، در هر لحظه، يك قسمت از نمونه تحت تنش كششي و قسمت مقابل تحت فشار است.

يك نمونه از قطعه استاندارد براي آزمون خستگي

در آزمون خ ستگي با بارگذاري م ستقيم، به نمونه آزمايش هم ك شش و هم ف شار وارد ميشود، نمونه، ظاهري شبيه به نمونههاي آزمايش كشش دارد. لازم است كه بارگذاري روي قطعه، تك محوري باشد.

يك نمونه از قطعه استاندارد براي آزمون خستگي

در يك دور كامل، هر يك از قسمت هاي سطح، يك چرخه كامل تنش دريافت ميكند، به طوري كه متوسط تنش دريافتي صفر (R=0) است. اما بر اساس نوع نياز ممكن است ميزان تنش متوسط صفر نشود. يك مزيت روش آزمون تنش مستقيم در برابر آزمايش خمش دوراني، اين اســـت كه چرخه بارگذاري را ميتوان طوري تنظيم نمود كه تنش متوسط صفر نشود.

6-2-15- آزمون خمش¹

آزمون خزش معمولا بصــورت كشــشــي انجام ميشــود و نمونه هاي آزمون نيز داراي شكلي مشابه نمونه هاي آزمون كشش هستند. نمونه هاي آزمون خزش كششي، مقطع گرد يا مستطيلي دارند كه اندازه هاي نمونه ها به نوع ماشين آزمون بستگي دارد. ماشين هاي آزمون خزش بايد خصوصياتي به شرح زير داشته باشند:

الف) قابليت اعمال و حفظ نيروي ثابت داشته باشند.

ب) بايد فضاي مناسب براي حفظ دماي نمونه آزمايش داشته باشد.

پ) امكان اندازه گيري دقيق اندازه هاي مورد نياز را داشته باشد.

نحوه انجام آزمايش خزش

در يك آزمون خزش ابتدا نمونه همراه با ترموكوپل و كرنش سنج متصل به آن تا دماي انجام آزمايش گرم مي شود و سپس بارگذاري انجام مي شود. نيرو بايد به تدريج افزايش يابد و ازدياد طول ناشي از افزايش بار، تا رسيدن به تنش اسمي بايد ثبت شود. ثبت نتايج به منظور تعيين مقادير نسبي كرنش الاستيك و پلاستيك در آغاز بارگذاري ضروري است. پس از آن كه تغيير شكل پلاستيك اوليه ناشــي از اعمال بار به پايان رســيد، كرنش هاي اندازه گيري شــده در فواصــل منظمي از زمان، ثبت ميشوند. (فواصل زماني بين اندازه گيري ها، بستگي به آهنگ خزش دارد.) ماشين آزمون خزش كششي طوري طراحي ميشود كه نمونه به صورت قائم در آن قرار گيرد و معمولا نيروي محوري به گيره هاي نمونه، توسـط يك سـيسـتم اهرم و بار مرده (آويختن وزنه) اعمال ميشود. يك نكته مهم اين است كه دماي نمونه در خلال آزمايش به خوبي تحت كنترل قرار داشته باشد و علاوه بر اين، دما در تمام طول نمونه يكنواخت باشد. روش متداول، استفاده از يك كوره مقاومتي استوانه اي است كه روي قاب ماشين كشش نصب ميشود و در امتداد قائم قابل جابجايي است.

نمونه ايي از دستگاه آزمون خزش

براي انجام آزمايش تا 600 درجه سانتيگراد، بايد دماها تا حدود 2± درجه سانتي گراد ثابت نگه داشــته شــوند و براي محدوده 600 تا 800 درجه ســانتي گراد، اين مقدار 2.5± در جه ســـانتي گراد، و در دماهاي بين 800 تا 1000 اين مقدار 3± درجه سانتيگراد تعيين شده است. در خلال انجام آزمون خزش، به استثناي آزمايش تنش تا گسيختگي، لازم است مقدار كرنش به دقت اندازه گيري شــود. معمولا كرنش ســنج هاي به كار رفته حســاســيت اندازه گيري افزايش طول با دقت 10-3 يا 10-4 ميلي متر را دارند.

7-2-15- آزمون ضربه¹

آزمونهاي گوناگوني براي بررسي ضربه پذيري وجود دارد از جمله:

– آزمون ضربه شارپي

– آزمون ضربه ايزود

– آزمون ضربه با ميله شياردار

آزمون ضربه شارپي²

در اين آزمون همانند ساير روش ها بايد قطعه استاندارد با برش استاندارد تهيه گردد. آزمون شارپي براي مواد پلاستيكي هم مناسب است. در اين آزمون نيز مانند آزمون ايزود براي دست يابي به نتيجه خاصي كه نماينده خاصيت ماده باشد، حداقل ده نمونه بايد آزمايش شود. معيار ديگري كه از آزمايش شارپي بدست مي آيد، بررسي سطح شكست است. آزمون شارپي براي تعيين خواص ضربه اي در دماهايي غير از دماي محيط نيز مناسب است، زيرا لازم نيست نمونه آزمايش در گيره بسته شود. در آزمون شارپي، نمونه فقط روي دو پايه تكيه دارد، ميتوان نمونه آزمايش را در مدتي حدود چند ثانيه (در مقايسـه با چند دقيقه براي آزمون ايزود) از كوره يا يخچالي كه در نزديكي ماشـين آزمايش قرار دارد بيرون آورده، در محل خود در ماشين قرار داد و آزمايش را به اتمام رساند. در اين فاصله زماني كوتاه فقط افزايش يا كاهش كمي در دماي قطعه صورت ميگيرد. آزمايش ضربه با ميله شياردار هنگامي معني پيدا مي كند كه در يك دامنه دمايي انجام شود، تا دمايي كه در آن انتقال نرمي به تردي رخ مي دهد، تعيين شود. (انرژي جذب شده با كاهش دما كم مي شود ولي در بيشتر موارد كاهش در يك دماي مشخص رخ نمي دهد. اين عامل باعث مي شود كه تعيين دقيق دماي انتقال مشكل شود.) آزمايش هاي ضربه با ميله شياردار در معرض پراكندگي زيادي، به ويژه در ناحيه دماي انتقالي قرار دارند.

نمونه اي از دستگاه آزمون ضربه

نحوه انجام آزمايش ضربه شارپي

در آزمون ضربه شارپي نمونه آزمايش به حالت يك تير با تكيه گاه ساده مستقر ميشود و ضربه در وسط دهانه تير درست پشت محل شيار وارد ميشود. در يك ماشين آزمايش شارپي استاندارد، انرژي آونگ در پايين ترين نقطه حركتش 320 ژول است، البته ماشين هاي شارپي كوچكتر هم ساخته ميشوند. سرعت آونگ ماشين شارپي استاندارد 320 ژولي، در پايين ترين نقطه حركتش، به طور قابل ملاحظه اي بيشتر از سرعت برخورد آونگ ماشين ايزود استاندارد است و در حدود 5.3 متر بر ثانيه ميباشـد. نمونه هاي آزمون شـارپي را ميتوان با شـيار V شـكل يا U شكل تهيه كرد. مزيت اصلي آزمايش ضربه شارپي با شيار v اين است كه آزمايش نسبتا ساده اي است كه در آن از يك نمونه آزمايش كوچك و ارزان استفاده مي شود. آزمايش ها به سادگي در دامنه اي از دماهاي زير دماي محيط قابل اجرا هســـتند. هم چنين، طراحي نمونه آزمايش براي اندازه گيري اختلاف هاي چقرمگي شـــيار در مواد كم اســـتحكام مانند فولادهاي ســاختماني بســيار مناســب اســت. اين آزمايش براي مقايســه اثر نوع آلياژ و عمليات حرارتي بر چقرمگي شـيار به كار مي رود و غالبا از آن براي كنترل كيفيت و به منظور انتخاب مواد استفاده مي كنند. مشكل عمده اين است كه استفاده از نتايج آزمايش شارپي در طراحي سخت است، چون هيچ كميتي بر حسب ميزان تنش وجود ندارد. هم چنين هيچ رابطه اي بين داده هاي شارپي با اندازه ترك ريز وجود ندارد. علاوه بر اين، وجود پراكندگي زياد كه در اين آزمايش ذاتي است ميتواند تعيين منحني هاي مشخص دماي انتقالي را مشكل كند.

[Mechanical property [۱

[Hardness test [۱

[۲]Rockwell test

[۱]Tension test

[۱]Bending test

[۱]Pressure test

[۱]Fatigue test

[۱]Ipmact test

[۲]Charpy impact test