هنگام طراحی تجهیزات مهندسی یکی از مهم ترین مولفه هایی که باید در نظر گرفته شود، سطح چقرمگی مواد است. اگر بخواهیم به طور مختصر توضیح دهیم که چقرمگی چیست، باید بگوییم این مفهوم به میزان توانایی یک ماده در راستای مقاومت در برابر شکستگی یا گسیختگی اشاره دارد.
با بررسی این ویژگی مهندسان می توانند تعیین کنند که یک قطعه تا چه حد قادر است انرژی را جذب کند (قبل از اینکه بشکند یا ترک بخورد.) بنابراین چقرمگی مواد را باید معیاری کلیدی برای سنجش سطح مقاومت و دوام یک ماده دانست که در برابر نیروها و فشارهای مختلف از خود نشان می دهد. ما در این مقاله به تعریف چقرمگی، تفاوت آن با سختی، فرمول و واحد این معیار مطالبی ارائه خواهیم داد.
میزان چقرمگی یک ماده را ریز ساختار، ترکیب شیمیایی، دما، سختی، نرخ بارگذاری و شیوه های ساخت تعیین می کنند. موادی که چقرمگی داشته باشند، قادرند انرژی بیشتری را قبل از فرایند شکست، جذب و پراکنده کنند. این ویژگی باعث می شود تا آن ماده در برابر ضربه ناگهانی یا بارگذاری غیر مترقبه مقاومت کافی از خود نشان دهد. این خاصیت برای بسیاری از صنایع ضروری و حیاتی است.
به عنوان مثال در صنعت هوافضا، از ورق های فلزی که چقرمگی بالا دارند برای ساخت قطعات موتور جت یا بدنه هواپیما استفاده می شود. این تجهیزات و قطعات در هنگام پرواز در معرض نیروهای مختلف قرار می گیرند، بنابراین چقرمگی بالا باعث می شود تا مقاومت خوبی از خود نشان دهند. اهمیت تعیین سطح چقرمگی مواد به این دلیل است تا قطعاتی طراحی و ساخته شوند که سطح ایمنی بالاتری ارائه کنند و احتمال شکست یا خرابی تجهیزات و قطعات را به حداقل برسانند.
واحد چقرمگی، ژول بر متر مکعب (J/m3) است و فرمول محاسبه آن چنین است: سطح زیر منحنی تنش_کرنش تا لحظه شکست. بر مبنای فرمول چقرمگی، ماده ای که دارای سطح چقرمگی بیشتری باشد برای شکست به انرژی بیشتری نیاز دارد. برای اندازه گیری دقیق میزان چقرمگی انجام تست ضربه و تست کشش ضروری است. البته موادی مانند شیشه یا سرامیک را با این روش ها تست نمی کنند، زیرا ساختار این مواد شکننده است.
عوامل موثر بر چقرمگی مواد شامل موارد زیر هستند:
ریز ساختار هر ماده نشان دهنده نحوه چینش اتم ها یا مولکول های آن ماده است. این چیدمان بر خواص مکانیکی مواد تاثیر می گذارد. بر همین اساس نحوه قرار گیری اتم ها و مولکول ها و نوع تعامل آن ها با هم بر چقرمگی نیز اثر می گذارد. اگر تعاملات میان مولکولی منظم و قوی باشد، سطح چقرمگی ماده بیشتر است.
ترکیب شیمیایی هر ماده ای به طور مستقیم بر چقرمگی آن تاثیر می گذارد. موادی که پیوند مولکولی طولانی و منظمی داشته باشند، از سطح چقرمگی بیشتری برخوردار هستند. اضافه شدن برخی عناصر آلیاژی خاص به فلزات باعث تغییر ساختار آن ها می شود و سطح چقرمگی را تغییر می دهد. به عنوان مثال اضافه کردن کربن به ساختار فلزات از میزان چقرمگی می کاهد و بر استحکام آن ها می افزاید.
جالب است بدانید میزان سختی مواد با سطح چقرمگی آنان رابطه عکس دارد. هرچه یک ماده سخت تر باشد، شکننده تر می شود، بنابراین چقرمگی آن کمتر است.
رابطه دما با میزان چقرمگی مستقیم است. به این معنا که وقتی دما بالا باشد، ماده توان جذب انرژی بالاتری را دارد و برعکس، هنگامی که دما پایین بیاد، چقرمگی هم کم می شود.
معمولا هر چقدر میزان بارگذاری بیشتر باشد، از میزان چقرمگی کاسته می شود. با این حال باید به این نکته اشاره کنیم که نوع بارگذاری هم مهم است. بسیاری از مواد واکنش واحدی به بارگذاری استاتیکی و دینامیکی ندارند.
شرایط ساخت و فرایند تولید بر میزان چقرمگی مواد اثر می گذارد. در حین عملیات تولید در ریز ساختار اتفاقاتی رخ می دهد که می تواند باعث افزایش یا کاهش سطح چقرمگی شود.
انواع چقرمگی را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
برای موادی که کاربرد آن ها به گونه ای است که ممکن است در معرض نیرو و فشار ناگهانی قرار بگیرند، چقرمگی ضربه یکی از مهم ترین ویژگی هایی است که باید مورد بررسی قرار بگیرد. چقرمگی ضربه به معنی میزان توانی است که یک ماده برای جذب انرژی و مقدار مقاومتی است که در برابر بارگذاری ناگهانی یا ضربه قبل از شکست از خود نشان می دهد. برای اینکه میزان چقرمگی ضربه یک ماده تعیین گردد از روش های تست ضربه شارپی یا ایزود استفاده می شود.
در این روش میزان توان یک نمونه معیوب در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست یا تنش را مورد بررسی قرار می دهند. وجود شیار یا ترک در هر ماده ای جز عیوبی محسوب می شود که سطح چقرمگی را پایین می آورد. هنگامی که میزان تنش زیاد می شود، ماده در قسمت های اطراف شیار انعطاف پذیری کمتری پیدا می کند و در نهایت می شکند. وجود شیار باعث می شود حالت شکست، ترد شود و این روش معمولا از طریق تست ضربه شارپی با شیار V شکل محاسبه می گردد.
هر ماده ای ممکن است دچار حفره، ترک، نقص در محل جوش و امثالهم شود و به طور کلی بروز عیب و نقص در قطعات اجتناب ناپذیر است. چقرمگی شکست بررسی می کند که یک ماده با وجود داشتن عیب و نقصی که از پیش در ساختار آن وجود دارد، چگونه در برابر تنش و اشاعه ترک، مقاومت می کند. بنابراین در این روش مقدار تنشی که نیاز است تا ترک بیشتر شود را مورد بررسی قرار می دهند و ضریب شدت تنش بحرانی را با پارامتر(KⅠC) نشان می دهند.
برای اندازه گیری چقرمگی از دو روش رایج استفاده می شود:
در روش تست ضربه به نمونه شیاردار تحت آزمایش ضربه ای وارد می شود تا سطح مقاومت آن در برابر شکست مشخص شود. در این روش بررسی می کنند که یک ماده تمایل به شکستن ترد دارد یا نرم. این آزمون در دماهای مختلف انجام می شود، زیرا میزان ترد شکستن مواد در دماهای مختلف یکسان نیست. موادی که استحکام بالایی دارند، سطح چقرمگی آن ها پایین است. بنابراین احتمال شکست ترد در آن ها وجود دارد اما فلزاتی که چقرمگی بالا دارند، احتمال شکست ترد در آن ها کمتر است.
در آزمون کشش، باید دوسر نمونه در طول به صورت خطی کشیده شود تا دچار تغییر شکل پلاستیک شده و شکست رخ بدهد. مادامی که نمونه هنوز نشکسته باشد، بار وارد شده تداوم پیدا می کند. هر چه مساحت سطح تنش_کرنش روی نمودار بیشتر باشد، یعنی ماده در طول بیشتر کش بیاید و نشکند، سطح چقرمگی آن بالاتر است.
معمولا مفهوم چقرمگی با سختی اشتباه گرفته می شود، اما واقعیت این است که این دو مقوله با یکدیگر متفاوتند. سختی یک ماده بیانگر این موضوع است که میزان دشواری برای برش یا تغییر شکل آن ماده چقدر است. اما چقرمگی نشان دهنده مقاومت یک ماده در برابر شکستن یا ترک خوردن است. برای بیان تفاوت سختی و چقرمگی و در یک مفهوم کلی می توان گفت، موادی که سخت تر هستند، عمدتا چقرمگی کمتری دارند.
زیرا هر آنچه سخت تر باشد، تردتر است، بنابراین مقاومت کمتری در برابر شکستن از خود نشان می دهد. اما همانطور که بیان شد، این قاعده «عمدتا» پابرجاست و استثنائاتی هم وجود دارد. یعنی موادی هم وجود دارند که هم سخت باشند و هم چقرمگی بالایی ارائه کنند. درک تفاوت سختی و چقرمگی و علم به میزان دقیق این معیارها برای هر ماده به مهندسان کمک می کند تا برای کاربردهای خاص، بهترین متریال را انتخاب کنند.
چقرمگی فولاد تاثیر بسیار زیادی در کاربرد این فلز در صنایع مختلف دارد. به عنوان مثال در صنایع خودروسازی از آلیاژهای فولادی با چقرمگی بالا برای ساخت بدنه استفاده می شود تا سطح ایمنی ماشین ها را بالا ببرد. فولاد با چقرمگی بالاتر در سوانح، تصادفات و در اثر ضربه ناگهانی به سرعت ترک نمی خورد و نمی شکند.
در واقع فولادی که دارای چقرمگی بالا باشد در دماهای مختلف بدون شکست و ترک، مستحکم باقی می ماند و این ویژگی برای انتقال سیالات حساس مانند نفت و گاز در مسافت طولانی، ساخت مخازن و ماشین آلات سنگین کاربردی است.
با توجه به اینکه قیمت آلیاژهای فولادی تابعی از قیمت آهن آلات است و قیمت آهن نیز طبق اوضاع اقتصادی کشور و نوسان بازار جهانی، ثبات ندارد، لازم است مهندسان بهترین و مناسب ترین نوع فولاد را برای کاربردهای مورد نظر تهیه نمایند.
بر این اساس باید درک درستی از ویژگی هایی نظیر چقرمگی، سختی، چکش خواری و … داشته باشند و در صورت نیاز با استفاده از روش های مناسب این ویژگی ها را بهبود دهند. چقرمگی فولاد را می توان با کاهش مقدار کربن و افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز و نیکل افزایش داد. انتخاب متریال مناسب ضمن اینکه کیفیت کار را بالا می برد در هزینه ها نیز صرفه جویی می کند.
سوالات متداول
چقرمگی فولاد را می توان با کاهش مقدار کربن و افزودن عناصر آلیاژی مانند منگنز و نیکل افزایش داد.
مواد چقرمه مقاومت بالایی در برابر ضربه و بارگذاری ناگهانی ارائه می دهند که سطح ایمنی، مقاومت در برابر تغییرات دمایی و انعطاف پذیری قطعات و مواد را افزایش می دهد. این ویژگی در صنایع هوا فضا، خودروسازی، نفت و گاز، مخازن و ماشین آلات سنگین بسیار حیاتی است.
مرکزآهن، مرجعی تخصصی و به روز برای کسب دانش و اطلاع از آخرین تحولات بازار آهن و فولاد است. با وبلاگ جامع ما، همیشه از آخرین اخبار و اطلاعات این صنعت آگاه باشید.