آزمون کشش
رفتار مواد در مقابل نیرو های کششی
بررسی رفتار الاستیکی و بیشتر پلاستیکی مواد به کمک نمودار تنش – تغییر بعد نسبی انجام می گیرد. برای به دست آوردن چنین نمودارهایی بیشتر از آزمایش کشش استفاده می شود.
آزمایش کشش از معمولترین و ساده ترین آزمایشهاست که به کمک آن نه فقط میتوان درباره رفتار الاستیکی و پلاستیکی مواد مختلف پیشگویی کرد، بلکه میتوان تعداد زیادی از خواص مکانیکی مواد از قبیل انعطاف پذیری ، مقاومت کششی، حد الاستیکی، مدو الاستیکی، حد تسلیم و استحکام شکست که برای کاربرد صنعتی مواد حائز اهمیت هستند را تعیین کرد.
در این آزمایش نمونه تهیه شده از جسم مورد نظر را روی یکی از انواع دستگاههای آزمایش کشش تحت تاثیر نیروی کشش، که با سرعت یکنواختی تا موقع شکست یا پاره شدن نمونه بر ان وارد می شود، قرار می دهیم. (شکل 1)
نمونه های آزمایش کشش به شکلهای استاندارد شده گرد و یا مسطح هستند. (شکلهای 1-2 و 1-3)
نمونه ها باید صاف و عاری از هرگونه شیار و یا زدگی باشند. طراحی نمونه های استاندارد شده باید طوری باشد که نمونه در موقع وارد آمدن نیرو بر آن تحت تاثیر نیروی تک محوری بوده و تنش محوری به صورت همگن و یکنواخت بر روی سطح مقطع توزیع شده و از به وجود آمدن تمرکز تنش در محلهای اتصال نمونه به دستگاه جلوگیری شود.
در هنگام آزمایش مقدار نیرو و تغییر طولهای مربوط به آنها اندازه گیری و بر روی نموداری رسم می شود. (شکل 1-4) در قسمت OA نمونه کاملاَ در حالت الاستیکی خالص است و بین افزایش نیرو و تغییر طول تناسب خطی برقرار است که به کمک مدول الاستیکی و رابطه هوک تعیین می شود. بدین جهت این قسمت از منحنی خط هوک هم نامیده می شود و نقطه A انتهای قسمت الاستیکی و نقطه شروع تغییر شکل پلاستیکی را نشان میدهد.
در قسمت تغییر شکل پلاستیکی مقدار نیرو همواره به طور پیوسته افزایش می یابد و در نقطه B به حداکثر خود می رسد. از نقطه B به بعد در موضعی از نمونه، سطح مقطع شروع به باریک شدن می کند در نتیجه نیرو هم کاهش می یابد، تا نقطه C که در آن نقطه نمونه می شکند. نمودار تنش – تغییر طول نسبی (کرنش) مهندسی از نمودار نیرو – تغییر طول با تقسیم مقدار آن به ترتیب به سطح اولیه () و طول اولیه ( ) به دست آمده و کاملاَ مشابه آن است. مقدار حداکثر تنش در نمودار تنش – تغییر طول نسبی یا کرنش، یعنی استحکام یا مقاومت کششی نامیده می شود.
غیر از مقاومت کششی کمیت دیگری که برای تغییر شکل پلاستیکی اهمیت خاصی دارد حد الاسیکی و یا نقطه شروع تغییر شکل پلاستیکی یا به عاتی حد تسلیم یا نقطه تسیم است. یافتن این نقطه یعنی تنشی که به ازای آن تغییر شکل پلاستیکی به آرامی شروع می شود معمولاَ بسیار مشکل است . بدین جهت به جای آن تنشی انتخاب می شود که به ازای آن مقدار معینی تغییر شکل پلاستیکی مانند 01/0% =
و یا 2/0% = صورت گیرد آن را حد تسلیم مهندسی ( ) می نامند، شکل (1-4- ب)
قبل از اینکه به کمیتهای دیگری که به کمک آزمایش کش به دست می آوریم بپردازیم، لازم است علت ات تنش در نمودار تنش – تغییر طول نسبی مهندسی را بیان کنیم. بعد از شروع تغییر شکل پلاستیکی تا نقطه تنش ماکزیمم یعنی تا رسیدن به استحکام کششی تغییر طول به صورت یکنواخت (اعم از الاستیکی و پلاستیکی) در تمامی طول نمونه انجام می گیرد که کاهش سطح مقطع یکنواختی را هم به همراه دارد.
بعد از رسیدن به تنش ماکزیمم در محلی از نمونه نازک شدن موضعی شروع می شود و ادامه می یابد، تا اینکه پس از گذشت لحظاتی منجربه شکست می شود. بنابراین در طول مدت آزمایش کل تغییر طول نسبی ظاهر شده شامل:
1 – تغییر طول نسبی الاستیکی ( ).
2 – تغییر طول نسبی یکنواخت از نقطه شروع تغییر شکل پلاستیکی تا نقطه تنش ماکزیمم (یکنواخت ).
3 – تغییر طول نسبی یا کرنش غیریکنواخت با نازک شدن موضعی سطح مقطع (ایجاد گلویی) از نقطه حداکثر تنش تا شکست است:
غیر یکنواخت + یکنواخت = کل
برای بررسی رفتار پلاستیکی مواد در صنعت شکل دادن از تغییر طول نسبی یکنواخت به عنوان یکی از مشخصه های فنی که دارای اهمیت زیادی است استفاده می شود.
کمیت دیگری که از آزمایش کشش به دست می آید، درصد کاهش نسبی سطح مقطع شکست است.
در این رابطه درصد کاهش نسبی سطح مقطع در باریکترین محل نمونه شکست شده است. کمیت مهمی بوده و برای تعیین شکل پذیری یا انعطاف پذیری یک ماده به کار می رود و برخلاف تغییر طول نسبی متعلق به ناحیه گلویی تا شکست، درصد کاهش نسبی سطح مقطع به طول نمونه بستگی ندارد. با توجه به انواع شکستها. (شکل 1-5) ملاحظه می شود که در اجسام کاملا” ترد درصد کاهش نسبی سطح مقطع به سمت صفر میل می کند، (شکل 1-5 الف)
آزمایش فشار :
رفتار مواد در مقابل نیروهای فشاری :
آزمایش فشار معمولا” برای بررسی کیفیت مواد ترد مانند چدن، آلیاژهای ترد و همچنین مواد غیرفلزی دیگی که در شرایط کاری بیشتر تحت تاثیر نیروهای فشاری قرار خواهد گفت، مثل تکیه گاههای فلزی یا آلیاژهای یاتاقانی، مواد سرامیکی، بتن و همچنین برای بررسی رفتار مواد فلزی که در عملیات شکل دهی تحت تنشهای فشاری قرار می گیرند، به کار می رود.
در آزمایش فشار نمونه استوانه ای شکل توپر را در قسمت مرکزی فکها یا صفحه های فشاری دستگاه آزمایش قرار داده و از دو طرف تحت تاثیر نیروی فشاری قرار می دهند. تجربه نشان می دهد که :
الف – مدول الاستیکی مواد تحت تاثیر تنشهای کششی و فشاری برابر است.
ب – در مواد نرم (شکل پذیر) نتایج به دست آمده از آزمایش کشش و فشار تقریباَ برابر است. این گونه مواد تحت تاثیر نیروهای فشاری معمولاَ بدون اینکه بشکنند به هم فشرده خواهند شد. بعد از اینکه تغییر شکل به مقدار ماکزیمم خود رسید، ترکهای طولی در نتیجه تنشهای کششی و یا ترکهای حدود 45 درجه ای در اثر تنشهای برشی در لایه سطح خارجی ایجاد می شود.
ج – در مواد ترد نتایج حاصله از آزمایش کشش و فشار، تفاوت قابل توجهی نشان می دهد. برای مثال در چدن خاکستری اثر شیار در لایه های گرافیتی برخلاف آزمایش کشش بی تاثیر است. ولی چوب به علت ساختار الیافی خود از این جهت مستثنی است.
د – نتایج حاصله از آزمایش فشار توسط عواملی مانند نوع پراخت کاری سطح قاعده نمونه و نوع روغنکاری تغییر خواهد کرد.
کمیتهایی که از آزمایش فشار به دست می آید و مشابه کمیتهای قابل اندازه گیری به وسیله آزمایش کشش است، عبارتند از:
1 – حد تسلیم یا تنش سیلان که در مواد نرم همان تنشی است که به ازای آن تغییر شکل پلاستیکی شروع می شود. ( )
هرگاه این حد در نمودار به دست آمده به طور کاملاَ واضحی مشخص نباشد به جای آن تنشی را که به ازای آن 2/0% تغییر شکل نسبی بر جای ماندنی داریم، یعنی را تعیین می کنیم.
2 – استحکام فشاری، تنشی است که به ازای آن اولین نشانه از ترک یا شکست روی سطح نمونه ظاهر می شود .
اما برخلاف آزمایش کشش از آغاز تغییر شکل تا لحظه شکست نیرو افزایش می یابد. زیرا به استحکام فشاری حقیقی را میتوان با استفاده از رابطه زیر تعیین کرد:
3 – فشردگی نسبی شکست یا به عبارتی کاهش نسبی ارتفاع تا شکست.
مقدار فشردگی نسبی شکست صنعتی و حقیقی به صورت زیر محاسبه می شود:
صنعتی
حقیقی
4 – افزایش نسبی سطح مقطع شکست
افزایش نسبی سطح مقطع شکست، بزرگترین مقدار تغییر شکل پلاستیکی (برآمدگی سطح جانبی) در زمان ظاهر گشتن اولین ترک است.
در شکل (1-6) رفتار مواد نرم و ترد تحت تنشهای کششی و فشاری برای مقایسه با یکدیگر نشان داده شده است.
تاثیر عوامل موثر بر روی نتایج آزمایش:
1 – حالت تنش و اصطکاک:
در آزمایش، فشار نیروی خارجی، معمولاَ از طریق صفحات فشار موازی (فکها) که سطح تماس آنها با نمونه روغنکاری نشده است ( ضریب اصطکاک) انجام می گیرد. همراه با فشار محوری به علت وجود اصطکاک در سطح قاعده های نمونه تنشهای عرضی در جهت شعاع و مماس وارد می شود. لذا در نتیجه وجوود اصطکاک در سطح قاعده های نمونه تنش های عرضی در جهت شعاع و مماس وارد می شود. لذا در نتیجه وجود اصطکاک و تنشهای ناشی از آن از تغییر شکل همگن و یکنواخت نمونه ممانعت می شود.
این ممانعت با افزایش فاصله از سطح فکها به صورت مخروطی کاهش می یابد. بدین صورت نواحی تاثیرپذیر مخروطی شکل به دست می آید (که هریک از ناحیه ها اصطلاحا” مخروط فشار یا مخروط اصطکاک یا منطقه مرده نامیده میشود) که در آنها تنش هنوز به حد تسلیم (حد سیلان) نرسیده است. بدین ترتیب قسمتهای مخروطی شکل از نمونه که در تماس با فکهای دستگاه فشار قرار دارد، به مقدار بسیار جزئی تغییر شکل یافته و یا هیچ تغییر شکلی نمی یابد و برعکس در قسمت وسط نمونه های نرم، تغییر شکل پلاستیکی بدون هیچ ممانعتی صورت می گیرد. به طوری که نمونه به شکل یک بشکه که دور تا دور وسط آن متورم شده باشد درآمده. شکل (1-7) و بدین ترتیب تغییر شکل به صورت غیریکنواخت انجام می گیرد.
در موقع شکست مواد ترد مشاهده می شود که مخروطهای اصطکاک برجای مانده، در صورتی که بقیه قسمتهای نمونه به صورت لایه ای فرو می ریزد که این پدیده به نسبت ارتفاع به قطر نمونه بستگی دارد. شکل (1-8)
چنانچه از ممانعت تغییر شکل به وسیله روغنکاری به قدر کافی درسطح تماس بین فکها و سطوح قاعده نمونه جلوگیری شود، به صورتی که باشد، ابتدا با تقریب نسبتا” خوبی یک حالت تنش تک محوری و یک حالت تغییر شکل سه محوری برقرار می شود. در این صورت نمونه در امتداد محور فشرده و در جهت عمود بر آن (در جهت شعاع و مماس) انبساط خواهد یافت. با فراتر رفتن مقدار انبساط از حد معینی، که بستگی به جنس نمونه داد، تنشهای شعاعی و مماسی ایجاد و شکست در جهت عمود بر امتداد تغییر شکل در نمونه ظاهر می شود. بنابراین نمونه های روانکاری شده در آزمایش فشار در جهت طول می شکند.