دانلود تحقیق آزمونهای رفتار مواد

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 تنشهای 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.

2 – نسبت ارتفاع به قطر نمونه: نمونه ها با ابعادی متناسب با ابعاد و خواص جسم مورد آزمایش و همچنین نسبت به نوع دستگاه آزمایش فشار انتخاب می شوند.

ابعاد متداول عبارتند از: در این رابطه h و d به ترتیب ارتفاع و قطر اولیه نمونه و a ضریبی است که می تواند بین 1 تا 3 تغییر کند.

در نمونه های بلد باید به خطر خمش تا حد شکست (کمانش) توجه شود.

چون مخروطهای اصطکاک به وجود آمده در اثر اصطکاک به طرف وسط نمونه کاهش می یابد.

نسبت ارتفاع به قطر به طور عمده ای بر روی استحکام فشاری تاثیر خواهد گذاشت.

بدین صورت که موقعی که هر دو مخروط در یکدیگر داخل شوند، استکام فشاری به مقدار ماکزیمم خود خواهند رسید.

برای یک قطر ثابت با افزایش نسبت d/h (یعنی با کاهش ارتفاع) شکست به ازای تنشهای بالاتری ظاهر می شود، شکل (1-9) از طرفی وجود اصطکاک بین سطح تماس نمونه و فکهای دستگاه آزمایش فشار سبب تغییر شکل یکنواخت در نمونه تحت فشار کاهش نسبت d/h است (ازلحاظ تئوری برای اصطکاک هم به مقدار صفر میل خواهد کرد).

اما کاهش بسیار زیاد قطر هم سبب کاهش حد فشردگی یا بروز خطر کمانش و شکست زودرس خواهد شد.

از این جهت با استفاده از روغنکاری میتوان تاثیر اصطکاک را تا حد امکان به حداقل رسانید.

تجربه نشان داده است که مقدار نسبت برای نسبت d / h حدود 5/0 است.

3 – درجه پرداختکاری سطح قاعده نمونه: نوع و درجه پرداختکاری سطوح قاعده از عواملی است که کم و بیش بر روی استحکام فشاری به دست آمده تاثیر خواهد گذاشت.

4 – شکل نمونه: نمونه های استوانه ای شکل استحکام فشاری بالاتری را نسبت به نمونه های مکعبی شکل با همان سطح قاعده و همان ارتفاع نشان می دهد، زیرا که توزیع تنش در نمونه های استوانه ای شکل مناسب تر از نمونه های کمعبی شکل است.

سختی : سختی به عنوان مقاومت یک ماده در مقابل تغییر شکل پلاستیکی و یا فرو رفتن ماده سخت تر دیگری در آن تعریف شده است.

سختی، یک خاصیت تعریف شده فیزیکی و استاندارد شده نیست، زیرا به وسیله عددی که از طریق یکی از روشهای به کار برده شده به دست می آید، تعیین می شود.

در بسیاری از موارد آزمایش کشش، که از لحاظ تهیه نمونه وقت گیر و پرخرج است، توسط آزمایش ساده سختی جایگزین می شود.

روشهای مختلفی برای تعیین سختی وجود دارد که هر کدام به نوبه خود مزایا و معایبی دارند و معمولاَ تمامی این روشها تاکنون در بررسی های کنترل کیفی و کارهای تحقیقاتی بسیار سودمند بوده است.

اکنون به شرح مختصری در مورد تعدادی از روشهای موجود می پردازیم.

- سختی برینل : سختی برینل یکی از قدیمی ترین روشهای استاندارد شده است که معمولاَ هنوز مورد استفاده قرار می گیرد.

در این آزمایش از یک ساچمه فولادی سخت شده به قطر D به عنوان فرو شونده استفاده می شود که با نیروی F به آرامی و به طور یکنواخت (بدون ضربه) بر سطح صیقلی شده قطعه مورد آزمایش به صورت عمودی فشار داده خواهد شد.

پس از حذف نیرو و برداشتن ساچمه از روی قطعه ابتدا مقدار تغییر شکل الاستیکی بازگشت کرده و تغییر شکل پلاستیکی به صورت حفره ای به قطر d و عمق t در سطح قطعه ابتدا مقدار تغییر شکل الاستیکی بازگشت کرده و تغییر شکل پلاستیکی به صورت حفره ای به قطر d و عمق t در سطح قطعه مورد آزمایش برجای باقی می ماند، شکل (1-10) قطر اثر ایجاد شده توسط میکرومتر اندازه گیری و سپس عدد سختی برینل از رابطه زیر بدست می آید: BHN = برای به دست آوردن عمق t از دو رابطه هندسی زیر استفاده می کنیم: چون یک طرف دو رابطه فوق با هم برابر است، بنابراین طرف دوم آنها هم باید برابر باشد: و بنابراین سختی برینل از رابطه زیر به دست می آید: ولی در عمل برای سهولت و صرفه جویی در وقت، از این رابطه برای محاسبه سختی مستقیما” استفاده نمی شود،‌ بلکه با اندازه گیری قطر اثر ،‌ عدد سختی برینل را مستقیما” از جداولی که همراه دستگاه اندازه گیری است تعیین می کنند.

سختی برینل با تغییر قطر ساچمه و مقدار نیرو تغییر می کند.

مقدار نیرویی را که وارد می کنیم با توجه به رابطه به دست آمده می توان به صورت F = XD2 نوشت که X = F / D2 را درجه نیرو می نامند.

درجه نیرو و قطر ساچمه را نسبت به جنس نمونه مورد آزمایش و ضخامت آن باید طوری انتخاب کنیم که پس از برداشت نیرو از روی نمونه قطر اثر ساچمه (d) بین 2/0 تا 7/0 قطر ساچمه (D ) باشد.

چنانچه قطر (d) کوچکتر از D2/0 باشد،‌ محیط یا لبه فرو رفتگی به خوبی نمایان نمی شود.

لذا برای اینکه سختیهای به دست آمده برای مواد مختلف قابل مقایسه باشد، لازم است با یک فرو شونده ثابت از نیروهای مختلف استفاده شود.

به طوری که نسبت X = F / D2 برای هر فاز مقدار ثابتی باشد.

این نسبت برای فولاد و چدن 30 ، برای آلیاژهای مس 10 و برای آلیاژهای آلومینیوم 5 و برای آلیاژهای سرب 5/2 است، جدول (1-1) باید توجه کرد که فواصل فرورفتگیهای مختلف از یکدیگر حدقل d2 انتخاب شود تا بدین وسیله از تاثیر مقدار سختی نقاط مجاور بر روی یکدیگر در نتیجه تمایل به کار سختی یا سختی کرنشی مواضعی از نمونه در اثر تغییر شکل پلاستیکی سود جلوگیری به عمل آید.

مدت زمان وارد آوردن نیرو باید به اندازه کافی باشد تا تغییر شکل پلاستیکی بتواند به خوبی انجام گیرد.

این مدت زمان برای فلزات سخت که درجه حرارت ذوبی بیش از 600 درجه سانتیگراد دارند حدود 10 ثانیه و برای فلزات نرم که درجه حرارت ذوب آنها کمتر از 600 درجه سانتیگراد است حدود 30 ثانیه است.

معایب روش برینل: 1 – این روش برای مواد بسیار سخت مناسب نیست.

2– محدودیت در ضخامت نمونه به طوری که ضخامت آن نباید کمتر از 5/2 میلیمتر باشد و یا به عبارتی دیگر نباید کمتر از ده برابر عمق فرورفتگی باشد.

- لبه فرورفتگی را همیشه نمی توان به راحتی دید و تشخیص آن در مود برخی از فلزات که دارای رنگ خاصی هستند دشوار است.

با وجود این معایب وش برینل بسیار ساده است و امتیاز آن در این است که سطح اثر فرورفتگی نسبتا” بزرگ است، به طوی که در اندازه گیری سختی غیر یکنواختیهای بسیار جزئی در نتیجه آزمایش تاثیر ندارد و دیگر اینکه به کمک روابط تقریبی داده شده می توان حد تسلیم و یا استحکام کششی را تعیین کرد.

برای مثال استحکام کشی فولادهای ساختمانی را می توان به طور تقریب از رابطه زیر که به طور تجربی به دست آمده است تعیین کرد: – سختی راکول : در اندازه گیری سختی به روش راکول از فرو شونده مخروطی شکل الماسی با زاویه 120 درجه یا ساچمه ای شکل فولادی سخت شده استفاده می شود.

در روش راکول عمق فرورفتگی که در اثر وارد آوردن نیروی مشخصی بر روی نمونه ایجاد شده اندازه گیری و از آن به عنوان مقیاسی برای تعیین سختی راکول استفاده می شود.

برای مثال در راکول C ابتدا فرو شونده با یک نیروی 10 کیلوگرمی به طور عمودی در سطح جسم فرو می شود و در نتیجه فرورفتگی بسیار ریزی در سطح جسم به وجود می آید.

در این موقع عقربه دستگاه را بر روی صفر قرار داده و سپس یک بار 140 کیلوگرمی (درراکول C) و یک بار 90 کیلوگرمی (در راکول B) به نام بار اصلی به آرامی به آن اضافه می شود.

سختی پس از وارد آوردن بار اصلی و نگهداشتن آن به مدت لازم برای انجام تغییر پلاستیکی مستقیماَ از روی صفحه مدرج نصب شده بر روی دستگاه سختی سنج خوانده می شود، شکل (1-12) بدین ترتیب عدد سختی راکول معیاری از فرورفتگی پلاستیکی و یا دائمی ایجاد شده در جسم در اثر نیروی اصلی است.

عدد سختی راکول طبق رابطه زیر به دست می آید: در این رابطه و اعداد ثابتی هستند.

برای مخروط الماسی و برای ساچمه فولادی 130 = C و C برای هر دو نوع فرو شونده برابر 500 انتخاب شده است.

در تعیین سختی به روش راکول از درجه بندیهای مختلفی که از ترکیبهای مختلف نیروی اصلی و شکل فرو شونده مشخص شده است، استفاده می شود.

بنابراین در هنگام نوشتن گزارش، همیشه باید عدد سختی راکول را همراه با تعیین نوع ترکیب نیروی اصلی و شکل فرو شونده ذکر کرد، شکل (1-12) برای اندازه گیری نمونه های نازکتر از 5/1 میلیمتر و سطوح ناصاف و یا غیریکنواخت مانند چدن خاکستری، نمی توان دستگاه راکول استاندارد شده را به کار برد و بدین جهت برای آنها آزمایش راکول سطحی را به کار می برند.

در این آزمایش نیروهای اولیه و همچنین اصلی کمتر بوده و چون فرورفتگی ناچیز است این روش برای صفحات نازک فلزی و یا اندازه گیری سختی سطحی فولادی که به وسیله عملیات حرارتی از قبیل کربن دهی، ازت یا نیتروژن دهی و کربونیتریده شده مناسب است.

امتیازات روش راکول عبارتند از: 1 – سرعت عمل، زیرا که سختی مستقیما” به کمک صفحه مدرجی که بر روی دستگاه نصب شده قابل تعیین است.

بدین علت برای آزمایشهای کنترل کیفی مخصوصا” در تولیدات سری سازی شده کاربرد زیادی دارد.

2– برای اندازه گیری سختیهای بالا مناسب است.

– سختی ویکرز: در این روش فرو شونده یک هرم مربع القاعده الماسی است.

راویه سطوح جانبی این هرم 136 درجه است.

شکل (1-12) که موقع انجام آزمایش با نیروی معینی به طور عمود بر سطح کاملا” صیقل داده شده نمونه فرو می رود.

بعد از برداشتن نیرو قطر (قطر متوسط) اثر هرم را به کمک یک میکروسکوپ اندازه گیری کرد و پس از محاسبه سطح اثر، مقدار نسبت نیرو را بر سطح اثر تعیین می کنند.

بدین ترتیب عدد به دست آمده سختی سطح قطعه مورد نظر را بر حسب عدد سختی ویکرز (VHN) تعیین می کند : در این رابطه نیروی F برحسب کیلوگرم نیرو (نیوتن) و قطر اثر d برحسب میلیمتر است، در نتیجه H برحسب kgf/mm2 یا N/mm2 به دست می آید.

ولی در عمل برای تعیین سختی ویکرز از جداولی که سختی نسبت به قطر اندازه گیری شده اثر هرم و همچنین نیروی وارد بر آن می شود.

این روش بیشتر برای کارهای تحقیقاتی استفاده می شود.

مزایای روش ویکرز: سختی سنج ویکرز برای اندازه گیری سخت ترین مواد تحت بارهای متغیر بسیار دقیق و مناسب است.

برای تعیین سختی لایه های بسیار نازک، مانند لایه های سطحی گالوانیزه شده.

لایه های سطحی آب داده و سخت شده و همچنین سطح مقطعهای بسیار نازک به عنوان میکرو سختی سنج به کار می رود.

معایب روش ویکرز: گرانی دستگاه ، حساسیت فرو شونده آن به ویژه صرف وقت زیاد برای تهیه نمونه از مقاطع نازک و اندازه گیری قطر اثر آن است.

ولی امروزه دستگاههای مجهز به سیستمهای اندازه گیری و محاسبه کامپیوتری می توانند عدد سختی را مستقیما” ارائه دهد.

رابطه تقریبی ارتباط بین حد تسلیم و سختی ویکرز را نشان می دهد.

تا 1-4 آزمونهای ضربه رفتار مواد در مقابل نیروهای ضربه ای: یک ماده با وجود انعطاف پذیری و استحکام بالایی که دارد تحت تاثیر عواملی می تواند ترد و شکننده شود، بدین صورت که تحت آن شرایط تمایل به یک شکست ناگهانی با مقدار بسیار کمی تغییر شکل پلاستیکی پیدا می کند.

طبیعتا” این پدیده می تواند خطراتی را به دنبال داشته باشد.

عمده ترین عوامل موثر عبارتند از: درجه حرارتهای پایین، سرعتهای بالای وارد مدن تنش، حالت تنش سه محوری.

علل ظاهر گشتن خاصیت تردی می تواند، تجمع رسوبات یا فازهای سخت مخصوصا” در مرزدانه ها، نفوذ گازها (ترد شدن در اثر گاز هیدروژن) ایجاد عیوب نقطه ای (جاهای خالی) در اثر اشعه و همچنین اثرات خوردگی و اکسیداسیون باشد.

از این جهت گفته می شود که در مواضعی که بی نظمی وجود دارد مقدار تنش ایجاد شده به طور موضعی از تنش شکست تجاوز کرده و ترک ظاهر می شود و به محض شروع ترک تمرکز تنش پیش می آید و ترک گسترش یافته منجربه شکست می شود.

در عمل، این پدیده در جنگ جهانی دوم با دو نیم شدن یک کشتی جنگی در نواحی نزدیک به قطب شمال ظاهر گشت.

که تحقیقات وسیعی را در این زمینه به همراه آورد.

به کمک آزمایش ضربه می توان محدوده های درجه حرارتی را که در آن مواد رفتاری ترد و یا نرم از خود نشان می دهند، مشخص کرد.

در این آزمایش ضربه، مقدار کار یا انرژی لازم برای شکست یک نمونه (از جنس فلز یا مواد پلیمری)، که تحت شرایط نامناسب تنش قرار گرفته باشد، اندازه گیری می شود.

چنانچه این مقدار انرژی کم باشد می توان چنین نتیجه گیری کرد که ماده ترد بوده و دارای حساسیت بالایی در مقابل نیروهای ضربه ای است و اگر این انرژی بالا باشد ماده نرم وانعطاف پذیر است و بار بیشتری را می تواند تحمل کند و یا به عبارتی دارای سفتی بالایی است.

با این آزمایش همچنین می توان محدوده درجه حرار انتقال شکست نرم به شکست ترد را تعیین کرد.

از مهمترین و متداولترین روشهای آزمایش ضربه دو روش چارپی و ایزود است.

این دو روش تنها در طرز قرارگیری نمونه ها در دستگاه آزمایش ضربه با یکدیگر تفاوت دارد.

در روش چاریی به طوری که در شکل (1-13) دیده می شود دو انتهای نمونه به طور آزاد بر روی تکیه گاه قرار داده و ضربه توسط آونگی که از نقطه تعادلش منحرف شده به پشت شیار نمونه وارد می شود.

در روش ایزود، نمونه به طور عمودی در گیره بسته شده و ضربه اندکی بالاتر از شیار به نمونه وارد می شود، شکل (1-14) در هر دو نوع روش مقدار انرژی با کاری که صرف شکست و یا احیانا” تغییر شکل نمونه شده اندازه گیری می شود.

بدین ترتیب که حاصل ضرب وزن آونگ در اختلاف ارتفاع آونگ قبل و بعد از ضربه تعیین می شود.

این مقدار انرژی برابر تفاضل انرژی پتانسیل اولیه و انرژی پتانسیل باقیمانده است: ابعاد نمونه ها و همچنین نوع شکل شیار ( V یا U ) و ابعاد آن استاندارد شده است، شکل (1-15) از آنجایی که انرژی لازم برای شکست به چگونگی حالت تنش در نمونه بستگی دارد، بنابراین در نتایج آزمایش عواملی چون شکل و اندازه نمونه، نوع و عمق شیار، شعاع تا شیار و ضخامت مقطع شیار موثر خواهد بود.

از عوامل مهم دیگر در این آزمایش درجه حرارت است.

زیرا فلزات در درجه حرارتهای بالا ترمتر یا انعطاف پذیرترند،‌ لذا برای شکست آنها انرژی بیشتری لازم است.

در درجه حرارتهای پایین بیشتر فلزات رفتاری تردتر خواهند یافت.

به همین جهت در صنایع هواپیماسازی، کشتی سازی، قطارسازی، پل سازی، مخزن سازی (مخازن گاز مایع و غیره) لازم است که رفتار فلزات را در درجه حرارتهای پایین نیز مدنظر قرار داد.

چنانچه در شکلهای 1-16 و 1-17 مشاهده می شود در درجه حرارتهای نسبتا” بالا مقدار کار یا انرژی لازم برای شکست نمونه بالا است و شکستها در این درجه حرارتها به طور کاملا” واضحی تغییر شکل پلاستیکی را نشان می دهند.

در درجه حرارتهای نسبتا” بالا مقدار کار یا انرژی لازم برای شکست نمونه بالا است و شکستها در این درجه حرارتها به طور کاملا” واضحی تغییر شکل پلاستیکی را نشان می دهند.

در درجه حرارتهای پایین مقدار انرژی لازم برای شکست بسیار پایین است و شکستها در درجه حرارتهای پایین همراه با تغییر شکل پلاستیکی نبوده و به صورت شکست اجسام ترد است.

شکل (1-18) تاثیر درجه حرارت (بین حدود 200 تا 90 درجه سانتیگراد) را بر روی شکست فولاد کم کربن نشان می دهد.

درجه حرارتی را که بعضی از فلزات با شبکه کریستالی مکعب مرکزدار (bcc) و هگزاگونال متراکم (hcp) از حالت شکست نرم به شکست ترد تغییر می یابد، درجه حرارت تبدیل (انتقال) می نامند.

درجه حرارت تبدیل به سرعت تغییر شکل و حالت تنش وارده بستگی دارد و به عبارتی تابع عواملی است که بر روی تحرک نابجاییها و پیشرفت ترکهای ترد اثر می گذارد و برای کاربرد ماده اهمیت زیاد دارد.

تمام مواد درجه حرارتهای پایین شکست ترد از خود نشان نمی دهند.

فولادهای آستنیتی (با مقدار بالایی از Cr و Ni) ، آلومینیوم و مس و آلیاژهای آنها با شبکه کریستالی مکعب با وجود مرکزدار (fcc) در درجه حرارتهای پایین هم نرم هستند، شکل (1-16).

بنابراین با انتخاب آلیاژ مناسب و همچنین عملیات حرارتی مناسب می توان درجه حرارت تبدیل را به سمت درجه حرارتهای پایین انتقال داد.

آزمایش ضربه همچنین برای بررسی و کنترل در صحیح بودن عملیات حرارتی و همچنین برای تعیین حساسیت فولادها در مقابل تردی پیر سختی و تردی باز پختی استفاده می شود.

شکلهای (1-19) تا (1-22) تاثیر عناصر مختلف آلیاژی مانند کربن، نیکل و همچنین تاثیر اندازه دانه ها و ساختار میکروسکوپی را بر روی درجه حرارت انتقال یا به عبارتی رفتار معمولا” متفاوت مواد در مقابل درجه حرارتهای مختلف نشان میدهد.

در اینجا لازم است، همچنین از تاثیر اشعه های نوترونی (بمباران نوترونی) بر روی مقاومت ضربه ای موادی (مانند فولادهای از نوع 304 و 306) که در طراحی و ساخت بعضی از قطعات راکتورهای اتمی به کار می رود و در معرض اشعه های نوترونی قرار می گیرد، نام برد.

عموما” حد تسلیم افزایش و تغییر طول نسبی کاهش می یابد، ولی بیشترین نگرانی مربوط به کاهش سفتی (تافنس) می شود.

این تاثیر در نتیجه انتقال اتمها و ایجاد عیب جای خالی و عیب بین نشینی است.

اما این تاثیر را میتوان به کمک عملیات حرارت بعد از اشعه دهی بهبود بخشید.

آزمایش خستگی: رفتار مواد در مقابل نیروهای دینامیکی متناوب در حالی که برای طراحی قطعاتی که تحت بارهای استاتیکی قرار می گیرد حد تسلیم ماده از مهمترین کمیتهای مکانیکی است، برای اجزایی مانند محور توربینها با میل گاردانها، فنرهای معلق و فنرهای سوپاپ و از این قبیل که تحت تنشهای متناوب قرار می گیرند، بررسی تنش دیگری غیر از حد تسلیم مورد نیاز است.

زیرا اگر این گونه قطعات تحت تاثیر نیروهای متناوب قرار گیرند پس از مدتی می شکنند هر چند که تنشهای وارد بر آنها بسیار پایین تر از استحکام کششی و یا حد تسلیم باشد.

پدیده ای را که در نتیجه تنشهای متناوب در جسم ایجاد گشته و به شکست آن انجامید، خستگی و یا فرسودگی می نامند.

هر چند تعداد تناوب تنشهای وارده بیشتر باشد، تنش شکست آن کوچکتر است.

تنش متناوبی می تواند ناشی از چرخش، خمش یا ارتعاش باشد.

حداکثر تنشی را که قطعه ای از ماده معین بتواند به ازای آن تعاد دور فوق العاده زیادی را بدون اینکه بشکند تحمل کند، استحکام خستگی یا حد خستگی یا حد تحمل نامند.

به منظور به دست آوردن حد تحمل نمونه هایی از ماده مورد نظر ، که همگی به صورت استاندارد شده دارای یک شکل ، سطح مقطع دایره ای شکل ، ابعاد مشخص شده بدون عیب و با شرایط یکسان باشند را انتخاب می کنیم.

با اعمال بار (به صورت خمشی) به نمونه ها در یکی از دستگاههای آزمایش خستگی ، شکل (1-23) بلافاصله در سطح بالایی نمونه تنش کششی و در سطح زیری تنش فشاری ایجاد می شود.

بعد از اینکه نمونه نیم دور (180 درجه) چرخید، موضعی که ابتدا تحت تاثیر تنش کششی قرار گرفته بود، اکنون تنش فشاری به آن اعمال می شود.

بنابراین تنش در هر نقطه ای از نمونه به صورت دور تناوب سینوسی کامل، یعنی تغییر می کند.

تنش متناوبی می تواند بین دو مقدار حداکثر و حداقل در حالتهای مختلفی از کش و یا فشار تغییر کند.

حالت اول تغییرات بارگذاری می تواند به گونه ای باشد که تنش اعمالی بین دو مقدار (کششی) و (فشاری) تغییر کند و تنش متوسطباشد، شکل (1-23) حالت دوم تغییرات تنش می تواند به صورتی باشد که حداکثر تنش در موقعیت فشاری کمتر از حداکثر تنش کششی باشد،‌ شکل ( 1 -23) در حالتهای دیگر باردهی به گونه ای باشد که مقدار تنش بین حداکثر و حداقلی در موقعیت کششی یا فشاری تغییر کند، شکل (1-23) در بسیاری از حالتها به تنش متناوبی می تواند مقداری تنش دائمی به صورت استاتیکی به اندازه افزوده شود.

در هر صورت روابط زیر را می توان برای تنش متناوبی نوشت: حداکثر تنش اعمال شده به نمونه آزمایش خستگی،از رابطه زیر به دست می آید: در این رابطه F = بار اعمالشده به نمونه = طول موثر و d = قطر نمونه است.

بعد از تعداد دور معینی شکست در نمونه ظاهر می شود.

سپس مقادیر به دست آمده برای تنش و تعداد دور تا لحظه شکست را در یک سیستم محورهای مختصات با محورهای ساده (تنش) و لگاریتمی (تعداد دور) مشخص می کنیم.

نقاط به دست آمده عملا” همگی بر روی یک منحنی قرار نگرفته بلکه بیشتر در محدوده ای کم و زیاد می شود.