چقرمگی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

چَقِرمِگی (به انگلیسی: Toughness) در علم مواد به مقاومت مواد در برابر شکست در اثر اعمال تنش گفته می‌شود. چقرمگی بصورت میزان انرژی جذب شده قبل از وادادگی در واحد حجم مواد تعریف می‌شود.توانایی فلز در تغییر فرم به صورت پلاستیک و جذب انرژی در فرآیند قبل از شکست را چقرمگی گویند. تاکید این تعریف باید بر توانایی جذب انرژی قبل از شکست باشد.[۱] .

یادآوری می‌کنیم که چکش خواری ، میزان تغییر فرم پلاستیک قبل از شکست است، اما صرفا این که یک ماده چکش خوار باشد به معنی چقرمه بودن آن نیست. کلید دست یابی به چقرمگی، ترکیب مناسبی از استحکام و چکش خواری است. یک ماده با استحکام و چکشخواری بالا، چقرمگی بیشتری نسبت به ماده‌های با استحکام پایین و چکش خواری بالا خواهد داشت. بنابراین، یک روش برای اندازه‌گیری چقرمگی از طریق محاسبه سطح زیر نمودار تنش کرنش است که از آزمون کشش به دست می‌آید. این مقدار، «چقرمگی ماده» نامیده می‌شود و واحدهای آن به صورت انرژی بر حجم است. چقرمگی ماده معادل جذب آهسته انرژی توسط آن ماده است. متغیرهای متعددی هستند که تاثیر زیادی بر چقرمگی ماده دارند. این متغیرها عبارتند از:

  • نرخ کشش (نرخ بارگذاری)
  • دما
  • اثر شکاف

یک فلز ممکن است تحت بار ایستا، چقرمگی رضایت بخشی داشته باشد اما زیر بار دینامیک یا ضربه ، دچار شکست شود. به عنوان یک قانون، چکش خواری و در نتیجه چقرمگی، با افزایش نرخ بارگذاری کاهش می‌یابند. دما دومین متغیری است که تاثیر عمده ای بر چقرمگی دارد. هنگامی که دما کاهش می‌یابد، چکش خواری و چقرمگی نیز کاهش می‌یابند. متغیر سوم اثر شکاف است که با توزیع تنش در تنش در ارتباط است. یک ماده ممکن است هنگامی که تنش یک محوره به آن وارد می‌شود چقرمگی خوبی از خود نشان دهد، اما هنگامی که تنش چند محوره به واسطه حضور شکاف ایجاد شود، ماده ممکن است نتواند تحمل تغییر فرم الاستیک و پلاستیک هم زمان در جهت‌های مختلف را داشته باشد. گونه‌های استاندارد مختلفی از آزمون چقرمگی وجود دارد که برای شرایط بارگذاری و یا طراحی اجزای مختلف، داده تولید می‌کنند. سه نوع از ویژگیهای چقرمگی که با جزئیات بیشتر درباره آنها صحبت خواهد شد عبارتند از

  1. چقرمگی ضربه ای
  2. چقرمگی شیار
  3. چقرمگی شکست


تعریف ریاضی[ویرایش]

میزان چقرمگی را می‌توان با محاسبه سطح زیر منحنی تنش-کرنش محاسبه کرد؛چقرمگی انرژی تغییر فرم مکانیکی بر واحد حجم، قبل از شکست است. توصیف صریح آن به فرم ریاضی به صورت زیر است: یعنی:

که در این رابطه:

  •  : کرنش
  •  : کرنش در زمان شکست
  • : تنش

هستند.[۲]

آزمون های چقرمگی[ویرایش]

دستگاه آزمون شارپی

چقرمگی یک ماده با استفاده از یک تکه کوچک از آن ماده قابل اندازه گیری است. یک ابزار آزمون متداول، از یک پاندول برای ضربه زدن به نمونه شیاردار با سطح مقطع مشخص استفاده می کند و سبب تغییر شکل آن می گردد. ارتفاعی که از آن جا پاندول رها می شود، منهای ارتفاعی که بعد از تغییر فرم نمونه به آن می رسد، ضرب در وزن پاندول، انرژی است که توسط نمونه، هنگام تغییر فرم ناشی از ضربه پاندول، جذب شده است. آزمون های استحکام ضربه ای شیاردار چارپی و آیزود ، آزمون های ASTM استانداردی هستند که برای بررسی چقرمگی مورد استفاده قرار می گیرند.

واحد چقرمگی[ویرایش]

واحد چقرمگی کششی (یا انرژی تغییر فرم، UT) به¬صورت ژول بر متر مکعب (J.m-3) در سیستم SI و اینچ پوند نیرو بر اینچ مکعب (in.lbf.in-3) در سیستم واحد آمریکایی است. در سیستم SI، واحد چقرمگی کششی به راحتی با استفاده از مساحت زیر نمودار تنش-کرنش (σ–ε) قابل محاسبه است، که چقرمگی کششی را به صورت زیر به دست می آید.[۳]


UT = Area underneath the stress–strain (σε) curve = σ × ε
UT [=] Pa × ΔL/L = (N·m−2)·(unitless)
UT [=] N·m·m−3
UT [=] J·m−3

چقرمگی و استحکام[ویرایش]

چقرمگی همچنین از طریق نواحی نمودار تنش کرنش نیز قابل تعریف است. چقرمگی به سطح زیر منحنی تنش کرنش ارتباط دارد. برای چقرمه بودن، یک ماده باید هم محکم باشد و هم چکش خوار. برای مثال، مواد شکننده (مانند سرامیک ها) که محکم هستند اما چکش¬خواری محدودی دارند، چقرمه نیستند. از طرف دیگر، مواد با چکش خواری بالا و استحکام پایین نیز چقرمه نیستند. برای چقرمگی، یک ماده باید بتواند هم تنش های بالا و هم کرنش های بالا را تحمل کند. به طور کلی استحکام نشان می‌دهد که ماده چه میزان نیرو را می تواند تحمل کند، در حالی که چقرمگی می‌گوید ماده قبل از گسیختگی، چه میزان انرژی می‌تواند جذب کند.

با توجه به نمودار های استحکام و چقرمگی می توان اطلاعات خوبی برای تعیین خواص مواد مختلف بدست آورد و همچنین این اطلاعات برای انتخاب مواد در کاربردهای مختلف بسیار مفید می باشد. برای مثال در صنعت فولاد عموما به منظور جذب انرژی در ضربات ماشین استفاده می شود، زیرا چقرمه و محکم است و یا تیغه های اره و سرهای چکش فولاد آب دهی و برگشت دهی شده اند تا به طور متعادلی استحکام بالا و چقرمگی خوبی پیدا کنند.

چقرمگی در مهندسی[ویرایش]

امروزه مهندسان با در نظر گرفتن خواص مربوط به چقرمگی ،از مواد مختلف با سطح چقرمگی های مختلف در کاربردهای گوناگون استفاده می کنند. از جمله این استفاده ها می توان بخ جلیقه های ضد گلوله اشاره کرد. برای مثال مهندسين در دهه ۱۹۶۰ يك جليقه ضد گلوله و مناسب را ساختند كه بر خلاف زره هاي سنتي بسيار راحت بود.جليقه هاي ضد گلوله سبك از فلز ساخته نشده اند بلكه از بافت هاي فيبري كه قابل دوخت بر روي جليقه و ديگر لباس هاي سبك مي باشد ساخته شده اند.یک نمونه از این بافت ها پارچه کولار می باشد. در گذشته Kevlar رايج ترين نوع الياف براي ساختن جليقه هاي ضد گلوله بود ولي امروزه مواد ديگري به كار گرفته شده است كه در دسترس ترين آنها، Vectran نام دارد و حدودا دو برابر مقام تر از Kevlar و ۵ تا ۱۰ برابر مقاوم تر از فولاد است. يك نوع الياف ديگر كه اخيرا رايج شده،ابريشم عنكبوت نام دارد. بر روي بزها كارهاي ژنتيكي انجام شد تا بتوان از آنها در توليد جزء شيميايي ابريشم عنكبوت استفاده نمود. ماده حاصله Biosteel نام گرفت. يك رشته از Biosteel 20 برابرمقاوم تر از فولاد است. اگر يك تكه از ماده ضد گلوله را زير ميكروسكوپ قرار دهيم، همين ساختار را مشاهده خواهيم كرد. رشته هاي بلندي از الياف را كه به هم تنيده شده اند تا يك ساختار توري شكل متراكم را تشكيل دهند. حال با توجه به اينكه يك گلوله بسيار سريع تر از توپ حركت مي كند، بنابراين اين توري بايد از مواد محكم تري ساخته شود. معروف ترين ماده اي كه در ساخت جليقه هاي ضد گلوله به كار مي رود، اليافي به نام KEVLAR است. Kevlar اليافي سبك وزن است كه ۵ برابر مقاوم تر از يك تكه فولاد، در همان وزن است زماني كه اين ماده به صورت يك تور متراكم در مي آيد، مي تواند نيروي زيادي را جذب كند. به منظور جلوگيري از رسيدن گلوله به سطح بدن، جليقه ضد گلوله بايد برخلاف ضربه مستقيمي كه گلوله وارد مي كند، عمل كند. الياف ديگري وجود دارد كه Carbon nanotubes ناميده مي شود و گفته مي شود كه حتي از ابريشم عنكبوت نيز مقاوم تر است نخ Carbon nanotubes هنوز هم كمياب است و قيمت كنوني اين الياف براي هر گرم ۵۰۰ دلار است. كه به مرور زمان اين قيمت ها نزول پيدا خواهند كرد و اين نوع الياف، به عنوان الياف، بادوام در جليقه هاي ضد گلوله به كار خواهند رفت.[۴]

جلیقه ضد گلوله

همچنین میتوان از چدن به عنوان یک ماده با استحکام بالا و چقرمگی کم نام برد که کاربردهای مختلفی در صنعت دارد.در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشین آلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزات فرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و... برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگ‌ها و چرخ دند‌ه‌ها، صفحه کلاچ‌ها و... در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کوره‌ها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه، بوته‌های ذوب فلز.
اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، چدن‌های نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا به صورت برجسته‌ای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترین کاربرد این چدنها در پمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ‌ها و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.[۵]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. "Toughness", NDT Education Resource Center, Brian Larson, editor, 2001–2011, The Collaboration for NDT Education, Iowa State University
  2. lk. [www,xnxx.com «;dv»]. xnxx. 12367. 
  3. O.Balkan and H.Demirer (2010). "Polym. Compos". 31: 1285. ISSN 1548-0569. 
  4. [www,iamu.ac.ir «;dv»]. iamu. 
  5. [www,daneshnameh.roshd.ir «;dv»]. daneshnameh. 
  • A. A. Wells, D. A. Chamberlain and P. Hancock, Toughness: Determination and Definition, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 299, No. 1446, Fracture Mechanics in Design and Service: 'Living With Defects' (Jan. 23, 1981), pp. 19-30