هر آنچه در رابطه با چقرمگی فولاد باید بدانید

اگر مقالات موجود در سایت صباپروفیل در رابطه با انواع فولاد را مطالعه نموده باشید، احتمالاً ویژگی چقرمگی را زیاد دیده باشید. از ظاهر این کلمه می‌توان به صورت حدسی گفت که مفهوم آن چیست. اما مفاهیم پیچیده‌ای در پشت این عبارت وجود دارد و اهمیت آن بسیار زیاد است. در ادامه با ما همراه باشید تا به بررسی بیشتر مفهوم چقرمگی پرداخته و آن را با زبانی ساده برای شما شرح دهیم.

چقرمگی چیست؟

چقرمگی (به انگلیسی Toughness) یک ویژگی اساسی ماده است که توانایی یک ماده برای جذب انرژی و مقاومت در برابر ضربه تا شکست را اندازه گیری می‌کند. یعنی توانایی جذب انرژی در محدوده پلاستیک. به عبارت دیگر، چقرمگی مقدار انرژی در واحد حجم است که یک ماده می‌تواند قبل از گسیختگی جذب کند.

هنگام در نظر گرفتن چقرمگی، باید بین چقرمگی ضربه، که اغلب تحت بارگذاری با نرخ کرنش بالا در بالای نقطه تسلیم اتفاق می‌افتد، و چقرمگی شکست، که عموماً تحت بارگذاری با نرخ کرنش پایین‌تر رخ می‌دهد، تمایز قائل شد. همه فولادها به عنوان تابعی از ترکیباتشان (به عنوان مثال طراحی آلیاژی) ویژگی‌های مقاومت و شکل‌پذیری متفاوتی دارند و کلید چقرمگی خوب تعادل بین این خواص و هزینه کلی چرخه عمر است.

مواد سخت می‌توانند مقدار قابل توجهی انرژی را قبل از شکست جذب کنند، در حالی که مواد شکننده، انرژی بسیار کمی جذب می‌کنند. ماده‌ای با استحکام بالا و شکل پذیری بالا، چقرمگی بیشتری نسبت به ماده‌ای با استحکام کم و شکل پذیری پایین خواهد داشت. به یاد داشته باشید که مواد شکننده ممکن است قوی باشند، اما به دلیل مقادیر کرنش محدود، سخت نیستند.

تعاریف بالا را می‌توانید به سادگی به تمام موارد بست دهید و مثلاً بگویید، چقرمگی فولاد چیست؟ چقرمگی چدن چیست؟ چقرمگی پلیمر چیست؟ چقرمگی شیشه چیست؟ یا چقرمگی شکست چیست؟

چرا چقرمگی مهم است؟

خرابی‌های فاجعه بار به دلیل ترکیبی از خواص نامناسب مواد، طراحی نامناسب، فرآیندهای تولید یا ساخت نامناسب، بارگذاری ناهموار یا بیش از حد، و عیوب از قبل، ایجاد می‌شوند. این خرابی‌ها اغلب با درک ویژگی‌های استحکام و چقرمگی یک ماده معین، از جمله چقرمگی ضربه و شکست آن، به بهترین وجه قابل حل است.

چه چیزی بر چقرمگی یک ماده تأثیر می گذارد؟

عوامل کلی که بر چقرمگی تأثیر می‌گذارند، عناصر آلیاژی، تکنیک‌های ساخت، ریزساختار، شرایط دما و کاربرد خدمات (مانند دما، نرخ کرنش، نسبت استحکام به شکل‌پذیری و وجود متمرکزکننده‌های تنش) هستند. چندین متغیر وجود دارد که تأثیر عمیقی بر چقرمگی یک ماده دارند. اینها شامل نرخ بارگذاری (یعنی نرخ کرنش)، دما، توزیع تنش، توپوگرافی سطح، و وجود یا عدم وجود هرگونه نقص یا ترک از قبل موجود و شدت تنش آن‌ها است.

یک فولاد ممکن است تحت بارهای استاتیکی دارای چقرمگی رضایت بخش باشد اما ممکن است تحت بارهای دینامیکی یا ضربه، شکست بخورد. به طور کلی، شکل پذیری و در نتیجه چقرمگی با افزایش نرخ بارگذاری کاهش می‌یابد. بیشتر مواد در دماهای پایین‌تر، شکننده‌تر و در دماهای بالاتر، انعطاف‌پذیرتر هستند. در نهایت، توزیع استرس حیاتی است. یک ماده ممکن است چقرمگی خوبی را در زمانی که تنش اعمال شده تک محوری است نشان دهد، اما زمانی که یک حالت تنش چند محوری به دلیل وجود یک بریدگی ایجاد می‌شود، ممکن است ماده در برابر تغییر شکل الاستیک و پلاستیک همزمان در جهات مختلف مقاومت نکند.

به عنوان یک قاعده کلی، هر چه سختی و استحکام کمتر باشد، شکل پذیری و چقرمگی یک ریزساختار بالاتر است. با این حال، پدیده‌های شکنندگی، از این قاعده مستثنی هستند. به عنوان مثال، شکنندگی مارتنزیت تمپر شده (TME) با کاهش سختی در محدوده خاصی از دمای معتدل، انعطاف پذیری و چقرمگی را کاهش می دهد. به همین دلیل است که پس از تمپر کردن فولادهای آلیاژی خاص مانند 4140 یا 4340 در دمای 250 تا 400 درجه سانتی‌گراد، چقرمگی ضربه کمتر از آن است که در دمای کمتر از 250 درجه سانتی‌گراد به دست می‌آید.

خستگی و چقرمگی

به منظور جلوگیری از ناامیدی مشتری از کمبود دوام، درک درستی از عمر خستگی فلز و چقرمگی محصول بسیار مهم است. عمر خستگی قطعه شما این است که در چند چرخه بدون ایجاد نقص یا ترک زنده می‌ماند. چقرمگی شکست به این معناست که محصول شما در چند چرخه با نقص یا ترک زنده می‌ماند.

انواع چقرمگی

سه نوع چقرمگی در بررسی خواص متریال مختلف وجود دارند که در ادامه مورد بررسی بیشتر قرار می‌دهیم:

چقرمگی ضربه ای (Impact Toughness)

ضربات لحظه‌ای مفهومی است که در این نوع چقرمگی مورد آزمایش قرار می‌گیرند. منظور از تافنس ضربه‌ای میزان مقاومت یک جسم در برابر ضربه‌هایی است که به صورت لحظه‌ای به آن وارد می‌شود. دستگاه تست آونگ می‌تواند برای آزمون استحکام ضربه‌ای مورد استفاده قرار گیرد. لازم به ذکر است که آزمایش شارپی (Charpy) که در اوایل دهه 1900 میلادی ابداع شد نیز برای تعیین این کمیت فیزیکی قابل استفاده است.

چه از آزمون آونگ استفاده کنید، چه از آزمون شارپی، قطعه تحت بارهای متفاوتی به صورت ضربه ای قرار می‌گیرد. در اثر ضربه‌هایی که به جسم وارد می‌شوند، انرژی در آن ذخیره می‌شود. سنسورهایی در دستگاه وجود دارند که انرژی وارد شده به جسم را اندازه گیری و ثبت می‌کنند. البته مکانیزم اندازه گیری انرژی منتقل شده توسط آونگ چندان پیچیده نیست زیرا که آونگ هر بار از ارتفاع مشخص رها می‌شود. بنابراین انرژی پتانسیل آن در ارتفاع خاص محاسبه شده و به کمک ضرایبی به انرژی جذب شده توسط جسم تبدیل می‌شود. در پایان زمانی که قطعه در اثر ضربه می‌شکند، چقرمگی ضربه ای آن محاسبه می‌شود.

چقرمگی شیار (Notch Toughness)

تست چقرمگی شیار روشی است که برای تعیین کمیت توانایی یک ماده در مقاومت در برابر ضربه با نقص موجود در ماده استفاده می‌شود. به طور خاص، تست چقرمگی شیار، میزان انرژی را که یک ماده می‌تواند جذب کند اندازه گیری می‌کند. تست چقرمگی شیار معمولاً با استفاده از ft-lbs تعیین می‌شود.

چقرمگی شیار نشان دهنده ظرفیت فولاد برای جذب انرژی در هنگام وجود یک متمرکز کننده تنش یا بریدگی است. همه فولادهای کربنی و کم آلیاژی با استحکام بالا (HSLA) با کاهش دما تحت یک انتقال شکل پذیر به شکننده قرار می‌گیرند. در مواردی ممکن است که نقصی مانند ترک در یک جسم وجود داشته باشد. چقرمگی شیار به حداکثر انرژی قابل جذب توسط یک جسم دارای نقص قبل از شکستن اشاره می‌کند. البته طبیعی است که وجود نقصی مانند ترک، سختی سطح اجسام را کاهش می‌دهد. به این معنی که قابلیت تغییر شکل پلاستیک ماده در مجاورت ترک کاهش پیدا کرده و در عین حال رفتار الاستیک بیشتر نمود می‌یابد.

استحکام شیار یک ماده با استفاده از آزمون شارپی وی (Charpy V) از طریق بارگذاری دینامیکی اندازه گیری می‌شود. این آزمایش باید در دماهای مختلف بارها تکرار شود. به این ترتیب با تغییر سرعت بارگذاری و دمای آزمایش، منحنی به دست می‌آید که Toughness بریدگی را برای یک جسم نشان می دهد.

متداول‌ترین آزمایش برای چقرمگی، تست ضربه Charpy V-notch است که تأثیر بارگذاری با نرخ کرنش بالا و یک بریدگی تیز را بر روی انرژی جذب شده برای شکست ارزیابی می‌کند. چقرمگی ضربه توانایی یک ماده برای جذب انرژی با یا بدون حضور یک تشدید کننده تنش مانند بریدگی است. از آنجایی که چقرمگی تا حد زیادی تحت تأثیر دما قرار می‌گیرد، این آزمایش‌ها اغلب چندین بار با هر نمونه در دمای متفاوت آزمایش می‌شوند. دمای انتقال شکل پذیر به شکننده (DBTT) اغلب یک ملاحظات بسیار مهم در انتخاب یک ماده است. استفاده از آلیاژهای زیر دمای انتقال آن‌ها به دلیل خطر شکست فاجعه آمیز اجتناب می‌شود.

چقرمگی شکست (Fracture Toughness)

تست چقرمگی شکست (K1c) شدت تنش مورد نیاز برای انتشار شکستگی ناپایدار در مقابل یک ترک تیز تحت شرایط حداکثر محدودیت جریان پلاستیک را ارزیابی می‌کند. این نشان دهنده میزان استرس مورد نیاز برای انتشار یک نقص از قبل موجود به دلیل پردازش، ساخت یا کاربرد نهایی است. عیوب ممکن است به صورت ترک، حفره، اجزای غیر فلزی، عیوب جوش، کوتاهی داغ، ناپیوستگی، گرم شدن بیش از حد در حین آهنگری یا ترکیبی از چندین نوع ظاهر شوند. چقرمگی شکست به طور کلی به دما، محیط، سرعت بارگذاری، ترکیب ماده و ریزساختار آن، همراه با اثرات هندسی بستگی دارد. اگرچه می‌توان انرژی چارپی را با چقرمگی شکست مرتبط کرد، اما درجه زیادی از عدم قطعیت با همبستگی‌ها مرتبط است زیرا آن‌ها تجربی هستند.

چقرمگی شکست روی میزان تنش مورد نیاز برای انتشار نقص موجود در یک جسم تمرکز می‌کند. به طور کلی باید توجه داشته باشید که در زمان بهره برداری از یک سیستم امکان بروز نقص در آن وجود دارد. بنابراین اندازه گیری چقرمگی شکست اهمیت بالایی دارد. لازم به ذکر است که نقص می‌توان به شکل‌های مختلفی مانند ترک، حفره، ناپیوستگی طراحی قطعه و عیوب مربوط به جوشکاری، در جسم بروز پیدا کند.

در طراحی فرض می‌شود که نقصی با اندازه مشخص در قطعه وجود دارد. چرا که نمی‌توان با قطعیت صد درصدی به این نتیجه رسید که یک قطعه خاص بدون عیب و نقص است. بر مبنای این فرض توانایی قطعه در تحمل بارهای استاتیک و دینامیک وارد شده ارزیابی می‌گردد. با این رویکرد میزان حداکثر باری که باعث می‌شود تا نقص قطعه رشد کند و انتشار یابد، تعیین می‌شود.

همان‌طور که گفتیم از آنجایی که مهندسین هرگز نمی‌توانند کاملاً مطمئن باشند که یک ماده دارای نقص است یا خیر، معمولاً طوری تصور می‌شود که نقص برخی از اندازه‌های انتخاب شده در برخی از اجزای سازنده وجود داشته باشد، معمولاً از روش LEFM (مکانیک شکست خطی کششی) برای طراحی اجزای مهم استفاده می‌شود. این روش چقرمگی شکست نامیده می‌شود که با استفاده از اندازه و ویژگی‌های نقص، هندسه اجزاء، شرایط بارگذاری و شرایط مربوط به مواد برای ارزیابی توان یک جزء دارای نقص در مقاومت در برابر شکستگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای نشان دادن حالت‌های شکست از نمادهای اعداد رومی استفاده می‌شود و سه حالت شکست در تصویر زیر نشان داده شده است:

جمع‌بندی

توانایی فلز برای جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیکی قبل از شکست. معمولاً با انرژی جذب شده در آزمایش ضربه بریدگی اندازه گیری می‌شود، اما سطح زیر منحنی تنش-کرنش در آزمایش کششی نیز معیاری برای چقرمگی است. این مفهوم مهم امروزه بسیار پرکاربرد شده و نتایج آزمون‌هایی که در رابطه با چقرمگی انواع فولاد تعیین می‌شود، بسیار تعیین کننده است به خصوص برای مصارف حساس که فشار زیادی بر روی این مواد وجود دارد.

پرسش و پاسخ

مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 28 خرداد 1402