آزمایش ضربه چیست و چه اهمیتی دارد؟
یکی از آزمون‌های بسیار ساده و رایج برای اندازه گیری و تشخیص تمایل یک ماده به شکست، آزمایش ضربه یا همان آزمایش چقرمگی است. این آزمایش معیار مناسبی به منظور مقایسه بین مقاومت یا بار استاتیکی ذرات در مقابل ضربه‌ها و فشار‌های متفاوت می‌باشد. در این آزمون عوامل زیادی مورد بررسی قرار می‌گیرند که یکی از آن‌ها نسبت دمای تبدیل نر‌می به تردی است. انواع مختلفی از تست‌های ضربه وجود دارد که متداول ترین آن‌ها آزمایش‌های آیزود، چارپی(شارپی) و ضربه کششی هستند. برای انجام این آزمایش و تست، نیاز به تهیه نمونه استاندارد متناسب با شرایط آزمایش داریم. البته امروزه دستگاه‌های مختلفی برای محاسبه این آزمایش طراحی و تولید شده‌اند که کار با آن‌ها بسیار راحت است و در زمان کوتاهی می‌توان به نتیجه و عدد نهایی رسید، به همین منظور در اکثر فعالیت‌های صنعتی از این دستگاه‌ها استفاده می‌شود که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آزمایش فوق یا دیگر آزمایش های لازم برای امور ساخت و ساز و صنعتی و… می‌توانید به آموزش های فرادرس مراجعه کرده و اطلاعات بسیار مناسب و مفیدی در زمینه‌های مورد نظر کسب کنید.
ساختمان دستگاه سنجش ضربه
ساختمان این دستگاه از یک پاندول تشکیل شده که اساس کار آن اصل پایستگی انرژی است. در صورتی که در سیستم پاندول هیچگونه اتلاف انرژی وجود نداشته باشد، پس از رها شدن به همان ارتفاع اولیه باز می‌گردد، اما هرگونه اتلاف و انتقال انرژی موجب اختلاف در سطح بالا آمدن پاندول نصبت به ارتفاع اولیه می‌شود. در صورت آزمایش با این دستگاه‌ها، اختلاف ارتفاع بالا آمده پاندول از حالت اولیه و حالتی که پس از ورود ضربه بالا می‌آید، برابر با میزان انرژی صرف شده برای شکستن نمونه مورد نظر است. از آنجایی که شکستن و تحمل فشار یا همان چقرمگی اجسام برای فعالیت‌های روزانه زندگی مانند ساخت و ساز، ساختمان‌ها، کشتی، هواپیما، انواع دستگاه‌های صنعتی و …. بسیار حائز اهمیت است، انجام این آزمایش ضربه و محاسبه چقرمگی اجسام از پارامتر‌های بسیار مهم به شمار می‌آید.
چقرمگی(سختی) اجسام
پیش از آنکه به توضیح و تشریح آزمایش فوق بپردازیم، خوب است بدانیم که چقرمگی چیست و به چه خصوصیتی گفته می‌شود؟ اصطلاح انگلیسی این کلمه toughness است و در تعریف علمی به میزان نیرویی یک ماده می‌تواند پیش از شکستن جذب کند، گفته می‌شود. این ویژگی برای تمامی مواد وجود دارد، در واقع این مقاومت و انرژی جذب شده برابر با میزان انرژی لازم برای شکستن یک ماده و جسم به طور ناگهانی است. درصورتی که به یک جسم اندکی بیش از میزان چقرمگی آن نیرو وارد شود، شکستگی را خواهیم داشت.
یک ماده چقرمه به ماده‌ای گفته می‌شود که از ترکیب و نسبت مناسب استحکام و چکش خواری برخوردار باشد. همانطور که می‌دانید به میزان قابلیت انعطاف پذیری یک جسم پیش از شکستن، چکش خواری گفته می‌شود. به عنوان مثال طلا یکی از فلزات چکش خوار است. استحکام نیز میزان تحمل یک ماده در مقابل تغییر شکل است، به عنوان مثال آجر و یا سرامیک از استحکام بالایی برخوردار هستند اما چکش خواری آن‌ها پایین است، چرا که قدرت انعطاف و خمیدگی خوبی ندارند و با ضربه چکش می‌شکنند، در نتیجه این مواد چقرمه نیستند.
پس یک ماده چقرمه هر دو پارامتر استحکام و انعطاف پذیری را با هم باید داشته باشد. درصد این دو پارامتر در هر ماده متفاوت است. میزان چقرمگی یک ماده را با توجه به نمودار تنش کرنش بیان می‌کنند و نحوه بررسی بدین صورت است که مساحت سطح زیر نمودار برای هر ماده‌ای بیشتر باشد، آن ماده چقرمه است.
انواع آزمایش ضربه
برای سنجش مقاومت یک جسم در مقابل ضربه، سه نوع تست رایج وجود دارد که عبارتند از: تست شارپی( چارپی) ، تست Izod و تست ضربه کششی. این سه آزمایش اساساً ویژگی‌های یکسانی از ماده را تعیین می‌کنند، اما در جهت‌گیری نمونه آزمایشی متفاوت هستند که باعث می‌شود نمونه در جهات مختلف تحت فشار قرار گیرد. در هر کدام از این موارد پاندول دارای وزن خاصی است که از ارتفاع مشخصی آزاد می‌شود و با نمونه قرار گرفته در فیکسچر، برخورد می‌کند. تمامی این آزمایش ها در تعیین چقرمگی و مقاومت اجسام در مقابل ضربه مناسب و مفید هستند و خروجی آن‌ها قابل اعتماد است.
آزمون ضربه شارپی
مخترع این آزمون آلبرت شارپی بود که به احترام وی آزمون فوق نیز به همین نام شناخته می‌شود. هدف این آزمون اندازه گیری انرژی جذب شده توسط یک قسمت بریده شده از نمونه استاندار، هنگام شکستن تحت فشار ضربه وارد شده توسط پاندول است. آزمون شارپی یکی از متداول ترین آزمون‌ها و روش‌ها برای اندازه گیری انرژی ضربه در فولاد به شمار می‌آید و از این تست با نام تست CNV نیز یاد می‌کنند.
در این تست به کمک نمونه‌های دارای شیار، شرایطی را به وجود می‌آورند که تنش سه بعدی در نمونه مورد نظر ایجاد شود. در ادامه قابلیت تغییر شکل را در محدوده تعیین شده مشخص می‌کنند. درتست ضربه شارپی، میزان انرژی جذب شده توسط نمونه هنگام شکستن از میزان اختلاف ارتفاع اولیه و ثانویه که در آونگ یا پاندول به وجود می‌آید محاسبه می‌شود و این اختلاف ارتفاع همان میزان انرژی و معیار چقرمگی مواد است.
همچنین این انرژی را می‌توان از اختلاف زاویه اولیه و نهایی به وجود آمده بر روی پاندول نیز محاسبه کرد. در آزمایش ضربه شارپی عواملی مانند خواص مواد در دماهای مختلف، سطح شکست، درصد شکست، شکل پذیری و … را می‌توان محاسبه کرد. برای محاسبه شکل پذیری به درصد انقباض نمونه در محل شیار‌ها نیاز داریم. همچنین در محاسبه سطح شکستگی می‌توان شکل آن که برشی، رشته‌ای، دانه و یا مخلوطی باشد ترا تعیین کرد، این حالت‌ها به راحتی و بدون نیاز به هیچ گونه ابزار حرفه‌ای و خاص قابل تشخیص هستند.
تست ضربه ایزود
از دیگر انواع آزمایش‌هایی که برای محاسبه و اندازه گیری میزان چقرمگی و ضربه برای اجسام مختلف از آن استفاده می‌شود، تست ضربه ایزود است. این آزمایش دارای دستگاهی ویژه با نام دستگاه تست ضربه ایزود است. این دستگاه از یک تکه آونگ سنگین که در یک قاب محکم نصب گشته تشکیل شده است که تقریباً حدود ۶۰ پوند، یعنی چیزی نزدیک به ۲۷.۲۴ کیلوگرم جرم این آونگ است. ارتفاعی که آونگ از آن آویزان می‌شود نیز 2 فوت می‌باشد.
این آونگ از ارتفاع 2 فوتی شروع به حرکت می‌کند و سرعت آونگ در پایین ترین نقطه، حدود 3.5 متر بر ثانیه است. در همین نقطه پایین، آونگ به نمونه مورد نظر که دارای شیار است برخورد می‌کند. پیش از برخورد نمونه باید توسط یک گیره نگهداره، کاملا محکم و ثابت شود تا هیچگونه جابجایی، لغزندگی یا تغییر در موقعیت آن ایجاد نشود. می‌توان گفت یکی از مهم‌ترین نکات برای افزایش بازده این آزمایش و همچنین کاهش خط‌ا، سفت و محکم کردن نمونه به واسطه گیره است. معمولا این کار به کمک شابلون‌های ویژه و گیره خاص انجام می‌شوئد که قدرت نگهداری و اتصال بالایی دارند.
مقداری از انرژی آونگ به شکستن نمونه صرف می‌شود و در ادامه آونگ تا ارتفاعی بالا می‌آید. از میزان اختلاف ارتفاع اولیه و ثانویه آونگ می‌توان برای محاسبه انرژی جذب شده استفاده کرد. به طور معمول نمونه‌هایی که در تست ضربه از آن‌ها استفاده می‌شود دارای سه شیار هستند. بدین صورت با هر آزمایش نتیجه‌ای متفاوت به دست می‌آید. نتایج ممکن است دارای پراکندگی زیادی باشند که با رسم منحنی پراکندگی و میانگین گیری، می‌توان به عدد درستی رسید.
تست ضربه کششی
از این آزمایش و تست برای محاسبه مقاومت اجسام استفاده می‌شود. درواقع آزمایش ضربه کششی میزان انرژی جذب شده یک نمونه که ممکن است دارای شکاف و یا بدون شکاف باشد را هنگام وارد شدن ضربه تحت شرایطی خاص بیان می‌کند. در این آزمون کشش نمونه با سرعت آهسته تر انجام می‌شود و معمولاً برای محاسبه استحکام و مقاومت ضربه کششی پلیمرها به کار می‌رود.
همانطور که در آزمایش قبل گفتیم اهمیت اتصال نمونه بسیار بالا است که این مورد در تست ضربه کششی نیز باید رعایت شود. بدین صورت که جسم مورد نظر را به طور افقی در محل مخصوص و به کمک گیره محکم می‌کنند و سمت دیگر آن یک لقمه آزاد قرار می‌گیرد. پاندول دستگاه رها شده و به لقمه برخورد می‌کند، در ادامه با برخورد لقمه به نمونه مورد نظر می‌توان میزان انرژی جذب شده توسط جسم که ممکن است سالم مانده باشد و یا تا مرحله شکستن پیش رفته باشد را ثبت و بررسی کرد. با تقسیم این انرژی بر مساحت سطح، استحکام یا همان ضربه کششی برای نمونه مورد نظر محاسبه می‌شود.
تست ضربه چه کاربرد‌هایی دارد؟
در بخش‌های پیشین درمورد چقرمگی و آزمایش ضربه صحبت کردیم و به تشریح و توضیح دو مورد از آزمایش‌های معروف که متداول‌تر هستند پرداختیم. حال به بررسی آنکه این تست چه کاربردی دارد و نتایج آن در چه مواردی مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌پردازیم. یکی از کاربردهای تست ضربه در تعیین مقاومت مواد مختلف در مقابل ضربه است. این تعیین مقاومت برای صنایع ساخت و ساز و تولیدی بسیار حائز اهمیت بوده و از آن برای ساخت کاشی، آجر، دیوار، درب و بسیاری موارد دیگر استفاده می‌شود.
کاربرد دیگر این آزمایش در بررسی اثر دما بر روی مقاومت ضربه است. همانطور که می‌دانید دما و تغییرات دمایی در تحرک مولکول‌ها اثر گذاشته و انبساط و انقباض اجسام را به همراه می‌آورد. همین تغییر در ابعاد و فاصله بین مولکولی بر روی مقاومت تاثیر مستقیم دارد. با تست ضربه می‌توان این تغییرات دما و تاثیری که بر روی مقاومت ماده مورد نظر می‌گذارد را بررسی کرد.
کاربرد دیگر این تست محاسبه و بررسی میزان حساسیت مواد شکاف‌دار است. همچنین نتایج تست ضربه برای ارزیابی خصوصیات سطح مشترک، در سطح مشترک شکست نیز حائز اهمیت هستند. پس از انجام این آزمایش می‌توان مواد را به طور دقیق و صحیح انتخاب کرد تا بیشترین چقرمگی و مقاومت را به آن‌ها بخشید. از دیگر کاربردهای آزمایش ضربه طبقه بندی و یا تخمین رفتار یک جسم به عنوان ترد و نرم است. به کمک نتایج به دست آمده در آزمایش‌های فوق، می‌توان چقرمگی، دمای تبدیل نر‌می به تردی، موقعیت یک عملیات حرارتی، مقاومت در مقابل اتصالات جوشکاری و… را بررسی کرد و متناسب با اطلاعات بدست آمده به انجام فعالیت‌ها پرداخت.
انواع مواد برای تست ضربه
تقریباً همه مواد را می‌توان به کمک آزمایش ضربه بررسی کرد، اما رایج ترین این مواد که اندازه‌گیری استحکام و چقرمگی آن‌ها از اهمیت بیشتری برخوردار است شامل فلزات، پلاستیک‌ها، چوب‌ها، کامپوزیت‌ها، سرامیک‌ها و پلیمرها هستند. به طور کلی این مواد بسته به نوع آزمایش به شکل ورق‌هایی با ضخامت‌های مختلف یا میله‌هایی کوتاه در می‌آیند و اکثر آن‌ها بسته به آزمایش، سرعت بارگذاری، دمای نمونه و… شرایط مختلفی را تجربه خواهند کرد.
همانطور که نام برده شد بیشتر موادی که در آزمون ضربه مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نحوی در ساخت و ساز کاربرد دارند، چرا که چقرمگی در تولیدات، به خصوص تولیدات مربوط به ساخت آپارتمان و کارخانه و… از اهمیت بالاتری برخوردار است. به همین منظور مهندسان در تلاش‌اند تا با انجام تست ضربه و آزمایش‌های متنوع، مقاومت و استحکام اجسام و تولیدات مختلف را بالا ببرند.
کلام آخر در مورد آزمایش ضربه
آزمایش ضربه یکی از آزمایش‌های بسیار رایج و متداول برای اندازه گیری مقاومت مکانیکی یک ماده در مقابل ضربه است. بدین صورت که با توجه به این آزمایش می‌توان رفتار ماده در مقابل ضربه مانند تغییر شکل، شکستن، کشش و …. را مورد بررسی قرار داد. امروزه انواع مختلفی از آزمایش‌های ضربه طراحی شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند اما مهم‌ترین و رایج‌ترین آن‌ها تست ضربه شارپی و ایزود هستند.
در این آزمایش‌ها نمونه با شکل هندسی خاص و جهت گیری ویژه را، در محل مورد نظر محکم می‌کنند و سپس به کمک یک پاندول یا آونگ به آن نیرو و ضربه وارد می‌شود. در ادامه میزان انرژی جذب شده توسط نمونه را اندازه گرفته و به محاسبات مربوطه می‌پردازند. کاربرد و اهمیت این آزمایش در صنایع مختلف بسیار بالا بوده و تمامی افرادی که به نحوی با ساخت و ساز و تولید در ارتباط‌اند باید این تست را انجام دهند. دستگاه‌های مختلفی برای آزمایش تست ضربه طراحی و تولید شده اند که انجام آزمایش با آن‌ها بسیار سریع و راحت است. در این محتوا سعی داشتیم تا به طور کلی تست‌های معروف ضربه برای سنجش مقاومت اجسام را برایتان توضیح دهیم. در صورت تمایل برای یادگیری نقش تست ضربه در تحلیل سازه ها می‌توانید به آموزش تحلیل سازه های فرادرس مراجعه کنید.
