سفتی یک ماده چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

توانایی یک ماده برای تغییرشکل مومسان و جذب انرژی در فرایند تغییرشکل، قبل از شکست به خاصیت سفتی (toughness) موسوم است. بیاد داشته باشید که خاصیت لوله شوندگی (ductility) میزانی از اندازه تغییرشکل ماده پیش از شکست است، اما نرم بودن یک ماده به معنای سفتی آن نیست. سفتی ترکیب مناسبی از استحکام و نرمی است. ماده ای با استحکام بالا و نرمی بالا سفتی بیشتری از ماده ای با استحکام پایین و نرمی بالا خواهد داشت. بنابراین یک راه برای اندازه گیری سفتی، محاسبه مساحت زیر منحنی تنش-کرنش ناشی از آزمون کشش است. این مقدار بطور ساده "سفتی ماده" نامیده شده و دارای واحد انرژی بر حجم است. سفتی ماده معادل جذب آهسته انرژی توسط ماده است.

چندین متغیر هستند که تاثیر بنیادی بر سفتی ماده دارند:

نرخ کرنش (سرعت بارگذاری)

دما

اثر بریدگی (notch effect)

یک فلز ممکن است دارای سفتی قابل قبول تحت شرایط بارگذاری ایستا بوده اما تحت بارهای پویا (دینامیک) یا برخورد دچار شکست شود. به عنوان یک قانون، لوله شوندگی (نرمی) و در نتیجه سفتی با افزایش سرعت بارگذاری کاهش می یابد. دما دومین متغیری است که تاثیر عمده ای بر سفتی دارد. با کاهش دما لوله شوندگی و سفتی نیز کاهش می یابند. سومین متغیر به اثر بریدگی موسوم است که به توزیع تنش مربوط می شود. یک ماده ممکن است تحت تنش تک محوری سفتی خوبی از خود نمایش دهد اما یک تنش چند محوره به واسطه وجود یک بریدگی در ماده روی می دهد و ماده نمی تواند در برابر تغییرشکل همزمان کشسان و مومسان در جهات مختلف ایستادگی کند.

آزمون های سفتی متعددی ابداع شده اند که برای شرایط بارگذاری مختلف یا طراحی خاص قطعه بکار می روند. سه تا از خواص سفتی مورد آژمون عبارتند از سفتی برخورد، سفتی در برابر بریدگی و سفتی در برابر شکست.

سفتی برخورد

سفتی یا استحکام برخورد یک ماده را می توان توسط یا آزمون چارپی یا ایزود اندازه گیری کرد. این دو آزمون از نمونه های متفاوت و روشهای مختلف نگهداری نمونه های استفاده می کنند اما هر دو از یک ماشین آزمون پاندولی سود می جویند. در هر دو آزمون، نمونه توسط یک ضربه واحد پاندول شکسته می شود. یک نشانگر توقف برای ثبت میزان بازگشت پاندول پس از شکستن نمونه بکار می رود. سفتی برخورد یک ماده با اندازه گیری انرژی جذب شده در طی شکست نمونه تعیین می شود. این کار بسادگی با اندازه گیری ارتفاع رها شدن پاندول و ارتفاع گرفتن مجدد آن پس از شکستن قطعه و بازگشت انجام می شود. ارتفاع پاندول ضرب در وزن پاندول معادل انرژی پتانسیل آن و اختلاف انرژی پتانسیل پاندول در ابتدا و انتهای آزمون معادل انرژی جذب شده است.

از آنجایی که سفتی از دما بسیار تاثیر می پذیرد، این آزمونها اغلب به دفعات مختلف در دماهای متفاوت اجرا می شوند. با این کار نموداری از سفتی برخورد ماده در دماهای مختلف تولید می شود. در تصویر زیر نمودار سفتی برخورد بر حسب دما برای یک نوع فولاد نشان داده شده است. می توان دید که در دماهای پایین ماده تردتر و سفتی برخورد پایین تر است. در دمای بالا ماده نرمتر و سفتی برخورد بالاتر است. یک دمای گذار، مرزی میان رفتار ترد و نرم ماده تعریف می کند و این دما در انتخاب یک ماده اغلب ملاحظه بسیار مهی بشمار می آید.

سفتی بریدگی

سفتی بریدگی قابلیت یک ماده در جذب انرژی در حضور یک نقص محلی است. وجود این نقص در ماده (مانند یک شکاف یا بریدگی) باعث می شود ماده سطوح پایین تری از سفتی را از خود نشان دهد. وقتی نقصی در ماده وجود دارد، بارگذاری یک وضعیت تنش سه محوری در مجاورت آن نقص ایجاد می کند. ماده دچار کرنش مومسان در ناحیه نزدیک نوک ترک یا شکاف می شود که تنش در آنجا بالاتر است. لیکن میزام تغییرشکل مومسان توسط ماده پیرامونی محدود می شود که همچنان کشسان باقی مانده است. وقتی چیزی مانع تغییرشکل مومسان ماده شود، به شیوه ای ترد می شکند.

سفتی بریدگی با نمونه های مختلفی از جمله نمونه آزمون برخورد V-notch چارپی یا نمونه آزمون برش دینامیک اندازه گیری می شود. همانند آزمون برخورد معمولی، آزمون در دماهای مختلف تکرار می شود. با تغییر دما و سرعت بارگذار ینمودارهایی مانند زیر تولید می شود. نعمولا تنها آزمون ایستا و برخورد انجام می شود لیکن بسیاری قطعات در خدمت نرخ بارگذاری در گستره خط چین نشان داده شده تجربه می کنند.

سفتی شکست

سفتی شکست نشان دهنده میزان تنش مورد نیاز برای گسترش یک نقص از قبل موجود است. این یک خاصیت بسیار مهم ماده است زیرا بروز نواقص در ماده در طی فرآوری، ساخت یا در طی عمر خدمتی قطعات اجتناب ناپذیر است. نواقص ممن است بصورت ترک، نفاط توخالی، اضافات متالورژیکی، نقص جوشکاری، ناپیوستگی در طراحی یا ترکیبی از اینها وجود داشته باشند. از آنجایی که مهندسان نمی توانند از عدم وجود نواقص در قطعات مطمئن باشند، فرض اینکه یک نقص از درجه ای انتخابی در تعدادی قطعات موجود است امری طبیعی است و از رویکرد مکانیک شکست کشسان خطی (LEFM) برای طراحی اجزای حیاتی طراحی استفاده می شود. این رویکرد از اندازه نقص و ویزگی های آن، هندسه قطعات، شرایط بارگذاری و خاصیتی از ماده به نام سفتی شکست برای برآورد قابلیت یک ماده یا قطعه در محدودسازی نقص و مقاومت در برابر یک شکست فاجعه بار استفاده می کند.

منبع:

https://www.nde-ed.org/Physics/Materials/Mechanical/NotchToughness.xhtml

لود سل چیست و چه کاربردی دارد؟

شکل 1. نمونه ای متداول از لود سل

لود سل (load cell) ابزاری است که یک نیرو یا بار را به خروجی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. لود سل ها انداع مختلفی مانند هیدرولیکی، پنوماتیکی، کرنش سنج (strain gage)، پیزوالکتریک و ظرفیتی (خازنی) دارند. در این نوشتار به لود سلهای از نوع کرنش سنج می‌پردازیم. این نوع لودسلها متداولترین نوع هستند و یک نیرو یا بار را به سیگنال الکتریکی معادل تبدیل می کنند.

لودسلهای کرنش سنج برای اندازه گیری دقیق یک وزن ایستا یا بار شبه دینامیکی طراحی شده اند. نیروی اعمال شده باعث تغییر مقاومت در کرنش سنج هایی می شود که به سازه داخلی مبدل نصب شده اند. میزان تغییر در مقاومت با تغییرشکل در سازه مبدل و در نتیجه نیروی اعمالی متناسب است.

لود سلها کاربرد زیادی در صنایع مختل دارند و کاربرد عمده آنها در اندازه گیری وزن یا نیرو و بار اعمالی است.

کرنش سنج

وقتی باری بر یک جسم اعمال می‌شود، آن جسم به میزان مشخصی تغییر شکل می یابد. این تغییر شکل به ابعاد و ماده سازنده جسم و نیز اندازه بار اعمال شده بستگی دارد. نسبت تغییرشکل به اندازه اولیه جسم به کمیتی به نام کرنش موسوم است.

کرنش سنج ها مقاومت هایی هستند که به نسبت بار اعمال شده بر آنها و تغییرشکلی که تجربه می کنند، مقاومتشان تغییر می کند. آنها از یک فویل مقاومتی که بر روی ماده پشتیبان پیچیده شده ساخته شده اند. با کشیده شدن کرنش سنج، مقاومت آن افزایش می یابد و با متراکم شدن آن نیز میزان مقاومت کاهش می یابد. میزان تغییر مقاومت آن معیاری از تغییرشکل آن است (شکل 2).

شکل 2. تعریف کرنش

پل وتستون

بسیاری از لود سلها از پیکربندی پل وتستون که از چهار مقاومت ساخته شده تبعیت می کنند. ایج چهار مقاومت بصورت شبکه های جمع و تفریق عمل می کنند. پل وتستون امکان جبران اثرات دمایی را می دهد.  یک ولتاژ 5 تا 20 ولتی مستقیم یا متناوب به عنوان ولتاژ تهییج برای راه اندازی پل لازم است.

نسخه ساده شده ای از یک لود سل کرنش سنجی که با استفاده از پل وتستون ساخته شده در شکل 3 نشان داده شده است. کرنش سنج های مورد استفاده در پل وتستون دارای مقاومت یکسانی هستند و زمانی که باری بر آنها اعمال نشده یک پل متوازن را می‌سازند. با اعمال بار بر کرنش سنج ها، آنها تغییرشکل یافته و مقاومتشان تغییر می کند. در نتیجه توازن پل به هم می خورد و ولتاژ خروجی تولید می شود که با بار اعمال شده بر آنها متناسب است.

بار اعمالی بر لود سل باعث می شود گیج های تنشی (T1 و T2) کشیده شده و گیج های تراکمی (C1 و C2) فشرده شوند. سپس یک ولتاژ خروجی از طریق سیم های سیگنال (+S و –S) به مبدل سیگنال فرستاده می شود تا ولتاژ خروجی را به مقدار معادل نیرو تبدیل کند.

عواملی مانند دما، طول سیم مورد استفاده برای تکمیل مدار و مکان قرار دادن گیج بر میزان مقاومت پل اثر گذارده و خطا در مقدار اندازه گیری شده را موجب می شوند. در لود سلهای دقیق این اثرات با افزودن مقاومت به پل جبران می شوند. بسیاری از لود سل ها از کد سیم کشی که در جدول شکل 5 نشان داده شده تبعیت می کنند.

منبع

Load Cell Handbook, PCB Load and Torque Group

تفاوت میان اندازه شناسی و اندازه گیری

اندازه‌گیری (Measurement) به فرایند بدست آوردن یک یا چند مقدار بطور تجربی گفته می‌شود که بطور معقولی بتوان آنها را به یک کمیت یا خاصیت نسبت داد. اندازه‌گیری اساس هر فعالیت انسانی است و مهم است که درستی هر اندازه گیری متناسب با هدف منظور شده از آن باشد.

اندازه شناسی (Metrology) به دانش اندازه گیری و کاربرد آن گفته می شود. اندازه شناسی فقط درباره اندازه گیری روال مند نیست، بلکه درباره زیرساختی که اطمینان به درستی اندازه گیری را تضمین می کند نیز هست. اندازه شناسی درک مشترک از واحدها و فرایندهای اندازه گیری را که برا یفعالیت انسانی حیاتی است، برقرار می کند.

اندازه شناسی مفاهیمی چون درستی، دقت و تکرارپذیری اندازه گیری را پوشش می دهد و شامل قابلیت ردیابی یا مقایسه با یک استاندارد یا میان سیستم های مختلف اندازه گیری است. اندازه شناسی شامل تمامی جنبه های نظری و عملی اندازه گیری است که عدم قطعیت و زمینه کاربرد اندازه گیری در آن بسیار دخیل هستند.

منبع:

https://www.npl.co.uk/resources/q-a/metrology-and-measurement-difference