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