چقرمگی فولاد چیست؟
فولاد، در صنایع گوناگون از قبیل ساخت‌وساز، تولید خودرو و تجهیزات پزشکی استفاده می شود. کاربردهای گسترده آن به دلیل ویژگی دوام در برابر شکست و جذب انرژی، اهمیت ویژه‌ای دارد. این خصوصیت که با عنوان چقرمگی فولاد شناخته می‌شود، به سازه‌ها و قطعات فولادی توانایی تحمل نیروهای وارده و ضربات ناگهانی را می‌بخشد و آن‌ها را در برابر حوادث غیرمترقبه مقاوم‌تر می‌سازد. کیفیت و میزان این پایایی در فولاد، تحت تأثیر عواملی نظیر ساختار شیمیایی، روش‌های تولید و فرآیندهای حرارتی اعمال شده قرار دارد.
آنچه در این مقاله میخوانید
چقرمگی چیست؟
در دانش مواد و مهندسی فلزات، چقرمگی یک ماده، ظرفیت آن برای جذب بیشترین میزان انرژی و تغییر حالت دائمی پیش از وقوع شکستگی تعریف می‌شود. به بیان دیگر، چقرمگی نمایانگر مقدار انرژی قابل جذب توسط یک ماده در واحد حجم قبل از گسیختگی و همچنین میزان مقاومت آن در برابر شکست تحت بارگذاری است. پایداری، از جمله در فولاد، قابلیت جذب انرژی پیش از شکست را نشان می‌دهد. به زبان ساده‌تر، یک ماده پایدار قادر است تغییرات شکلی قابل توجهی را پیش از گسیخته شدن تحمل کند.
هنگام اعمال نیرو به یک ماده، اگر آن ماده توانایی تغییر شکل و بازگشت به حالت اولیه پس از حذف نیرو را داشته باشد، خاصیت ارتجاعی از خود نشان می‌دهد. این خاصیت ارتجاعی، نشانه‌ای از پایداری ماده است؛ به این معنا که ماده می‌تواند نیرو را تحمل کرده و بدون شکستن تغییر شکل دهد. چقرمگی یکی از حیاتی‌ترین خصوصیات فولاد به شمار می‌رود که میزان توانایی این ماده در جذب انرژی و تغییر شکل قبل از شکست را مشخص می‌کند. به عبارت خلاصه، چقرمگی فولاد، درجه مقاومت آن در برابر ضربه و شکستگی را تعیین می‌کند.
چقرمگی شکست چیست؟
مقاومت یک ماده در برابر گسترش یک شکاف اولیه تحت بارگذاری، مفهومی متمایز از پایداری کلی بوده و به حوزه دیگری در علم مواد مربوط می‌شود. در حقیقت، مقاومت به شکست، به مباحث مرتبط با مکانیک شکست تعلق دارد. این ویژگی، میزان شدت نیروی لازم برای رشد یک ترک را ارزیابی می‌کند که با شاخصی به نام حد بحرانی تمرکز نیرو (KIC) مشخص می‌گردد. از آنجایی که وجود نقص در ساختار اجتناب‌ناپذیر است، سنجش میزان مقاومت ماده در برابر شکست از اهمیت بسزایی برخوردار است. این نقص‌ها می‌توانند به شکل ترک، فضای خالی، مواد خارجی، ایرادات جوشکاری یا ترکیبی از این موارد نمایان شوند.
چقرمگی ضربه چیست؟
قابلیت یک ماده در بلعیدن انرژی و پایداری آن در مقابل ضربات یا نیروهای ناگهانی قبل از گسیختگی، از ویژگی‌های حیاتی مواد، به خصوص در شرایطی که احتمال مواجهه با بارهای لحظه‌ای وجود دارد، محسوب می‌شود. برای ارزیابی این خاصیت، از آزمون‌های ضربه نظیر شارپی یا آیزود بهره گرفته می‌شود.
مزایای چقرمه بودن فولاد
- ماده‌ای که از چقرمگی چشمگیری برخوردار است، در مواجهه با ضربات ناگهانی، بارهای آنی و گسترش ترک‌های اولیه، مقاومت فوق‌العاده‌ای را به نمایش می‌گذارد.
- مواد چقرمه، به دلیل تحمل‌پذیری بالا، دیرتر دچار فرسودگی، گسیختگی و شکست‌های غیرمنتظره می‌شوند. این خصوصیت، مخارج مربوط به حفظ و نگهداری، تعمیرات و جایگزینی اجزا را تقلیل داده و از منظر اقتصادی نیز سودمند است.
- در بسیاری از مصارف صنعتی و ابزارهای برش، چقرمگی بالا به عملکرد مطلوب‌تر می‌انجامد. برای نمونه، یک لبه تیز با چقرمگی مناسب، می‌تواند مدت مدیدی کارایی خود را حفظ کرده و برش‌هایی تمیز و با دقت فراوان ایجاد نماید.
معایب چقرمه بودن فولاد
- ارتقای میزان پایایی در مواد اغلب با تنزل در درجه سختی و مقاومت آن‌ها ملازمه دارد. این امر می‌تواند فرایند ساخت و تغییر شکل مواد را دشوارتر و پرهزینه‌تر سازد. به عنوان نمونه، پرداخت و فرم‌دهی مواد با پایداری زیاد مستلزم بهره‌گیری از ابزارآلات ویژه و صرف انرژی بیشتری خواهد بود.
- در برخی صنایع، نظیر هوافضا که مسئله وزن از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است، افزایش خاصیت چقرمگی ممکن است به سنگین‌تر شدن قطعات منجر شود. از این رو، در چنین کاربردهایی، ایجاد یک موازنه منطقی بین میزان چقرمگی و وزن ماده امری ضروری است.
روش های اندازه گیری و تست چقرمگی
برای تعیین میزان تست چقرمگی، تست‌های متنوعی طراحی شده‌اند که هر کدام، عملکرد ماده را در وضعیت‌های گوناگون بررسی می‌کنند.
-
تست ضربه
یکی از روش‌های رایج برای ارزیابی میزان تحمل مواد در برابر ضربه‌های ناگهانی، به ویژه در صنایعی نظیر خودروسازی و ساختمان‌سازی که قطعات مستعد دریافت بارهای ضربه‌ای هستند، تست ضربه است. در این فرآیند، یک قطعه آزمایش با ابعاد و یک شکاف مشخص، تحت ضربه ناگهانی یک وزنه متحرک (پاندول) با میزان انرژی تعیین‌شده قرار می‌گیرد. با سنجش تغییرات در ارتفاع اولیه و نهایی پاندول و در نظر گرفتن وزن آن، میزان انرژی جذب‌شده توسط قطعه قبل از شکست تخمین زده می‌شود. این مقدار انرژی جذب‌شده، سنجه‌ای برای تعیین میزان پایداری ماده در برابر ضربه محسوب می‌گردد.
دو نوع شناخته‌شده از این تست، آزمون‌های شارپی و آیزود هستند که هر دو بر مبنای معیارهای استاندارد انجام می‌پذیرند. در روش شارپی، قطعه آزمایش به صورت یک تیر با دو تکیه‌گاه قرار داده شده و ضربه از پشت ناحیه شکاف به آن وارد می‌آید. در مقابل، در روش آیزود، قطعه به صورت یک سر ثابت قرار گرفته و ضربه به طرفی که شکاف در آن واقع شده، اعمال می‌گردد. انتخاب نوع تست بر اساس جنس ماده، ابعاد نمونه و الزامات استاندارد صورت می‌گیرد.
-
تست کشش
روش دیگر برای سنجش میزان توانایی یک ماده در جذب انرژی و تحمل تغییر شکل پیش از شکست، تست کشش است که اطلاعات جامع‌تری در مورد رفتار مکانیکی آن ارائه می‌دهد. در این آزمایش، قطعه‌ای با ابعاد و شکل استاندارد، تحت نیروی کششی با سرعت ثابت قرار می‌گیرد و میزان نیروی لازم برای کشیدگی آن ثبت می‌شود. با استفاده از این داده‌ها، نموداری به نام منحنی تنش-کرنش ترسیم می‌گردد که نشان‌دهنده رابطه بین نیروی وارد بر واحد سطح (تنش) و میزان تغییر طول نسبی (کرنش) در ماده است.
این مقاله را حتما بخوانید: با مفهوم خستگی در سازه آشنا شوید!
ناحیه زیر این منحنی تنش-کرنش، معیاری برای تعیین میزان چقرمگی ماده در آزمون کشش به حساب می‌آید. این ناحیه، میزان انرژی جذب‌شده توسط ماده قبل از گسیختگی را نشان می‌دهد و هرچه این ناحیه بزرگ‌تر باشد، بیانگر چقرمگی بیشتر ماده است. به علاوه، تست کشش اطلاعات مفیدی درباره دیگر ویژگی‌های مکانیکی ماده، مانند استحکام نهایی، استحکام تسلیم و میزان افزایش طول در هنگام شکست نیز فراهم می‌کند.
پارامترهای اثرگذار بر چقرمگی فولاد
عوامل مختلفی بر چقرمگی فولاد تاثیر می گذارند که در ادامه به آن ها اشاره خواهیم کرد:
- ریز ساختار:
ساختار درونی هر جسم، که نمایانگر آرایش ذرات سازنده آن در مقیاس اتمی یا مولکولی است، نقشی تعیین‌کننده در ویژگی‌های مقاومتی آن ایفا می‌کند. به طور مشابه، کیفیت آرایش و نوع پیوندهای بین این ذرات، میزان مقاومت جسم در برابر شکست را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به این ترتیب، هرچه ذرات تشکیل‌دهنده یک ماده به شکل منظم‌تری در کنار یکدیگر قرار گرفته و نیروهای جاذبه قوی‌تری بین آن‌ها وجود داشته باشد، آن ماده از استحکام بیشتری در برابر گسیختگی برخوردار خواهد بود.
- ترکیب شیمیایی:
نحوه اتصال اتم‌ها و نوع عناصر سازنده یک ماده، تعیین‌کننده میزان مقاومت آن در برابر شکستن است. موادی که ذرات تشکیل‌دهنده‌شان به صورت منظم و با پیوندهای قوی به هم متصل شده‌اند، معمولاً چقرمگی بیشتری دارند. همچنین، با تغییر عناصر تشکیل‌دهنده یک ماده، می‌توان میزان چقرمگی آن را دستخوش تغییر کرد. برای مثال، افزودن برخی مواد به فلزات، آرایش داخلی آن‌ها را تغییر داده و در نتیجه، میزان چقرمگی آن‌ها کم یا زیاد می‌شود. به طور خاص، افزودن کربن به آهن، سختی آن را افزایش می‌دهد، اما در عین حال، مقاومت آن در برابر ضربه و شکستگی را کاهش می‌دهد.
- سختی:
باید بدانید که ویژگی مقاومت یک جسم در برابر خراشیده شدن، ارتباطی وارونه با میزان انرژی‌ای دارد که می‌تواند پیش از گسیختگی تحمل کند. هرچه جسمی در مقابل ساییدگی مقاوم‌تر باشد، احتمال شکستگی ناگهانی آن بیشتر شده و در نتیجه، ظرفیت جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیک پیش از شکست را از دست می‌دهد. به این ترتیب، اجسام بسیار سخت معمولاً شکننده‌تر و کم‌دوام‌تر در برابر ضربه و فشار خواهند بود.
- دما:
قابلیت یک ماده در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست، با حرارت محیط پیرامون آن پیوند مستقیمی دارد. به این صورت که با افزایش گرما، توانایی ماده در تحمل نیرو و تغییر شکل بدون گسیختگی افزایش می‌یابد، در حالی که کاهش دما منجر به افت این ویژگی مهم و افزایش احتمال شکست ترد آن می‌گردد. به عبارت دیگر، سرما می‌تواند از میزان انعطاف‌پذیری و دوام مواد بکاهد.
- میزان بارگذاری:
به طور کلی، افزایش میزان نیروی وارد شده بر یک جسم، معمولاً سبب کاهش ظرفیت آن در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست می‌شود. با این وجود، لازم به ذکر است که ماهیت نیروی اعمالی نیز نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند. برای مثال، بسیاری از مواد رفتارهای متفاوتی در مواجهه با نیروهای ثابت و نیروهای متغیر با زمان از خود نشان می‌دهند. بنابراین، صرفاً مقدار نیرو تعیین‌کننده میزان چقرمگی نیست، بلکه نحوه اعمال آن نیز حائز اهمیت است.
- فرایند تولید:
نحوه پرداخت و فرآوری مواد اولیه، نقشی محوری در تعیین میزان چقرمگی آن‌ها ایفا می‌کند. در طول پروسه شکل‌دهی، تحولاتی در بافت داخلی ماده رخ می‌دهد که می‌تواند پایداری آن در برابر شکست را دستخوش تغییر نماید؛ گاهی این تغییرات منجر به افزایش مقاومت و گاهی سبب کاهش آن می‌گردد. بنابراین، مسیر تولید، اثری مستقیم بر میزان تحمل و دوام نهایی ماده دارد.
فرمول چقرمگی
معیار سنجش چقرمگی ، با واحد ژول بر متر مکعب (J/m3) بیان شده و از طریق محاسبه‌ی مساحت واقع در زیر منحنی تنش-کرنش تا لحظه‌ی شکست به دست می‌آید. بر این اساس، هر چه میزان پایداری یک ماده بیشتر باشد، انرژی مورد نیاز برای گسیختن آن نیز افزایش می‌یابد. برای تعیین دقیق میزان پایداری، انجام تست‌های ضربه و کشش از اهمیت بالایی برخوردار است. لازم به ذکر است که موادی با خاصیت تردی بالا، مانند شیشه و سرامیک، عموماً با این روش‌ها مورد ارزیابی قرار نمی‌گیرند.
بررسی تفاوت چقرمگی و سختی
تصور رایج، یکسان دانستن مقاومت سطحی و پایداری در برابر شکست در مواد است، اما این دو مشخصه، مفاهیمی جداگانه را بازگو می‌کنند. مورد اول، که به عنوان سختی شناخته می‌شود، میزان ممانعت یک جسم در برابر فرورفتگی یا ساییدگی را تعیین می‌کند. در سوی دیگر، چقرمگی، نمایانگر ظرفیت ماده در مقابله با ایجاد و پیشروی ترک است. اغلب دیده می‌شود که افزایش در یکی از این خصوصیات، با تنزل در دیگری هم‌راستا است؛ به این معنا که مواد سخت‌تر، غالباً تمایل بیشتری به شکست ترد از خود نشان می‌دهند.
این مقاله را حتما بخوانید: فولاد دوفازی چیست؟ هر آنچه باید بدانید
با وجود این، این یک اصل کلی نیست و نمونه‌هایی از مواد وجود دارند که همزمان از درجه بالایی از سختی و چقرمگی بهره‌مندند. درک تمایز بین این دو ویژگی و آگاهی از مقدار دقیق آن‌ها برای هر ماده، برای متخصصان طراحی و ساخت، امری حیاتی است تا بتوانند کارآمدترین مواد را برای مصارف مختلف انتخاب نمایند.
بررسی تفاوت چقرمگی و چکش خواری
دو ویژگی اساسی و متمایز در علم مواد، به ویژه در مورد فولادها، که اغلب درک درستی از آن‌ها وجود ندارد و حتی در تعیین بهای آلیاژهای فولادی مؤثرند، چقرمگی و چکش‌خواری نام دارند. این دو خاصیت، گرچه هر دو بیانگر میزان تحمل ماده در برابر شکست هستند، اما شیوه عملکرد و نحوه سنجش آن‌ها کاملاً از یکدیگر جدا است.
چکش‌خواری، در واقع، نمایانگر توانایی ذاتی یک ماده در پذیرش تغییر شکل پایدار تحت اعمال فشارهای مکانیکی، بدون آنکه دچار گسیختگی شود، است. به عبارت دیگر، چکش‌خواری مشخص می‌کند که یک ماده تا چه حد قابلیت آن را دارد که تحت ضربات متوالی، به صورت لایه‌های نازک درآید. این ویژگی، در فرآیندهای شکل‌دهی فلزات مانند نوردکاری، چکش‌زنی و کشش مفتول، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
اصلی ترین تفاوت
تفاوت بنیادین میان چقرمگی و چکش‌خواری در نوع تنشی است که به ماده وارد می‌شود و رفتاری که ماده در پاسخ به آن نشان می‌دهد. چقرمگی، مقاومت ماده را در برابر نیروهای ضربه‌ای و کششی که تمایل به ایجاد و گسترش ترک دارند، ارزیابی می‌کند، در حالی که چکش‌خواری، استعداد ماده برای تغییر شکل پلاستیک تحت تأثیر فشارهای استاتیک بدون شکست را اندازه‌گیری می‌نماید.
بر این اساس، ممکن است ماده‌ای از چقرمگی قابل توجهی برخوردار باشد اما چکش‌خواری محدودی از خود نشان دهد و بالعکس. به عنوان مثال، شیشه، با آنکه به آسانی تحت ضربه خرد می‌شود و چقرمگی پایینی دارد، از چکش‌خواری نسبتاً خوبی برخوردار است و می‌توان آن را به ورقه‌های بسیار باریک تبدیل کرد. در مقابل، برخی از گریدهای فولاد، با وجود چقرمگی بسیار بالا، در برابر نیروهای فشاری به راحتی تغییر فرم نمی‌دهند و چکش‌خواری کمتری دارند.
جمع بندی
چقرمگی فولاد، این خاصیت مکانیکی حیاتی، توانایی یک ماده در جذب انرژی و تحمل تغییر شکل پلاستیک پیش از شکستگی را مشخص می‌کند. روش‌های گوناگون آزمایش، از جمله تست‌های ضربه شارپی و آیزود، برای ارزیابی این ویژگی به کار می‌روند. عواملی نظیر دما، ریزساختار و عناصر آلیاژی، تأثیر بسزایی بر مقاومت فولاد در برابر شکست دارند. در مهندسی، چقرمگی از اهمیت بالایی برخوردار است و نقش کلیدی در تضمین یکپارچگی ساختاری و پیشگیری از شکست‌های ناگهانی در شرایط دشوار ایفا می‌کند.
