اصول آزمون کشش: مبانی، روش ها و چالش ها

بسپار/ ایران پلیمر با تشکر از دکتر پیمان عزتی، معاون تحقیق و توسعه الاستومر انستیتو ERA که این مقاله را ترجمه و برای انتشار در اختیار این گروه رسانه ای قرار داده اند.

آزمایش کشش مسلماً رایج‌ترین روش آزمایشی است که هم در اندازه‌گیری نیرو و هم در آزمایش مواد استفاده می‌شود. آزمایش کشش در درجه اول برای تعیین رفتار مکانیکی یک جزء، قطعه یا ماده تحت بارگذاری استاتیکی و محوری استفاده می شود.

روش آزمون برای آزمایش مواد و اندازه گیری نیرو مشابه است. با این حال، نتایج اندازه گیری متفاوت است. آزمایش کشش برای تعیین خواص کششی یک ماده یا جزء انجام می شود. از تغییر شکل نمونه آزمایشی برای مشخص کردن شکل‌پذیری یا شکنندگی آن و همچنین ویژگی‌های مهمی مانند استحکام کششی، نقطه تسلیم، حد الاستیک و درصد کشیدگی، مدول الاستیک و چقرمگی استفاده می‌شود.

تست مواد

آزمایش مواد علمی است که خواص مکانیکی مواد را اندازه گیری می کند. این شامل روش هایی مانند: استحکام ، واکنش به تغییر شکل، و توانایی و ناتوانی در مقاومت در برابر نیروی اعمال شده برای یک دوره زمانی می باشد که مشخصات فیزیکی مواد را کمی و کیفی می کند.

آزمایش مواد شامل اندازه گیری تنش و کرنش است که مستلزم دانستن سطح مقطع اولیه نمونه مورد آزمایش است. واحدهای معمول اندازه گیری N/mm2، MPa، PSI و ٪ هستند. نمونه های آزمایشی اغلب به اندازه مشخصی مطابق با استانداردهای آزمایش بین المللی از ASTM، ISO، DIN یا سازمان های دیگر آماده می شوند. در طول آزمایش کشش، شکل نمونه با اعمال بار تغییر می کند. درک تغییر در ابعاد نمونه در نیروهای مختلف یا مشخص به تعیین عملکرد و مناسب بودن مواد برای یک برنامه یا محصول معین کمک می کند.

آزمون اندازه گیری نیرو

آزمایش اندازه گیری نیرو برای آزمایش اجزا و محصولات استفاده می شود و به طور کلی از واحدهای اندازه گیری نیرو نیوتن، پوند-نیرو و کیلوگرم-نیرو استفاده می کند. سطح مقطع نمونه در نتیجه اندازه گیری دخالتی ندارد. رایج‌ترین اندازه‌گیری نیرو، «نیروی اوج» یا مقدار حداکثر نیرو است. این آزمایش‌ها همچنین ممکن است نتیجه فاصله مرتبط را در نیروی اوج گزارش کنند. اندازه گیری نیرو در آزمایشگاه مهندسی، کنترل کیفیت و بازرسی و در بخش تولید انجام می شود. آزمایش نیرو در تولید در سال‌های اخیر به طور قابل‌توجهی افزایش یافته است، زیرا تولیدکنندگان بیشتری اهمیت آزمایش کیفیت در محل را به عنوان راهی برای بهبود بهره‌وری، بازده و توان عملیاتی تشخیص می‌دهند.

ابزار آزمون

آزمایش کشش ممکن است در سطح بسیار ابتدایی با استفاده از گیج نیروی دستی انجام شود که در آن گیج نیروی کششی اعمال شده بر روی یک نمونه، محصول یا جزء را به منظور تعیین حداکثر نیرو اندازه می‌گیرد. در انتهای دیگر طیف ابزار دقیق، سیستم‌های آزمایش کشش بسیار پیچیده مجهز به نرم‌افزار تست پیشرفته و ابزارهای جانبی مانند اکستنسومترها قرار دارند. این سیستم های آزمایشی قادرند نمونه تحت آزمایش را با سرعت بسیار دقیقی به سمت هدف بسیار دقیق بکشانند. نمونه‌گیری داده‌های بزرگ به تولید داده‌های با وضوح بالا برای نیرو و فاصله یا تنش و کرنش کمک می‌کند، به طوری که می‌توان اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق را انجام داد، تجزیه و تحلیل کرد و گزارش داد.

شکل 1-استحکام کششی حداکثر تنش مشاهده شده از منحنی تنش-کرنش است.

شکل 2-حد الاستیک بیشترین میزان تنشی است که ماده می تواند بدون تغییر شکل دائمی داشته باشد.

نتایج و اندازه گیری های رایج تست کشش

انواع مختلفی از ویژگی های مختلف آزمایش کشش را می توان کشف و اندازه گیری کرد. برخی از رایج ترین اندازه گیری ها در زیر ذکر شده است:

• استحکام کششی ماکزیمم تنش است که اغلب در طول آزمایش مخرب اندازه گیری می شود (شکل 1). تنش مقدار نیرو تقسیم بر سطح مقطع اولیه نمونه تحت آزمایش است.
• الاستیسیته توانایی مواد برای کشیده شدن به مقدار تنش است. و هنگامی که تنش از بین رفت، ماده بدون ایجاد تغییر شکل دائمی به طول اولیه خود باز می گردد. فنر نمونه ای از محصولی است که به گونه ای طراحی شده است که خاصیت ارتجاعی بالایی داشته باشد.
• حد الاستیک بالاترین درجه تنشی است که ماده می تواند قبل از اینکه کامل بصورت دائمی تغییر شکل را نشان دهد به شکل اولیه بر می گردد (شکل 2).
• استحکام تسلیم به عنوان تنشی تعریف می شود که در آن ماده تحت آزمایش تغییر شکل دائمی را نشان می دهد. یعنی ماده از حد الاستیک خود فراتر رفته است (شکل 3). استحکام تسلیم اغلب با استفاده از مقدار انحراف دلخواه 0.2% کرنش از شیب الاستیک تعیین می شود. خطی موازی با خط شیب الاستیک با انحراف 0.2% رسم می شود. قدرت تسلیم جایی است که خط شیب انحراف منحنی تنش-کرنش را قطع می کند.
• پلاستیسیته شبیه خاصیت ارتجاعی است. با این حال، یک عنصر زمان در طول آزمایش استفاده می شود. هنگامی که ماده ای مانند الاستومر تا حدی نیرو کشیده می شود و سپس برای مدت زمانی نگه داشته می شود، توانایی الاستومر برای بازگشت به شکل اولیه خود بدون تغییر شکل دائمی مشخصه انعطاف پذیری آن است.
• رزیلینس توانایی مواد برای جذب و ذخیره انرژی در طول اعمال بارگذاری کششی است. این ظرفیت انرژی در محدوده الاستیک یک ماده است و به عنوان ناحیه زیر منحنی تنش-کرنش الاستیک مشخص می شود که بر حسب J/m3 یا پاسکال بیان می شود.
• هیسترزیس از دست دادن انرژی یک ماده و ناتوانی آن در حفظ ویژگی الاستیک خود است. بسیاری از مواد درجاتی از پسماند را نشان می دهند، زیرا بارها و بارها در یک مدت زمان یا چند دوره بارگیری و تخلیه می شوند.
• استیفتس توانایی ماده برای مقاومت در برابر تغییر شکل در هنگام اعمال نیرو است.
• مدول الاستیسیته اندازه گیری استیفتس یک ماده است (شکل 4). هر چه استیفتس بیشتر توسط یک ماده نشان داده شود، تغییر شکل ماده در هنگام بارگذاری کمتر رخ می دهد.
• ازدیاد طول همان کرنش است. ازدیاد طول درصد تغییر طول از طول گیج اولیه نمونه قبل از نیروی اعمال شده به طول نهایی آن در یک نیروی اعمالی است. کرنش یک مقدار بدون بعد است. با این حال، گاهی اوقات به صورت درصد یا اینچ/اینچ یا میلی متر/میلی متر بیان می شود.
• در طول آزمایش کشش، ماده به صورت جانبی و محوری تغییر شکل می دهد. نسبت پواسون مقایسه تغییر شکل جانبی یک ماده با تغییر شکل محوری یا طولی است.

 

شکل 3-با استفاده از روش انحراف، استحکام تسلیم تنشی است که در آن مواد تغییر شکل دائمی محدود کننده را بر اساس کرنش دلخواه 0.0002 اینچ/اینچ نشان می‌دهند.

 

چالش های تست کشش: علل و اثرات

بارگذاری غیر محوری یکی از شایع ترین علل اندازه گیری نادرست کشش است. حتی بارگذاری بسیار کوچک و خارج از مرکز هنگام استفاده از سنسور بار یا نیرو سنج می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری تا 0.5% شود. بنابراین، مهم است که اطمینان حاصل شود که تراز رشته آزمایش، به عنوان مثال، لودسل، فیکسچر تست بالا، نمونه، و ثابت تست پایین، عمود بر یکدیگر هستند.

استفاده از سنسور نیرو یا سنسور لودسل با اندازه مناسب بر اساس اندازه گیری بار مورد انتظار برای دستیابی به نتایج دقیق و قابل تکرار مهم است. یک قانون کلی این است که از سنسوری استفاده کنید که بین 20 تا 80 درصد اندازه‌گیری بار پیش‌بینی‌شده باشد. این کار از اثرات خطا در انتهای پایین به دلیل نویز مکانیکی جلوگیری می کند یا به حداقل می رساند و به جلوگیری از شرایط اضافه بار در انتهای بالایی محدوده اندازه گیری کمک می کند. از آنجایی که اکثر سنسورها کالیبره شده اند و مشخصات دقت خود را بر اساس مقیاس کامل دارند، هر چه یک به صفر نزدیکتر باشد، خطای پذیرفته شده تأثیر بیشتری بر اندازه گیری می گذارد.

داشتن یک فیکسچر آزمایشی نادرست یکی دیگر از دلایل رایج اندازه‌گیری‌های کششی نادرست است. اتصالی که برای نمونه خیلی بزرگ است یا در حین حرکت کششی نیروی گیرایی زیادی به نمونه وارد می کند می تواند باعث شکستن نمونه در خارج از ناحیه طول گیج مشخص شده شود. دستگاه تست باید با مشخصات بار مورد انتظار نمونه اندازه شود. فیکسچرهای تست عمل گوه روی نمونه‌های شکل‌پذیر به خوبی کار می‌کنند، اما روی مواد شکننده کمتر قابل اعتماد هستند زیرا با افزایش بار محوری، بار را بر روی نمونه اعمال می‌کنند. هنگامی که از تجهیزات تست پنوماتیکی استفاده می شود که نیروی چنگ زدن بر روی نمونه را تنظیم می کند، مواد شکننده تمایل بیشتری به آزمایش دارند.

آماده‌سازی نامناسب نمونه می‌تواند منجر به توصیف ناسازگار و نادرست شود. هنگام آزمایش بر اساس یک استاندارد بین المللی خاص، نمونه باید در ابعاد تعیین شده آماده شود. برنامه های اندازه گیری نیرو معمولاً از مولفه در حالت نهایی استفاده می کنند. آزمایش مواد، با این حال، از نمونه های آماده شده مخصوص در اشکال و اشکال مختلف استفاده می کند. سطح مقطع آنها ممکن است گرد، مستطیل یا مربع باشد و طول گیج استاندارد شناخته شده ای دارند.

آزمایش در سرعت خیلی سریع یا خیلی آهسته یکی دیگر از دلایل رایج عدم اندازه گیری کشش است. در صورت وجود، آزمایش باید مطابق با یک استاندارد آزمایشی شناخته شده و پذیرفته شده توسط ASTM، ISO، DIN یا دیگران انجام شود. سرعت تست به وضوح در این استانداردها مشخص شده است و از اندازه گیری مناسب اطمینان حاصل می کند. نتایج کششی ممکن است به طور قابل توجهی تحت تأثیر دما باشد. الاستیسیته یک نمونه می تواند به طور قابل توجهی با افزایش دما کاهش یابد.

شکل 4-مدول الاستیسیته نشان دهنده استیفنس ماده مورد آزمایش است.

نتیجه

نتایج یک آزمایش کشش باید داده های مفیدی را برای توصیف خواص فیزیکی و مکانیکی جزء یا ماده ارائه دهد. آزمایش های کشش شکل پذیری یا شکنندگی نمونه ها و رفتار ارتجاعی و پلاستیکی آنها را طبقه بندی می کند. آزمایش کشش می تواند مناسب بودن یک جزء یا ماده برای استفاده و عملکرد آن را در طول زمان تعیین کند. پذیرش و پیروی از استانداردهای تست پذیرفته شده بین‌المللی برای آزمایش کشش به روند صحیح آزمایشی و به اطمینان از اینکه محصولات، اجزا یا مواد الزامات طراحی مشخص شده را برآورده می‌کنند، کمک می‌کند.

 

مرجع

James M. Clinton, The L.S. Starrett Company, “Tensile testing principles: Fundamentals, methods, and challenges”, Rubber World, the technical service magazine for the rubber industry, Volume 267, No. 4, January 2023, pages: 16-19.