تست کشش

تست کشش به‌عنوان یکی از آزمون‌های مکانیکی پایه، زیرمجموعه‌ای از تست های مکانیکی است که برای تعیین خواص مکانیکی مواد طراحی شده است. هدف اصلی این مقاله بررسی این تست به‌عنوان ابزاری کلیدی برای ارزیابی ویژگی‌هایی نظیر حد الاستیک، استحکام کششی نهایی، و درصد ازدیاد طول در موادی مانند فولادهای ساختمانی نظیر ST37 و دیگر مواد مهندسی است. این تست نقش مهمی در طراحی و تحلیل عملکرد مواد در کاربردهای مهندسی دارد و اطلاعات اساسی برای پیش‌بینی رفتار مکانیکی در شرایط بارگذاری فراهم می‌آورد.

پیش‌زمینه یا تئوری

تست کشش یکی از بنیادی‌ترین آزمایش‌های مکانیکی است که رفتار ماده را در شرایط تنش تک محوری بررسی می‌کند. این تست بر اساس قانون هوک (Hooke’s Law) در محدوده الاستیک ماده عمل می‌کند و نشان می‌دهد که تنش با کرنش متناسب است.

فرمول‌های کلیدی این تست کشش شامل:

σ = F / A

که در آن:

• σ: تنش (MPa)
• F: نیروی اعمال‌شده (N)
• A: سطح مقطع نمونه (mm²)

استانداردهای متداولی مانند ASTM E8 و ISO 6892 شرایط انجام تست کشش و ابعاد نمونه‌ها را تعریف می‌کنند.

هدف از تست کشش

در ادامه، اطلاعات مربوط به اهداف تست کشش به تفکیک ارائه شده است:

این جدول به صورت دقیق و جامع خواص و اهداف تست کشش را با رویکردی تخصصی در متالورژی و مهندسی مواد خلاصه می‌کند.

مواد و تجهیزات مورد استفاده

مواد مورد آزمایش در تست کشش

1. فلزات و آلیاژها:
   • نمونه‌های فلزی مانند فولاد، آلومینیوم، مس، تیتانیوم و آلیاژهای مرتبط.
   • این مواد معمولاً در کاربردهای صنعتی، ساختمانی و هوافضا مورد بررسی قرار می‌گیرند.
2. پلیمرها:
   • مواد ترموپلاستیک و ترموست برای بررسی خواص مکانیکی و انعطاف‌پذیری.
3. سرامیک‌ها:
   • برای بررسی استحکام کششی مواد شکننده.
4. کامپوزیت‌ها:
   • شامل مواد تقویت‌شده با الیاف مانند فیبر کربن و شیشه.
5. مواد نوین:
   • نانوکامپوزیت‌ها، مواد هوشمند، و آلیاژهای حافظه‌دار.

تجهیزات مورد استفاده در تست کشش

1. دستگاه تست کشش (Universal Testing Machine – UTM):

• اصلی‌ترین ابزار برای انجام تست کشش، قادر به اعمال نیروی کششی، فشاری و خمشی.
• اجزای اصلی:
  • سلول بار (Load Cell): برای اندازه‌گیری دقیق نیروی اعمال‌شده.
  • گیره‌ها (Grips): برای محکم نگه‌داشتن نمونه.
  • سیستم حرکت: اعمال نیروی کششی به‌صورت یکنواخت و کنترل‌شده.
  • واحد کنترلی: برای تنظیم و کنترل سرعت بارگذاری و نمایش داده‌ها.

2. اکستنسومتر (Extensometer):

• دستگاهی برای اندازه‌گیری دقیق تغییر طول نمونه در طول تست.
• انواع:
  • مکانیکی.
  • نوری (اپتیکی) برای اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر.

3. سیستم داده‌برداری:

• تجهیزات دیجیتالی برای ثبت نیروی اعمال‌شده و تغییر طول نمونه.
• نرم‌افزارهایی برای پردازش داده‌ها و رسم منحنی تنش-کرنش.

4. ابزار آماده‌سازی نمونه:

• دستگاه برش و ماشین‌کاری برای آماده‌سازی نمونه با ابعاد استاندارد.
• پولیش برای کاهش تمرکز تنش و تضمین یکپارچگی نمونه.

5. اندازه‌گیرهای ابعادی:

• کولیس و میکرومتر برای اندازه‌گیری دقیق ابعاد اولیه نمونه، از جمله طول اولیه (₀L​) و سطح مقطع (₀A​).

6. منبع تغذیه:

• تامین انرژی موردنیاز برای دستگاه کشش (هیدرولیک یا الکترومکانیکی).

7. لوازم جانبی:

• گیره‌های خاص برای نگه‌داشتن نمونه‌های غیرمعمول مانند نازک، انعطاف‌پذیر یا شکننده.
• تجهیزات دما (کوره یا سیستم خنک‌کننده) برای تست در دماهای بالا یا پایین.

8. ابزار ایمنی:

• محافظ برای جلوگیری از آسیب در صورت شکست نمونه.
• عینک و دستکش ایمنی برای محافظت از کاربر.

استانداردها و دستورالعمل‌ها

• ASTM E8/E8M: استاندارد تست کشش برای فلزات.
• ISO 6892: روش استاندارد برای تست کشش مواد فلزی.
• ASTM D638: برای پلیمرها.
• ASTM C1273: برای سرامیک‌ها.

فرایند تست کشش

تست کشش فرآیندی استاندارد برای بررسی رفتار مکانیکی مواد تحت نیروی کششی است. ابتدا نمونه‌ای با ابعاد و شکل استاندارد آماده می‌شود و در دستگاه کشش قرار می‌گیرد. گیره‌های دستگاه نمونه را محکم نگه می‌دارند و نیروی کششی به‌صورت تدریجی و کنترل‌شده اعمال می‌شود. همزمان با اعمال نیرو، تغییر طول نمونه با استفاده از ابزاری به نام اکستنسومتر اندازه‌گیری می‌شود.

داده‌های نیرو و تغییر طول برای محاسبه تنش و کرنش و رسم منحنی تنش-کرنش استفاده می‌شوند. این منحنی رفتار ماده در ناحیه الاستیک (تغییر شکل برگشت‌پذیر)، پلاستیک (تغییر شکل دائمی) و نقطه شکست را نمایش می‌دهد. نتایج آزمایش شامل مدول الاستیسیته، مقاومت تسلیم، مقاومت کششی نهایی، و انعطاف‌پذیری است. با ادامه اعمال نیرو تا شکست نمونه، نوع شکست (ترد یا انعطاف‌پذیر) نیز قابل تحلیل است. این اطلاعات برای طراحی، کنترل کیفیت و ارزیابی مواد بسیار حیاتی است. روش انجام تست کشش شامل مراحل زیر است:

1. آماده‌سازی نمونه

• شکل و ابعاد نمونه: نمونه تست کشش معمولاً یک قطعه باریک و بلند است که طبق استانداردهای مشخصی (مانند ASTM E8 یا ISO 6892) آماده می‌شود. این استانداردها تضمین می‌کنند که نمونه نماینده‌ای مناسب از ماده است.
  • معمولاً وسط نمونه باریک‌تر از دو انتهای آن طراحی می‌شود تا شکست در وسط نمونه و نه در محل گیره‌ها رخ دهد.
  • جنس نمونه می‌تواند فلز، پلیمر، سرامیک یا ماده کامپوزیتی باشد.

2. قرار دادن نمونه در دستگاه کشش

• دستگاه کشش: دستگاه کشش شامل دو گیره (Grips) است که نمونه را محکم نگه می‌دارند:
  • گیره بالا: معمولاً ثابت است.
  • گیره پایین: به صورت کنترل‌شده به سمت پایین حرکت می‌کند تا نیرو به نمونه وارد شود.
• نمونه به گونه‌ای در گیره‌ها محکم می‌شود که هم‌محور با دستگاه باشد تا تنش یکنواخت اعمال شود.

3. اعمال نیرو (بارگذاری کششی)

• بارگذاری کنترل‌شده: دستگاه کشش نیروی کششی را به آرامی و به‌صورت یکنواخت به نمونه اعمال می‌کند. این بارگذاری می‌تواند به دو روش انجام شود:
  • کنترل نیرو: افزایش تدریجی نیروی کششی.
  • کنترل جابه‌جایی: افزایش تدریجی تغییر طول (کرنش).
• نیرو از طریق سلول بار (Load Cell) اندازه‌گیری می‌شود.

4. اندازه‌گیری تغییر طول (کرنش)

• اکستنسومتر (Extensometer): وسیله‌ای که تغییر طول نمونه را با دقت بالا اندازه‌گیری می‌کند.
  • در ناحیه‌ای که بار کششی وارد می‌شود، تغییر طول ماده ثبت می‌شود.
  • از این داده‌ها برای رسم منحنی تنش-کرنش استفاده می‌شود.

5. رسم و تحلیل منحنی تنش-کرنش

• محاسبه تنش: تنش (σ) از تقسیم نیروی اعمال‌شده (F) بر سطح مقطع اولیه (₀A​) نمونه محاسبه می‌شود.
• محاسبه کرنش: کرنش (ϵ) از تغییر طول (ΔL) نسبت به طول اولیه (₀L) نمونه به دست می‌آید.
• داده‌های حاصل برای رسم منحنی تنش-کرنش استفاده می‌شود که نشان‌دهنده رفتار مکانیکی ماده است:
  • ناحیه الاستیک: تغییر شکل موقتی و برگشت‌پذیر.
  • ناحیه پلاستیک: تغییر شکل دائمی و غیرقابل بازگشت.
  • نقطه شکست: جایی که ماده گسیخته می‌شود.

6. رسیدن به شکست نمونه

• با ادامه افزایش بار، نمونه دچار تغییر شکل پلاستیک و سپس شکست می‌شود.
• شکست معمولاً در ناحیه باریک‌تر نمونه رخ می‌دهد، جایی که تمرکز تنش بیشتر است.

7. تحلیل نتایج

• داده‌های آزمایش (نیرو، تغییر طول) به خواص مکانیکی زیر تبدیل می‌شوند:
  • مدول الاستیسیته (Young’s Modulus): شیب خط مستقیم در ناحیه الاستیک.
  • مقاومت تسلیم (Yield Strength): نقطه‌ای که ماده وارد تغییر شکل پلاستیک می‌شود.
  • مقاومت کششی نهایی (UTS): حداکثر تنشی که ماده تحمل می‌کند.
  • انعطاف‌پذیری: درصد تغییر طول یا کاهش سطح مقطع.
• داده‌های سطح شکست نیز برای تحلیل مکانیک شکست بررسی می‌شوند.

8. تفسیر سطح شکست

• سطح شکست نمونه اطلاعاتی درباره نوع شکست (ترد، انعطاف‌پذیر یا ترکیبی) ارائه می‌دهد.
  • شکست ترد: سطح شکست صاف و بدون تغییر شکل زیاد.
  • شکست انعطاف‌پذیر: سطح شکست با تغییر شکل پلاستیک زیاد.

نتایج

جدول داده‌های تست کشش:

نمودار تنش-کرنش: نمودار نشان‌دهنده رفتار الاستیک تا حد تسلیم و پس از آن رفتار پلاستیک تا نقطه شکست است.

• تحلیل مقادیر: نتایج نشان داد که استحکام کششی ST37 کمتر از AISI 1020 است، اما درصد ازدیاد طول بالاتر، آن را برای کاربردهای ساختمانی مناسب‌تر می‌کند.
• مقایسه با استانداردها: مقادیر به‌دست‌آمده با مقادیر استاندارد ASTM E8 مطابقت داشت.
• دلایل انحراف: انحراف‌های جزئی ممکن است ناشی از وجود ناخالصی‌ها یا تفاوت در فرآیند تولید باشد.

نتایج این مطالعه نشان داد که فولاد ST37 به دلیل انعطاف‌پذیری بالا برای کاربردهای ساختمانی مناسب است. در مقابل، فولاد AISI 1020 به دلیل استحکام بالاتر در قطعات مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تست کشش اطلاعات کلیدی برای انتخاب مواد بر اساس نیازهای صنعتی فراهم می‌کند.

کاربرد داده‌های تست کشش:

1. در مهندسی متالورژی:
   • بررسی تأثیر عملیات حرارتی (Annealing، Quenching، Tempering) بر خواص ماده.
   • شناسایی اثر ترکیب شیمیایی (عناصر آلیاژی) بر خواص مکانیکی.
2. در طراحی قطعات صنعتی:
   • انتخاب مواد مناسب بر اساس داده‌های مکانیکی.
   • تعیین فاکتورهای ایمنی برای سازه‌های حساس.
3. در تحقیقات علمی:
   • مطالعه رفتار مواد جدید (مانند مواد کامپوزیتی یا نانو مواد).
   • درک بهتر مکانیسم‌های بنیادی تغییر شکل.

مزایا و محدودیت‌ها

• مزایا:
  • ارائه اطلاعات جامع درباره خواص مکانیکی.
  • امکان استفاده در طیف گسترده‌ای از مواد.
• محدودیت‌ها:
  • زمان‌بر بودن تست کشش برای مواد خاص.
  • نیاز به تجهیزات پیشرفته و گران‌قیمت.

ملاحظات ایمنی

• استفاده از عینک ایمنی و دستکش برای جلوگیری از آسیب در هنگام شکست نمونه.
• اطمینان از کالیبراسیون صحیح دستگاه برای جلوگیری از خطاهای تست کشش.