چقرمگی به زبان ساده به میزان مقاومت ماده پیش از شکستن گفته میشود. چقرمگی از ویژگی‌های فیزیکی مهمی است که در مواد اولیه صنایعی مانند خودروسازی، پزشکی، ساخت‌وساز و… موردتوجه قرار می‌گیرد. دمای محیط، نوع، نرخ بارگذار و شکاف از عواملی هستند که می‌توانند چقرمگی را افزایش یا کاهش دهند. فولادی که چقرمگی بالایی دارد، مقاومت مناسبی هم در برابر ضربه، بارهای ناگهانی و گسترش ترک خواهد داشت. در ادامه مطلب تعریف چقرمگی، انواع و کاربرد آن در صنایع مختلف بررسی شده است.
چقرمگی چیست؟
چقرمگی به معنی سفتی (Toughness) است. به عبارتی چقرمگی به مقدار انرژی دریافتی یک ماده پیش از شکستن آن گفته میشود. برای دست‌یابی به چقرمگی یک ماده باید آن قدر به آن فشار وارد کنید تا بشکند. سپس در لحظه‌ای که ماده قرار است بشکند، باید نیروی در واحد سطح (تنش) که همان چقرمگی است را اندازه بگیرید. هر چقدر ماده‌ای مقاومت بیشتری در برابر تنش‌ها و نیروهای وارد شده از خود نشان دهد، چقرتر است.
به عنوان مثال در مقایسه چقرمگی فولاد کم‌کربن و شیشه، می‌بینم که فولاد کم‌کربن پیش از شکستن، انرژی بیشتری در خود دارد. بدین ترتیب می‌توان گفت چقرمگی فولاد کم‌کربن در مقایسه با شیشه بیشتر است. چقرمگی یک ماده را توسط آزمایش رایج پاندول اندازه‌گیری می‌کنند. به موادی چقر گفته میشود که هم استحکام و هم چکش‌خواری مناسبی داشته باشند. اگر یک ماده فقط چکش‌خواری خوبی داشته باشد و مستحکم نباشد و یا برعکس، نمی‌توان به آن چقر گفت. از مواد با چقرمگی بالا در ساخت بدنه هواپیما، صنعت خودروسازی، صنایع دفاعی و… استفاده میشود.
اهمیت چقرمگی
چقرمگی یک ماده میزان مقاومت آن را در برابر انرژی‌های بیرونی در برابر شکستن، تعیین میکند. با اطلاع از چقرمگی یک ماده می‌توان به میزان مقاومت آن هنگام مواجهه با بارهای مختلف پی برد. مهندسان با اطلاع از میزان چقر بودن مواد مختلف می‌توانند مناسب‌ترین مواد را برای صنایع گوناگون تولید کنند. بدین ترتیب چقرمگی یک ماده از نظر اطلاع از میزان تحمل آن در برابر بارهای متعدد قبل از شکستن، اهمیت دارد.
چه چیزی بر چقرمگی یک ماده تاثیر می گذارد؟
چقرمگی هر ماده‌ای از جمله فولاد به عوامل متعددی بستگی دارد. دما، سرعت بارگذاری و کرنش تعدادی از فاکتورهای موثر بر چقرمگی فولاد هستند. از دیگر عوامل موثر بر چقرمگی فولاد می‌توان به سختی آن اشاره کرد. هرچقدر سختی و استحکام آن افزایش یابد به همان نسبت شکل‌پذیری و چقرمگی فولاد کاهش پیدا میکند. لازم است بدانید تردی‌هایی مانند تردی تمپر در فولادهای ۴۱۴۰ که توسط عملیات حرارتی ایجاد می‌شوند، از این قاعده مستثنی هستند.
نرخ و نوع بارگذاری هم چقرمگی فولاد را تحت تاثیر قرار می‌دهند. در نرخ بارگذاری بالا شکل‌پذیری و چقرمگی فولاد کم میشود. چگونگی ساخت ماده نیز می‌تواند بر چقرمگی آن تاثیر بگذارد. حادثه غرق شدن تایتانیک را به یاد دارید؟ هرچه کشتی بیشتر در آب سرد فرو می‌رفت، پیچ‌ومهره‌های فولادی آن چقرمگی خود را از دست می‌دادند؛ به همین دلیل اتصالات کشتی به شکل ترد درآمده و می‌شکستند. تعدادی از عوامل موثر بر چقرمگی فولاد به صورت خلاصه به شرح زیر است:
- عناصر آلیاژی تشکیل دهنده مواد
- تکنولوژی‌ها و روش‌های ساخت قطعات
- ساختار مولکولی مواد
- دمای محیط
- نوع و نرخ بارگذاری (کرنش)
- توزیع تنش در مواد
- ایجاد ترک در ساختار مواد
خستگی و چقرمگی
لازم است بدانید خستگی و چقرمگی دو معنای متفاوت دارند. خستگی به ضعیف شدن ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب گفته میشود. چقرمگی به میزان سفتی ماده قبل از لحظه شکست گفته میشود. همانطور که می‌بینید خستگی و چقرمگی معانی متفاوتی داشته و نباید آنها را یکسان در نظر گرفت.
انواع چقرمگی
سه نوع چقرمگی در بررسی خواص مواد مختلف داریم:
- چقرمگی ضربه‌ای
- چقرمگی شیاری
- چقرمگی شکست
هر کدام از موارد به بررسی رفتار خاصی از مواد می‌پردازند و تست‌های آزمون متفاوتی دارند. با استفاده از این تست‌ها می‌توان میزان چقرمگی را به دست آورد.
چقرمگی ضربه ای
چقرمگی ضربه‌ای به مقاومت ماده در برابر ضربه‌هایی است که در لحظه به آن وارد میشود. برای آزمون استحکام ضربه‌ای از دستگاه تست آونگ و شارپی می‌توان استفاده کرد. در طی هردو آزمون، آونگ انرژی حین هر ضربه به جسم وارد کرده و این انرژی داخل آن ذخیره میشود. سنسورهای هر دو دستگاه حین آزمون، انرژی وارد شده به جسم را تحت بارهای متفاوتی اندازه‌گیری و ثبت می‌کنند.
چقرمگی شیار
در چقرمگی شیار، تمرکز روی میزان انرژی است که یک ماده دارای ترک قبل از شکستن جذب میکند. برای تست چقرمگی شیار از ft-lbs بهره می‌گیرند. مسلما وجود ترک روی هر ماده‌ای باعث کاهش سختی آن میشود. برای اندازه‌گیری استحکام شیار یک ماده از آزمون شارپی‌وی توسط بارگذاری دینامیکی استفاده میشود. این آزمایش را دماهای مختلف به صورت متداول تکرار می‌کنند. با چقرمگی شیار ظرفیت فولاد را حین وجود تنش یا بریدگی اندازه‌گیری می‌کنند. درواقع چقرمگی شیار به اندازه‌گیری توانایی جذب انرژی توسط یک جسم دارای نقص می‌پردازد.
چقرمگی شکست
در چقرمگی شکست روی مقدار انرژی لازم برای انتشار نقص موجود روی یک ماده تمرکز میشود. این نقص می‌توان به شکل ترک، حفره، عیوب مربوط به جوشکاری و ناپیوستگی طراحی قطعه ایجاد شود. در طراحی فرض می‌کنند قطعه حاوی نقصی با اندازه معین است؛ زیرا نمی‌توان به صورت کاملا از بی‌عیب‌ونقص بودن ماده‌ای مطمئن بود. بدین ترتیب حداکثر باری که منجر به انتشار نقص قطعه میشود را مشخص می‌کنند. برای نمایش حالت‌های شکست هم از اعداد رومی استفاده می‌کنند.
پارامترهای موثر بر چقرمگی
نادیده گرفتن و عدم اطلاع از خواص فیزیک متریال‌ها از جمله فولاد باعث بروز مشکلات زیادی در صنعت میشود. چقرمگی یکی از این خواص فیزیکی حائز اهمیت است. تعدادی از پارامترهای موثر بر چقرمگی به شرح زیر است:
- شدت بارگذاری
- دما
- وجود شکاف
شدت بارگذاری
به عنوان مثال برخی از مواد از مقاومت خوبی در برابر یک بارگذاری ثابت و استاتیکی برخوردارند، ولی با تغییر نوع بارگذاری و افزایش تدریجی نیرو سفتی آن کاهش پیدا میکند. به همین دلیل شدن بارگذاری روی چقرمگی مواد تاثیر دارد.
دما
دما باعث کاهش چقرمگی فولاد میشود. هر چقدر دما کاهش یابد به همان نسبت فولاد انرژی کم‌تری جذب کرده و سفتی آن هم کاهش پیدا میکند. فلزات در دماهای پایین حالت ترد به خود می‌گیرند. اگر دمای محیط به صورت افراطی کاهش یابد، فولاد هم به صورت کاملا ترد می‌شکند.
وجود شکاف
شکاف یکی از عوامل موثر بر کاهش سفتی یا همان چقرمگی است. گاهی اوقات اجسام مقاومت مناسبی در برابر تنش‌های یک‌جانبه دارند، ولی تنش‌های چند محوره ایجاد شده توسط شکاف باعث از بین بردن سفتی ماده می‌شوند. برای اندازه‌گیری چقرمگی یا همان سفتی اجسام آنها را از سه جهت (چقرمگی ضربه‌ای، چقرمگی شیار و چقرمگی شکست) بررسی می‌کنند.
کاربردهای چقرمه بودن مواد در صنعت
موادی که چقرمگی بالایی دارند، می‌توانند پیش از شکستن انرژی زیادی جذب خود کنند؛ به همین دلیل از این مواد در پروژه‌هایی که مقاومت در برابر ضربه اهمیت زیادی دارد، استفاده میشود. چقرمگی بالا باعث میشود قطعاتی که با این مواد ساخته می‌شوند ایمن‌تر و بادوام‌تر باشند؛ زیرا اجسام می‌توانند متحمل تنش‌های زیادی شوند. از مواد چقرمه در صنایع زیر استفاده میشود:
- صنعت هوافضا
- صنعت خودروسازی
- صنایع دفاعی
- صنایع ساخت‌وساز
- صنایع پزشکی
صنعت هوافضا
در صنعت هوافضا برای ساخت تجهیزات از مواد اولیه سبک و بسیار مقاوم استفاده میشود. از مواد با چقرمگی بالا در این صنعت برای ساخت قطعاتی که با تنش‌های شدید و بارهای ضربه‌ای ناشی از فرود و ارتعاشات درتماس هستند مانند موتور و ارابه فرود و بدنه استفاده میشود. فولاد و آلیاژهای متنوع با چقرمگی بالا بهره می‌برند. این قطعات مانع شکست ناگهانی آنها در شرایط سخت پروازی میشود.
صنعت خودروسازی
استفاده از مواد چقرمه در صنعت خودروسازی باعث افزایش ایمنی خودروهای تولیدی میشود. از آنجاییکه قطعات خودرو در معرض بارهای ضربه‌ای ناشی از تصادفات و تنش‌های متداول ناشی از رانندگی در وضعیت‌های متنوع قرار می‌گیرند، باید از مواد با سفتی بالا برای تولید آنها استفاده شود. از این مواد برای تولید قطعاتی نظیر بدنه، شاسی، سیستم تعلیق و اجزای پیشرانه بهره می‌برند. به عنوان مثال با استفاده از فولاد و آلیاژهای با چقرمگی زیاد باعث میشود هنگام بروز تصادف ایمنی سرنشینان حفظ شود.
صنایع دفاعی
جالب است بدانید از مواد با چقرمگی بالا در صنایع دفاعی نیز استفاده میشود. در این صنعت از فولاد با چقرمگی بالا برای تولید تجهیزات نظامی نظیر جلیقه، بدنه ضدگلوله و سیستم‌های تسلیحاتی بهره می‌برند.
صنایع ساخت و ساز
مواد با چقرمگی بالا در صنعت ساخت و نیز بسیار کمک‌کننده هستند. در این صنعت از چنین موادی برای ساخت سازه‌های ساختمانی نظیر پل‌ها و زیرساخت‌ها استفاده میشود. سفتی زیاد فولاد باعث میشود سازه‌ها در برابر زلزله و دیگر حوادث طبیعی استحکام کافی را داشته باشند.
صنایع پزشکی
در صنایع پزشکی نیز از مواد با چقرمگی مناسب برای ساخت ایمپلنت استفاده میشود. این مواد در تولید پروتزها و ابزارهای جراحی نیز کاربرد دارد.
سخن پایانی
چقرمگی به میزان انرژی که ماده‌ای قبل از شکستن جذب میکند، گفته میشود. از انواع چقرمگی می‌توان به چقرمگی ضربه‌ای، شیار و شکست اشاره کرد. به عنوان مثال در چقرمگی ضربه‌ای به مطالعه سفتی در جسم در برابر ضربه‌ها در لحظه و در چقرمگی شیار به مطالعه سفتی اجسام دارای نقص در برابر ضربه می‌پردازند. در چقرمگی شکست نیز روی انرژی موردنیاز برای بروز نقص در یک جسم تمرکز میشود. از مواد با چقرمگی بالا برای ساخت سازه‌های مستحکم، پل‌ها، تجهیزات نظامی، موتور هواپیما، ایمپلنت‌ها و پروتزها استفاده میشود.