آزمایش تست ضربه

عنوان آزمایش تست ضربه

مقدمه :

ضربه به نیرویی گفته می شود که در مدت زمان کوتاهی به جسم وارد می گردد . ضربه یک بار استاتیکی نیست بلکه به صورت دینامیکی روی جسم اعمال می گردد. ضربه را می توان با انرژی پتانسیل, فنر, جمع شده , جک هیدرولیکی, انفجار و گلوله ایجاد کرد. در آزمایش ضربه ما با استفاده دستگاه تست ضربه و یک نمونه استاندارد از ماده مورد انرژی شکست را بدست آورد و تاثیر دما را بر میزان این المان بررسی نمود . هدف ما از این آزمایش تعیین مقاومت فلزات در برابر بارهای آنی و تاثیر دما بر مقدار این انرژی است.

تئوری آزمایش :

قطعه مورد آزمایش از جنس ماده مورد نظر و به صورت مکعب مستطیل می باشد که دارای یک شیار با زاویه 30 درجه روی آن قرار دارد . این نمونه در محل مخصوص قرار می گیرد و آونگی که با افق زاویه دارد رها شده و با آن برخورد می کند و نمونه را می شکند . در صورتی که نمونه نشکند آزمایش مورد قبول نیست . این آزمایش به دو صورت انجام می شود :

1. تست ایزود ( Izod ) : نمونه مورد نظر را در محلی ثابت کرده و ضربه از سمت شیار و به فاصله 22 میلی متر از شیار به نمونه وارد می شود. در این حالت نمونه ما مانند تیریک سر گیر دار است .
2. تست شارپی (Charpy ) : در این روش نمونه روی یک تیکه گاه مانند شکل که یک گپ 40 میلی متری بین آن وجود دارد قرار می گیرد و نیرو مورد نیاز برای شکست از پشت شیار به آن وارد می گردد .

 

 

نکته مهم این است اگر آونگ در هر یک از دو آزمایش نمونه را خم کند ولی نشکند نتیجه آن مورد قبول نیست .

زمانی که در آن نیرو باید وارد گردد تا به آن ضربه بگوییم از رابطه زیر بدست می آید

که در آن t _impact زمان رسیدن به نیروی ماکزیمم است .

اثر دما بر ضربه :

در حالت تئوری برای فولاد نمودار زیر وجود دارد که میزان انرژی ضربه را بر حسب دما به ما می دهد که طبق آن در فولاد با افزایش دما مقدار انرژی شکست بالامی رود . دمای عبور نشان داده شده در شکل دمایی است از آن به بعد انرژی شکست بالا می رود .

در اکثر موارد مخازن گاز مایع را از فولاد می سازند که دمای پایین گاز مایع سبب کاهش انرژی شکست آن می گردد برای رفع این مشکل دو راه حل وجود دارد :

1. ترکیب فولاد با نیکل تا 9% و اگر گاز تحت فشار باشد تا 5/3 % تا انرژی شکست بالا رود .
2. گرم کردن فولاد که روش خطرناکی است ، زیرا احتمال انفجار گاز وجود دارد .

برای مواد دیگر همچون برنج ، مس ، آلومینیوم نمودار انرژی شکست بر حسب دما برعکس است البته میزان تغییر انرژی شکست این مواد خیلی نیست :

قسمت عملی آزمایش :

ما در آزمایشگاه دستگاه تست شارپی را داریم که بر روی یک پایه سیمانی که با سطح زمین ارتفاعی حدود 30 سانتی متر دارد محکم شده است و از قسمت های زیر تشکیل شده :

1. قسمت آونگ دستگاه : وظیفه ایجاد پتانسیل مورد نیاز ( از طریق جرم ) و همچنین وارد کردن ضربه رابه نمونه بر عهده دارد .که خود از دوقسمت تشکیل شده:

الف ) لبه که جهت وارد کردن ضربه به قطعه است .

ب ) وزنه ها که قابل تعویض بوده تا بتوان میزان نیروی بیشتری را با همین دستگاه

اعمال کرد .

وزنه ها در دو طرف

1. صفحه مدرج : که در گذشته که دستگاه به صورت آنالوگ بوده برای خواندن زاویه اولیه و ثانویه به کار می رفته است و بر پایه اصلی دستگاه پیچ شده است .
2. پایه : که محل قرار گیری نمونه برای اعمال ضربه می باشد .

1. دستگیره : این قسمت وظیفه نگه داشتن آونگ را هنگام قرار دادن نمونه و همچنین رها کردن آونگ در هنگام آغار آزمایش را به عهده دارد .

1. قسمت الکترونیکی : که وظیفه اندازه گیری میزان انحراف آونگ و ارسال این مقدار به رایانه را دارد .
2. مجموعه یاتاقان ها و .. : که این مجموعه امکان تاب خوردن آونگ را با حداقل اتلاف انرژی فراهم می کنند .
3. ترمز دستگاه : این ابزار با ایجاد اصطکاک با سطح آونگ کمک می کند تا آونگ سریع تر متوقف شود .

ابتدای کار دستگاه را بدون قطعه امتحان می کنیم تا مقدار انرژی تلف شده به صورت اصطکاک در آن را بدست آوریم تا در پایان از انرژی شکست کم کنیم و البته در آزمایشگاه نرم افزار این کار به طور خودکار انجام می دهد .

نمونه اولیه نمونه ای فولادی با دمای محیط آزمایشگاه است . ابتدا هنگامی که آونگ ثابت است دکمه Zero را درون نرم افزار زده سپس آونگ را بالا آورده و درون گیره نگه دارنده قرار می دهیم . کلید hold را در نرم افزار می زنیم. پس از اطمینان حاصل کردن از محکم بودن گیره نگه دارنده نمونه را به طوری که از هر دو طرف تکیه گاه فاصله یکسان داشته باشد در محل خود قرار می دهیم و در پایان از محدوده دستگاه فاصله گرفته ( جهت ایمنی) و دستگره رها سازی آونگ را فشار می دهیم . آونگ رها شده و نمونه فولادی را می شکند . سپس با استفاده از ترمز آونگ را متوقف می کنیم. آزمایش را با 2 نمونه مشابه تکرار می کنیم و نتایج زیر بدست می آید :

انرژی شکست ( j )	زاویه ثانویه	زاویه اولیه	جنس نمونه
02 / 122	º 12/67	º 65 /153	فولادی 1
87/127	º95/56	º05/153	فولادی 2
39/118	º81/68	º66/152	فولادی3

 

حال آزمایش را با دو نمونه که از قبل دورن فریزر قرار دادیم تکرار می کنیم یعنی ابتدا هنگامی که آونگ ثابت است دکمه Zero را درون نرم افزار زده سپس آونگ را بالا آورده و درون گیره نگه دارنده قرار می دهیم . کلید hold را در نرم افزار می زنیم . البته در تمام این مدت نمونه ها را دورن مخلوط آب و یخ نگه می داریم تا همچنان در دمای نزدیک صفر باشند .وقتی دستگاه آماده شد با انبر نمونه را آز مخلوط آب و یخ خارج کرده و در محل مخصوص قرار می دهیم و آونگ را رها می کنیم . نتایج حاصل دو نمونه سرد به شرح زیر است :

انرژی شکست ( j )	زاویه ثانویه	زاویه اولیه	جنس نمونه
19/26	36/122	45/153	فولادی سرد 1
29/24	35/123	69/152	فولادی سرد 2

حال نمونه فولادی دیگر را با استفاده از بخاری برقی حرارت می دهیم و آزمایش را با این نمونه تکرار می کنیم :

انرژی شکست ( j )	زاویه ثانویه	زاویه اولیه	جنس نمونه
115/29	59/70	56/152	فولادی داغ

البته در این حالت دستگاه نتوانست نمونه را بشکند و فقط آن را خم کرد ، پس این اعداد مورد قبول نیستند .

بحث و بررسی نتایج :

مشاهده می شود در نمونه فولادی معمولی انرژی های شکست نزدیک به هم هستند که حاکی از صحت آزمایش است . و مشاهده می شود با کاهش دما انرژی شکست کاهش می یابد و همچنین با افزایش دما انرژی شکست بالا می رود تا حدی که دستگاه ما دیگر قادر به شکستن نمونه نیست . در مورد مواد دیگر همچون برنچ ، مس و … این حالت بر کس می باشد ولی تغییرات انرژی خیلی محسوس نیست .

سوالات :

1. علت اختلاف بین مقاومت به ضربه هر یک از نمونه های ذکر شده را بنویسید ؟

پاسخ : علت اختلاف اولا به خاطر دما متفاوت نمونه هایی از یک جنس است که بر میزان انرژی شکست تاثیر می گذارد ، ثانیا انرژی شکست برای هر ماده با مواد دیگر متفاوت است و این موضوع ریشه در ساختار کریستالی و دیگر خواص آن ماده دارد .ُ

1. راجع به مقاومت به ضربه و زمان عبور تحقیق کنید ؟

پاسخ :در فولاد هر چه دما بیشر شود با توجه به محل قرار گیری زمان عبور با افزایش مقاومت روبرو خواهیم بود که این آزمایش این تئوری را عملا اثبات کرد .

ولی برای نمونه های از جنس برنج ، آلو مینیوم ، مس با توجه محل نقطه عبور با افزایش دماازمیزان مقاومت کاسته خواهد شد .

نتیجه آزمایش:

مقاومت به ضربه ( انرژی شکست ) به دما و جنس ماده بستگی دارد .

پشنهادات :

1. بهتر است برای گرم کردن نمونه ها از آب جوش استفاده کنیم و قطعات را درون آن بیاندازیم .
2. در صورت امکان وزنه ای به شکل هلالی به پشت آونگ متصل کنیم تا بتوانیم مقدار ضربه را افزایش دهیم.
3. در صورت امکان مکانیزم رها سازی آونگ را یک تکه کنیم .
4. دسته رها کننده آونگ از صفحه مدرج بیشتر فاصله بگیرد.
5. در اطراف دستگاه محفظه محافظی نصب گردد تا از بروز هر گونه خطری جلوگیری گردد .

مراجع :

1. مقاومت مصالح مریام ( جلد اول )
2. طراحی اجزاء ماشین شیگلی ( جلد اول )