راهنمای آزمايشگاه خواص مکانيکی

مقدمه
هدف آزمايشگاه خواص مکانيکی آشنائی دانشجويان با انواع مهم و پرکاربرد تستهای مکانيکی مورد استفاده در صنعت و کارهای پژوهشی می‌باشد. شايد مهمترين آزمايش در اين ميان برای دانشجويان گروه مهندسی مواد, آزمايش کشش ساده باشد که تغيير شکل الاستيک و پلاستيک را در شرايط ساده تک محوری بررسی می‌نمايد و اطلاعات بسيار مهمی را در اختيار پژوهشگر قرار می‌دهد. به کمک آزمايش ساده کشش علاوه بر به دست آوردن مشخصات الاستيک و پلاستيک ماده همچون تنش تسليم, استحکام کششی, ازدياد طول و … , پديده نقطه تسليم, کارسختی, پديده گلوئی شدن, پيرسختی, نحوه شکست و اثر ترخ کرنش بر خواص کششی فولادها مورد بررسی قرار می‌گيرد.

آزمايش مهم ديگر که از نظر کاربرد در صنعت شايد رتبه اول را دارا باشد سختی‌سنجی است که ساده‌ترين و سريعترين تست جهت رسيدن به اطلاعات اوليه در خصوص خواص مکانيگی يک ماده است. آزمايش ضربه مقاومت ماده در مقابل تغيير شکل با سرعت کرنش بالا را بررسی می‌کند و به عبارتی مقاومت به ضربه که معياری مقايسه‌ای برای چقرمگی شکست ماده می‌باشد را اندازه‌گيری می‌نمايد. در آزمايش خستگی با يکی از روشهای ساده تست خستگی آشنا شده و منحنی S-N برای يک نمونه فولادی به روش تست دورانی خمشی به دست می‌آيد. آزمايش خزش تغيير شکل در اثر گذشت زمان را بررسی کرده و منحنی -t با توجه به دمای نسبتاً پايين فعال شدن مکانيزمهای خزش برای سرب رسم می‌شود.

 

گزارش تمام آزمايشات بايد شامل موارد زير بوده و حد اکثر دو هفته بعد از آزمايش تحويل گردد.
۱- تئوری آزمايش به صورت مختصر شامل نكات مهم

۲- شرح وسائل و تجهيزات مورد استفاده در آزمايش
۳- شرح روش انجام آزمايش
۴- اطلاعات و نتايج به دست آمده از هر آزمايش مطابق خواسته‌های آن آزمايش
۵- خطاهای آزمايش

آزمايش اول – كشش ساده (جلسات اول و دوم)
هدف: بررسی خواص كششی فلزات و آلياژهای مختلف در آزمايش كشش ساده تك محوری و به دست آوردن منحنی تنش-كرنش.
وسايل كار : دستگاه كشش يونيورسال ، نمونه‌های استاندارد آزما

يش كشش ( مطابق استانداردASTM-E8M از جنس فولاد ساختماني۳۷ ST، مس ،آلومينيم, برنج زرد، كوليس و فيكسچرچوبی.
روش كار :
۱٫ در بخش كاهش سطح مقطع يافته نمونه های آزمايش ، دو اثر به فاصله مشخص به عنوان طول سنج (gage length) علامت بزنيد. قطر ميانگين اين بخش از نمونه‌ها را با كوليس به دقت اندازه‌گيری كنيد.
۲٫ به كمك مسئول دستگاه، نمونه آزمايش را در فكها قرار داده و آن را محكم كنيد.
۳٫ آزمايش كشش را شروع كنيد.
۴٫ آزمايش را تا شكست نهايی ادامه داده و منحنی نيرو ـ ازدياد طول را به طور كامل به دست آوريد.
۵٫ پس از شكست نمونه، دو قسمت شكسته شده را درون فيكسچر چوبی قرار داده و آنها را به يکديگر بچسانيد.
۶٫ طول نهايی سنجه، قطر ميانگين بخش تغيير شكل يافته و قطر دهانه گلويی را به دقت اندازه گيری كنيد.
خواسته‌های آزمايش كشش

۱٫ ابعاد اوليه نمونه‌ها را در جدولی قرار دهيد.
۲٫ منحنی تنش كرنش مهندسی را برای نمونه‌های آزمايش شده رسم نماييد.
۳٫ منحنی تنش كرنش حقيقی را برای دو نمونه (يك نمونه فولادی و يك نمونه انتخابی ديگر) محاسبه و رسم نماييد.
۴٫ برای تمام نمونه‌ها تنش تسليم، استحكام كششی، استحكام شكست (مهندسی و حقيقي) را به دست آوريد.
۵٫ برای تمام نمونه‌ها درصد ازدياد طول، كرنش حقيقی كل، درصد كاهش سطح مقطع را به دست آوريد.

۶٫ با فرض kn و با استفاده از اطلاعات آزمايش، ضرائب k و n را برای دو نمونه (نمونه‌های استفاده شده در مورد ۳) به دست آوريد.
۷٫ چقرمگی نمونه‌ها (مقدار کار انجام شده تا شکست) را محاسبه كرده با يكديگر مقايسه كنيد.
۸٫ مدول الاستيسيته و برجهندگی نمونه‌ها را به دست آورده با يكديگر مقايسه كنيد.
۹٫ موارد ۴، ۵، ۶، ۷ و ۸ را در يك جدول گزارش نماييد.
۱۰٫ به طور کلی در خصوص اختلاف خواص کششی فلزات آزمايشات شده و احياناً اختلاف منحنی‌های به دست آمده با منحنی‌های گزارش شده در منابع اظهار نظر کنيد.

 

آزمايش دوم – پديده پيركرنش (Strain Aging) (جلسه چهارم)
هدف: بررسی پديده نقطه تسليم در فولاد ساختمانی كم كربن، حذف آن با انجام تغيير شكل مومسان و پديد آمدن دوباره آن پس از تابكاری و افزايش استحكام مربوطه.
وسايل كار: دستگاه كشش يونيورسال، نمونه‌های استاندارد كششی ( مطابق استانداردASTM E-8M ) از جنس فولاد ساختمانی كم كربن ST37، کوليس و كوره تابكاری.
روش كار:

۱٫ يک نمونه فولادی را مشابه آنچه در آزمايش كشش ذكر شد، تا شكست نهائی مورد آزمايش قرار دهيد. منحنی كامل نيرو ـ ازدياد طول اين نمونه را به عنوان شاهد حفظ كنيد. (در آزمايش جلسه اول انجام شده است.)
۲٫ يک نمونه فولادی را در ميان فكهای دستگاه قرارداده و آزمايش كشش را شروع كنيد. پس از پديدار شدن پديده نقطه تسليم و تغيير شكل موسان كوچك، در نقطه تغيير شكل مومسان نيرو را حذف كنيد. بلافاصله پس از حذف نيرو، دوباره نيروی كششی را اعمال كنيد. به گونه ای كه منحنی نيروـ ازدياد طول بقيه مسير خود را طی كند. پس از بارگذاری دوباره و ايجاد تغيير شكل مختصر، بار ديگر نيرو را حذف كنيد. با انتخاب دما و زمان تابكاری مناسب، نمونه فولادی مورد آزمايش را در كوره تابكاری كنيد. دما و زمان تابكاری را به گونه ای انتخاب كنيد كه افزايش استحكام تسليم لحظه‌ای در منحنی پس از بارگذاری دوباره قابل مشاهده باشد. نمونه تابكاری شده را دوباره تحت كشش قرار دهيد به طوری كه منحنی نيروـ ازدياد طول آن در ادامه منحنی ناقص قبل از تابكاری قرار بگيرد. آزمايش را تا شكست نهايی ادامه دهيد.
۳٫ يک نمونه فولادی ديگر را به روش مشابه ( بند ۲ ) مورد آزمايش قراردهيد، با اين تفاوت كه دمای تا بكاری بيشتر يا کمتر از دمای تابكاری مناسب انتخاب شده باشد. آزمايش را تا شكست نهايی ادامه دهيد.
خواسته‌های آزمايش پيرکرنشی
۱٫ منحنی تنش- کرنش مهندسی را برای نمونه‌های آزمايش شده رسم کنيد.
۲٫ مشخصات به دست آمده در آزمايشها را با هم مقايسه کنيد. (تنش تسليم بالائی و پائينی، کرنش منطقه تسليم، مدول‌الاستيسيته، استحکام نهائی و …)

۳٫ در خصوص مشاهدات خود و نتايج آزمايش بحث کنيد.

آزمايش سوم – فشار ساده (جلسه سوم)
هدف : بررسی خواص فلزات و آلياژ های مختلف در فشار ساده تك محوری و به دست آوردن منحنی تنش- كرنش آنها.

وسايل كار: دستگاه آزمايش کشش يونيورسال، كوليس، نمونه‌های استوانه‌ای آزمايش فشار از جنس فولاد ساختمانی ST37، مس آلومينيم، برنج زرد و چدن خاكستری و گريس.
روش كار:
۱٫ قطر و ارتفاع ميانگين نمونه‌ها را با كوليس به دقت اندازه‌گيری كنيد.
۲٫ سطوح نمونه آزمايش ( در تماس با سطوح صفحات فك دستگاه ) را با گريس آغشته كنيد.

۳٫ نمونه آزمايش را در بين فكهای دستگاه و در مركز آن قرار داده و آزمايش فشار را شروع كنيد.
۴٫ آزمايش را تا پيدايش قابل وضوع بشكه‌ای شدن نمونه ادامه داد و منحنی نيروكاهش ارتفاع را برای آن كامل كنيد.
۵٫ ارتفاع نهائی، بيشترين قطر در محل بشكه‌ای شدن و قطر در محل سطوح بالايی و پائينی نمونه را به دقت اندازه‌گيری كنيد.
۶٫ ساير نمونه‌های آزمايش را به روش مشابه مورد آزمايش قرار دهيد.
۷٫ يكی از نمونه‌های نرم را با احتياط بسيار زياد به كمك مسئول دستگاه تنها تا هنگام ايجاد تركهای قابل مشاهده در محل بشكه‌ای شدن آن، تحت فشار قرار دهيد.

خواسته‌های آزمايش فشار ساده
۱٫ ابعاد اوليه و نهائی نمونه‌ها را در جدولی قرار دهيد.
۲٫ با استفاده از منحنی‌های نيرو – کاهش ارتفاع، منحنی‌های تنش – کرنش را برای همه نمونه‌ها رسم کنيد.

۳٫ استحکام فشاری، تنش تسليم (۲/۰ % )، کرنش مهندسی و حقيقی کل و درصد بشکه‌ای شدن را برای همه نمونه‌ها به دست آورده و با هم مقايسه کنيد.
۴٫ خواص فشاری نمونه‌های مختلف را با هم و با توجه به خواص کششی آنها مقايسه کنيد.
۵٫ با توجه به خواص کششی مواد مشابه تست شده در جلسات قبل خواص کششی و فشاری فلزات را با يکديگر مقايسه کنيد.

آزمايش چهارم – خمش (جلسه سوم)
هدف :‌ بررسی مقاومت فولاد در برابر اعمال بار خمشی.
خواسته‌های آزمايش خمش
۱٫ رسم نمودار تنش – کرنش مهندسی برای دو نمونه آزمايش شده.

۲٫ بررسی رفتار خمشی فولادهاء مقايسه فولاد ساختمانی St14 (فولاد آزمايش شده در آزمايشگاه) با فولاد زنگ‌نزن ۳۱۶L منحنی دوم ارائه شده در برگه.

آزمايش پنجم – ضربه (جلسه پنجم)
هدف :‌ بررسی مقاومت فولاد در برابر ضربه ، تاثير دما بر استحكام ضربه و تعيين دمای انتقال شكست نرمی به تردی.
وسايل كار : دستگاه آزمايش ضربه ، نمونه های استاندارد آزمايش ضربه شارپی ( با مقطع ۱۰*۱۰ ميليمتر و طول ۵۵ ميليمتر با شيار V شكل ۴۵ درجه تا عمق ۲ ميليمتری مقطع ) ، كپسول محتوی گاز CO2 ، اجاق گاز ، دما سنج ، انبر نمونه‌گير ، ظروف و وسايل مورد نياز ، الكل صنعتی ( يا استون )
روش كار :
۱٫ برای اين آزمايش چهار دمای متفاوت ( ۰°C , -70°C , 100°C و دمای محيط ) در نظر گرفته شده است.
۲٫ دو نمونه اول را در دمای محيط ( ۲۵°C ~ ) مورد آزمايش قرار دهيد. قبل از انجام آزمايش با دماسنج دمای محيط را اندازه گيری و ثبت كنيد. نمونه آزمايش را به دقت در محل خود در دستگاه قرارداده و عقربه دستگاه را روی صفر تنظيم كنيد. با رعايت تمام مسايل ايمنی، قفل پاندول

دستگاه را آزاد كرده و آزمايش را انجام دهيد. دقت در انجام اين آزمايش ضروری است . بهتر است قرارگرفتن نمونه در محل مخصوص خود و رها سازی پاندول توسط تكنسين آزمايشگاه انجام گيرد. در هر بار انجام آزمايش از روی صفحه مندرج دستگاه ( درجه بندی مربوط به آزمايش ضربه شارپی ۹، انرژی جذب شده توسط نمونه حين اعمال ضربه به آن را برجسب ژول خوانده و ثبت كنيد

۳٫ دو نمونه را درون ظرف محتوی آب جوش در دمای حدود ۱۰۰°C قرار داده و چند دقيقه صبر كنيد تا به دمای آب جوش برسد. با دماسنج دما را کنترل كنيد. پس از اطمينان از رسيدن نمونه‌ها به دمای مورد نظر، هر دو اين نمونه ‌ها را مشابه قبل مورد ازمايش قرارداده و نتايج را ثبت كنيد.
۴٫ به كمك تكنسين آزمايشگاه با استفاده از كپسول گاز CO2 مقدار كافی يخ خشك تهيه كنيد. با ريختن مقداری از آن درون ظزفی محتوی الكل صنعتی ( يا استون )، دما را پائين آوريد. دما را در

حدود ۰°C حفظ كرده و آن را با دما سنج كنترل كنيد. دو نمونه را در آن قرارداده و چند دقيقه صبر كنيد. پس از اطمينان از رسيدن نمونه ‌ها به دمای ۰°C ، آنها را مشابه قبل مورد آزمايش قرارداده و نتايج را ثبت كنيد.
۵٫ با اضافه كردن مقدار بيشتری يخ خشك، دما را به زير صفر ببريد. آنقدر يخ خشك اضافه كنيد كه محلول درون ظرف به دما تقريبی -۷۰°C برسد . دو نمونه ديگر را درون ظرف قرار داده و نتايج را

ياداشت كنيد.
خواسته‌های آزمايش ضربه
۱٫ ثبت نتايج آزمايش در جدول (نتايج آزمايشهای گروه ديگر را برای افزايش تعداد نقاط آزمايش استفاده کنيد.)

۲٫ بحث در خصوص سطوح شکست نمونه‌های مختلف

۳٫ رسم نمودار انرژی شکست بر حسب دما
۴٫ رسم نمودار درصد شکست ترد بر حسب دما
۵٫ رسم نمودار درصد انقباض (تغيير فرم پلاستيک) بر حسب دما
۶٫ تعيين درجه حرارت تبديل نرمی به تردی DBTT، شروع تردی(انتقال از شکست نرم) FTP، نرمی صفر NDT و انتقال شکل ظاهری سطح شکست FATT

آزمايش ششم – خستگی فلزات (جلسه ششم)
هدف : بررسی خستگی فولاد ساختمانی كم كربن تحت تنش متناوب در آزمايش خستگی خمش دورانی (Rotating Bending) و رسم منحنی S –N آن .
وسايل كار : دستگاه خستگی خمش دورانی، نمونه های استاندارد دستگاه از جنس فولاد ساختمانی ST37، كوليس.
روش كار :

۱٫ با استفاده از استحكام كششی فولاد ساختمانی ST37، اولين تنش متناوب اعمالی را ۰٫۹ TS در نظر بگيريد.
۲٫ قطر ميانگين نمونه ها در محل مورد نظر را با كوليس به دقت اندازه بگيريد.
۳٫ پس از قراردادن قسمت مخروطی نمونه در فك دستگاه، با كوليس فاصله دقيق محل تكيه گاه تا محل اعمال نيرو را اندازه‌گيری كنيد. ( اين نيرو ايجاد گشتاور خمشی در نقطه خاصی از نمونه آزمايش می كند كه به كمك روابط موجود تنش در مقطع فوق قابل محاسبه است ) به قسمت آزاد نمونه اين نيرو را اعمال كنيد.
۴٫ پس از صفر كردن كنتور شماره اندازه دستگاه را روشن كنيد. برای چك كردن كنتور زمان شروع آزمايش را ثبت نماييد ( تعداد دور دستگاه و دور دقيقه تقريباً ۲۸۰۰ است )
۵٫ پس از شكست نمونه زمان را ثبت كرده و عدد مندرج در صفحه كنتور را ياداشت كنيد. برای اين نمونه يك تنش متناوب S اعمالی به همراه تعداد دورها تا شكست نهائي( Nf )گزارش كنيد.
۶٫ نمونه های بعدی را به ترتيب در تنشهای ۷/۰ ، ۶/۰ و ۵۰/۰ برابر استحكام كششی مورد آزمايش قرار دهيد.

۷٫ در صورتی كه نمونه‌ای تحت تنش اعمالی پس از حدود ۶۱۰*۲ دور شكسته نشده دستگاه را خاموش كرده و نمونه را خارج كنيد. برای اين نمونه يك تنش اعمالی به همراه تعدادی دورهای ۶۱۰ *۲ > گزارش كنيد. در اين صورت تنش اعمالی فوق يا دقيقاً حد خستگی است و يا كمتر از آن است. برای نمونه بعدی، تنش را قدری بيشتر از اين نمونه در نظر بگيريد.