آزمون ضربه (Impact Test)

مقدمه

آزمون ضربه (Impact Test) یکی از آزمون‌های مخرب مهم در مهندسی مواد است که مقاومت ماده در برابر شکست ناگهانی تحت بارهای ضربه‌ای را اندازه‌گیری می‌کند. این آزمایش به ویژه برای موادی که در معرض بارهای دینامیکی یا دمای پایین کار می‌کنند، حیاتی است. در این مقاله به بررسی جامع آزمون ضربه، انواع آن، روش اجرا، استانداردهای مرتبط و کاربردهای صنعتی می‌پردازیم.

1. آزمون ضربه چیست و چه هدفی دارد؟

آزمون ضربه روشی برای ارزیابی رفتار مواد تحت بارهای ناگهانی است که اطلاعات ارزشمندی درباره چقرمگی ماده ارائه می‌دهد. اهداف اصلی این آزمون عبارتند از:

• تعیین انرژی جذب شده توسط ماده قبل از شکست

• بررسی رفتار ماده در برابر بارهای ضربه‌ای

• ارزیابی تأثیر دما بر مقاومت ضربه‌ای

• شناسایی انتقال ترد به نرم (Ductile to Brittle Transition)

• کنترل کیفیت مواد در فرآیند تولید

2. انواع آزمون‌های ضربه

2-1. آزمون شارپی (Charpy Impact Test)

متداول‌ترین روش آزمون ضربه که در آن نمونه به صورت تیر ساده‌ای با شکاف (Notch) در مرکز تحت ضربه قرار می‌گیرد. این آزمون شامل مراحل زیر است:

1. نمونه استاندارد با ابعاد 10×10×55 میلی‌متر تهیه می‌شود

2. شکافی با عمق مشخص در مرکز نمونه ایجاد می‌گردد

3. نمونه در دستگاه آزمون شارپی قرار می‌گیرد

4. پاندول از ارتفاع مشخص رها شده و به نمونه ضربه می‌زند

5. انرژی جذب شده توسط نمونه محاسبه می‌شود

2-2. آزمون ایزود (Izod Impact Test)

شبیه به آزمون شارپی است اما در نحوه قرارگیری نمونه تفاوت دارد:

• نمونه به صورت عمودی و به شکل تیر کنسولی قرار می‌گیرد

• ضربه در فاصله مشخصی از محل گیره زده می‌شود

• معمولاً برای مواد پلیمری بیشتر کاربرد دارد

2-3. آزمون کشش ضربه‌ای (Tensile Impact Test)

در این روش نمونه تحت بار کششی ضربه‌ای قرار می‌گیرد که برای بررسی رفتار مواد در شرایط بارگذاری خاص مفید است.

3. دستگاه‌ها و تجهیزات آزمون ضربه

دستگاه اصلی مورد استفاده در آزمون‌های ضربه، پاندول شارپی است که شامل اجزای زیر می‌باشد:

• پایه محکم و سنگین

• پاندول با جرم مشخص

• سیستم اندازه‌گیری زاویه

• مکانیسم آزادسازی پاندول

• سیستم ثبت انرژی

• دمابند برای آزمون‌های دمایی

4. پارامترهای مهم در آزمون ضربه

4-1. انرژی جذب شده (Absorbed Energy)

مهم‌ترین پارامتر اندازه‌گیری شده که نشان‌دهنده مقاومت ماده در برابر ضربه است و بر حسب ژول (J) گزارش می‌شود.

4-2. درصد شکست برشی (Percent Shear Fracture)

درصد سطح شکست که دارای ویژگی برشی است و نشان‌دهنده میزان تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست می‌باشد.

4-3. دمای انتقال ترد به نرم (Ductile to Brittle Transition Temperature)

دمایی که در آن رفتار ماده از حالت نرم به ترد تغییر می‌کند و برای مواد مختلف متفاوت است.

5. استانداردهای آزمون ضربه

استانداردهای اصلی مورد استفاده در آزمون‌های ضربه عبارتند از:

• ASTM E23: استاندارد آزمون ضربه برای فلزات

• ISO 148-1: استاندارد بین‌المللی آزمون شارپی

• EN 10045-1: استاندارد اروپایی آزمون ضربه

• JIS Z 2242: استاندارد ژاپنی آزمون ضربه

ProDetec Floating Roof Tanks

6. کاربردهای صنعتی آزمون ضربه

آزمون ضربه در صنایع مختلف کاربردهای گسترده‌ای دارد:

6-1. صنعت نفت و گاز

• ارزیابی مقاومت لوله‌های انتقال در دمای پایین

• بررسی رفتار مخازن تحت فشار در شرایط ضربه‌ای

6-2. صنعت خودروسازی

• تست قطعات ایمنی خودرو

• بررسی رفتار مواد در تصادفات

6-3. صنعت هوافضا

• ارزیابی مواد مورد استفاده در بدنه هواپیما

• تست قطعات موتور در شرایط دمایی مختلف

6-4. ساخت سازه‌های فولادی

• کنترل کیفیت فولادهای ساختمانی

• بررسی رفتار اتصالات جوشی تحت بارهای دینامیکی

7. عوامل مؤثر بر نتایج آزمون ضربه

چندین عامل می‌توانند بر نتایج آزمون ضربه تأثیر بگذارند:

1. دمای آزمون: با کاهش دما، انرژی جذب شده کاهش می‌یابد

2. سرعت بارگذاری: سرعت بالاتر معمولاً منجر به رفتار تردتر می‌شود

3. شکل و عمق شکاف: شکاف‌های تیزتر نتایج محافظه‌کارانه‌تری ارائه می‌دهند

4. جهت نمونه‌برداری: خواص مواد در جهت‌های مختلف ممکن است متفاوت باشد

5. شرایط سطح نمونه: ناصافی‌های سطحی می‌توانند نتایج را تحت تأثیر قرار دهند

8. مزایا و محدودیت‌های آزمون ضربه

8-1. مزایا

• سادگی و سرعت اجرا

• هزینه نسبتاً پایین

• اطلاعات ارزشمند درباره رفتار دینامیکی مواد

• امکان انجام آزمون در دماهای مختلف

8-2. محدودیت‌ها

• نتایج کمی پراکنده هستند

• فقط اطلاعات کیفی درباره مکانیزم شکست ارائه می‌دهد

• نیاز به نمونه‌های دقیق و استاندارد دارد

• نمی‌تواند به تنهایی برای طراحی استفاده شود

9. تفسیر نتایج آزمون ضربه

تفسیر صحیح نتایج آزمون ضربه نیاز به تخصص دارد:

• انرژی جذب شده بالا: نشان‌دهنده ماده چقرمه با مقاومت ضربه‌ای خوب

• انرژی جذب شده پایین: نشان‌دهنده ماده ترد با مقاومت ضربه‌ای کم

• سطح شکست کاملاً بلوری: رفتار کاملاً ترد

• سطح شکست فیبری: رفتار نرم و چقرمه

• سطح شکست مخلوط: رفتار بینابینی

10. نتیجه‌گیری

آزمون ضربه ابزاری ارزشمند برای ارزیابی مقاومت مواد در برابر بارهای ناگهانی است. این آزمون اگرچه ساده به نظر می‌رسد، اما اطلاعات مهمی درباره رفتار دینامیکی مواد ارائه می‌دهد. با توجه به گستردگی کاربردهای صنعتی، انجام صحیح این آزمون و تفسیر درست نتایج آن می‌تواند در پیشگیری از شکست‌های ناگهانی و بهبود طراحی قطعات مؤثر باشد.

استانداردهای بین‌المللی روش‌های یکنواختی برای انجام این آزمون ارائه کرده‌اند که رعایت آنها ضروری است. آزمون ضربه معمولاً به همراه سایر آزمون‌های مکانیکی برای ارزیابی جامع خواص مواد به کار می‌رود.

کلمات کلیدی: آزمون ضربه، تست شارپی، تست ایزود، انرژی جذب شده، دمای انتقال ترد به نرم، استاندارد ASTM E23، مقاومت ضربه‌ای.