همه چیز در مورد چقرمگی

چقرمگی یکی از خواص ماده بشمار می رود که برای هر ماده متفاوت است. دلیل این تفاوت هم، متفاوت بودن نمودار تنش-کرنش مواد است. در این مقاله به تعریف این خاصیت می پردازیم؛ فرمول ریاضی و نحوه محاسبه آن را بیان می کنیم. در خلال مطلب هم به کاربرد و میزان سفتی چدن می پردازیم.

چقرمگی چیست؟

چقرمگی یا سفتی (به انگلیسی: Toughness) به این معنا است که ماده تا قبل از شکست (این عمل در ناحیه پلاستیک رخ می‌دهد) چه مقدار انرژی را دریافت می‌کند. برای اندازه گیری سفتی یا چقرمگی شما باید ماده را تا مرز شکست پیش ببرید، سپس در لحظه‌ای که ماده می‌شکند؛ میزان نیرو در واحد سطح (تنش) را اندازه گیری کنید؛ این عدد سفتی ماده را نشان می‌دهد. در واقع هر چه ماده در برابر تنش‌ها و نیروهای وارده مقاومت بیشتری انجام دهد، ماده چقر تر است.

مفهوم چقرمگی و داکتیل بودن با یکدیگر متفاوت اند؟

بسیاری از ما اینگونه تصور می‌کنیم که هر چه ماده داکتیل تر باشد، چقرمگی آن کمتر است یا بالعکس. چقرمه بودن یک ماده به این معنا است که ماده هم داکتیل باشد و هم استحکام خوبی داشته باشد؛ بنابراین دید مذکور غلط است. دید درست این است که بدانیم هر چه ماده داکتیل تر باشد و از استحکام خوبی نیز برخوردار باشد؛ آن ماده سفتی بالاتری دارد. اما اگر بخواهیم سفتی یک ماده را با ماده دیگر مقایسه کنیم؛ می‌توانیم از مساحت زیر نمودار تنش-کرنش ماده (این نمودار برای هر ماده، منحصر بفرد است) بهره ببریم. هر چه این مساحت بزرگتر باشد؛ ماده سفتی بیشتری دارد.

پارامترهای موثر بر چقرمگی

1- شدت بارگذاری: برای مثال ممکن است ماده تحت یک بارگذاری ثابت و استاتیکی مقاومت خوبی از خود نشان دهد(چقرمگی بالایی داشته باشد)؛ اما به محض اینکه نوع بارگذاری را تغییر می‌دهیم و رفته رفته میزان نیروی وارده را افزایش می دهیم (بارگذاری پویا یا دینامیکی)؛ سفتی ماده سابق به شدت کاهش پیدا می کند.

2- دما: دما با چقرمگی رابطه مستقیم دارد؛ به این معنا که با کاهش دما، سفتی ماده (که تلفیقی از چکش خواری و استحکام ماده است) کاهش می یابد.

3- وجود شکاف: وجود شکاف یکی از عناصر تضعیف کننده سفتی ماده بشمار می رود. ممکن است جسم در برابر تنش های یک جانبه مقاومت خوبی از خود نشان دهد اما زمانی که تنش چند محوره توسط شکاف بوجود می آید؛ ماده سفتی خود را از دست می دهد. اجسام از سه منظر مورد آزمایش قرار می گیرند تا میزان سفتی آنها به صورت دقیق تری محاسبه شود که عبارتند از: چقرمگی شیار، سفتی شکست و سفتی ضربه.

واحد و فرمول چقرمگی

همان طور که در بالاتر به آن اشاره کردیم؛ مساحت زیر نمودار تنش-کرنش بیانگر میزان سفتی ماده است. همانطور که می دانید در ریاضیات، مساحت زیر منحنی به کمک انتگرال بیان می شود. واحد سفتی در سیستم SI به فرم ژول بر مترمکعب است؛ اما یکای آن در سیستم US، اینچ پوند نیرو بر اینچ مکعب است.

مساحت سطح زیر نمودار تنش-کرنش ماده به ما میزان سفتی ماده را می دهد

سفتی یک ماده چگونه سنجیده می شود؟

آزمایش متداول، استفاده از پاندول است. به صورتی که ارتفاع اولیه پاندول را منهای ارتفاعی که پاندول بعد از ضربه به نمونه، به آن می رسد را محاسبه می کنند. سپس این مقدار را در وزن پاندول ضرب می کنند؛ در این صورت میزان انرژی وارده به نمونه بدست می آید. حال با تقسیم میزان انرژی به سطح مقطع تحت تاثیر بار، شما میزان سفتی ماده را خواهید داشت. روش های دیگری از جمله آزمون استحکام چارپی و آیزود، آزمون ASTM و… برای محاسبه سفتی وجود دارد.

چه ماده ای از سفتی خوبی برخوردار است؟

زمانی ماده چقرمگی بالایی دارد که تعادل خوبی بین استحکام ماده و چکش خواری(داکتیلیته مناسب) آن بوجود بیاید. ماده ای که چکش خواری بالایی دارد اما از استحکام خوبی بهره نمی برد؛ چقر نیست. همچنین اگر ماده ای که از استحکام بالایی برخوردار باشد اما قابلیت چکش خواری مطلوبی نداشته باشد؛ آن ماده هم از سفتی مناسبی بهره نبرده است.

مهندسان در صدد تولید ماده ای با چقرمگی مناسب هستند

دانستن میزان سفتی یک ماده به مهندسان کمک می‌کند تا بهترین ماده برای شرایط مختلف را تولید و طراحی کنند. برای مثال مهندسان در ساخت و طراحی بدنه خودرو، از موادی استفاده می‌کنند که چقرمگی متعادلی داشته باشند؛ اما در ساخت بدنه هواپیما شرایط بسیار متفاوت است. بدنه هواپیما کرنش و تنش‌های بسیار شدیدی (همچنین تغییر دما و فشار های زیاد) را تحمل می‌کند و به همین دلیل باید از ماده چقر تری (نسبت به بدنه خودرو) در ساخت آن استفاده کرد.

امروزه فناوری و موادهایی وجود دارند که سفتی ماده را افزایش می‌دهند. کولار، ابریشم عنکبوت، نانو لوله های کربنی، مواد Vectran، مواد Biosteel و… از این جمله مواد بشمار می روند. مواد Vectran، 5 الی 10 برابر از فولاد و 2 برابر از کولار مقاوم‌تر هستند. بنابراین از این مواد در جلیقه‌های ضد گلوله استفاده می‌شود (کاربرد و میزان چقرمگی ماده باید با هم مطابقت داشته باشد).

کاربرد های چدن

چدن بسیار مستحکم است؛ اما به دلیل ترد بودن این ماده، چقرمگی آن کم است (تعادل خوبی بین استحکام و چکش خواری وجود ندارد). بنابراین در قسمت‌هایی که جسم تحت فشار (نه ضربه) است؛ گزینه خوبی برای استفاده بشمار می‌رود. صفحه کلاچ ماشین، دیسک ترمزها، مخازن ریخته‌گری تحت فشار، راه آهن، چرخ دنده‌ها و… از جمله مواردی هستند که چدن در آنها بسیار مطلوب است (توجه داشته باشید که چدن مورد استفاده برای دیسک ترمز اتومبیل با چدن مورد استفاده صفحه کلاچ نیز بسیار متفاوت هستند). چدن مقاومت خوبی در برابر محیط‌های بازی و قلیایی دارد و ترکیب آن با مواد دیگر باعث می شود تا در برابر خورندگی هم مقاومت خوبی از خود نشان دهد.

بیشتر بخوانید: تفاوت فولاد و چدن چیست؟