هدف : تعيين مقدار انرژي شكست فلزات مقدمه يكي از مساي ل مهم در صنعت آه باعث خسارات زيادي ميشود شكستن قطعات براثر تردي جنس ا نها ميباشد. ا زمايشهاي آشش و فشار با همه اهميت خود نميتوانند رفتار فلزات را در اثر بارهاي ضربهاي تعيين آنند. بنابراين براي پي بردن به قابليت جذب انرژي فلزات در دماهاي مختلف از ا زمايش ضربه استفاده ميآنند. هر چه انرژي لازم براي شكستن فلز زيادتر باشد فلز نرمتر (چقرمهتر) و برعكس هر چه انرژي لازم آمتر باشد فلز تردتر است. در نمودار زير ميتوانيد رابطه بين انرژي شكست و نرمي يا تردي فلزات را مشاهده نماييد. نمودار ١ براي مواد با تنش تسليم بالا ولي نرمي پايين ميباشد و نمودار ٢ براي مواد با تنش تسليم پايين ولي نرمي بالا ميباشد. سطح زير نمودار تا نقطه شكست به نوعي بيانگر انرژي شكست ميباشد. تي وري ا زمايش ضربه اساس آار يك دستگاه ضربه بر اين است آه چكشي با وزن معلوم از يك ارتفاع مشخص به صورت پاندولي به نمونه ا زمايشي اصابت ميآند و بعد از شكستن نمونه تا يك ارتفاع ديگر بالا ميرود. انرژي جذب شده توسط نمونه برابر است با حاصلضرب وزن پاندول در اختلاف ارتفاع مرآز ثقل پاندول. E = E ( h ) E2 = Mg h2 شکل ١- رابطه تنش تسليم و نرمي فلز آه در اين رابطه M (برحسب (kg جرم پاندول g شتاب گرانش (برحسب (m/s 2 و h (برحسبm ) فاصله مرآز جرم پاندول تا پايينترين وضعيت پاندول (حالت افقي) ميباشد. در عمل به جاي اندازهگيري ارتفاع همانطور که در شکل ٢ نشان داده شده است زواياي اوليه و ثانويه اندازهگيري ميشود. در اين صورت انرژي ضربه از رابطه زير بدست ميا يد. E = E Mgl ( cosθ θ ) E2 = 2 cos θ و که در ا ن است. θ 2 زواياي اوليه و ثانويه و l (بر حسب m) فاصله مرکز جرم پاندول تا محور ا ن
شکل ٢ ا زمايش ضربه ا زمايش ضربه به سه روش شارپي ا يزود و آششي انجام ميشود. (دستگاه ا زمايش ما براساس روش شارپي عمل ميآند). روشهاي شارپي و ايزود تنها از نظر نحوه قرار گرفتن نمونهها بر روي تكيهگاه و محل ضربه با هم تفاوت دارند ولي روش آششي از نظر ماهيت ضربه با بقيه روشها متفاوت است. ا زمايش ضربه شارپي نمونه مورد استفاده در اين ا زمايش در شکل ٤ نشان داده شده است. شکل ٣ ا زمايش ضربه شارپي 8 mm 8 mm.6mm نمونه برنجي نمونه ا هني نمونه ا لومينيومي 55mm 6 mm.2mm 6 mm 55 mm 7 mm.4mm 7 mm 55 mm شكل ٤- نمونه ا زمايش ضربه شارپي
عوامل موثر در نتايج ا زمايش مهمترين عوامل مو ثر در ميزان انرژي شکست عبارتند از: ١. فرم و اندازه نمونه ٢. نوع و اندازه شيار ٣. درجه حرارت عامل درجه حرارت پارامتر مهمي است چون فلزات در درجه حرارتهاي بالا نرم هستند. به عبارت ديگر بيشتر فلزات در درجه حرارتهاي پايين ترد و شكننده بوده و با ازدياد درجه حرارت قابليت انعطاف پذيري ا نها افزايش مييابد. در شکل ٥ ميتوانيد نحوه تغييرات ميزان انرژي لازم براي شكست بر حسب تغيير دما را مشاهده نماييد. شكل ٥- نمودار تاثير درجه حرارت در انرژي شكست از اين ا زمايش غير از تعيين تردي و نرميفلز در يك دماي خاص ميتوان درجه حرارت تبديل را نيز تعيين نمود. درجه حرارت تبديل درجه حرارتي است آه در ا ن فلز از حالت تردي به حالتي آه قابليت انعطاف دارد ميگرايد. براي اجتناب از شكست ترد مخصوصا هنگاميآه در دماهاي پايين آار ميآنند سعي ميشود آه دماي تبديل فلز پايين برده شود. براي اين آار ميتوان يكي از روشهاي زير را بكار برد: ١. اضافه آردن حدود ٤ درصد نيكل ٢. سختگرداني و باز پخت ٣. اآسيژنزدايي آامل ٤. ريز آردن دانهها بعد از انجام تست از روي ظاهر مقطع شكست ميتوان به ترد يا نرم بودن شكست پي برد. شكست ترد ظاهري دانه دانه روشن يا آريستالي و شكست نرم ظاهري ريشهاي يا اليافي دارد(شكل ٦). شکل ٦- مقطع شكست نرم (راست) شكست ترد (چپ)
همانطور آه قبلا اشاره شد نوع و اندازه شيار در نتايج ا زمايش اثر ميگذارد. به همين دليل شيارهاي مورد استفاده در اين نمونهها به صورت استاندارد در ا مده است. از روي ميزان انرژي آه صرف شكست نمونه استاندارد ميشود ميتوان سختي ا ن جنس را بدست ا ورد. دستگاه تست ضربه دستگاه تست ضربه انواع مختلفي در ظرفيتهاي مختلف براي تست نمونههاي مختلف وجود دارد. دستگاه مورد استفاده در اين ا زمايش يک دستگاه تست ا زمايشگاهي با ظرفيت پايين است که براي مقاصد ا موزشي ساخته شده است. اجزاي اصلي اين دستگاه عبارتند از : ١- شاسي دستگاه ٢- نمونه ا زمايش ضربه و نگهدارنده نمونه -٣ چکش : ٣/٦٤٠ کيلوگرم وزن ميله : ٤٩٤ گرم طول : ٣٧ سانتيمتر ٤- قفلکن مغناطيسي ٥- سنسور ٦- عقربه ٧- حلقه محافظ نمونه ا زمايشي درون نگهدارنده قرار ميگيرد و سپس چکش با چرخاندن قفلکن مغناطيس ا زاد شده و به نمونه ضربه زده و پس از شکستن نمونه در طرف مقابل تا ارتفاع مشخصي بالا ميرود. به منظور ايمني بيشتر يک حلقه محافظ دور تا دور دستگاه را فرا گرفته است. با اين وجود در طول کار با دستگاه بايد احتياط را رعايت کرد. دستگاه قابليت اتصال به کامپيوتر را داشته و به کمک نرمافزار طراحي شده براي ا ن مي توان مقدار زاويه (اوليه و نهايي) و ساير مشخصات ديگر را از روي سيستم کامپيوتر خواند. روش انجام ا زمايش : -١-٢ ابتدا قبل از بستن نمونه ميخواهيم انرژي تلف شده بر اثر اصطکاک را محاسبه کنيم براي اين منظور ابتدا چکش را در پايينترين حالت قرار داده و در اين وضعيت در نرمافزار طراحي شده براي اين دستگاه دکمه (00.0) ZERO را ميزنيم. سپس پاندول را به قفلکن مغناطيسي مماس کرده و قفلکن را در وضعيت ON قرار ميدهيم در اين حالت نرمافزار زاويه را در حدود ١٥٠º نشان ميدهد که زاويه اوليه محسوب ميشود سپس دکمه play را در نرمافزار زده و قفلکن مغناطيسي را در وضعيت OFF قرار ميدهيم تا پاندول ا زادانه حرکت کند. سپس نرمافزار زاويه نهايي و انرژي ضربه energy) (Impact را بهصورت جدولي در اختيار ما قرار ميدهد که اين انرژي را به عنوان انرژي اصطکاک در نظر ميگيريم. بدينصورت که در نرمافزار در قسمت energy) (Frictio کليک کرده و مقدار Impact energy محاسبه شده در قسمت قبل را وارد ميکنيم و از اين پس دستگاه اين مقدار انرژي را به عنوان انرژي اصطکاکي در محاسبات انرژي ضربه لحاظ ميکند. حال همين مراحل را با گذاشتن نمونه ا زمايش در دستگاه بهصورت زير انجام ميدهيم : ابتدا نمونه را طوري روي سندان قرار دهيد آه روي شيار درست در وسط سندان و پشت شيار به طرف چكش قرار گيرد. براي اين کار ميتوانيد لبه چکش را به شکاف نمونه مماس کنيد. در اين حالت دکمه (00.0) ZERO را در نرمافزار ميزنيم. پاندول را به قفلکن مغناطيسي مماس کرده و قفلکن را در وضعيت ON قرار دهيد. دکمه play نرمافزار را زده (نرمافزار زاويه اوليه زاويه نهايي انرژي اوليه انرژي نهايي انرژي ضربه و انرژي اصطکاکي را بهصورت جدولي به شکل زير اراي ه ميدهد).
Initial Angle Final Angle Initial Energy Final Energy Friction Energy Impact energy پس از اطمينان از اينكه در مسير حرآت پاندول غير از نمونه مانعي قرار ندارد با قرار دادن قفلکن در وضعيت OFF پاندول را ا زاد نماييد. پس از شكستن نمونه توسط ترمز پاندول را به ا هستگي نگه داريد. انرژي شكست را محاسبه و در جدول ١ يادداشت آنيد. اين ا زمايش را براي هر فلز سه مرتبه تكرار آنيد. ا هن برنج ا لومينيوم جدول ١ انرژي شکست ا زمايش ١ ا زمايش ٢ ا زمايش ٣ ميانگين -٣-٤ -٥ نكات ايمني آار با دستگاه تست ضربه : در حين آار با دستگاه دقت لازم را مبذول فرموده و مراقب خود و دوستانتان باشيد. زيرا در صورت بي احتياطي اين دستگاه بسيار خطرناك ميباشد. در هنگام انجام ا زمايش هرگز در جلو يا پشت دستگاه قرار نگيريد بلكه فقط در سمت چپ و راست ا ن قرار گيريد (به گونهاي آه صفحات محافظ دستگاه روبروي شما قرار گيرند). هرگز سر خود را براي ديدن رخداد شكست بر روي دستگاه خم نكنيد.
ا زمايش براي يک نمونه ا لومينيومي بهصورت زير تست شده است : Initial Angle 50.4º Initial Energy 27.43 joul Friction Energy.34 joul Final Angle.º Final Energy 9.94 joul Impact energy 6.5 joul خواستههاي ا زمايش : -١-٢ -٣-٤ ميزان انرژي اتلافي در اثر اصطكاك دستگاه را در يك ا زمايش ضربه بدست ا وريد و در مورد تاثير اين اصطكاك در دقت ا زمايش بحث نماييد. چرا نمونههاي ا زمايش ضربه را به صورت شياردار ميسازند به نظر شما علت ترجيح داشتن شكست نرم نسبت به شكست ترد چيست ا يا غير از ا زمايش ضربه روشي براي تعيين تردي يا نرمي مواد وجود دارد