دستگاه تست ضربه (Impact Tester) ابزاری است برای اندازهگیری مقاومت مواد در برابر بار ضربهای (تغیر سریع در انرژی). این تستها در مهندسی مواد و کنترل کیفیت کاربرد حیاتی دارند چون رفتار ماده در بارگذاری دینامیکی (سرعت سریع بارگذاری) با رفتار آن در تستهای کشش یا فشاری آرام میتواند کاملاً متفاوت باشد. اطلاعات حاصل برای طراحی قطعات ایمن (مثلاً قطعات خودرو، سازهها، پلها، مخازن فشار) بسیار مهم است.
اهداف و کاربردها
- تعیین تافنس ضربهای (Impact Toughness) یا انرژی جذب شده تا شکست.
- تعیین رفتار تردی/چقرمگی ماده در دماهای مختلف.
- کنترل کیفیت مواد ورودی به تولید (ورق، ریختهگری، لحیمکاری).
- تحقیق و توسعه انواع آلیاژها، پلاستیکها و کامپوزیتها.
- تعیین حساسیت به شکست ناگهانی در شرایط سرویس.
انواع رایج تستهای ضربه و دستگاهها
- چارپی (Charpy) — پاندولی (Pendulum Charpy)
- محبوبترین روش. یک پاندول با انرژی معلوم از ارتفاع مشخص رها میشود و به نمونهٔ قرار گرفته روی دو تکیهگاه پشتِ شیار (V-notch) برخورد میکند. دستگاه اختلاف انرژی قبل و بعد از برخورد را اندازهگیری میکند.
- نمونهٔ استاندارد: معمولاً 10 × 10 × 55 میلیمتر با شیار V عمق ~2 میلیمتر و زاویه 45° (بسته به استاندارد).
- آیزود (Izod)
- شبیه چارپی ولی نمونه عمودی نصب میشود و ضربه به انتهای آزاد نمونه وارد میشود. کاربردهای مقایسهای با چارپی دارد.
- Drop-weight (وزن سقوط)
- برای بررسی شکست تحت مضامین بالاتر یا وقتی که نمونه در شرایط حساس نیاز به انرژیهای بالا یا بارگذاری متمرکز دارد.
- Instrumented Impact (تست ضربه ابزارشده)
- دستگاه دارای حسگر نیرو و سرعت است؛ منحنی نیرو-زمان یا نیرو-جابجایی ثبت میشود تا جزئیات شکست (شروع ترک، رشد ترک، جذب انرژی در هر مرحله) قابل تحلیل باشد.
- Dynamic Tear, Fracture Toughness (K_Ic / J_Ic) تحت شرایط دینامیکی
- برای مقادیر شکستپذیری (fracture toughness) در شرایط بارگذاری سریع، از روشهای ویژه استفاده میشود.
ساختار و اجزای اصلی دستگاه چارپی (نمونه)
- پاندول (قابلیت تنظیم انرژی/ارتفاع)
- سیستم قفل/رهاسازی پاندول
- نگهدارندهٔ نمونه (دو تکیهگاه) با کالیبراسیون فاصله
- نشانگر انرژی با مقیاس یا حسگرهای الکترونیکی (برای مدلهای دیجیتال)
- محافظ ایمنی و محفظهٔ بازدارندهٔ تراشهها
- واحد خوانش/کنترل و (در مدلهای پیشرفته) خروجی دیجیتال و ذخیرهسازی دادهها
استانداردها
مراجع متداول (پایدار و مهم — معمولاً در صنعت استفاده میشوند):
- ASTM E23 — Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials (چارپی و آیزود)
- ISO 148-1 — Metallic materials — Charpy pendulum impact test
(یادآوری: برای جزئیات اجرایی، ابعاد دقیق شیار، سرعت پاندول و روش محاسبه همیشه به متن رسمی استاندارد مربوطه رجوع کنید.)
روش آزمون — گامبهگام (برای چارپی)
- آمادهسازی نمونه: نمونههای استاندارد (ابعاد، شیار) و علامتگذاری جهت و تاریخ. سطح شیار باید مطابق استاندارد آماده شود.
- تنظیم دما (در صورت نیاز): برای بررسی در دماهای مختلف (مثلاً تعیین دمای گذار چقرمگی برای فولاد) نمونهها را در حمام دمایی قرار میدهند تا به دمای مورد نظر برسند.
- نصب نمونه: قرار دادن نمونه روی دو تکیهگاه دستگاه به نحوی که شیار در سمت مقابل ضربه قرار گیرد.
- رهاسازی پاندول با انرژی اولیه معلوم.
- ضربه و شکست نمونه: پاندول به نمونه برخورد میکند و پس از شکست پاندول تا ارتفاع باقیمانده بالا میآید.
- اندازهگیری انرژی جذب شده: تفاوت انرژی پاندول پیش و پس از برخورد نشاندهندهٔ انرژی جذب شده توسط نمونه است. در دستگاههای مکانیکی عدد مستقیم روی صفحه نشان داده میشود؛ در دستگاههای الکترونیکی مقدار دیجیتال و منحنی نیز ذخیره میشود.
- محاسبه و ثبت نتایج: انرژي جذبشده (J)، محاسبهٔ تافنس بر حسب J/mm² (بر اساس سطح مقطع در محل شیار)، توصیف شکست (ترد/نیمهچقرمه/چقرمه) و ثبت شرایط آزمون.
محاسبات نمونه — مثال عددی (با محاسبه گامبهگام)
فرض: انرژی پاندول اولیه = 300 ژول، انرژی پاندول باقیمانده بعد از برخورد = 50 ژول.
- انرژی جذبشده = انرژی اولیه − انرژی باقیمانده.
قدم به قدم:
300 − 50 = 250.
بنابراین جذبشده = 250 ژول.
اگر سطح مقطع مؤثر در محل شیار برابر با 100 میلیمتر² باشد:
- مقاومت ضربهای (Impact Strength) = انرژی جذبشده ÷ سطح مقطع
یعنی 250 J ÷ 100 mm² = 2.5 J/mm².
(همیشه واحد و روش تقسیم را مطابق دستور استاندارد مرجع ذکر کنید.)
عوامل مؤثر بر نتایج
- دما (کاهش دما معمولاً تردی را افزایش میدهد).
- سرعت ضربه و انرژی پاندول.
- هندسه و کیفیت شیار (عمق، نوک، زاویه).
- نرخ سردکار یا عملیات حرارتی ماده، ساختار میکروساختاری، حضور ناخالصی یا ناپیوستگیها.
- جهت نمونهگیری نسبت به جهت نورد یا ریختهگری.
- شرایط سطح و وجود تنشهای باقیمان از فرایند ساخت.
تفسیر شکست
- شکست ترد (brittle): سطح شکست صاف، براق، کم تبدیل انرژی.
- شکست چقرمه (ductile): سطح شکست خشن، پر از نوکزدگی و ورقشدگی، تبدیل انرژی زیاد.
- تغییر رفتار ماده با دما میتواند «دمای گذار» (ductile-to-brittle transition temperature) را نشان دهد — برای فولادهای ساختاری مهم است.
مزایا و محدودیتها
مزایا:
- سریع و نسبتاً ساده؛ مقایسهپذیری خوب برای کنترل کیفیت؛ تجهیزات نسبتاً کمهزینه.
محدودیتها: - نتایج وابسته به هندسه نمونه و روش آزمون؛ ممکن است رفتار واقعی قطعهٔ بزرگ را بهطور کامل بازتولید نکند؛ برخی خواص شکست سازهای نیاز به آزمونهای پیچیدهتر (fracture toughness) دارند.
نگهداری، کالیبراسیون و ایمنی
- کالیبراسیون: دستگاه پاندول باید بهطور دورهای کالیبره شود (بررسی انرژی اولیه و نشانگر). برای مدلهای الکترونیکی حسگرها نیز نیاز به کالیبراسیون وجود دارد.
- بازرسی و سرویس: بررسی وضعیت قفل و رهاسازی، روانکاری محورها، بررسی سلامت حفاظ ایمنی.
- ایمنی: همیشه محافظهای شفاف بسته شوند؛ از تماس با قسمتهای متحرک جلوگیری کنید؛ استفاده از عینک ایمنی برای اپراتور؛ رعایت دستورالعملهای استاندارد و کارخانه سازنده.
کاربردهای صنعتی — مثالها
- صنعت خودرو: ارزیابی ورق بدنه، اجزای شاسی، قطعات ایمنی.
- صنایع نفت و گاز: بررسی مقاومت شکست لولهها و اتصالات در دماهای پایین.
- ساخت و ساز: ارزیابی فولادهای سازهای.
- هوافضا و ریختهگری: کنترل خواص مواد ریختهگری و آلیاژهای سبک.
تفاوت چارپی و آزمایشهای دیگر — خلاصه
- چارپی: نمونه افقی، ضربه پشتِ شیار، مناسب برای تست سریع و مقایسهای.
- آیزود: نمونه عمودی، کاربرد مقایسهای متفاوت.
- Instrumented impact: ارائهٔ جزئیات زمانی/نیرویی، مناسب برای تحلیل رشد ترک.
- Drop-weight: برای انرژیها یا شرایط بارگذاری خاص، یا بررسی شکست در دماهای پایین و در مواردی که نمونه بسیار ترد است.
نتیجهگیری
تست ضربه ابزاری ضروری برای درک رفتار شکست مواد در شرایط بارگذاری دینامیکی است. انتخاب روش (چارپی، آیزود، instrumented، یا drop-weight) بستگی به هدف آزمون، نوع ماده و شرایط سرویس دارد. برای گرفتن نتایج معتبر باید از هندسه و آمادهسازی نمونه مطابق استاندارد استفاده شود و دستگاه بهدرستی کالیبره و نگهداری گردد.
