تست کشش برای ۴ محصول صنعتی مهم

برای ارزیابی رفتار مکانیکی مواد تحت بار، یکی از روش‌های رایج و استاندارد، تست کشش است. این آزمون ساده و کم‌هزینه امکان دستیابی به اطلاعات مهمی درباره استحکام و عملکرد ماده را فراهم می‌کند. با انجام این تست، ویژگی‌هایی مانند مقاومت کششی، نقطه تسلیم، حد الاستیک، مدول الاستیسیته و میزان انعطاف‌پذیری ماده قابل اندازه‌گیری هستند.

داده‌های به‌دست‌آمده از تست کشش، نقش مهمی در کنترل کیفیت مواد، مقایسه فرآیندهای تولید و توسعه محصولات جدید دارند. همچنین نتایج این آزمون در طراحی‌های مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا رفتار ماده در برابر نیروهای مختلف پیش‌بینی شود و ضرایب ایمنی به‌درستی اعمال شوند. بررسی میزان تغییر شکل پلاستیک پیش از شکست نیز کمک می‌کند تا میزان شکل‌پذیری و مقاومت ماده در شرایط کاری واقعی به‌طور دقیق‌تری ارزیابی شود.

نحوه انجام تست کشش به صورت استاتیک است، یعنی نمونه استاندارد تحت نیروی کششی تک بعدی که به طور پیوسته زیاد می‌شود، قرار می‌گیرد و طول آن افزایش می‌یابد تا در نهایت منجر به شکست و پارگی نمونه شود. نتایج این آزمون ابتدا به شکل نمودار نیرو-جابه‌جایی نمایش داده می‌شود که بعد خودمان آن را به نمودار تنش_کرنش مهندسی تبدیل می‌کنیم. ماحصل آزمایش کشش انتخاب مواد است و برای برنامه‌های کاربردی مهندسی استفاده می‌شود.

تست کشش میلگرد چگونه است؟

بتن به تنهایی نمی‌تواند در برابر ضربات و لرزش‌ها دوام بیاورد. حال اگر با سازه هایی مثل پل‌ها و ساختمان‌ها، که بیشترین تحرکات لرزشی، دینامیکی و ضربه‌ای را دارند، سروکار داشته باشیم، این مسئله اهمیت بیشتری نیز پیدا می‌کند. وجود میلگرد در کنار بتن باعث ایجاد مقاومت کششی میلگرد می‌شود، بنابراین آزمایش کشش باید روی میلگرد موردنظر انجام و کیفیت آن بررسی شود. 
انجام آزمایش کشش بسیار مهم است، زیرا اگر استحکام کششی و تسلیم فولاد بالا نباشد، ساختمان یا پل دچار ریزش شده و فرو می‌ریزد. مهندسان و مجریان پروژه قبل از استفاده از هرگونه فولاد در سازه مانند میلگرد، کابل و ورق و... آن‌ها را مورد آزمایش کشش قرار می‌دهند و در صورت داشتن استاندارد، طبق طراحی سازه از آن محصول استفاده می‌کنند. انجام درست این آزمایش به صورت خودکار نوعی پیشگیری از حوادث و فجایع ساختمان‌سازی است، به این خاطر که از صدمات و خرابی‌های احتمالی آن جلوگیری خواهد کرد.
به طور کلی با روش‌های آزمایشگاهی می‌توان رفتار نمونه مورد نظر را تحت شرایط کاری پیش‌بینی کرد. بعضی از روش‌های آزمایشگاهی مستلزم تست قطعه تا مرحله شکست کامل است، از آن جهت آن‌ها را آزمایش‌های مخرب می‌نامند.گفتنی است که آزمایش کشش به خوبی استاندارد شده است و می‌تواند در دستگاه مرتبط انجام گیرد. این دستگاه می‌تواند به صورت مکانیکی یا هیدرولیکی کار کند. قسمت کشش نمونه نشانگر بار وارد شده بر نمونه سنج است، معمولا آن را به نام کشش‌سنج می‌شناسند و برای اندازه گیری تغییر طول قسمتی از نمونه که در آن تغییر طول، معمولا یکنواخت است به کار می‌رود. 

آزمایش کشش میلگرد، بر اساس استحکام تسلیم، تنش تسلیم، استحکام کششی و افزایش طول بعد از شکست، انجام می‌شود. طبق استاندارد DIN1045، فاصله بین فک‌های دستگاه کشش برابر ۱۵dsمنظور می‌شود که ds قطر اسمی میلگرد بتن است. اگر تنش تسلیم به سادگی مشخص نشود، از ۰/۲ درصد ثابت استفاده می‌شود.

برای آزمایش کشش و خم میلگرد از یکی از ماشین‌های تست فشار قوی استفاده کنید. ابتدا ماشین تست و ظرفیت بار مکانیکی را بر اساس حداکثر و حداقل اندازه نمونه و نمرات آن‌ها تعیین کنید. این اطلاعات بر روی اندازه دستگاه مورد نیاز شما تأثیر می‌گذارد. نمونه‌های بزرگ در بارهای بالاتر شکسته می‌شوند.

دستگاه تست الکترومکانیکی سری ۳۰۰ (پیشنهاد شده برای میلگرد شماره ۲ تا ۶) مدل‌های نصب شده در کف را ارائه می‌دهد که از ۱۰۰ تا ۵۰۰ کیلو نیوتن متر (۲۲ تا ۱۱۲ کیپ) است. دستگاه تست سری ۳۰۰ دارای یک کراس بورد واحد است که می‌تواند کل طول عمودی دستگاه را طی کند. دستگاه تست با داشتن حرکت عرضی به سمت بالا، آزمایش کشش را انجام می‌دهد و تست‌های فشرده‌سازی، مثل تست‌های خم، سطح بالایی به سمت پایین دارد.

نمونه‌های تست میلگرد را می‌توان از کویل‌های بزرگ مواد فله تهیه کرد. از آنجا که مواد سیم‌پیچ هستند، لازم است نمونه‌ها قبل از آزمایش صاف شوند. روند صاف کردن کامل نیست، در نتیجه نمونه‌ها کمی خم هستند. چسب‌های جانبی هیدرولیک با فک‌های صندلی کروی، ترازبندی نمونه را بهبود می‌بخشند، کاهش پتانسیل غلظت فشار زیاد باعث می‌شود نمونه‌های خم شده، شانس شکست زودرس نمونه را کاهش دهند. این امر همچنین با کاهش مقدار بار جانبی روی خودگیر، باعث کاهش آسیب احتمالی در گرفتن نمونه‌ها می‌شود. دسته‌های عملکرد جانبی هیدرولیک همچنین برای تست جفت‌های میلگرد مطابق با AC133 و سایر تست‌ها ایده‌آل هستند.

بسته به دامنه آزمایش کشش، ممکن است اندازه‌گیری میلگرد الزاماتی نیاز داشته باشد. اکستنسومترهای میلگرد می‌توانند با کشش میلگرد و کشش‌های رشته سیم (کابل) متفاوت باشند. به عنوان مثال، بسیاری از رده‌های بالا انواع میلگرد، نقطه عملکرد مشخصی ندارند. در این موارد معمولاً تعیین قدرت عملکرد از روش افست ضروری است. این امر نیاز به اندازه‌گیری فشار با استفاده از اکستن سنج و ترسیم یک منحنی فشار-کرنش دارد که با آن می‌توان ۰/۲ درصد توان عملکرد جبران را تعیین کرد.

تست کشش فولاد

اصطلاح فولاد یا پولاد برای آلیاژهای دارای کربن ۰/۰۲۵ تا حدود ۲ درصد، به‌کار می‌رود. فولادهای آلیاژی غالبا با عناصر دیگری نیز همراه هستند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود بستگی دارد.
برای انجام آزمایش کشش فولاد از دستگاه‌هایی خاص استفاده می‌کنند. دستگاه مورد نظر باید دارای قابلیت‌های مناسب برای نمونه در حال آزمایش داشته باشد. سه پارامتر اصلی وجود دارد: ظرفیت فشار، سرعت و دقت. 
ظرفیت فشار به این نکتهاشاره دارد که دستگاه باید قادر به تولید نیروی کافی برای شکست نمونه باشد. این نیرو باید به اندازه کافی سریع یا آرام باشد تا بتواند شرایط حقیقی را شبیه‌سازی کند. برای مثال یک دستگاه بزرگ که برای اندازه‌گیری کشش‌های طویل طراحی شده ممکن است با یک ماده‌‌ی شکننده که کشش‌های کوتاه قبل از شکستن را تجربه کرده به درستی کار نکند.

اندازه‌گیری کرنش معمولاً با یک کشش‌سنج انجام می‌شود، ولی کشش‌سنج اغلب در آزمون نمونه‌های کوچک یا هنگامی که نسبت پواسون مشخص باشد نیز استفاده می‌شود. دستگاه‌های جدیدتر نیروسنج دیجیتال و سیستم‌های اندازه‌گیری کشش، سنسورهای الکترونیکی متصل شده به کامپیوتر (دستگاه جمع‌آوری داده) و نرم‌افزاری برای ویرایش و خروجی داده را در خود جای داده‌اند و استفاده از کشش‌سنج را به حداقل رساندند.
این دستگاه‌ها به طورکلی دو نوع هستند:

• ماشین‌های الکترومکانیکی (الکترومغناطیسی) بر اساس یک موتور الکتریکی با سرعت متغیر؛ یک سیستم کاهش دنده و یک، دو یا چهار پیچ که حرکت رو به بالا یا پایین را هدایت می‌کنند، ساخته شده‌اند. سرعت حرکت این ماشین را می‌توان با تغییر سرعت موتور عوض کرد.
• ماشین‌های هیدرولیکی براساس پیستون یک یا دوگانه عمل می‌کنند که حرکت رو به بالا یا پایین دارند. با این حال، اکثر ماشین‌آلات هیدرولیک استاتیک یک پیستون یا یک تلمبه تک کاره دارند. در یک دستگاه دستی، اپراتور، سوراخ سوپاپ سوزنی تنظیم کننده فشار را برای کنترل میزان بارگذاری (نیرو) تنظیم می‌کند. در یک سیستم هیدرولیکی بسته، سوپاپ سوزنی با یک شیر الکتریکی برای کنترل دقیق جایگزین می‌شود. به‌طورکلی، دستگاه‌های الکترومکانیکی دارای سرعت و دامنه حرکت بیشتری نسبت به دستگاه‌های هیدرولیکی هستند. همچنین دستگاه‌های هیدرولیکی برای تولید نیروهای بیشتر هزینه بالاتری می‌برند.

تست کشش پلیمر

برای انجام این آزمایش، ابتدا باید از ماده نمونه‌ای به شکل دمبل با ابعاد استاندارد تهیه شود، که اینکار باید طبق استاندارد و توسط قالب‌گیری تزریقی انجام گیرد. سپس این نمونه بین ۲ تا فک دستگاه گذاشته می‌شود، و دستگاه با سرعت استاندارد، شروع به کشیدن نمونه و هم‌زمان کامپیوتر میزان نیرو و جابجایی را ثبت می‌کند.
با توجه به اینکه ابعاد نمونه، ابتدا به صورت دقیق با کولیس اندازه‌گیری می‌شود، در نتیجه با تقسیم نیرو بر سطح، تنش، و با تقسیم جابجایی بر طول اولیه، کرنش به‌دست می‌آید و می‌توان منحنی تنش-کرنش را رسم کرد. از روی منحنی تنش-کرنش رفتار ماده مشخص خواهد شد و مشخص می‌شود که نمونه مورد نظر شکننده یا چقرمه است.
از این منحنی اطلاعات مفید دیگری نیز می‌توان کسب کرد:

• نوع رفتار ماده اگر در منحنی تنش-کرنش نقطه تسلیم دیده شود، ماده رفتار چقرمه دارد، اما اگر دیده نشود رفتار ماده شکننده است.
• شیب خط در ناحیه خطی (کرنش‌های پایین) نشانگر مدول ماده است.
• سطح زیر منحنی تنش-کرنش، انرژی لازم برای شکست ماده است.

آزمایش کشش تک محوری

تست تنش تک محوری یکی از متداول‌ترین تست‌ها برای تعیین پارامترهای مهم مواد مانند مدول یانگ، قدرت عملکرد، مقاومت نهایی، کشیدگی در زمان شکست، نسبت پواسون و ضرایب آن است. آزمایش کشش تک محوری بیشترین استفاده برای به دست آوردن مشخصات مکانیکی مواد ایزوتروپیک است. برخی از مواد از تست کششی دو محوری استفاده می‌کنند. تفاوت اصلی بین این ماشین‌های تست در نحوه اعمال بار بر روی مواد است. تست تنش تک محوری معمولاً به صورت یکنواخت تا شکست با نرخ کرنش واحد انجام می‌شود. با این حال، دستگاه معمولاً آن‌ها را با چندین فشار کرنش انجام می‌دهد و شامل چندین چرخه یا دوره برای گرفتن نوسان و توصیف رفتار پیچیده پلیمرها است.

آزمایش کشش لاستیک

بسیاری از متعلقات دستگاه آزمایش کشش می‌تواند در کیفیت و کارایی بالای آزمون مواد از جمله لاستیک نقش موثری داشته باشد زیرا دقت اندازه گیری را بالا می‌برد. برای اینکه کیفیت لاستیک و ویژگی‌های مکانیکی آن مورد بررسی قرار گیرد از آزمایش کشش استفاده می‌شود. با استفاده از دستگاه آزمایش کشش ویژگی‌های مکانیکی لاستیک در دامن‌های شناور اثر سطحی به دست می‌آید. استانداردی که برای انجام دادن تست کشش استفاده می‌شود، ASTM است که در این استاندارد شرایط آزمایش کاملا مشخص شده است. در این آزمایش که توسط دستگاه آزمایش کشش صورت می‌گیرد و منحنی تنش و کرنش برای لاستیک توسط نرم افزار دستگاه رسم می‌شود، بنابراین با استفاده از این دستگاه، اطلاعات مورد نیاز مانند ضریب ارتجاعی مماسی و ضریب الاستیسیته برای مقدارهای مختلف به دست خواهد آمد.

نقش تست کشش در ارزیابی ایمنی مواد مهندسی

برای بررسی میزان استحکام و قابلیت تغییر شکل مواد مختلف، از روش‌های استانداردی استفاده می‌شود که یکی از کاربردی‌ترین آن‌ها آزمایش کشش است. این آزمون برای مواد گوناگونی مانند میلگرد، فولاد، پلیمر و لاستیک به کار می‌رود و اطلاعات دقیقی از رفتار آن‌ها تحت نیروی کششی ارائه می‌دهد. نتایج به‌دست‌آمده از این آزمایش، نقش مستقیمی در ارزیابی کیفیت محصول دارد و ازهمین‌رو، قیمت میلگرد نیز تا حد زیادی تحت‌تأثیر مقاومت و استانداردهای تأییدشده در تست کشش تعیین می‌شود.

اطلاعات حاصل از این فرآیند به مهندسان کمک می‌کند تا انتخاب آگاهانه‌تری در طراحی سازه‌ها داشته باشند و عملکرد مصالح را در شرایط واقعی پیش‌بینی کنند. اجرای صحیح این آزمایش مطابق با استانداردهای معتبر و بااستفاده‌از تجهیزات دقیق، تضمین‌کننده ایمنی سازه‌ها، کاهش ریسک‌های اجرایی و نقش‌آفرین در توسعه محصولات باکیفیت و پایدار خواهد بود.