به منظور تعریف ویژگی‌های فیزیکی هر ماده از مشخصه‌های زیادی استفاده می‌شود که یکی از مهم‌ترین آنها چقرمگی است. در صنایع مختلف برای ساخت محصولات و تجهیزات متنوع معمولا به این مشخصه فیزیکی بسیار توجه می‌شود. اما چقرمگی چیست و چه نقشی را بر ماده ایفا می‌کند. در ادامه این مطلب به این سوالات پاسخ داده و همه آنچه باید درباره این مفهوم بدانیم را بررسی خواهیم کرد.
چقرمگی چیست؟
نخست بهتر است با مفهوم چقرمگی و نقش آن برای مواد آشنا شویم. در علم و مهندسی مواد، چقرمگی به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر شکست و تغییر شکل تحت فشار، به ویژه در حضور ترک یا نقص اشاره دارد. چقرمگی یک ویژگی مهم در تعیین مناسب بودن یک ماده برای کاربردهای مختلف، به ویژه مواردی است که شامل شرایط ضربه یا بارگذاری دینامیکی است.
البته چقرمگی تنها به استحکام ماده وابسته نیست بلکه به توانایی آن در جذب انرژی قبل از شکستگی نیز بستگی دارد. این اغلب از طریق معیارهایی مانند چقرمگی شکست، چقرمگی ضربه و انعطاف پذیری ارزیابی می‌شود.
چقرمگی شکست توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر انتشار ترک را اندازه‌گیری می‌کند و معمولا از طریق روش‌های تست استاندارد مانند آزمایش‌های ضربه Charpy یا Izod تعیین می‌شود. این آزمایش‌ها نمونه را در معرض ضربه ناگهانی قرار می‌دهند و انرژی جذب شده قبل از شکستگی را اندازه گیری می‌کنند. مواد با چقرمگی شکست بالا می‌توانند سطوح بیشتری از تنش را بدون شکستگی تحمل کنند.
چقرمگی ضربه به طور خاص توانایی یک ماده برای جذب انرژی در شرایط بارگذاری ناگهانی، مانند ضربه یا برخورد را ارزیابی می‌کند. در کاربردهایی که مواد در معرض بارگذاری سریع قرار می‌گیرند، مانند اجزای خودرو یا عناصر ساختاری بسیار مهم است.
از سوی دیگر، انعطاف پذیری به توانایی یک ماده برای جذب انرژی و تغییر شکل الاستیک تحت تنش اشاره دارد و پس از برداشتن بار به شکل اولیه خود باز می‌گردد. بنابراین مفهوم چقرمگی چیست خود را در شکل‌های مختلف در ماده نشان می‌دهد.
عوامل موثر بر چقرمگی
پارامترهای متعددی می‌توانند بر چقرمگی مواد تاثیر بگذارند که در ادامه به بررسی برخی از مهم‌ترین آنها می‌پردازیم
شدت بارگذاری
- با افزایش شدت بارگذاری، چقرمگی ماده کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، مواد در برابر بارهای ناگهانی و ضربه ای، چقرمگی کمتری نسبت به بارهای استاتیکی و تدریجی دارند.
- دلیل این امر، عدم فرصت کافی برای ماده برای جذب انرژی و تغییر شکل خمیری قبل از وقوع شکست در هنگام بارگذاری‌های ناگهانی است.
دما
- کاهش دما، چقرمگی بسیاری از مواد را کاهش می‌دهد.
- در دماهای پایین، تبلور مجدد و سایر مکانیزم‌های تغییر شکل پلاستیکی محدودتر میشوند و در نتیجه، احتمال شکست ترد و ناگهانی افزایش می‌یابد.
وجود شکاف
- وجود شکاف و ناخالصی در ساختار ماده، نقاط تمرکز تنش را ایجاد می‌کند و چقرمگی را کاهش می‌دهد.
- ترک‌ها و عیوب موجود در ماده، مسیرهای آسانی برای انتشار ترک و شکست نهایی ایجاد می‌کنند.
ساختار ماده
- ساختار بلوری، عیوب بلوری و اندازه دانه، از جمله پارامترهای ساختاری هستند که بر چقرمگی ماده تاثیر می‌گذارند.
- به طور کلی، مواد با ساختار بلوری FCC (فیس‌محور مکعب) چقرمگی بیشتری نسبت به مواد با ساختار BCC (محورمرکز مکعب) دارند.
- همچنین، عیوب بلوری مانند ناخالصی‌ها، جاهای خالی و دیسلوکیشن‌ها می‌توانند چقرمگی را کاهش دهند.
ترکیب شیمیایی
- عناصر آلیاژی و ناخالصی‌ها می‌توانند چقرمگی ماده را افزایش یا کاهش دهند.
- به عنوان مثال، اضافه کردن عنصر کربن به فولاد، چقرمگی آن را افزایش می‌دهد.
- از سوی دیگر، وجود ناخالصی‌هایی مانند گوگرد و فسفر، چقرمگی را کاهش می‌دهد.
روش‌های فرآوری
- عملیات حرارتی، نورد، آهنگری و سایر روش‌های فرآوری می‌توانند بر چقرمگی ماده تاثیر بگذارند.
- به عنوان مثال، عملیات آنیلینگ می‌تواند چقرمگی فولاد را افزایش دهد.
- در مقابل، عملیات آبکاری می‌تواند چقرمگی را کاهش دهد.
تقاوت داکتیل بودن و چقرمگی چیست؟
بعد از آن که دانستیم چقرمگی چیست ممکن است آن را با داکتیل اشتباه بگیریم. داکتیلیته به توانایی یک ماده در تغییر شکل پلاستیکی قبل از شکست اشاره دارد. به عبارت دیگر، داکتیلیته نشان می‌دهد که یک ماده تا چه حد می‌تواند بدون شکستن، کشیده یا خم شود.
مواد داکتیل عبارتند از مس، آلومینیوم، فولاد نرم، طلا و نقره. تفاوت داکتیلیته و چقرمگی در این جا است که داکتیلیته به توانایی تغییر شکل پلاستیکی اشاره دارد، در حالی که چقرمگی به توانایی جذب انرژی قبل از شکست مربوط می‌شود. همچنین داکتیلیته فقط نشان‌دهنده میزان تغییر شکل است، اما چقرمگی مقاومت در برابر شکست را نیز نشان می‌دهد.
البته مواد داکتیل همیشه چقرمه نیستند، و مواد چقرمه همیشه داکتیل نیستند. به عنوان مثال: فولاد نرم داکتیلیته بالایی دارد، اما چقرمگی آن به اندازه فولاد آلیاژی بالا نیست. همچنین پلیمرها می‌توانند چقرمگی بالایی داشته باشند، اما داکتیلیته آنها به اندازه فلزات داکتیل بالا نیست.
کاربردهای چقرمگی چیست؟
توجه به چقرمگی در صنایع مختلف وجود دارد که باید از آن آگاه باشیم. به همین دلیل در این قسمت به کاربردهای مهم چقرمگی خواهیم پرداخت.
صنعت هوافضا
در مهندسی هوافضا، جایی که ایمنی و قابلیت اطمینان در اولویت هستند، مواد با چقرمگی بالا ضروری هستند. اجزای هواپیما مانند بال‌ها، ساختار بدنه و قطعات موتور در حین عملیات تحت بارهای زیاد و نیروهای ضربه‌ای قرار می‌گیرند. مواد سخت مانند آلیاژهای تیتانیوم، کامپوزیت‌های پیشرفته و فولادهای با استحکام بالا برای اطمینان از یکپارچگی ساختار و تحمل شرایط بارگذاری دینامیکی استفاده می‌شود. توانایی آنها در جذب انرژی بدون شکست فاجعه بار برای حفظ ایمنی و عملکرد هواپیما بسیار مهم است.
صنعت خودرو
صنعت خودروسازی به موادی نیاز دارد که بتوانند شرایط سخت عملیاتی از جمله برخورد و ارتعاش را تحمل کنند. بررسی اینکه چقرمگی چیست و آشنایی با این مفهوم نقش حیاتی در ساخت اجزای خودرو مانند شاسی، پانل‌های بدنه و ساختارهای مقاوم در برابر تصادف دارد. فولادهای پیشرفته با استحکام بالا (AHSS)، آلیاژهای آلومینیوم و کامپوزیت‌های پلیمری برای افزایش چقرمگی و در عین حال کاهش وزن، کمک به بهره وری سوخت و ایمنی مسافران استفاده می‌شود.
ساخت و ساز و زیرساخت
در بخش ساخت و ساز، چقرمگی برای مصالح ساختمانی به منظور مقاومت در برابر نیروهای خارجی، عوامل محیطی و اثرات بالقوه ضروری است. بتن، تقویت شده با موادی مانند الیاف فولادی یا پلیمری، چقرمگی بهتری را نشان می‌دهد و آن را برای پروژه‌های زیربنایی مانند پل‌ها، سدها و ساختمان‌های بلند مناسب می‌سازد. به طور مشابه، شیشه‌های سخت شده در کاربردهای معماری به دلیل توانایی آن در مقاومت در برابر شکستگی و افزایش ایمنی استفاده می‌شود.
صنعت نفت و گاز
در بخش نفت و گاز، جایی که تجهیزات در محیط‌های سخت مانند دکل‌های حفاری و خطوط لوله در اعماق دریا کار می‌کنند، مواد باید دارای چقرمگی بالایی باشند تا در برابر فشارها، دماها و شرایط خورنده شدید مقاومت کنند. آلیاژهای سخت مانند فولادهای ضد زنگ، آلیاژهای مبتنی بر نیکل و تیتانیوم در ساخت اجزای حفاری، شیرها و خطوط لوله برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد و جلوگیری از خرابی‌های فاجعه بار استفاده میشوند.
صنعت ساخت مخازن و لوله
در صنعت تولید انواع لوله و مخزن استفاده از مواد با چقرمگی بالا برای ساخت محصولاتی با مقاومت زیاد ضروری است. برای مثال در ساخت انواع مخزن پلی اتیلن، مخزن پلی پروپیلن، لوله کاروگیت، لوله پلی اتیلن، منهول پلی اتیلن از این دست محصولات هستند.
وسایل پزشکی و ایمپلنت
در مهندسی پزشکی، مواد با چقرمگی بالا برای ساخت دستگاه‌های پزشکی و ایمپلنت‌ها حیاتی هستند. فلزات زیست سازگار مانند تیتانیوم و آلیاژهای آن و همچنین پلیمرهای مهندسی مانند پلی اتر اتر کتون (PEEK) برای خواص مکانیکی عالی و زیست سازگاری استفاده میشوند. این مواد امکان توسعه ایمپلنت‌هایی را فراهم می‌کنند که می‌توانند در مقابل نیروهای فیزیولوژیکی مقاومت کنند و در عین حال یکپارچگی و بهبود بافت را تقویت کنند.
مواد با چقرمگی بالا کدامند؟
حال که به صورت کامل دانستیم چقرمگی چیست و چه کاربردهایی دارد، بهتر است با موادی که چقرمگی بالا دارند نیز آشنا شویم. در این بخش موادی که از آنها بیشتر در صنعت بخاطر چقرمگی بالا استفاده میشوند را بررسی خواهیم کرد.
فولاد
یکی از پرکاربردترین موادی که به دلیل چقرمگی بالا شناخته شده است فولاد است. چقرمگی آن از ریزساختار آن ناشی می‌شود که میتوان آن را از طریق روش‌های مختلف عملیات حرارتی تنظیم کرد. عناصر آلیاژی مانند منگنز، نیکل و کروم می‌توانند چقرمگی فولاد را بیشتر کنند. فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا (HSLA) مخصوصا به دلیل ترکیب عالی از استحکام و چقرمگی قابل توجه هستند و آنها را برای کاربردهای سازه‌ای در ساختمان‌ها، پل‌ها و ماشین آلات سنگین ایده آل می‌کند.
تیتانیوم
تیتانیوم که به دلیل نسبت استثنایی استحکام به وزن خود شناخته شده است، از چقرمگی بالایی نیز برخوردار است. توانایی آن در تحمل دماهای شدید، مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری آن را در هوافضا، ایمپلنت‌های پزشکی و تجهیزات ورزشی ضروری می‌کند. آلیاژهای تیتانیوم مانند Ti-6Al-4V به دلیل داشتن عناصر آلیاژی مانند آلومینیوم و وانادیم، چقرمگی بالاتری نسبت به تیتانیوم خالص دارند.
آلومینیوم
آلومینیوم اگرچه به سختی فولاد یا تیتانیوم نیست، اما آلیاژهای آن چقرمگی قابل توجهی از خود نشان می‌دهند، به ویژه هنگامی که به درستی تحت عملیات حرارتی قرار گیرند. چگالی کم و مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم آن را به گزینه‌ای ارجح در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا و ساخت و ساز تبدیل کرده است. آلیاژهایی مانند 7075-T6 به دلیل استحکام و چقرمگی بالا معروف هستند.
پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP)
در بخش چقرمگی چیست دانستیم که این مشخصه خود را در شکل‌های مختلف مواد نشان می‌دهد. FRP ها مانند پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) و پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) استحکام بالای الیاف را با چقرمگی پلیمرها ترکیب می‌کنند. این مواد به دلیل ماهیت سبک وزن و خواص مکانیکی عالی در صنایع هوافضا، خودروسازی، دریایی و مهندسی عمران کاربرد دارند. CFRP، به ویژه، در ساخت هواپیما به دلیل نسبت چقرمگی به وزن بالا مورد علاقه است. از نمونه های محصولات بسیار معروفی که با این مواد ساخته میشوند میتوان به مخزن فایبرگلاس اشاره کرد.
لاستیک
لاستیک طبیعی و الاستومرهای مصنوعی مانند لاستیک نئوپرن و نیتریل چقرمگی بالایی همراه با خاصیت ارتجاعی از خود نشان می‌دهند. توانایی آنها در تغییر شکل تحت تنش و بازگشت به شکل اولیه، آنها را برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند، مانند تایرها، تسمه نقاله و ضربه گیرها مناسب می‌کند.
سخن پایانی
چقرمگی، به عنوان توانایی یک ماده در جذب انرژی و تغییر شکل خمیری قبل از وقوع شکست، نقشی حیاتی در انتخاب مواد برای کاربردهای مختلف ایفا می‌کند. مواد چقرمه در برابر ضربه و تنش، بدون شکستن، تاب می‌آورند. این ویژگی، مقاومت و طول عمر قطعات را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.