معنای چقرمگی در فولاد چیست؟

چقرمگی فولاد چیست؟ مفهوم چقرمگی یکی از آن مفاهیمی است که تعاریف و برداشت‌های اشتباه از آن بسیار مشاهده می‌شود. به همین دلیل در این مقاله قصد داریم تا مفهوم چقرمگی فولاد را برای شما توضیح دهیم و تفاوت آن را با شکل پذیری و استحکام تشریح کنیم. علاوه بر این در این مقاله برای اطلاعات بیشتر شما، به بررسی مفاهیم دیگری از خواص مکانیکی فولاد نیز می‌پردازیم. پس تا انتهای این مطلب با ما همراه باشید.

چقرمگی فولاد چیست؟

برای درک بهتر چقرمگی فولاد، ابتدا به بررسی مفهوم کلی آن می‌پردازیم. چقرمگی یا Toughness به میزان توانایی جذب انرژی توسط ماده قبل از رخداد شکست گفته می‌شود. میزان چقرمگی فولاد از محاسبه سطح زیر منحنی تنش-کرنش تا لحظه شکست به دست می‌آید. در کنار مفهوم چقرمگی فولاد لازم است تا اطلاعاتی درباره شکل پذیری نیز داشته باشیم. چرا که بسیار از افراد از این واژه‌ها به جای چقرمگی فولاد استفاده می‌کنند.

شکل پذیری به سطح زیر منحنی نمودار تنش- کرنش تا لحظه ناپایداری یا لحظه گلویی شدن گفته می‌شود. در واقع شکل پذیری محدوده تغییر شکل پلاستیک پایدار است و به میزان کرنشی گفته می‌شود که ماده به صورت پایدار، سیلان پلاستیک انجام می‌دهد. تفاوت چقرمگی فولاد و شکل پذیری آن یک مفهوم بسیار مهم در درک پدیده‌های مربوط به شکست و تغییر شکل است.

نمودار تنش کرنش فولاد و چقرمگی

انواع چقرمگی فولاد و اندازه گیری آن

چقرمگی فولاد را می‌توان با سه حالت زیر در نظر گرفت:

چقرمگی شکست: به طور کلی چقرمگی شکست را می‌توان خاصیتی ذاتی از فولاد دانست که به چقرمگی فولاد و چکش خواری آن وابسته است. چقرمگی شکست یک روش کمی برای تعیین مقاومت یک ماده نسبت به انتشار ترک است. این میزان به عوامل متعدی مانند دما، سرعت و کرنش بستگی دارد و با تغییر در میزان آن‌ها، چقرمگی شکست نیز تغییر می‌کند.

چقرمگی ضربه: توانایی جذب انرژی توسط ماده و مقاومت در برابر ضربه قبل از شکست را چقرمگی ضربه می‌گویند.

چقرمگی شیاری: این معیار برای اندازه‌گیری توانایی یک ماده برای جذب انرژی در برابر ضربه و با وجود یک نقص ساختاری است. تفاوت میان چقرمگی شیاری و چقرمگی ضربه‌ای، وجود یک نقص می‌باشد. این حالت برای زمانی است که می‌خواهیم یک تمرکز تنش در قطعه ایجاد کرده و اثرات آن را بررسی کنیم.

مقایسه شکست فولاد در حالات مختلف

تفاوت چقرمگی فولاد و چکش خواری

مفهوم دیگری که دانستن آن خالی از لطف نیست چکش خواری است. چکش خواری به توانایی ماده برای تغییرشکل دائمی بدون شکست یا پارگی می‌گویند. تفاوتی که میان چکش خواری و چقرمگی فولاد بسیار اهمیت دارد، نوع تنش اعمالی به ماده است. در تعریف چقرمگی فولاد، باید توجه داشت که ماده تحت بار کششی است. ولی چکش خواری تحت تاثیر یک تنش فشاری است.

عوامل موثر بر چقرمگی فولاد

همانطور که پیش‌تر گفته شد، چقرمگی فولاد به عواملی مانند دما، سرعت بارگذاری و کرنش بستگی دارد. در این قسمت تاثیر هرکدام از این موارد را بر چقرمگی فولاد شرح می‌دهیم. یک قطعه فولادی ممکن است تحت بارهای دینامیکی چقرمگی خوبی از خود به نمایش بگذارد اما در مقابل ضربه چقرمگی خوبی نداشته باشد. به طور کلی می‌توان گفت که چقرمگی فولاد با افزایش نرخ بارگذاری کاهش می‌یابد.

دما نیز از عوامل موثر بر چقرمگی فولاد است. با کاهش دما، توانایی جذب انرژی توسط فولاد کمتر شده و در نتیجه از میزان چقرمگی آن کاسته می‌شود. فلزات در دماهای پایین تُردتر می‌شود. و اگر این دما از حد بحرانی، که به آن دمای تبدیل نرمی به تُردی گفته می‌شود، عبور کند، فولاد به صورت کاملاً تُرد می‌شکند.

سختی فولاد می‌تواند نقش مهمی در میزان چقرمگی فولاد داشته باشد. به طور کلی با افزایش سختی و استحکام، شکل پذیری و چقرمگی هردو کاهش می‌یابند. هرچند باید در نظر داشت تردی‌های حاصل از عملیات حرارتی، مانند تردی تمپر در فولادهایی نظیر 4140 را نمی‌توان به این قاعده دسته بندی کرد.

علاوه بر موارد گفته شده چقرمگی فولاد به ساختار کریستالی، نوع بارگذاری، وجود عیوب در ساختار کریستالی و … نیز بستگی دارد که این پارامترها به قبل از ساخت، تولید و تست قطعات بازمی‌گردد.

یک اتفاق تاریخی

اهمیت چقرمگی فولاد را می‌توان در حادثه غرق شدن کشتی تایتانیک به خوبی مشاهده کرد. برخی از اتصالات و پیچ‌های به کار رفته در کشتی تاتانیک در برخورد با کوه یخ، می‌شکنند. علت شکسته شدن پیچ‌ها عدم توانایی آن‌ها در جذب نیروی وارد شده بوده. علت آن نیز عبور از دمای تبدیل نرمی به تردی است. با پایین رفتن دما بیش از حد بحرانی، فولاد چقرمگی خود را از دست می‌هد و به صورت تُرد می‌شکند. همین اتفاق، سبب غرق شدن کشتی تایتانیک شده است.

حادثه تایتانیک ناشی از شکست فولاد بر اثر تُردی

سخن آخر

چقرمگی فولاد را می‌توان از مهم‌ترین فاکتورها و مشخصات فنی در طراحی و انتخاب متریال برای ساخت سازه‌ها دانست. به طور کلی چقرمگی فولاد را می‌توان با انجام سه تست چقرمگی شکست، چقرمگی ضربه و چقرمگی شیاری برای شرایط مختلف به دست آورد. چقرمگی فولاد به عوامل متعددی بسنگی دارد که به سه مورد از آن‌ها در این مطلب پرداختیم.