معنای چقرمگی در فولاد چیست؟

چقرمگی فولاد چیست؟ مفهوم چقرمگی(به انگلیسی: Toughness) یکی از آن مفاهیمی است که تعاریف و برداشت‌های اشتباه از آن بسیار مشاهده می‌شود. به همین دلیل در این مقاله قصد داریم تا به سوال چقرمگی چیست یا چقرمگی یعنی چه پاسخ دهیم و تفاوت آن را با شکل‌پذیری 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 و به سوال چقرمگی چیست و چقرمگی یعنی چه جواب می‌دهیم. چقرمگی یا تافنس چیست؟ 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 یادگیری این مفهوم 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 محدوده تغییر شکل پلاستیک پایدار است و به میزان کرنشی گفته می‌شود که ماده به صورت پایدار، سیلان پلاستیک انجام می‌دهد. محاسبه داکتلیته به این صورت انجام می‌شود که به موازات قیمت الاستیک خطی از نقطه شکست رسم می‌شود. محل برخورد این خط با محور افقی داکتلیته را نشان 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

بعد از اینکه به سوال چقرمگی یعنی چه یا تافنس چیست پاسخ دادیم، نوبت آن است که با انواع آن آشنا شویم. 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 چکش خواری آن وابسته است. این 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 است. 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 و چکش‌خواری

بسیاری از افراد چکش‌خواری (Malleability) را با چقرمگی اشتباه می‌گیرند، در حالی که تفاوت اصلی این دو در «نوع بارگذاری» است. چقرمگی به توانایی جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست، عمدتاً تحت تنش‌های کششی اشاره دارد؛ اما چکش‌خواری توانایی ماده برای تغییر شکل دائمی و پهن شدن تحت تنش‌های فشاری (مانند ضربات چکش یا پرس نورد) بدون ایجاد ترک است. به بیان ساده، چقرمگی نشان‌دهنده امنیت قطعه در برابر گسیختگی ناگهانی است، اما چکش‌خواری تعیین می‌کند که فولاد تا چه حد قابلیت شکل‌پذیری در فرآیندهای تولیدی مثل آهنگری را دارد.

تفاوت چقرمگی با سختی و مقاومت سایشی

یک باور اشتباه در بازار فولاد این است که هرچه فولاد سخت‌تر باشد، مقاوم‌تر است. در واقعیت، سختی (Hardness) تنها نشان‌دهنده مقاومت سطح فلز در برابر فرو رفتن یا خراشیده شدن است، در حالی که چقرمگی مقاومت کل قطعه در برابر ضربه را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، مقاومت سایشی نتیجه مستقیم سختی بالاست که باعث می‌شود قطعه در اثر اصطکاک مستهلک نشود. تضاد اصلی اینجاست که با بالا بردن سختی (مثلاً در استیل ۴۲۰)، مقاومت سایشی افزایش می‌یابد اما معمولاً چقرمگی کاهش پیدا کرده و فولاد «تُرد» می‌شود؛ بنابراین قطعه‌ای که بسیار سخت است، ممکن است در برابر یک ضربه ناگهانی به‌راحتی خرد شود.

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 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 هر دو 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.

حادثۀ تایتانیک ناشی از شکست فولاد بر اثر تُردی

سخن آخر

در این مقاله به سوال چقرمگی چیست به‌طور کامل پاسخ دادیم و تفاوت آن را با مفاهیمی همچون سختی، مقاومت سایشی و چکش‌خواری بررسی کردیم. چقرمگی فولاد یکی از کلیدی‌ترین پارامترها در طراحی مهندسی و انتخاب متریال برای پروژه‌های حساس است؛ چرا که تعیین می‌کند یک قطعه تا چه حد می‌تواند در برابر شوک‌های ناگهانی و بارهای دینامیکی دوام بیاورد.

در کاربردهای صنعتی و ساختمانی، توجه به این ویژگی هنگام خرید مقاطع فولادی ضروری است؛ برای مثال، در انتخاب و خرید محصولاتی نظیر میلگرد استیل، تعادل میان چقرمگی و استحکام نقشی حیاتی در پایداری سازه و طول عمر قطعات در محیط‌های خورنده ایفا می‌کند. با درک صحیح این خواص مکانیکی، می‌توان از حوادث ناگواری که ناشی از شکست تُرد فلزات است (مانند آنچه در فاجعه تایتانیک رخ داد) جلوگیری کرد.