تنسایل یونیورسال 500 کیلوگرم

رایج‌ترین دستگاه تست مورد استفاده در آزمون کشش از نوع یونیورسال یا همه منظوره است. این نوع دستگاه دارای دو بلوکه ثابت است که یکی برای طول نمونه تنظیم می‌شود و دیگری برای اعمال نیرو ساخته شده‌است که در دو نوع هیدرولیکی و الکترومغناطیسی وجود دارند. عملکرد اصلی این تست‌ها ایجاد منحنی تنش-کرنش است.

دستگاه باید قابلیت‌های مناسب را برای نمونه در حال آزمایش داشته باشد. ۳ پارامتر اصلی وجود دارد: ظرفیت فشار، سرعت و دقت. ظرفیت فشار به این حقیقت اشاره 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 مادهٔ شکننده که کشش‌های کوتاه قبل از شکستن را تجربه کرده کار نکند.

اندازه‌گیری کرنش معمولاً با یک کشش سنج انجام می‌شود اما کرنش سنج اغلب در آزمون نمونه‌های کوچک یا هنگامیکه نسبت پواسون مشخص باشد نیز استفاده می‌شود. دستگاه‌های جدیدتر زمان و نیرو سنج دیجیتال و سیستم‌های اندازه‌گیری کشش که شامل سنسورهای الکترونیکی متصل شده به دستگاه جمع‌آوری داده (اغلب کامپیوتر) و نرم‌افزار که برای ویرایش و خروجی داده‌است را دارا می‌باشند.

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 ماشین را می‌توان با تغییر سرعت موتور تغییر داد.

ماشین‌های هیدرولیکی بر اساس یک پیستون تک یا دوگانه عمل می‌کنند که حرکت رو به بالا یا پایین را انجام می‌دهد. با این حال، اکثر ماشین آلات 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. به‌طور کلی، دستگاه‌های الکترومکانیکی دارای سرعت و دامنه حرکت بیشتری نسبت به دستگاه‌های هیدرولیکی هستند. همچنین دستگاه‌های هیدرولیکی برای تولید نیروهای بیشتر هزینه بالاتری می‌برند.

روند آزمون

بعد از قرار دادن نمونه در دستگاه، نیروی کششی به نمونه اعمال می‌شود تا زمانی که شکست رخ دهد. نیروی لازم برای ایجاد ازدیاد طول گزارش می‌شود و منحنی نیرو-ازدیاد طول، ترسیم می‌شود. با انجام محاسبات لازم، به شرح ذیل، منحنی تنش-کرنش مهندسی از این منحنی اولیه استخراج می‌شود.

در این روابط ، تنش مهندسی است که حاصل تقسیم نیرو بر سطح مقطع اولیه است و e کرنش مهندسی است و حاصل تقسیم ازدیاد طول بر طول اولیه گیج (gage length)، است. تنش و کرنش مهندسی مستقل از هندسه و شکل قطعه هستند.

منطقه کشسان یا الاستیک: بخش خطی منحنی، از ابتدا تا نقطه تسلیم (yielding point) که تغییر شکل به صورت الاستیک است، منطقه الاستیک نامیده می‌شود. در این منطقه تنش و کرنش رابطه خطی دارند و قانون هوک به شرح ذیل برقرار است:

ثابت E در رابطه فوق، مدول الاستیک یا مدول یانگ، نامیده می‌شود و برای هر ماده ای مقدار معینی دارد.

منطقه مومسان یا پلاستیک: این منطقه بعد از نقطه تسلیم شروع می‌شود. نقطه تسلیم آغاز شروع تغییر شکل موسان نمونه است. تغییر شکل مومسان به صورت ثابت تا نقطه اوج منحنی  یا همان استحکام کششی، ادامه دارد. در  فرایند گلویی شدن نمونه، شروع می‌شود.  مطابق فرمول ذیل محاسبه می‌شود:

از آنجا که محاسبه استحکام کششی ساده است و یک پارامتر کاملاً تکثیر پذیر (reproducible) است، لذا پارامتر مفیدی برای تعیین ویژگی‌های مواد و کنترل کیفی محصول است. روابط تجربی ارزشمندی بین استحکام کششی و خواصی مانند سختی و استحکام خستگی وجود دارد که اغلب مفید هستند. برای مواد ترد و شکننده (brittle) نیز، استحکام کششی یک معیار معتبر در طراحی محسوب می‌شود.

استحکام تسلیم: فرایند تسلیم شدن، شروع اولین تغییر شکل مومسان نمونه است و سطح تنشی که این تسلیم در آن آغاز می‌شود، استحکام تسلیم نامیده می‌شود که یک پارامتر مهم در طراحی است. برای بیشتر مواد، یک انتقال تدریجی از رفتار الاستیک به رفتار پلاستیک مشاهده می‌شود، لذا تعیین نقطه ای که این انتقال صورت می‌گیرد مشکل است.

معیارهای مختلفی برای تعیین نقطه تسلیم استفاده می‌شوند که به عواملی مثل دقت اندازه‌گیری کرنش و استفاده مفهومی از داده‌ها، بستگی دارند. روش کرنش افست (۲٪ offset strain)، یک روش مرسوم برای اندازه‌گیری استحکام تسلیم است. برای تعیین آن از نقطه ۰٫۲٪ روی محور افقی، خطی موازی ناحیه خطی نمودار رسم شده و محل تقاطع این خط با منحنی تنش-کرنش، به عنوان نقطه تسلیم تعیین می‌شود.

داکتیلیته:درجه ای از تغییر شکل مومسان، که یک ماده می‌تواند تا قبل از شکست نشان دهد، داکتیلیته نامیده می‌شود. ماده ای که تغییر شکل موسان اندکی نشان دهد یا قبل از شکست هیچ گونه تغییر شکل موسانی نداشته باشد، ترد یا شکننده عنوان می‌شود. درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع هم نمادی از داکتیلیته هستند که ذیلاً روابط مربوطه آورده می‌شود:

در این روابط z و q به ترتیب، درصد ازدیاد طول و درصد کاهش سطح مقطع را نشان می‌دهند.

جهندگی: ظرفیت ماده برای جذب انرژی در منطقه الاستیک، جهندگی نامیده می‌شود.

چقرمگی: توانایی ماده در پذیرش تغییر شکل موسان و جذب انرژی تا قبل از شکست، چقرمگی نامیده می‌شود. سطح زیر منحنی تنش-کرنش، تا نقطه استحکام کششی نشان دهنده چقرمگی ماده است. شکل زیر چقرمگی سه گروه فولاد کربنی را نشان می‌دهد.

ضریب پواسان: نسبت تغییر اندازه جانبی (کرنش عرضی) به تغییر اندازه محوری (کرنش طولی)، ضریب پواسان نامیده می‌شود. از آنجا که در بیشتر مواد مهندسی، کرنش عرضی و طولی مختلف العلامت هستند، فرمول با علامت منفی ارائه شده‌است تا مقدار حاصله مثبت گردد.