چقرمگی فولاد چیست؟ انواع + نحوه اندازه‌گیری آن

فولاد، در صنایع مختلفی از جمله ساختمان‌سازی، خودروسازی و پزشکی کاربرد دارد. یکی از ویژگی‌های مهم فولاد که آن را برای این کاربردها مناسب می‌کند، چقرمگی (Toughness) آن است. چقرمه بودن به معنای توانایی یک ماده در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست است.

به عبارت دیگر، فولاد چقرمه می‌تواند انرژی زیادی را قبل از شکستن جذب کند و در برابر ضربه‌های ناگهانی مقاومت کند. این ویژگی باعث می‌شود تا سازه‌ها و قطعات ساخته شده از فولاد چقرمه، در برابر حوادثی مانند زلزله، تصادفات و سایش مقاومت بیشتری داشته باشند. عوامل مختلفی مانند ترکیب شیمیایی، فرآیند تولید و عملیات حرارتی می‌توانند بر میزان چقرمگی فولاد تاثیر بگذارند. در ادامه این مقاله با میهن فولاد همراه باشید تا انواع Toughness، کاربردها و پارامترهای موثر بر آن را بررسی کنیم.

چقرمگی فولاد چیست؟ 

چقرمگی فولاد، به معنی استحکام نیست. در حالی که استحکام به توانایی ماده در تحمل بار بدون تغییر شکل دائمی اشاره دارد، Toughness، ظرفیت فولاد در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست در اثر ضربه و بارهای ناگهانی را توصیف می‌کند. 

تصور کنید یک توپ فلزی را از ارتفاع مشخصی رها می‌کنید. فولاد با استحکام بالا ممکن است در برابر تغییر شکل مقاومت کند، اما در صورت عدم Toughness کافی، در اثر ضربه توپ به‌راحتی می‌شکند. در مقابل، فولاد چقرمه انرژی ضربه را جذب کرده و به جای شکست کامل، احتمالاً تنها دچار خمیدگی یا تغییر شکل موضعی می‌شود.

مفهوم چقرمگی و داکتیل بودن با یکدیگر متفاوت اند؟

در نگاه اول، ممکن است چقرمگی و داکتیل بودن دو مفهوم مشابه در علم مواد به نظر برسند، اما واقعیت این است که این دو ویژگی، هرچند مرتبط، اما متفاوت هستند. داکتیل بودن به توانایی یک ماده در تغییر شکل پلاستیک قبل از شکست اشاره دارد، به عبارتی دیگر، میزان قابلیت کشش، خم شدن و به طور کلی، تغییر شکل ماده بدون شکستن را نشان می‌دهد. 

اما چقرمگی مفهومی متفاوت‌تری دارد. یک ماده چقرمه نه تنها باید قابلیت تغییر شکل خوب (داکتیل بودن) داشته باشد، بلکه باید از استحکام کافی برای مقاومت در برابر بارهای زیاد نیز برخوردار باشد. همان‌طور که اشاره کردیم، چقرمه بودن توانایی ماده در جذب انرژی و مقاومت در برابر شکست را نشان می‌دهد.

بنابراین، می‌توان گفت که داکتیل بودن یکی از پیش‌نیازهای چقرمگی است، اما به تنهایی تضمین‌کننده آن نیست. یک ماده ممکن است بسیار داکتیل باشد، اما استحکام کافی نداشته باشد و در نتیجه Toughness پایینی داشته باشد. در مقابل، یک ماده با استحکام بالا نیز در صورت عدم داشتن داکتیل بودن کافی، به راحتی در برابر ضربه می‌شکند.

انواع چقرمگی فولاد

اجسام از سه منظر مورد آزمایش قرار می‌گیرند تا میزان سفتی آنها به صورت دقیق‌تری محاسبه شود که عبارتند از: چقرمگی شیار، سفتی شکست و سفتی ضربه. 

1. چقرمگی شکست

Toughness نوع شکست به ما می‌گوید که فولاد آلیاژی چقدر می‌تواند در برابر گسترش یک ترک موجود، مقاومت کند. این ویژگی، در صنایعی که وجود ترک در قطعات می‌تواند فاجعه‌بار باشد، مانند هوافضا و نیروگاه‌ها، بسیار مهم است. برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست، از آزمایش‌های استانداردی مانند آزمایش ضربه شارپی استفاده می‌شود.

2. سفتی ضربه

چقرمگی ضربه بیانگر توانایی فولاد در جذب انرژی ناگهانی ناشی از ضربه است. این ویژگی در کاربردهایی که قطعات در معرض ضربه و ارتعاش قرار دارند، مانند صنایع خودروسازی و ساختمان‌سازی، اهمیت زیادی دارد. آزمایش افتادن وزنه یکی از روش‌های متداول برای اندازه‌گیری Toughness ضربه فولاد است.

3. چقرمگی شیاری

چقرمگی شیاری، شرایطی را شبیه‌سازی می‌کند که یک تمرکز تنش، مانند یک شیار یا سوراخ، در قطعه وجود داشته باشد. این ویژگی نشان می‌دهد که فولاد چقدر می‌تواند در برابر رشد ترک از محل تمرکز تنش مقاومت کند. آزمایش خمش سه نقطه‌ای با شیار یکی از روش‌های اندازه‌گیری Toughness نوع شیاری است.

این نکته قابل ذکر است که هر یک از اینها، با استفاده از آزمایش‌های استاندارد و تخصصی اندازه‌گیری می‌شوند.

پارامترهای موثر بر چقرمگی

پارامترهایی که روی ویژگی چقرمه فولاد موثر هستند شامل:

شدت بارگذاری

برای مثال، ممکن است ماده تحت یک بارگذاری ثابت و استاتیکی مقاومت خوبی از خود نشان دهد(Toughness بالایی داشته باشد)؛ اما به محض اینکه نوع بارگذاری را تغییر می‌دهیم و رفته رفته میزان نیروی وارده را افزایش می‌دهیم (بارگذاری پویا یا دینامیکی)؛ سفتی ماده سابق به‌شدت کاهش پیدا می‌کند.

دما

دما با این ویژگی رابطه مستقیم دارد؛ به این معنا که با کاهش دما، سفتی ماده (که تلفیقی از چکش‌خواری و استحکام ماده است) کاهش پیدا می‌کند.

وجود شکاف

وجود شکاف، یکی از عناصر تضعیف‌کننده سفتی ماده به‌شمار می رود. ممکن است جسم در برابر تنش های یک جانبه، مقاومت خوبی از خود نشان دهد اما زمانی که تنش چند محوره توسط شکاف به‌وجود می‌آید؛ ماده سفتی خود را از دست بدهد. 

واحد و فرمول ویژگی چقرمه بودن

چقرمگی، نیازمند یک مقیاس کمی است تا بتوان مواد مختلف را با یکدیگر مقایسه کرد. در علم مواد، چقرمه بودن با استفاده از مساحت زیر منحنی تنش-کرنش یک ماده تعیین می‌شود. این منحنی رفتار ماده را تحت کشش نشان می‌دهد و مساحت زیر آن بیانگر میزان انرژی جذب شده توسط ماده قبل از شکست است.

در سیستم بین‌المللی واحدها (SI)، چقرمگی با واحد ژول بر مترمکعب (J/m³) اندازه‌گیری می‌شود. این واحد میزان انرژی (ژول) را نشان می‌دهد که یک ماده می‌تواند در هر واحد حجم (مترمکعب) قبل از شکست جذب کند. هرچه مقدار چقرمه بودن یک ماده بیشتر باشد، به این معنی است که آن ماده می‌تواند انرژی بیشتری را قبل از شکست جذب کند و بنابراین مقاومت بیشتری در برابر شکست ناشی از ضربه و بارهای ناگهانی دارد.

در ایالات متحده (US)، واحد Toughness معمولاً اینچ پوند نیرو بر اینچ مکعب (in·lbf/in³) است. با توجه به اینکه واحدهای مختلفی برای اندازه‌گیری آن وجود دارد، مقایسه مستقیم مقادیر چقرمه در مواد مختلف باید با احتیاط صورت گیرد و تبدیل واحدها در صورت نیاز انجام شود.

روش‌های اندازه‌گیری چقرمگی

برای سنجش چقرمگی، از آزمون‌های مختلفی استفاده می‌شود که هر کدام جنبه‌ای از رفتار ماده را در شرایط خاص مورد ارزیابی قرار می‌دهند.

آزمون ضربه

آزمون ضربه، یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای ارزیابی چقرمه بودن مواد است، به‌ویژه در صنایعی که قطعات در معرض بارهای ضربه‌ای (مانند خودروسازی و ساختمان‌سازی) قرار دارند. در این آزمون، یک نمونه شیاردار با شکل و ابعاد استاندارد تحت تأثیر ضربه ناگهانی یک پاندول با انرژی مشخص قرار می‌گیرد. با اندازه‌گیری اختلاف ارتفاع اولیه و نهایی پاندول و با توجه به وزن آن، می‌توان میزان انرژی جذب شده توسط نمونه را قبل از شکست محاسبه کرد. این انرژی جذب شده، معیاری برای تعیین چقرمگی ضربه‌ای ماده محسوب می‌شود.

دو نوع رایج آزمون ضربه، شارپی (Charpy) و آیزود (Izod) هستند که هر دو براساس استانداردهای مشخصی انجام می‌شوند. در آزمون شارپی، نمونه به صورت تیر دوسر گیردار قرار می‌گیرد و ضربه به پشت شیار آن وارد می‌شود. در حالی که در آزمون آیزود، نمونه به صورت یک‌سر گیردار قرار می‌گیرد و ضربه به سمت مخالف شیار وارد می‌شود. انتخاب نوع آزمون بسته به نوع ماده، ابعاد نمونه و استانداردهای مربوطه انجام می‌شود.

آزمون کشش

آزمون کشش یکی دیگر از روش‌های متداول برای اندازه‌گیری چقرمگی است که اطلاعات جامع‌تری را در مورد رفتار مکانیکی ماده در اختیار ما قرار می‌دهد. در این آزمون، نمونه با شکل و ابعاد مشخص تحت کشش با سرعت ثابت قرار گرفته و نیروی لازم برای ایجاد تغییر طول در آن ثبت می‌شود. با استفاده از این داده‌ها، منحنی تنش-کرنش ماده رسم می‌شود که رابطه بین تنش (نیرو بر واحد سطح) و کرنش (تغییر طول نسبی) در ماده را نشان می‌دهد.

مساحت زیر منحنی تنش-کرنش، معیاری برای تعیین چقرمه بودن ماده در آزمون کشش است. این مساحت بیانگر میزان انرژی جذب شده توسط ماده قبل از شکست است و هرچه این مساحت بزرگتر باشد، نشانی از چقرمگی بیشتر ماده است. علاوه‌براین‌ها، آزمون کشش اطلاعات خوبی در مورد سایر ویژگی‌های مکانیکی ماده، مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم و درصد افزایش طول نیز ارائه می‌دهد.

اندازه‌گیری چقرمگی شکست

علاوه‌بر آزمون‌های ضربه و کشش که چقرمه بودن کلی ماده را اندازه‌گیری می‌کنند، روش‌های دیگری نیز برای اندازه‌گیری Toughness شکست وجود دارد. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، Toughness شکست بیانگر مقاومت ماده در برابر گسترش ترک است و در صنایعی که وجود ترک در قطعات می‌تواند خطرات جدی به‌همراه داشته باشد، مانند هوافضا و نیروگاه‌ها، از اهمیت بالایی برخوردار است.

برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست، از آزمایش‌های ویژه مانند آزمایش مکانیک شکست استفاده می‌شود. در این آزمایش‌ها، ترک کوچکی با شکل و ابعاد مشخص در نمونه ایجاد شده و سپس نمونه تحت بارگذاری کنترل شده قرار می‌گیرد. با اندازه‌گیری بار لازم برای گسترش ترک و با توجه به طول ترک، می‌توان میزان این خصوصیت در ماده را تعیین کرد.

نحوه اندازه‌گیری Toughness شکست

برای  اندازه‌گیریاین این نوع چقرمه بودن، از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود. روش‌های K و CTOD از جمله متداول‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست هستند و در صنایع مختلف برای ارزیابی مقاومت مواد در برابر گسترش ترک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1. پارامتر ضریب شدت تنش (K)

در این روش، از دستگاه‌های تست کشش یا خمش سه‌نقطه‌ای برای اعمال بار به نمونه حاوی ترک تیز استفاده می‌شود. با ثبت تنش در هر مرحله از آزمایش و با استفاده از روابط مکانیک شکست، ضریب شدت تنش (K) به‌عنوان معیاری برای سنجش تمرکز تنش در نوک ترک محاسبه می‌شود. با افزایش بار اعمال شده، ضریب شدت تنش نیز افزایش می‌یابد تا زمانی که به یک مقدار حداکثر موسوم به شدت تنش بحرانی (KIC) برسد. در این نقطه، ترک به‌صورت ناگهانی گسترش یافته و شکست رخ می‌دهد. مقدار KIC، معیاری برای چقرمگی شکست ماده در نظر گرفته می‌شود.

2. پارامتر جابه‌جایی نوک ترک (CTOD)

روش CTOD، براساس اندازه‌گیری میزان باز شدن دهانه ترک (δt) در نمونه تحت بارگذاری استوار است. در این روش، نمونه شیاردار تحت نیروی خمشی سه‌نقطه‌ای قرار می‌گیرد و با افزایش بار، دهانه ترک به تدریج بازتر می‌شود. این باز شدن تا زمان رسیدن به یک مقدار حداکثر ادامه می‌یابد و سپس ترک به صورت ناگهانی گسترش یافته و شکست رخ می‌دهد. مقدار CTOD، درواقع معیاری برای چقرمگی شکست ماده در نظر گرفته می‌شود. هرچه مقدار CTOD بزرگتر باشد، به معنی آن است که ماده می‌تواند انرژی بیشتری را قبل از شکست جذب کند و بنابراین، Toughness شکست بالاتری دارد.

کاربردهای چقرمه بودن مواد در صنعت

چقرمگی، کاربردهای بسیار مهمی در صنایع مختلف دارد. از سازه‌های عظیم تا ابزارهای ظریف پزشکی، انتخاب مواد چقرمه، برای ایمنی و عملکرد آن‌ها مهم است.

صنعت هوافضا

در صنعت هوافضا، استفاده از مواد سبک و در عین حال بسیار مقاوم اهمیت بسیار زیادی دارد. اجزای هواپیما و فضاپیما، مانند قطعات موتور، ارابه فرود و بدنه، در معرض تنش‌های شدید و بارهای ضربه‌ای ناشی از فرود و ارتعاشات قرار دارند. به همین دلیل، استفاده از فولاد و آلیاژهای مختلف با Toughness بالا برای ساخت این قطعات ضروری است تا از شکست ناگهانی آن‌ها در شرایط سخت پروازی جلوگیری شود.

صنعت خودروسازی

در صنعت خودروسازی نیز چقرمه بودن نقش بسیار مهمی را در تضمین ایمنی سرنشینان ایفا می‌کند. اجزای خودرو مانند بدنه، شاسی، سیستم تعلیق و اجزای پیشرانه در معرض بارهای ضربه‌ای ناشی از تصادفات و همچنین تنش‌های متناوب ناشی از رانندگی در شرایط مختلف قرار دارند. استفاده از فولاد و آلیاژهای با چقرمگی مناسب در ساخت این اجزا باعث می‌شود تا در صورت تصادف، انرژی ضربه جذب شده و از تغییر شکل شدید و آسیب به سرنشینان جلوگیری شود.

صنایع دفاعی

علاوه‌بر صنایع هوافضا و خودروسازی، در بسیاری از صنایع دیگر نیز کاربرد دارد. در صنایع دفاعی، از مواد با این ویژگی، برای ساخت تجهیزات نظامی مانند جلیقه و بدنه ضد گلوله و همچنین سیستم‌های تسلیحاتی استفاده می‌شود.

صنایع ساخت‌وساز

در صنعت ساخت‌وساز، این خصوصیت در ساخت سازه‌های ساختمانی مانند پل‌ها و زیرساخت‌ها برای مقاومت در برابر زلزله و سایر حوادث طبیعی مهم است.

صنایع پزشکی

در پزشکی نیز از مواد با میزان چقرمه بودن مناسب برای ساخت ایمپلنت‌ها، پروتزها و ابزارهای جراحی استفاده می‌شود تا از شکست آن‌ها در بدن بیمار جلوگیری شود.

مزایا و معایب چقرمگی

مانند هر ویژگی دیگری، چقرمه بودن نیز دارای معایب و محدودیت‌هایی است که در انتخاب و کاربرد مواد باید به آن‌ها توجه کرد.

مزایا

1. مواد با چقرمگی بالا، در برابر ضربه، بارهای ناگهانی و گسترش ترک مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند.
2. مواد چقرمه، عمر طولانی‌تری دارند و کمتر دچار سایش، پارگی و شکست ناگهانی می‌شوند. این موضوع باعث کاهش هزینه‌های نگهداری، تعمیر و جایگزینی قطعات شده و از نظر اقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه است.
3. در بسیاری از کاربردها، مانند ابزارهای برشی و ماشین‌آلات صنعتی، Toughness بالا باعث عملکرد بهتر می‌شود. به عنوان مثال، یک تیغه چاقوی چقرمه می‌تواند برای مدت طولانی‌تری تیز بماند و برش‌های تمیزتر و دقیق‌تری ایجاد کند.

معایب

1. افزایش چقرمگی مواد با کاهش سختی و استحکام آن‌ها همراه است. این موضوع می‌تواند فرآیند تولید و شکل‌دهی مواد را پیچیده‌تر و پرهزینه‌تر کند. به عنوان مثال، ماشینکاری و شکل‌دهی مواد بسیار چقرمه نیازمند استفاده از ابزار و تجهیزات خاص و همچنین انرژی بیشتری است.
2. در برخی کاربردها، مانند صنعت هوافضا که وزن عامل بسیار مهمی است، افزایش خصوصیت چقرمه بودن، می‌تواند منجر به افزایش وزن قطعات شود. به همین دلیل، در این گونه کاربردها باید بین چقرمه بودن و وزن ماده یک تعادل مناسب برقرار شود.

تفاوت چقرمگی فولاد و چکش خواری

چقرمگی و چکش‌خواری دو ویژگی مکانیکی مهم در مواد، به‌خصوصی در فولاد هستند که اغلب با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند. این دو ویژگی، می‌توانند روی قیمت فولاد آلیاژی هم تاثیرگذار باشند. در حالی که هر دو ویژگی به نوعی بیانگر مقاومت ماده قبل از شکستن هستند، اما مکانیسم و شرایط آزمایش آن‌ها کاملاً متفاوت است.

چکش‌خواری به توانایی ماده در تغییر شکل دائمی تحت تاثیر نیروهای فشاری بدون شکست اشاره دارد. به عبارت دیگر، چکش‌خواری نشان می‌دهد که یک ماده چقدر می‌تواند قبل از شکستن، کوبیده شده و به صفحات نازک تبدیل شود. این ویژگی در فرآیندهای شکل‌دهی فلزات مانند نورد، آهنگری و کشش بسیار مهم است.

تفاوت اصلی بین چقرمگی و چکش‌خواری در نوع تنش اعمال شده و رفتار ماده تحت آن تنش است. چقرمه بودن بیانگر مقاومت ماده در برابر بارهای ضربه‌ای و کششی است که تمایل به ایجاد و گسترش ترک دارند، در حالی که چکش‌خواری قابلیت ماده در تغییر شکل پلاستیک تحت تاثیر نیروهای فشاری بدون شکست را نشان می‌دهد.

بنابراین، یک ماده می‌تواند چقرمه باشد اما چکش‌خواری پایینی داشته باشد و برعکس. به‌عنوان مثال، شیشه کمتر چقرمه است و به‌راحتی در اثر ضربه می‌شکند، اما چکش‌خواری نسبتاً خوبی دارد و می‌توان آن را به صفحات بسیار نازک تبدیل کرد. در مقابل، برخی از انواع فولاد چقرمگی بسیار بالایی دارند اما چکش‌خواری آن‌ها نسبتاً پایین است و به راحتی تحت فشار شکل نمی‌گیرند.

تفاوت چقرمگی و سختی در چیست؟

چقرمگی و سختی، هر کدام بیانگر دو جنبه کاملاً متفاوت از مقاومت ماده هستند. سختی به مقاومت فولاد در برابر تغییر شکل دائمی ناشی از نیروهای متمرکز مانند خراش، سایش، فرورفتگی و برش اشاره دارد. یک ماده سخت در برابر نفوذ و تغییر شکل توسط مواد دیگر مقاومت می‌کند و سطح آن به راحتی خراشیده نمی‌شود. سختی در کاربردهایی مانند ابزارهای برشی، قالب‌ها و قطعات مقاوم در برابر سایش اهمیت دارد.

به‌طور کلی، چقرمه بودن و سختی رابطه معکوسی با یکدیگر دارند. یعنی افزایش چقرمه بودن معمولاً با کاهش سختی و بالعکس همراه است. مواد بسیار چقرمه معمولاً نرم‌تر هستند و مواد بسیار سخت معمولاً تردتر و شکننده‌تر هستند. با این حال، استثنائاتی نیز در این زمینه وجود دارد و برخی از مواد می‌توانند همزمان چقرمگی و سختی نسبتاً بالایی داشته باشند.

در کل، در انتخاب فولاد برای یک کاربرد خاص، باید به هر دو ویژگی چقرمگی و سختی توجه کرد و با توجه به شرایط کاری و نیازمندی‌های هر کاربرد، بهترین ماده را انتخاب کرد. به‌عنوان مثال، برای ساخت یک تیغه چاقو، سختی بالا برای حفظ تیزی و چقرمه بودن برای جلوگیری از شکستن تیغه در هنگام ضربه مورد نیاز است. علاوه‌برآن، اکنون با مواردی که در این مطلب گفتیم، با این مفاهیم به‌طور کامل آشنا شده‌اید. به‌یاد داشته باشید که در تصمیم‌گیری‌های پروژه‌ها، همواره نیاز است با کارشناسان همانند میهن فولاد نیز مشاوره بگیرید. 

سوالات متداول

1. چقرمه بودن فولاد چه اهمیتی در صنعت دارد؟
   Toughness بالا در فولاد، مقاومت آن را در برابر شکستن ناگهانی تحت تأثیر ضربه و تنش‌های متناوب افزایش می‌دهد. 
2.  چگونه می‌توان Toughness فولاد را افزایش داد؟
   کنترل ترکیب شیمیایی، عملیات حرارتی مناسب و فرآیندهای تولید ویژه مانند نورد کنترل شده می‌توانند آن را بهبود بخشند.
3.  سختی بالا به معنی چقرمگی بالا است؟
   خیر، دو ویژگی مکانیکی مجزا هستند. در حالی که سختی به مقاومت در برابر خراش و سایش اشاره دارد، Toughness توانایی جذب انرژی قبل از شکستن را نشان می‌دهد. در بسیاری از موارد، افزایش سختی باعث کاهش چقرمه بودن می‌شود.