تست خمش (آزمایش کشش خمشی) روشی برای آزمایش استحکام خمشی و سایر خواص مهم مواد است. آزمایش مواد مخرب برای: پلاستیک ها، پلاستیک های تقویت شده با الیاف (FRP)، فلزات و مواد سرامیکی استفاده می شود.
در آزمایش‌های خمشی، نمونه‌های استاندارد و عمدتاً استوانه‌ای شکل در مرکز فیکسچر بررسی قرار می‌گیرند. غلتک های نگهدارنده گرد (بلبرینگ) در فاصله معینی (عرض تکیه گاه) به موازات یکدیگر قرار می گیرند. قطر نمونه استوانه ای متناسب با عرض تکیه گاه بلبرینگ ها است. پانچ آزمایشی که به آرامی و با سرعت ثابت به سمت پایین حرکت می کند، نمونه را با نیروی فزاینده بارگذاری می کند تا زمانی که بشکند یا به تغییر شکل تعیین شده قبلی برسد. حداکثر بار اعمالی در طول آزمایش خمش، نیروی شکست نام گذاری می شود.
در طول آزمایش، مقادیر نیروی خمشی و انحراف ثبت می شود. سپس ویژگی های ماده مورد آزمایش مشخص می شود. کل توالی آزمایش در یک منحنی تنش-کرنش نمایان می شود. همچنین می توان آن را با دوربین فیلمبرداری ضبط کرد. آزمایش های خمشی برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد رفتار خمشی مواد آزمایش شده از تنش خمشی تک محور انجام می شود. در مورد مواد ترد، مقاومت خمشی به این ترتیب تعیین می شود. در برخورد با مواد انعطاف پذیر، حد نقطه تسلیم ، بیشترین زاویه خمش ممکن و همچنین مدول یانگ در صورت تغییر شکل الاستیک تعیین می شود.
تست خمش پیشرفته
در آزمایش تست خمشی مواد، سیستم‌های اندازه‌گیری نوری مدرن با دوربین‌های با وضوح بالا تصاویر دقیقی از نمونه آزمایشی ارائه می‌دهند. برای مستندسازی نمونه مسطح، معمولا دستگاه هایی با یک دوربین تک کافی هستند. هندسه های نمونه پیچیده تر را می توان با استفاده از دو دوربین به دقت اندازه گیری کرد. آزمایشگر مواد ابتدا یک الگوی نقطه تصادفی را روی نمونه اعمال می کند یا از ساختار سطح موجود استفاده می کند. سیستم‌های اندازه‌گیری نوری از الگوریتم‌های همبستگی تصویر استفاده می‌کنند: در تصاویر با وضوح بالا، تغییر شکل ناشی از آزمایش خمش را تشخیص می‌دهند و سپس انحراف را با استفاده از مختصات پیکسل الگوی نقطه محاسبه می‌کنند.
رفتار خمشی مواد شکل پذیر
اگر تنش خمشی در نمونه ساخته شده از مواد انعطاف پذیر کمتر از تنش حدی تغییر شکل پلاستیک باشد، تنش خمشی منحصراً الاستیک است. با افزایش تنش خمشی، ابتدا از استحکام تسلیم (تنش بحرانی) در نواحی محیطی نمونه فراتر می رود. سپس این نواحی به صورت پلاستیک تغییر شکل می دهند (به اصطلاح جریان مواد). نقطه تسلیم حدی، تنش خمشی حدی است که تا آن حد می توان موادی را که به راحتی تغییر شکل می دهند با خمش بدون تغییر شکل دائمی در ناحیه حاشیه بارگذاری کرد.
لحظه ای که این نوع تغییر شکل رخ می دهد را می توان مستقیماً از پانچ آزمایشی تعیین کرد: انحراف در رابطه با نیروی اعمال شده اندازه گیری می شود. مقادیر تعیین شده در نمودار نیروی انحراف نشان داده شده است. با افزایش پیوسته انحراف، نواحی داخلی بیشتری از نمونه در تغییر شکل پلاستیک دخیل هستند. این نتیجه افزایش استرس است. به عنوان مثال، برای فولادها، نقطه تسلیم حدی بین 10 تا 20 درصد بیشتر از مقاومت تسلیم به دلیل افزایش تنش خطی است. اگر در طول آزمایش خمش از استحکام تسلیم در الیاف لبه فراتر رود، الیاف داخلی و منحصراً تحت فشار الاستیک حرکت جریان را مختل می کنند.
آزمایش‌های خمشی با مواد انعطاف‌پذیر با آزمایش‌هایی که با مواد شکننده انجام می‌شود متفاوت است: مواد سخت می‌توانند در معرض تغییر شکل پلاستیک شدید قرار بگیرند، اما مهم نیست که نیروی اعمال شده چقدر قوی باشد، نمی‌توانند شکسته شوند. در بدترین حالت، نمونه بین بلبرینگ ها کشیده می شود. بنابراین، آزمایش خمشی با یک نمونه انعطاف پذیر زمانی که از نقطه تسلیم فراتر رفت، به پایان می رسد. استحکام خمشی مواد انعطاف پذیر با نقطه زمانی که در آن تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد تعیین می شود.
رفتار خمشی مواد شکننده
نمونه های از جنس مواد شکننده رفتار خمشی متفاوتی را در طول آزمایش مواد نشان می دهند. آنها بدون رفتار جریان مواد به وضوح قابل مشاهده می شکنند. بنابراین، تعیین نقطه تسلیم برای مواد ترد سخت تر است. برای اینکه بتوان مقاومت خمشی را تعیین کرد، حداکثر تنش خمشی که در آن نمونه شکسته می شود تعیین می شود. با این حال، استحکام خمشی یک مقدار ساختگی است که با تنش خمشی که واقعاً در ماده رخ می دهد یکسان نیست. یکی دیگر از ویژگی های آزمایش های خمشی با مواد ترد، انحراف شکست است. این اصطلاح فنی بیشترین انحراف ممکن یک نمونه را کمی قبل از شکستگی توصیف می کند.
انحراف شکست به عرض تکیه گاه بستگی دارد: فواصل بزرگتر بین بلبرینگ ها امکان انحراف بیشتر را فراهم می کند. به منظور بررسی استحکام مواد شکننده، آزمایش خمشی اغلب مناسب‌تر از آزمون کششی است، زیرا مواد فقط تحت تنش خمشی قرار می‌گیرند. اگر این نمونه تحت آزمایش کشش قرار گیرد، زودتر از موعد می شکند و مشکلات اندازه گیری پیش می آید. بنابراین برای برخی مواد شکننده، آزمایش کشش با آزمایش خمشی جایگزین می شود. طبق DIN EN ISO 178، این مواد حیاتی شامل ورق‌های گرما سخت و مواد قالب‌گیری، ترکیبات قالب‌گیری تزریقی گرمانرم و پلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف هستند.
انواع تست های خمشی
هنگام آزمایش مواد با استفاده از آزمایش خمشی، بسته به تعداد نقاط فشار و نوع تکیه گاه نمونه، بین آزمایش خمش 1، 3 و 4 نقطه ای تمایز قائل می شود.
تست خمش 1 نقطه ای
روش تست خمش هنگام استفاده از دستگاه خمش 1 نقطه ای به شرح زیر است: نمونه در یک انتها گیره می شود و سمت در معرض آن با پانچ آزمایش بارگذاری می شود. در ادامه مدول خمشی محاسبه می شود. مدول خمشی یا مدول خمشی-الاستیک نسبت حداکثر تنش فیبر به حداکثر کرنش در نقطه تسلیم است.
تست خمش 3 نقطه
تست خمش 3 نقطه ای این نام را دارد زیرا سه نقطه فشار در این تنظیم تست وجود دارد: دو تکیه گاه و یک پانچ آزمایشی با بارگذاری مرکزی. نمونه به صورت ضربدری روی تکیه گاه ها قرار می گیرد. آزمایش خمش 3 نقطه ای پرتکرارترین آزمایش خمشی است. اما عیب آن اینست که علاوه بر نیروهای فشاری و کششی اعمالی، نیروهای عرضی نیز در ماده موثر است. به دلیل این نقص، آزمایش خمش 4 نقطه ای در آن زمان توسعه یافت.
اگر لحظه ای که خمش رخ می دهد به صورت گرافیکی نمایان شود، آزمایش خمش 3 نقطه ای مثلثی را تشکیل می دهد که نوک آن مطابق با نقطه فشار مرکزی است. DIN EN ISO 178 فیکسچر بازرسی 3 و 4 نقطه ای را برای تعیین خواص خمشی و مدول الاستیک (مدول یانگ) اعمال می کند.
تست خمش 4 نقطه ای
در تست خمش 4 نقطه ای، فیکسچر چک با تست خمش 3 نقطه فقط در پانچ آزمایشی خود تفاوت دارد. به جای اینکه یک پانچ نیرویی در مرکز اعمال کند، از پانچ دوبل استفاده می شود. یک لحظه خمشی ثابت در ناحیه بین دو نقطه فشار بالایی وجود دارد. نیروهای عرضی در این ناحیه رخ نمی دهد. نمایش گرافیکی لحظه خمشی در آزمایش خمش 4 نقطه ای ذوزنقه ای را نشان می دهد.
نتیجه
آزمایشات خمشی با نمونه های استاندارد و سه یا چهار نقطه فشار (آزمایش خمش 3 نقطه، 4 نقطه) انجام می شود. آنها یا منجر به تخریب نمونه یا تغییر شکل پلاستیکی آن می شوند (فقط با مواد انعطاف پذیر). آخرین نسل مترولوژی نوری نتایج بسیار دقیق تری نسبت به روش های اندازه گیری معمولی ارائه می دهد.
ترجمه از سایت GOM Metrology
مسیحای جوانمرد من! ای ترسای پیر ِ پیرهن چرکین!
هوا بس ناجوانمردانه سرد است … آی…
دمت گرم و سرت خوش باد!
سلامم را تو پاسخ گوی، در بگشای!
مهدی اخوان ثالث