اختبار شاربي للصدمات

في علم المواد ، يُعد اختبار شاربي للصدم ، المعروف أيضًا باختبار شاربي ذي الشق V ، اختبارًا معياريًا عالي السرعة لتحديد كمية الطاقة التي تمتصها المادة أثناء الكسر . تُعد الطاقة الممتصة مقياسًا لصلابة المادة عند الشق . يُستخدم هذا الاختبار على نطاق واسع في الصناعة لسهولة تحضيره وإجرائه، وسرعة الحصول على النتائج وانخفاض تكلفتها. من عيوبه أن بعض النتائج تكون مقارنة فقط. ^{[ 1 ]}

طُوّر هذا الاختبار حوالي عام 1900 على يد المهندس الأمريكي إس. بي. راسل والمهندس الفرنسي جورج شاربي ، الذي اقترح نسخته المعيارية عام 1901. عُرف الاختبار باسم اختبار شاربي في أوائل القرن العشرين نظرًا لمساهماته التقنية وجهوده في توحيد المعايير. وانتشر استخدامه على نطاق واسع لاعتماد المواد بعد خمسينيات القرن العشرين.

قبل القرن التاسع عشر، كان البناء يعتمد بشكل أساسي على مواد غير معدنية كالقرميد والحجارة والخشب. ومع بدء استخدام المعادن في المنشآت الضخمة، بما في ذلك شبكة السكك الحديدية والمراجل الصناعية، واجه المهندسون مشكلة انهيار المعادن. وكانت أعطال القضبان ومحاور القطارات بالغة الخطورة. وقد تبين أن المعدن قد ينهار تحت تأثير الأحمال الدورية المتكررة، أي الإجهاد ، وأن انهيار الإجهاد يحدث عندما ينتشر الكسر عبر المادة. وكان الكسر الهش، الذي ينتشر دون تشوه لدن، بالغ الخطورة لأنه لا يُنذر بأي شيء. لذلك، بحث المهندسون عن طرق لقياس الخواص الميكانيكية للمواد عند تعرضها للصدمات، وخاصة فيما يتعلق بالكسر. وكانت هذه هي بداية اختبار الشق على شكل حرف V. ^{[ 2 ] : 3-8}

في عام 1896، طرح إس. بي. راسل فكرة طاقة الكسر المتبقية ، وصمم اختبار كسر البندول. وقد قاس راسل في اختباراته الأولية عينات غير مشقوقة. ^{[ 3 ]} وفي عام 1897، قدم فريمونت اختبارًا لقياس الظاهرة نفسها باستخدام آلة زنبركية. وفي عام 1901، اقترح جورج شاربي طريقة موحدة لتحسين طريقة راسل، وذلك من خلال تقديم بندول مُعاد تصميمه وعينة مشقوقة بمواصفات دقيقة. ^{[ 4 ]} وقدّم شاربي بحثه في مؤتمر بودابست لاختبار المواد عام 1901، ^{[ 5 ]} وأعادت الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) طباعة ترجمة إنجليزية له عام 2000. ^{[ 6 ]} وعلى عكس راسل، اعتبر شاربي الشق أساسيًا، ووحد شكله. وكان هدفه تصنيف المواد، وخاصة المعادن، حسب مرونتها. ^{[ 2 ] : 8} واقترح تصميمًا ميكانيكيًا عام 1905، وهو مطابق تقريبًا للجهاز الحديث. ^{[ 2 ] : 8}

في البداية، استُخدم الاختبار داخليًا من قِبل بعض المنظمات. لاحقًا، أصبح جزءًا من المعيار الصناعي، يُستخدم لاعتماد خصائص المواد علنًا. وكان الدافع وراء ذلك برنامج سفن الحرية خلال الحرب العالمية الثانية. فحص مجلس تحقيق تابع للبحرية الأمريكية 4694 سفينة تجارية من الفولاذ الملحوم بُنيت بين فبراير 1942 ومارس 1946. من بين هذه السفن، عانت 970 سفينة (أكثر من 20%) من كسور استدعت الإصلاح، تراوحت بين شقوق طفيفة يمكن إصلاحها في أقرب ميناء إلى 8 سفن تُركت في البحر بعد أعطال جسيمة. ^{[ 7 ] [ 2 ]} انشطرت بعض سفن الحرية، بما في ذلك السفينة إس إس جون بي. غينز  ، إلى نصفين فجأة. ^{[ 8 ]} ساهمت إجراءات تصحيحية، شملت تغييرات في التصميم والتصنيع ومتطلبات طاقة الصدم على فولاذ البناء، في خفض معدل الكسور من أكثر من 130 كسرًا شهريًا في مارس 1944 إلى أقل من 5 كسور شهريًا في مارس 1946، على الرغم من نمو الأسطول من 2600 إلى 4400 سفينة. ^{[ 7 ] [ 2 ]}

بعد الحرب، أصدر المكتب الوطني للمعايير (المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا حاليًا ) تقريرًا عام 1948 فحص فيه صفائح مستخرجة من سفن محطمة باستخدام التحليل الكيميائي، واختبارات الشد، والفحص المجهري، واختبارات شاربي للصدم. وكانت إحدى النتائج البارزة أن الصفائح التي توقف فيها الكسر تتميز بطاقات صدم أعلى باستمرار ودرجات حرارة انتقال أقل من الصفائح التي بدأ فيها الكسر. ولم تُلاحظ أي علاقة مماثلة بين هذه النتائج والتركيب الكيميائي، أو خصائص الشد الساكنة (جميع أنواع الفولاذ استوفت متطلبات قوة ABS )، أو البنية المجهرية. ^{[ 9 ] [ 2 ]} وقد أثبت التقرير في البداية${\displaystyle 15~\mathrm {ft\cdot lbf} \approx 20~\mathrm {J} }$كشرط أدنى لصلابة شاربي، وأوصى بإجراء اختبار شاربي للمواد المستخدمة في ظروف "الشقوق الهيكلية، أو التقييد، أو درجات الحرارة المنخفضة، أو أحمال الصدمات". ^{[ 9 ] [ 2 ]} وقد أدى ذلك إلى اعتماد اختبار شاربي على نطاق واسع في القوانين والمعايير، بما في ذلك في النهاية معيار ISO 14556، اختبار شاربي للصدمات البندولية ذات الشق V، طريقة الاختبار المُجهزة بأجهزة قياس . ^{[ 2 ] : 8-14}

يتكون الجهاز من بندول ذي كتلة وطول معلومين، يُسقط من ارتفاع معلوم ليصطدم بعينة مشقوقة من مادة ما. تُستنتج الطاقة المنتقلة إلى المادة من فرق ارتفاع المطرقة قبل وبعد الكسر، والذي يساوي الطاقة الممتصة أثناء عملية الكسر. وبإهمال الاحتكاك، تكون الطاقة الممتصة هي

$${\displaystyle K=mg(hh'),}$$

أين${\displaystyle m}$كتلة البندول،${\displaystyle g}$التسارع القياسي للجاذبية (9.80665 م/ث² ⁾ ،${\displaystyle h}$ارتفاع إطلاق البندول، و${\displaystyle h'}$الارتفاع الذي يصل إليه بعد كسر العينة. عادةً ما يكون مقياس الجهاز مدرجًا مباشرةً بالجول . قد يكون المنضدة مزودة بمشفّر دوار يقيس زوايا الإطلاق والوصول، والتي تُحسب منها الارتفاعات.

الطاقة الكامنة الأولية الاسمية للبندول${\displaystyle K_{p}}$لا يُحدد هذا الأمر بموجب معيار ISO 148-1. بل يُعامل كخاصية من خصائص الآلة المُركبة، ويتم التحقق منه وفقًا لمعيار ISO 148-2، ويُبلغ عن النتيجة. ^{[ 10 ]} يفرض المعيار قيدًا واحدًا فقط يربط${\displaystyle K_{p}}$للاختبار، أي أن الطاقة الممتصة${\displaystyle K}$لا يجوز أن تتجاوز 80% من${\displaystyle K_{p}}$مع اعتبار أي نتيجة أعلى من هذا الحد قيمة تقريبية. ^{[ 10 ]} ولذلك، يُحدد حجم البندول وفقًا للمادة بحيث تقع الطاقة الممتصة ضمن نطاق يكون فيه القياس صالحًا. ويعود حجم الجهاز البالغ 300 جول إلى مؤتمر بروكسل لعام 1906 للجمعية الدولية لاختبار المواد، والذي اعتمد نوعين قياسيين من البندول: أ${\displaystyle 200~\mathrm {kg\cdot m} \approx 2000~\mathrm {J} }$آلة و${\displaystyle 30~\mathrm {kg\cdot m} \approx 300~\mathrm {J} }$^{[ 2 ]} حددت المواصفة الأوروبية EN 10045-1:1990، الفقرة 6.2، التي تم إلغاؤها لاحقًا، شروط الاختبار القياسية عند "طاقة اسمية للآلة تبلغ 300 ± 10 جول واستخدام قطعة اختبار ذات أبعاد قياسية"، مع السماح باستخدام آلات أصغر (150 جول، 100 جول) بموجب رموز مفهرسة. [ ^{11 ] تُستخدم} البندولات الأصغر حجمًا للعينات ذات المتانة المنخفضة للحصول على دقة قياس كافية.

تستقر العينة أفقيًا على دعامتين، مع وجود الشق على الوجه المقابل للمطرقة، بحيث تقوم المطرقة بثني القضيب إلى حالة شد عند جذر الشق. تؤثر أبعاد الشق بشكل كبير على النتيجة، ^{[ 12 ]} لذا يجب أن يكون للشق أبعاد وهندسة منتظمة. كما يؤثر حجم العينة على النتيجة: يحدد المقطع العرضي ما إذا كانت المادة في حالة إجهاد مستوٍ ، وهو ما يمكن أن يؤثر بشكل كبير على الاستنتاجات المستخلصة. ^{[ 13 ] [ 14 ] : §14}

تم تقديم الطرق القياسية لاختبار تأثير القضبان المشقوقة للمواد المعدنية في ASTM E23 ، [ ^{15 ] ISO} 148-1 ، ^{[ 10 ]} أو EN 10045-1 (التي تم إيقافها واستبدالها بـ ISO 148-1)، ^{[ 11 ]} حيث تم وصف جميع جوانب الاختبار والمعدات بالتفصيل.

يتم تمييز نوعين رئيسيين من اختبارات تأثير البندول ذي القضيب المشقوق، وهما تكوين شاربي وتكوين إيزود :

• في اختبار شاربي، تُثبّت العينة من طرفيها، ويضرب البندول مركز السطح المقابل للشق. هذا هو الشكل الهندسي المستخدم في اختبار شاربي للمعادن (ISO 148-1) وللبلاستيك (ISO 179-1، وISO 179-2 للنسخة المزودة بأجهزة قياس). ويندرج اختبار الانحناء -الصدم (Schlagbiegeversuch) ذو الثقوب أو الشقوق المزدوجة على شكل حرف V، وفقًا للمعيار DIN 53753، ضمن هذه المجموعة أيضًا.
• في طريقة إيزود، تُثبّت العينة من أحد طرفيها كذراع ناتئ، ويضرب البندول الطرف الحر فوق الشق. هذا هو التصميم الهندسي المستخدم في معيار ISO 180 (إيزود) ومعيار DIN 53435 (داينستات). ولأن داينستات لا تتطلب سوى عينات صغيرة جدًا، حوالي 10 × 15 مليمترًا (0.39 بوصة × 0.59 بوصة) ، فهي مناسبة تمامًا لاختبار المكونات على مستوى المكونات حيث يتعذر تصنيع عينات أكبر.   

قد يؤدي اختبار الصدم إلى كسر العينة بالكامل إلى قطعتين أو أكثر، أو إلى تشويهها فقط. ^{[ 16 ]} ويمكن تمييز حالتين حديتين:

• قابل للطرق : سطح خشن مع انكماش جانبي وحواف قص. قد تبقى العينة قطعة واحدة، على شكل حرف "V".
• هش : سطح مستوٍ ذو حواف ناعمة وغير مشوهة. قد تكون أوجه الانفصام مرئية. تنكسر العينة بسهولة إلى قطعتين.

معظم المواد، في ظل ظروف معينة، لا تتبع نمطاً واحداً دائماً. ومن خلال قياس عينات من نفس المادة بشكل متكرر في ظل نفس الظروف، يمكن الحصول على نسب الكسر المطيل والكسر الهش. ^{[ 1 ]}

يقيس الاختبار كمياً الطاقة التي تمتصها العينة، والتي تسمى عادةً طاقة شاربي (الصدمة) .

يمكن استنتاج درجة حرارة التحول من الليونة إلى الهشاشة (DBTT) من درجة الحرارة التي تتغير عندها طاقة شاربي بشكل جذري. عمليًا، لا يوجد تحول حاد، ويصعب الحصول على درجة حرارة تحول دقيقة؛ فهي في الواقع منطقة تحول. عادةً، تنخفض طاقة شاربي مع انخفاض درجة الحرارة.

يمكن اشتقاق درجة حرارة التحول الهش-المطيل (DBTT) تجريبيًا بعدة طرق، على سبيل المثال، درجة الحرارة التي تصل عندها طاقة شاربي إلى نقطة المنتصف بين الحد الأقصى عند درجات الحرارة المرتفعة والحد الأدنى عند درجات الحرارة المنخفضة. ويمكن تعريفها أيضًا نوعيًا، على أنها النقطة التي تكون عندها 50% من المساحة قابلة للانفلاق. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، قد يختلف هذان التعريفان. ^{[ 14 ] : 380-381}

ترتبط العلاقة بين طاقة شاربي وظروف الاختبار بقوة الخضوع ومعدل الإجهاد والخصائص الميكانيكية الأخرى للمادة.

لا تدخل طاقة شاربي والاستطالة وانخفاض المساحة الناتج عن اختبار الشد بشكل مباشر في حساب قوة المادة . فهي تدعم فقط حكماً نوعياً، أو تصنيفاً، لقدرة المادة على امتصاص الطاقة.

وفقًا للمعيار ASTM A370، ^{[ 17 ]} فإن الحجم القياسي للعينة المستخدمة في اختبار شاربي للصدمات هو 10  مم × 10  مم × 55  مم. أما أحجام العينات الفرعية فهي 10  مم × 7.5  مم × 55  مم، و10  مم × 6.7  مم × 55  مم، و10  مم × 5  مم × 55  مم، و10  مم × 3.3  مم × 55  مم، و10  مم × 2.5  مم × 55  مم.

وفقًا للمعيار EN 10045-1 (الذي تم إلغاؤه واستبداله بالمعيار ISO 148)، ^{[ 11 ]} فإن حجم العينة القياسي هو 10  مم × 10  مم × 55  مم. أما العينات ذات الأحجام الفرعية فهي 10  مم × 7.5  مم × 55  مم و10  مم × 5  مم × 55  مم.

وفقًا للمعيار ISO 148، ^{[ 10 ]} فإن حجم العينة القياسي هو 10  مم × 10  مم × 55  مم. أما أحجام العينات الفرعية فهي 10  مم × 7.5  مم × 55  مم، و10  مم × 5  مم × 55  مم، و10  مم × 2.5  مم × 55  مم.

وفقًا لمعيار MPIF 40، ^{[ 18 ]} فإن العينة القياسية غير المشقوقة هي 10  مم (±0.125  مم) × 10  مم (±0.125  مم) × 55  مم (±2.5  مم).

تختلف طاقة شاربي باختلاف المادة بطريقتين مستقلتين إلى حد كبير: مع البنية البلورية ومع قوة الخضوع .

تنص النظرية الكلاسيكية على أن المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) (الفولاذ الفريتي والمارتنسيتي، الفريت ، الموليبدينوم ، التنجستن ، الفاناديوم ، الكروم ) تُظهر انتقالًا من الليونة إلى الهشاشة، بينما لا تُظهر المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الأوجه (FCC) (الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، النحاس ، الألومنيوم ، النيكل ) هذا الانتقال. ^{[ 14 ] : §7-14} وهناك استثناءات. المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم بدون انتقال: فولاذ الماراجينج C-300 بنسبة 18% نيكل، نحاس بيتا ، البوتاسيوم ، الموليبدينوم عالي النقاء ، الحديد عالي النقاء. المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الأوجه مع انتقال: الإيريديوم ذو النقاوة القياسية . ^{[ 19 ]}

في نظرية دافيدينكوف-ويتمان الكلاسيكية للانتقال، فإن DBTT هي درجة الحرارة التي يكون عندها منحنى إجهاد الخضوع${\displaystyle \sigma _{y}(T)}$يتقاطع مع منحنى إجهاد الانفلاق${\displaystyle \sigma _{c}}$فوق خط انتقال الدين إلى الأرض،${\displaystyle \sigma _{y}}$يتم الوصول إلى درجة حرارة التحول الهش-المطيل أولاً، وتخضع المادة للتشوه قبل أن تنفصل (مطيلية). تحت درجة حرارة التحول الهش-المطيل،${\displaystyle \sigma _{c}}$يتم الوصول إلى نقطة التصلب أولاً، ثم ينفصل المعدن قبل أن يضعف (هش). وتؤدي عمليات التقوية إلى زيادة المقاومة.${\displaystyle \sigma _{y}(T)}$في كل درجة حرارة دون تغيير${\displaystyle \sigma _{c}}$وبالتالي، ينتقل الانتقال إلى درجة حرارة أعلى: هذه هي الآلية الكامنة وراء تحول درجة حرارة التحول الهش-المطيل مع زيادة التركيب المقوي. ^{[ 14 ] : §7-14}

تُظهر المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) منحنى طاقة شاربي مقابل درجة الحرارة على شكل حرف S. يكون الحد الأعلى مرتفعًا، ويحدث الكسر نتيجة اندماج الفراغات الدقيقة المرنة . أما الحد الأدنى فيكون منخفضًا، ويحدث الكسر نتيجة الانفلاق على مستويات {100}. وتؤدي الانزلاقات على مستويات {110} المتقاطعة إلى تكوين شقوق دقيقة على مستويات الانفلاق. ^{[ 14 ] : §6-6} يجمع اختبار شاربي ثلاثة شروط تُعزز الهشاشة في قياس واحد: درجة حرارة منخفضة، ومعدل إجهاد عالٍ (حوالي${\displaystyle 10^{2}}$ل${\displaystyle 10^{3}}$في الثانية مقابل${\displaystyle 10^{-3}}$في الثانية لاختبار الشد شبه الساكن )، وحالة إجهاد الشد ثلاثي المحاور عند جذر الشق على شكل حرف V. ^{[ 14 ] : §14} قد يُظهر اختبار الشد السلس عند نفس درجة الحرارة المنخفضة أن المادة مطيلة، ولكن قد تفشل نفس المادة بشكل هش أثناء الخدمة إذا تحققت الشروط الثلاثة جميعها.

في المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC)، يؤدي رفع مقاومة الخضوع إلى تقليل طاقة شاربي في الجزء العلوي من منحنى الطاقة (أو المنحنى بأكمله في المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الوجه (FCC) التي لا تخضع لدرجة حرارة انتقال الهشاشة المطيلية). أما الجزء السفلي، حيث يكون الكسر انشقاقًا وليس مطيلًا، فيبقى دون تغيير جوهري، لأن طاقة الانشقاق تُحددها طاقة السطح {100}. ^{[ 14 ] : §7-5} تُعرف هذه العلاقة بموازنة القوة والمتانة. تعمل العمليات التي تزيد مقاومة الخضوع (مثل إضافة الكربون أو المنغنيز كمواد صلبة مذابة، والتصليد بالترسيب ، وتحسين الحبيبات ، والتحول المارتنسيتي ، إلخ) عمومًا عن طريق تغيير المادة بطريقة تقاوم حركة الانخلاعات . لكن هذا يُقلص أيضًا المنطقة اللدنة عند طرف الشق أثناء الكسر، وبالتالي يكون الشغل المبذول على هذه المنطقة أقل. هذا يعني أن مقاومة الخضوع وطاقة شاربي تستجيبان لنفس السبب الميكروي في اتجاهين متعاكسين. ويؤدي التأثير المُجتمع عمومًا إلى زيادة درجة حرارة انتقال الهشاشة المطيلية. في الفولاذ ذي البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC)، على سبيل المثال، تؤدي إضافة 0.1% من الكربون إلى الفولاذ الطري إلى رفع درجة حرارة التحول الهش-المطيل (DBTT) عند 15 قدم-رطل (ft·lbf) بمقدار 25 درجة فهرنهايت تقريبًا. ومع انخفاض مقاومة الخضوع، تبدو منحنيات شاربي كصورة ظلية جانبية لأفعى الكوبرا وهي تستعد للهجوم. ^{[ 14 ] : §14-6، §14-8}

يُحدث الشق حالة إجهاد شد ثلاثي المحاور عند قاعدته، مما يرفع درجة حرارة التحول الهش-المطيل الفعالة مقارنةً بعينة شد ملساء من نفس الفولاذ. ^{[ 14 ] : §14-2، §14-3} . يحدث الخضوع بفعل الإجهاد الانحرافي ، بينما يحدث الانفلاق بفعل الإجهاد الرئيسي الأقصى . يزيد الشد ثلاثي المحاور من الإجهاد الرئيسي الأقصى مع كبح الإجهاد الانحرافي، لذا يتحقق معيار الانفلاق قبل معيار الخضوع. وبالتالي، فإن الفولاذ ذو البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC) الذي يجتاز اختبار الشد الأملس عند درجة حرارة معينة، قد يتعرض للكسر الهش عند وجود شق أو لحام أو تقييد.

لا تقيس اختبارات الصدم على المواد الطبيعية منخفضة الكثافة، كالخشب، المتانة بشكل مباشر لعدة أسباب. توصي المواصفة القياسية ISO 17281 بأن تكون نسبة كتلة البندول إلى كتلة العينة قريبة من 40:1، ولكن من المرجح أن تتجاوز المواد منخفضة الكثافة هذه النسبة. هذا يجعل مدة الصدم قصيرة، ويُثير أنماط اهتزاز أعلى في كل من العينة وذراع البندول، ويُسبب تلامسًا متكررًا بين البندول والعينة ("الارتجاج") أثناء الكسر. يحدث جزء أقل من فقد الطاقة عن طريق امتصاصها من قِبل العينة، بينما يحدث الجزء الأكبر من الفقد من خلال الاحتكاك، وتشوه الدعامة، وتسارع كتلة الآلة، واهتزاز أجزاء الآلة. ^{[ 20 ] [ 21 ]} الطاقة الممتصة هي مزيج من الشغل المبذول لتشويه العينة وكسرها، والاحتكاك، وتشوه الدعامات، وتشوه المطرقة، واهتزاز أجزاء الآلة. ^{[ 22 ]}

المواد المعدنية

• ASTM E23، طرق الاختبار القياسية لاختبار تأثير القضبان المشقوقة على المواد المعدنية
• ISO 148-1، المواد المعدنية - اختبار شاربي للصدمات البندولية - الجزء 1: طريقة الاختبار
• ISO 148-2، المواد المعدنية - اختبار صدمة بندول شاربي - الجزء 2: التحقق من آلات الاختبار
• ISO 148-3، المواد المعدنية - اختبار شاربي للصدمات البندولية - الجزء 3: تحضير وتوصيف قطع اختبار شاربي ذات الشق V للتحقق غير المباشر من آلات الصدمات البندولية
• ISO 14556، المواد المعدنية - اختبار شاربي للصدمات باستخدام البندول ذي الشق V - طريقة اختبار مُجهزة بأجهزة قياس
• EN 10045-1 / -2 (تم إيقاف العمل به، وتم استبداله بـ ISO 148-1 / -2)

البوليمرات

• المواصفة القياسية الدولية ISO 179-1، البلاستيك - تحديد خصائص اختبار شاربي للصدمات - الجزء 1: اختبار الصدمات غير المُجهز بأجهزة قياس
• المواصفة القياسية الدولية ISO 179-2، البلاستيك - تحديد خصائص اختبار شاربي للصدمات - الجزء 2: اختبار الصدمات المُجهز بأجهزة قياس

• اختبار قوة تحمل الصدمات من إيزود
• كسر هش
• قوة الصدمة

• حاسبة اختبار شاربي للصدمات
• فيديو عن اختبار شاربي للصدمات