ASTM E23: اختبار تأثير المعادن

مقدمة إلى ASTM E23

ASTM E23 هو معيار عالمي طورته ASTM الدولية لقياس قوة صدمات المعادن والسبائك. ويحدد معيار اختبار الصدم Charpy أو Izod، ASTM E23، الإجراءات والأجهزة وأحجام العينات اللازمة لتحديد سلوك المادة في حالة التحميل المفاجئ أو حالات الصدم.

يقيس اختبار الصدم صلابة المعدن، أو قدرته على امتصاص الطاقة ومقاومة الكسر تحت ضغط الصدم. وهي خاصية قيمة للمادة تُستخدم في تقييم أداء المادة في الظروف الفعلية مثل الصدمات أو السقوط أو حوادث الإجهاد الأخرى. قد يؤدي فشل المعدن الهش تحت الصدمات إلى جعل المعدن غير مناسب للتطبيقات الإنشائية أو تطبيقات السيارات أو الفضاء أو الآلات الثقيلة وبالتالي يجعل ASTM E23 جانبًا حيويًا لتوصيف المواد.

مزايا ASTM E23

تتمتّع ASTM E23 بالعديد من المزايا التي أكسبتها معيارًا في مجال تشغيل المعادن والهندسة:

1- التوحيد القياسي: ينص المعيار على أحجام العينات الدقيقة، وهندسة الشقوق، وإجراءات الاختبار، وهذا يسمح بالاتساق وتكرار النتائج بين المختبرات في جميع أنحاء العالم.

2- تعدد الاستخدامات: يتم تطبيقها على نطاق واسع على مجموعة متنوعة من المعادن والسبائك مثل الفولاذ وسبائك الألومنيوم وسبائك النحاس والمواد ذات الأغراض الخاصة.

3. اختيار المواد: تمكّن اختبارات صلابة الصدمات المهندسين من اختيار المعدن المناسب بدرجة الأمان والأداء المطلوبة، خاصةً في التطبيقات الحرجة للسلامة مثل أوعية الضغط والجسور ومكونات السيارات.

4. الموثوقية والسلامة: يستبعد اختبار الصدمات المواد الهشّة أو المواد ذات الكسر المفاجئ، مما يمنع حدوث فشل في ظل ظروف كارثية أثناء الخدمة.

5. بيانات التصميم والمحاكاة: تُستخدم الطاقة الممتصة المقاسة كمدخلات لنمذجة الحسابات وكذلك للمحاكاة الهيكلية.

مثال: بالنسبة لتصميم الهيكل الداعم للجسر، يمكن أن يحدد اختبار ASTM E23 لعينات الفولاذ ما إذا كانت السبيكة المختارة تمتلك القدرة على تحمل تأثير القوة المفاجئة من القوى الطبيعية، على سبيل المثال، المواد المتساقطة أو حوادث السيارات، بحيث يستمر الهيكل في الأمان أثناء الظروف المعاكسة.

إجراءات ASTM E23

يصف معيار ASTM E23 عملية خطوة بخطوة للحصول على قياس دقيق وقابل للتكرار لصلابة الصدمات. بعض الخطوات الرئيسية هي:

1. إعداد العينة:

تكون العينات النموذجية عبارة عن قضبان مستطيلة ذات شق مشكّل آليًا، عادةً على شكل حرف V أو على شكل حرف U.

يتم التحكم في الأبعاد وعمق الشق والمحاذاة بدقة لتقليل التباين.

2- جهاز الاختبار:

يتم وضع العينة في جهاز اختبار الصدم البندولي، وهو جهاز يقوم بضرب العينة بكتلة معروفة بسرعة معروفة.

يتم تحرير البندول من ارتفاع معروف، مما ينقل الطاقة إلى العينة عند الاصطدام.

3- إجراء اختبار الصدم

يصطدم البندول بالعينة عند الشق وينكسر.

تُقاس الطاقة التي تمتصها العيّنة، وعادةً ما تكون بالقدم-رطل (ft-lb) أو الجول (J).

4- تفسير البيانات:

الطاقة الممتصة هي مقياس لصلابة المادة. ويعد امتصاص الطاقة الأكبر مؤشرًا على قابلية المعدن للسحب وقدرته على مقاومة الكسر الهش، بينما تعد الطاقة الأقل مؤشرًا على الهشاشة.

تُفحص أسطح الكسر بشكل عام لتحديد مدى قابلية الكسر للسحب أو الهشاشة.

5- الإبلاغ عن النتائج:

معيار ASTM E23 هو معيار ينص على كيفية الإبلاغ عن درجة حرارة الاختبار والطاقة الممتصة ونوع الشق وحجم العينة، مما يجعل الإبلاغ عن النتائج أداة تواصل رائعة.

مثال على الحالة: تخضع سبائك الفولاذ المستخدمة في المنصات البحرية لاختبار درجة حرارة دون الصفر وفقًا لمعيار ASTM E23. وتوفر درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشّ، وهو أمر حيوي لضمان السلامة في مياه المحيطات الباردة.

استخدامات ASTM E23 في المعادن والسبائك

يُستخدم ASTM E23 في العديد من الصناعات للتحقق من صحة أداء المواد في ظل تحميل الصدمات:

-البناء: يخضع الفولاذ الإنشائي لاختبار الصلابة لتحمل أحمال الصدمات الناتجة عن الصدمات العرضية أو الأجسام الساقطة.

-السيارات: يتم اختبار مكونات المحرك ووحدات الشاسيه وهياكل التصادم في محاولة لتحسين صلاحية السيارة للتصادم وسلامة الركاب.

-الفضاء الجوي: يتم اختبار سبائك الطائرات للتأكد من صلابتها في درجات الحرارة المنخفضة لتحمل ظروف التشغيل القاسية.

-النفط والغاز: يتم تجنب الكسر الهش في خدمة الضغط العالي من خلال اختبار فولاذ خطوط الأنابيب وأوعية الضغط.

-مراقبة الجودة: تطبق الشركات المصنعة معيار ASTM E23 للتحقق من اتساق الدُفعات للتأكد من مطابقة المواد للمواصفات قبل الشحن.

مثال على البيانات: يمكن لعينة فولاذ 4140 المختبرة عند درجة حرارة -20 درجة مئوية أن تمتص 25 جول من الطاقة وتظهر خصائص مطاطية للتطبيقات الإنشائية في المناخات الباردة، في حين أن سبيكة فولاذ 4340 تمتص 10 جول فقط في نفس ظروف الاختبار، مما يدل على ارتفاع خطر الكسر الهش.

أنواع مختلفة من تقنيات اختبار الصدمات

تقدم ASTM E23 تقنيات مختلفة لتناسب متطلبات التقييم المختلفة:

1. اختبار تأثير تشاربي:

الطريقة الأكثر شيوعًا، باستخدام قضيب مدعوم أفقيًا مع شق في اتجاه البندول.

يختبر الطاقة الممتصة أثناء الكسر، مما يوفر قياسًا مباشرًا للصلابة.

2- اختبار إيزود للصدم:

يتم دعم العينة عمودياً، ويضرب البندول أحد طرفيها.

وهو أقل استخداماً للمعادن ولكن يمكن تطبيقه على البلاستيك وسبائك البوليمر والمعادن.

3- الاختبار الخاص بدرجة الحرارة:

يتم تكييف العينات مسبقاً عند درجات حرارة متفاوتة، أقل من درجة التجمد بشكل عام، لإيجاد درجة حرارة الانتقال من الدكتايل إلى الهشاشة (DBTT).

وهي ضرورية لاستخدام المواد في درجات حرارة القطب الشمالي أو درجات الحرارة المبردة.

4. اختبار البندول الآلي:

يتم استخدام معدات متطورة لقياس القوة كدالة للزمن عند التصادم، ويتم إنتاج بيانات ميكانيكا الكسر الكمية بشكل أكبر، على سبيل المثال، طاقة البدء، وطاقة الانتشار.

الاستنتاج

ASTM E23 هي طريقة قياسية قابلة للتكرار لاختبار صلابة الصدمات للمعادن والسبائك. تعلم كيف تحتفظ المعادن بالطاقة في التحميل غير المتوقع، ويمكن للمصنعين والمهندسين اختيار المواد التي لن تفشل بطريقة هشة، وتوفر أقصى درجات الأمان، وتزيد من عمر المنتج إلى أقصى حد ممكن. من تطبيقات السيارات والإنشاءات إلى تطبيقات صناعة الطيران وخطوط النفط والغاز، تظل ASTM E23 أداة مهمة في تقديم مواد ذات مستويات أداء عالية تتوافق مع المعايير. ومن خلال الجمع بين الإجراءات الدقيقة والإبلاغ الدقيق والتقنيات المتمرسة، تواصل ASTM E23 تثقيف المهندسين في تصميم مكونات معدنية أكثر أمانًا وأطول عمرًا.