بررسی انواع روش‌های تست و آزمایش تیرآهن

تیرآهن‌های فولادی ستون‌های فقرات بسیاری از سازه‌ها مانند پل‌ها، ساختمان‌ها و برج‌ها هستند. آنها استحکام، پایداری و تکیه‌گاهی محکم را برای کل طرح فراهم می‌کنند. با این حال، آن‌ها در معرض بارهای مختلف، فشارها و عوامل محیطی قرار دارند که می‌توانند بر عملکرد و طول عمر آن‌ها تاثیر بگذارند. بنابراین، آزمایش تیرآهن‌های فولادی قبل، حین و بعد از نصب برای اطمینان از کیفیت و ایمنی آن‌ها بسیار مهم است. آزمایش‌های مختلفی بر روی این مقاطع فولادی قابل انجام است. برخی از آزمایش‌ها مخرب هستند، به این معنی که برای اندازه‌گیری خواص یا رفتار تیرآهن، قسمتی از آن را (یا کل آن را) دچار آسیب یا شکستگی می‌کنند. آزمایش‌های دیگر غیرمخرب هستند، یعنی بدون وارد کردن هیچ آسیبی به ساختار آن، هرگونه نقص یا ایرادی را کشف می‌کنند. در این مقاله سعی داریم برخی از تست‌ها و آزمایش‌های قابل اجرا برای تیرآهن‌های فولادی را معرفی و بررسی کنیم. 

تست کششی(اندازه‌گیری استحکام تیرآهن در مقابل نیروهای کشش)

تست کششی روشی مکانیکی برای تست و آزمایش تیرآهن است. این روش، نیروی مورد نیاز برای کشیدن یک مقطع فولادی تا نقطه‌ی شکستن آن را اندازه‌گیری می‌کند. همچنین، میزان کشیدگی و کاهش سطح مقطع تیرآهن را در طول آزمایش اندازه‌گیری می‌کند. تست کششی اهمیت زیادی در ارزیابی استحکام دارد؛ زیرا می‌تواند نشان دهد که تیرآهن می‌تواند چه مقدار نیرو را قبل از شکستن تحمل کند. این موضوع به ویژه برای زمانی که محصولات فلزی در معرض بارهای کششی قرار می‌گیرد، مانند پل‌ها یا جرثقیل‌ها، اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. تست کششی همچنین می‌تواند نشان‌دهنده‌ی شکل‌پذیری یک کالا فولادی باشد، که توانایی آن برای تغییر شکل بدون از دست دادن استحکام است. تیرآهن شکل‌پذیر می‌تواند قبل از شکسته شدن انرژی بیشتری جذب کند.

تست کشش تیرآهن چطور انجام می‌شود؟

برای انجام تست کشش، یک نمونه تیرآهن فولادی با ابعاد و نشانه‌های استاندارد تهیه می‌شود. سپس نمونه بین دو گیره‌ی یک دستگاه تست کشش محکم بسته می‌شود. دستگاه نیرویی را به صورت تدریجی به نمونه وارد می‌کند تا زمانی که دچار شکستگی شود. میزان نیرو و جابجایی گیره‌ها در طول آزمایش به دقت اندازه‌گیری و ثبت می‌شوند. این داده‌ها می‌توانند برای محاسبه‌ی تنش و کرنش نمونه، و همچنین پارامترهای دیگری مانند الاستیسیته، مقاومت تسلیم، مقاومت نهایی و مقاومت شکست مورد استفاده قرار گیرند. این دستگاه می‌تواند هیدرولیکی یا الکترومکانیکی باشد. دستگاه هیدرولیکی از یک سیال تحت فشار برای اعمال نیرو به نمونه استفاده می‌کند، در حالی که دستگاه الکترومکانیکی از یک موتور الکتریکی و یک مکانیزم پیچشی استفاده می‌کند. 

تست ضربه‌ ای(ارزیابی توانایی تیرآهن در مقابل ضربات و شوک‌ها)

تیرآهن‌ها طوری طراحی شده‌اند که در برابر بارها و فشارهای مختلف مانند خمش، برش، پیچش و فشردگی تاب بیاورند. با این حال، حتی کالاهای فولادی هم ممکن است در اثر ضربه، یعنی نیرویی ناگهانی و دینامیکی، تسلیم شوند. تست ضربه، روشی برای ارزیابی رفتار و عملکرد این مقاطع فولادی در صورت برخورد ضربه است. تست ضربه را می‌توان به دو روش چارپی (Charpy)‌ و ایزود (Izod) انجام داد. در تمام این روش‌ها، یک پتک پاندولی به نمونه‌ی شیاردار تیرآهن فولادی ضربه می‌زند و انرژی جذب‌شده توسط نمونه در طول ضربه اندازه‌گیری می‌شود. انرژی جذب‌شده، سختی یا مقاومت محصول فولادی در برابر شکستگی را نشان می‌دهد.

تست چارپی روی نمونه‌ای افقی انجام می‌شود که از دو طرف تکیه‌گاه دارد و ضربه‌ای به وسط آن وارد می‌شود. تست چارپی معمولاً برای اندازه‌گیری مقاومت ضربه تیرآهن‌های فولادی در جهت‌های مختلف، مانند طولی، عرضی و ضخامتی استفاده می‌شود. تست ایزود روی نمونه‌ای عمودی که از یک طرف مهار شده‌اند. تست ایزود عمدتاً برای اندازه‌گیری مقاومت ضربه در جهت طولی استفاده می‌شود. در مجموع،‌ این تست می‌تواند اطلاعات مفیدی در مورد انعطاف‌پذیری، تردی و حالت شکستگی این محصولات فولادی،‌ در صورت برخورد ضربه ارائه دهد. این تست همچنین می‌تواند برای طراحی و فرآیند تولید این تیرهای فولادی هم مفید باشد.

تست خمش(بررسی انعطاف‌پذیری و استحکام تیرآهن)

تست خمش، نوع دیگری از تست‌های مکانیکی است که انعطاف‌پذیری و چقرمگی کالاهای فولادی را ارزیابی می‌کند. . یک تیرآهن انعطاف‌پذیر می‌تواند قبل از ترک خوردن یا شکستن، تغییرشکل بیشتری را تحمل کند و عملکرد آن تحت بارهای دینامیکی یا چرخه‌ای بهبود پیدا کند. همچنین، یک تیر آهن چقرم می‌تواند در برابر شکستگی ترد مقاومت کند، تا زمانی اتفاق بیفتد که یک ماده بدون هیچ نشانه هشداردهنده‌ای به طور ناگهانی شکسته شود. در این تست، یک نمونه تیرآهن فولادی روی شعاع مشخصی خم می‌شود تا زمانی که ترک بخورد یا بشکند. هدف از تست خمش، تعیین حداقل شعاع خمشی است که یک تیرآهن فولادی می‌تواند بدون ترک خوردن یا شکستن تحمل کند. به بیان ساده، این آزمایش نشان می‌دهد که این کالا فلزی را تا چقدر می‌توان خم کرد. این اطلاعات می‌تواند در طراحی سازه‌هایی که نیاز به تیرآهن‌های خمیده یا قوسی دارند، مانند طاق‌ها یا گنبدها، مفید باشد.

برای انجام تست خمش، یک نمونه از این مقطع فولادی با ابعاد و علائم استاندارد آماده می‌شود. سپس نمونه روی یک دستگاه تکیه‌گاه با دو غلتک در هر انتها قرار می‌گیرد. از یک غلتک سوم یا یک سنبه برای اعمال فشار روی وسط نمونه تا زمانی که روی شعاع مشخصی خم شود، استفاده می‌شود. فشار و زاویه خمش در طول تست ثبت می‌شوند. پس از تست، نمونه از نظر ترک یا شکستگی بررسی می‌شود. 

آزمایش و تحلیل ترکیب شیمیایی تیرآهن

تحلیل ترکیب شیمیایی نوعی آزمون است که میزان و نوع عناصر آلیاژی موجود در یک تیرآهن فولادی را بررسی می‌کند. عناصر آلیاژی، فلزات یا غیر فلز هایی هستند که به فلز پایه (آهن) اضافه می‌شوند تا خواصی مانند استحکام، سختی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره را بهبود بخشند. از جمله عناصر آلیاژی رایج می‌توان به کربن، منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و غیره اشاره کرد. برای آشنایی بیشتر با این تیرهای فولادی و آلیاژ‌های آن‌ها می‌توانید مقاله‌ی تیرآهن چیست را مطالعه کنید. تحلیل ترکیب شیمیایی عموماً با ۳ هدف اصلی انجام می‌شود:

1. تجزیه و تحلیل اجزای آلیاژ: این امر به شناسایی نوع و گرید تیراهن فولادی و همچنین تایید انطباق آن با مشخصات و الزامات سازنده یا مشتری کمک می‌کند.

2. انطباق با استانداردهای صنایع: این آزمایش‌ها تضمین می‌کنند که تیر اهن فولادی با استانداردها و مقررات صنعت یا بخش مربوطه، مانند ساخت‌وساز، خودرو، هوافضا و غیره مطابقت داشته باشد.

3. ارزیابی عملکرد: این آزمایش و تحلیل مشخص می‌کند که عناصر آلیاژی مختلف چگونه بر خواص فیزیکی و مکانیکی تیرآهن فولادی، مانند استحکام کششی، استحکام تسلیم، کشیدگی، چقرمگی، سختی و غیره تأثیر می‌گذارند.

تحلیل ترکیب شیمیایی را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلفی مانند طیف‌سنجی، شیمی مرطوب، فلورسانس اشعه ایکس و غیره انجام داد. انتخاب روش به عواملی مانند دقت، سرعت، هزینه، اندازه نمونه و غیره بستگی دارد. بررسی کیفی و شیمیایی آلیاژ‌های به‌کار رفته می‌تواند معیاری برای سنجش قیمت این محصولات هم باشد. تیرهایی که ناخالصی بیشتری دارند، طبعاً با قیمت کمتری قابل تهیه هستند. با عضویت در کانال قیمت لحظه ای آهن آلات می‌توانید آخرین به‌روزرسانی‌های قیمتی انواع تولیدکنندگان این محصولات فولادی را مشاهده کنید. 

تست خستگی (سنجش استقامت آهنین در برابر فشارهای تکراری)

تست خستگی آزمونی است که توانایی این تیرهای فولادی را برای تحمل وزن‌ها و بارهای دائمی، مکرر یا چرخه‌ای اندازه‌گیری می‌کند. خستگی در واقع زمانی اتفاق می‌افتد که یک ماده در معرض تنش یا کرنش متغیر در طول زمان قرار می‌گیرد و باعث ایجاد و گسترش ترک‌هایی می‌شود تا زمانی که ماده شکسته شود. تست خستگی ممکن است دو هدف اصلی داشته باشد:

• درک استقامت مواد: این آزمایش به تعیین حد خستگی یا حد تحمل یک مقطع فولادی کمک می‌کند. این مقدار در واقع حداکثر تنش یا کرنشی است که مقطع مورد نظر می‌تواند بدون شکستن تحمل کند.

• بررسی سناریوها در طول زمان: این آزمایش پیش‌بینی می‌کند که یک تیرآهن فولادی تحت شرایط و سناریوهای مختلف چقدر می‌تواند دوام بیاورد و همچنین نحوه پیشگیری یا کاهش آسیب خستگی را نیز بررسی می‌کند؛ تست خستگی را می‌توان با استفاده از تکنیک‌های مختلفی مانند خمش چرخشی، بارگذاری محوری، بارگذاری پیچشی و غیره انجام داد. انتخاب تکنیک به عواملی مانند شباهت به شرایط واقعی استفاده، سهولت اجرا و قابلیت اطمینان نتایج بستگی دارد. 

معرفی انواع آزمایش غیرمخرب تیرآهن

برخلاف تست‌ها و آزمایش‌های قبلی که شامل تخریب یک قطعه آزمایشی تیرآهن و بررسی ویژگی‌های آن تا قبل از زمان تخریب می‌شدند، آزمایش غیرمخرب (NDT) به مهندسان این امکان را می‌دهد که کیفیت و وضعیت مقاطع فولادی را بدون هیچ گونه آسیب‌رسانی به آنها بررسی کنند. این آزمایش‌ها شناسایی عیوب، شکستگی‌ها، زنگ‌زدگی یا نقص‌های دیگر که ممکن است بر عملکرد و ایمنی ساختار تأثیر بگذارد، مفید است. روش‌های زیادی برای آزمایش غیرمخرب وجود دارد، اما سه روش متداول‌تر آن عبارتند از آزمایش فراصوتی، آزمایش رادیوگرافی و آزمایش ذرات مغناطیسی. هرکدام از این روش‌ها از انرژی‌های مختلف برای نفوذ به تیرآهن استفاده کرده و تصاویر یا سیگنال‌هایی از ساختار داخلی و عیوب ایجاد می‌کنند.

• آزمایش التراسونیک

آزمایش التراسونیک یا فراصوتی از موج‌های صوتی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. در این روش طول موج‌هایی ارسال می‌شود و با تیرآهن برخورد کرده تا بازتاب ایجاد کنند. این فرآیند توسط یک دستگاه ضبط می‌شود. این بازتاب‌ها می‌توانند ضخامت، شکل و عیوب تیر را نشان دهند. آزمایش فراصوتی بسیار سریع، دقیق و قابل حمل است، اما نیاز به اپراتور ماهر و ایجاد تماس مناسب بین تیر و سنسور دارد.

• آزمایش رادیوگرافی

آزمایش رادیوگرافی از پرتو ایکس یا پرتوهای گاما استفاده می‌کند که از تیرآهن عبور کرده و تصویری را ایجاد می‌کند. این تصویر نشان‌دهنده چگالی و ترکیب تیر است، همچنین هرگونه شکستگی یا خلل را نیز نمایش خواهد داد. آزمایش رادیوگرافی بسیار حساس است و قادر است حتی عیوب کوچک را نیز شناسایی کند، اما گران قیمت بوده، خطرناک است و نیاز به دسترسی به هر دو سمت تیر را دارد.

• آزمایش ذرات مغناطیسی

تست ذرات مغناطیسی از یک میدان مغناطیسی برای مغناطیس کردن تیرآهن استفاده می‌کند و سپس ذرات آهنی ریز را بر روی سطح اضافه می‌کند. این ذرات به مناطقی جذب می‌شوند که توسط شکست‌ها یا به هر دلیل دیگری، میدان مغناطیسی آن‌ها مختل شده است. این ذرات الگوهای قابل مشاهده‌ای را ایجاد می‌کنند که مکان و اندازه عیوب را نشان می‌دهند. تست ذرات مغناطیسی روشی بسیار ساده، ارزان و موثر برای شناسایی عیوب سطحی و نزدیک به سطح است، اما تنها بر روی مواد فرامغناطیسی کار می‌کند و پس از اجرای این آزمایش، حتماً باید فرآیند آهن‌ربا زدایی مناسب انجام شود.

استانداردهای آزمایش تیرآهن

در بخش‌های قبل بعضی از متداول‌ترین روش‌ها برای تست و آزمایش این مقطع فولادی پرکاربرد را مرور کردیم. ولی این سوال ایجاد می‌شود که این آزمایش‌ها چطور تفسیر می‌شوند؟ چه معیارهایی برای تصمیم‌گیری وجود دارد؟ چه حداقل‌هایی باید رعایت شوند؟ برای پاسخ‌گویی به این سوالات، باید با استانداردهای آزمایش تیرآهن آشنایی پیدا کنیم. برخی از این استانداردها را به‌صورت خلاصه در این بخش معرفی می‌کنیم:

ASTM A370: این استاندارد مربوط به آزمون مکانیکی محصولات فولادی است. این استاندارد روش‌های آزمایش کشش، آزمایش خمش، آزمایش سختی و آزمایش ضربه را مشخص می‌کند.

ASTM E8/E8M: این استاندارد شامل آزمون کشش مواد فلزی است و برای تیر فولادی هم کاربرد دارد. این استاندارد دستگاه، نمونه‌ها، روش و محاسبات برای تعیین ویژگی‌های کششی تیرآهن‌ها را مشخص می‌کند.

ASTM E290: این استاندارد مخصوص آزمون خمش محصولات فلزی و فولادی است و دستگاه، نمونه‌ها، روش و محاسبات و تصمیم‌گیری برای تعیین ویژگی‌های خمشی تیرآهن‌ها را مشخص می‌کند.

ASTM E23: این استاندارد مربوط به آزمون ضربه است و در زمینه تست تیرآهن هم کاربرد دارد. همانند موارد قبلی، همه‌چیز در مورد این آزمون در این استاندارد توضیح داده شده است.

اهمیت آزمون تیرآهن

انجام آزمون تیرآهن به چند دلیل حائز اهمیت است:

• اطمینان از سالم بودن ساختاری

یکی از دلایل اصلی آزمون تیر آهن، اطمینان از سالم بودن ساختاری آن است. سالم بودن ساختاری به معنای توانایی سازه برای مقاومت در برابر بارها و فشارهای مختلف بدون شکست یا تغییرات زیاد است. آزمون مدنظر به بررسی قدرت و سختی آن تحت شرایط بارگذاری مختلف کمک می‌کند. این موضوع تاثیر زیادی بر ایمنی ساخت و ساز دارد، زیرا از وقوع خطراتی مانند فروپاشی، انحناء، ترک خوردگی یا خستگی جلوگیری می‌کند. همچنین، آزمون مورد بحث کمک می‌کند تا از وقوع حوادث فاجعه‌باری که ممکن است منجر به از دست دادن جان، خسارت به اموال یا صدمات به محیط زیست شود، جلوگیری شود.

• تضمین کیفیت در ساخت و ساز

دلیل دیگر برای ضرورت این آزمون‌ها، تضمین کیفیت در ساخت و ساز است. تضمین کیفیت به معنای اطمینان از این است که یک محصول یا خدمات، با استانداردها و انتظارات مشخص مطابقت داشته باشد. آزمون تیرآهن به افزایش دوام سازه‌ها کمک می‌کند؛ زیرا مطمئن می‌شود که آنها در برابر زنگ‌زدگی، فرسایش و خرابی در طول زمان مقاومت داشته باشند. همچنین، آزمون تیرآهن با کاهش نیاز به تعمیرات یا تعویضات ناشی از نقص‌ها یا صدمات، هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهد.

• رعایت استانداردهای جهانی

سومین دلیل مربوط به رعایت استانداردهای جهانی می‌شود. آزمون محصولات فولادی با نشان دادن مطابقت آنها با استانداردها و معیارهای جهانی، کیفیت و عملکرد آن‌ها را تضمین می‌کنند. این آزمایش‌ها همچنین برای انجام تجارت جهانی محصولات فولادی ضروری هستند و اطمینان کافی بابت کیفیت محصولات را به خریداران می‌دهند. از سوی دیگر، رعایت این استانداردها توسط تمام کارخانه‌ها و تولیدکنندگان به حفظ یکنواختی در تضمین کیفیت کمک خواهد کرد. رعایت این استانداردهای کیفی طبعاً در زمینه قیمت تیرآهن هم تاثیرگذار خواهد بود و خریداران تمایلی به پرداخت برای محصول بی‌کیفیت ندارند.

جمع بندی

در این مقاله برخی از متداول‌ترین روش‌های تست و آزمایش تیرآهن را معرفی کرده و روش و ضرورت انجام آن‌ها را بررسی کردیم. این آزمایش‌ها به دو دسته‌ی مخرب و غیرمخرب تقسیم می‌شوند. در روش اول آسیبی به تیرهای تحت آزمایش وارد نمی‌شود، ولی در روش دوم نمونه آزمایش تحت فشار شدید قرار گرفته تخریب می‌شود و عملکرد آن طی این پروسه ارزیابی می‌شود. انجام این بررسی‌ها بنا به دلایل مختلفی بسیار اهمیت دارد، ولی با توجه به نقش پررنگ آن‌ها در ساخت‌و ساز، تضمین کیفیت و استقامت را می‌توان مهم‌ترین دلیل برای تست و بررسی آن‌ها بدانیم.