در این روش از یک صفحه ی فولادی که یک شکاف ماده در سطح تحت کشش آن (سطح زیرین) بوسیله ی جوش ایجاد گشته است به عنوان نمونه ی تحت آزمایش استفاده می گردد. آزمایش با موضوع قرار دادن دسته هایی از قطعات نمونه در تعداد 4 تا 8 تایی با یک جنس تحت بار تک ضربه ای در بازه-ای از دماهای انتخاب شده برای تعیین دمای بیشینه ای که در آن قطعه می شکند مورد استفاده قرار می گیرد. بار ضربه که توسط یک وزنه ی هدایت شده و در حال سقوط آزاد تامین می-شود دارای انرژی ای معادل 340 تا 1630 ژول، بسته به مقاومت تسلیم فولاد مورد آزمایش، می باشد. همچنین با قرار دادن یک تکیه گاه  صلب در زیر نمونه از تغییر شکل های بیش از چند دهم اینچی در نمونه ها جلوگیری به عمل می آید.
مراحل معمول تست به این صورت است که پس از آماده سازی و تامین دمای مناسب قطعه ی نمونه، تست اولیه ای در دمای تخمین زده شده در نزدیکی دمای انتقال شکل پذیری نیل (NDT ) انجام می پذیرد. این دما نشان دهنده ی نقطه ای است که در آن انرژی شکست از حدی پایین تر از یک نقطه ی از پیش تعیین شده عبور می کند. در ادامه بسته به نتایج آزمون اولیه تست نمونه های دیگر نیز در فواصل دمایی مناسب در بازه ی 5 درجه ی سانتیگراد برای مشاهده ی شکست یا عدم شکست نمونه انجام می شود. همچنین یک تست تکراری در کمترین دمای بدون شکست نمونه به منظور تایید نقطه ی بدون شکست در این دما انجام می گردد.
در این روش از یک جوش نقطه ای تک مسیری به عنوان شروع کننده ی شکست در مرکز صفحه استفاده می گردد.

اهمیت و کاربرد
مقاومت شکست فولادهای فریتی دارای شکاف  بطور قابل توجهی تحت تاثیر دما تغییر می نماید. در یک دمای پایین مشخص، با استفاده از اندازه ی شکاف، می توان تنش مورد نیاز برای شروع شکست ترد در قطعه را تعیین نمود. اهمیت این روش تست بسته به ایجاد نقطه ی NDT است که با کاهش دما، در شکاف کوچک (بالاترین منحنی)، سطح تنش در آن به مقاومت تسلیم افت می نماید که در شکل1 نمایش داده شده است. سطوح تنش دیگر برای سایر اندازه های شکاف در شکل 1 نمایش داده شده اند.
مفهوم NDT با استفاده از همبستگی تعداد بسیار زیادی از شکست های رخ داده در کشتی ها، مخازن تحت فشار و اجزای ماشین آلات که مستند سازی گشته اند اعتبار سنجی می گردد. شکل 1، نمودار تحلیل شکست تعمیم یافته، و نمایش دهنده ی محدوده ی تقریبی اندازه ی شکاف مورد نیاز برای شروع شکست در سطوح مختلف تنش نامی که با عنوان NDT نام برده شد را نمایش می دهد.

دستگاه
دستگاه تست سقوط وزنه دارای طراحی ساده ای از اجزای تولید شده از محصولات فولادی سازه ای است که به راحتی قابل دسترس می باشند. اجزای اصلی یک دستگاه تست سقوط آزاد عبارتند از: یک وزنه ی سقوط آزاد که بطور عمودی هدایت شده است، یک سندان که بصورت صلب گیردار شده است و یک صفحه ی مستطیلی که بعنوان نمونه در دستگاه قرار می-گیرد (شکل 2).
ریل یا ریل هایی به صورت صلب نسبت به هم بر روی پایه قرار می گیرند و وظیفه ی هدایت وزنه را به عهده دارند. وزنه باید با دستگاه های مناسب ساخته شده و به گونه ای به ریل ها متصل گردد که بصورت آزاد و در یک صفحه ی عمودی سقوط نماید. وزنه را می توان با هر وسیله ی مناسبی بالا برد. مکانیزم آزادسازی وزنه باید به گونه ای باشد که به سرعت وزنه را رها نماید بطوریکه تاثیری در سقوط آزادانه ی آن نگذارد. همچنین وزنه باید به شکل یکپارچه ساخته شود و یا اگر چند تکه باشد باید به گونه ای صلب باشد که به عنوان یک واحد عمل نماید. چکش برخورد کننده ی وزنه باید سطحی استوانه ای با شعاع 1 اینچ و سختی حداقل HRC 50 در سراسر مقطع داشته باشد. وزن آن باید بین 22.7 تا 136 کیلوگرم باشد.
ریل ها و پایه ی دستگاه باید به گونه ای باشند که به وزنه اجازه ی قرار گیری در ارتفاع های مختلف برای کسب انرژی پتانسیل 340 تا 1630 ژول را بدهند. پایه ی افقی واقع در زیر ریل های راهنما باید قابلیت نگهداری سندان های متفاوت را داشته باشد. همچنین راهنماهای سندان باید به گونه ای سندان را موقعیت یابی کنند که مرکز تکیه گاه تغییر شکل (Stop) در زیر مرکز چکش وزنه قرار گیرد.
پایه ی دستگاه باید بر روی یک فوندانسیون صلب قرار گیرد تا وزنه بتواند با انرژی خود یک قطعه ی نمونه ی استاندارد را تغییر شکل بدهد.
ویژگی های عمومی مورد نیاز در سندان در شکل 3 نمایش داده شده است. سندان باید بر اساس اندازه های ذکر شده در شکل 3 ساخته شود. پایه ها و تکیه گاه تغییر شکل در سندان باید دارای سختی حداقل HRC 50 در مقطع خود باشند.

نکات مورد توجه
روش تست سقوط وزنه برای آزمایش بر روی نمونه های با ضخامت 8/5 اینچ و بیشتر مناسب بوده و برای فولادهایی با ضخامت کمتر از آن توصیه نمی گردد.
همچنین در این روش از یک نقطه جوش کوچک بر روی سطح نمونه که تنها هدف آن ایجاد یک ماده ی ترد برای آغاز ترک بر روی نمونه است استفاده می شود. رفتار ناهنجار در موادی که تحت تاثیر حرارت ناحیه ی جوش داده شده در مقابل شکست مقاوم تر می شوند قابل انتظار است.
نمونه ی مورد آزمایش
تمام مواد نمونه و قطعات برداشته شده از یک صفحه ی مشخص باید از نظر جنس منبع خاص خود مشخص شده باشند و یک سیستم شناسایی ساده باید برای مشخص نمودن جنس و خواص هر قطعه مورد استفاده قرار گیرد.
تست سقوط وزنه در رابطه با جهتگیری قطعه ی نمونه نسبت به جهت نورد و یا فورج در مراحل تولید غیرحساس است. با این حال همه ی نمونه ها باید دارای جهت گیری مشابه بوده و این جهت گیری باید در گزارش آزمون قید گردد.
ابعاد نمونه ی استاندارد در شکل 4 نمایش داده شده است.
دماهای NDT بدست آمده از یک فولاد داده شده با استفاده از نمونه های استاندارد، بطور قابل ملاحظه ای با یکدیگر مساوی بدست می آیند. قطعات اولیه ی نمونه ها را می-توان بوسیله ی برش شعله  جدا نمود. سپس به فاصله ی 1 اینچ از لبه های برش خورده را بوسیله ی برش اره  یا ماشین کاری تا ابعاد استاندارد جدا نمود. در حین فرایند برش باید از مواد خنک کننده ی مناسب جهت جلوگیری از داغ شدن بیش از حد نمونه استفاده نمود. همچنین  قطعاتی که ضخامتی بیش از ضخامت استاندارد دارند باید تا رسیدن به ضخامت استاندارد از یک طرف ماشین کاری شوند.
جوش آغاز کننده ی ترک که در مرکز صفحه قرار دارد، دارای طول 2 اینچ و عرض 0.5 اینچ بوده و باید در سطح کششی نمونه در یک مسیر ایجاد گردد (شکل 5).

اطلاعات ارائه شده نشان می دهد که این روش می تواند ریز ساختار منطقه ی متاثر از حرارت در زیر شکاف جوش داده شده را تحت تاثیر قرار دهد و نتایج حاصل دستخوش تغییر گردد. آماده سازی نهایی نمونه شامل ایجاد شکاف عرضی در مرکز طول جوش است. باید مراقب بود که تنها جوش شکاف داده شود و ابزار برش با سطح نمونه تماس نداشته باشد. شکاف را می توان با دیسک های نازک ساینده ی برش و یا ابزارهای برش متداول دیگر ایجاد نمود. در شکل 6 جزئیات و مشخصات شکاف نمایش داده شده -است.
نمایش شماتیک فرآیندی که در تست سقوط وزنه رخ میدهد در شکل 7 قابل ملاحظه است.

روش کلی آزمایش
انجام آزمایش را با رساندن نمونه به دمای مورد نظر آغاز می کنیم. سپس آن را به سرعت بر روی سندان دستگاه قرار داده و وزنه را از ارتفاعی که قبلا تعیین شده رها می کنیم. این فرایند را تکرار می کنیم تا دمای NDT را بدست آوریم. تعداد نمونه های مورد نیاز برای تعیین دمای NDT تابعی از تجربه ی اپراتور با ماده و استفاده از یک روند مناسب است. اپراتور ماهر با ماده ی شناخته شده قادر است با استفاده از 3 نمونه دمای NDT را بدست آورد.

تفسیر نتایج آزمایش
موفقیت تست وابسته به گسترش ترک در جوش پس از خم شدن نمونه است. این آزمون توانایی فولاد در مقاومت در برابر بارگذاری نقطه ی تسلیم در حضور یک عیب کوچک را ارزیابی می نماید. یا فولاد شروع شکست را به راحتی می پذیرد و در نتیجه نمونه می شکند، و یا در مقابل شروع شکست مقاومت نموده و نمونه فقط خم می شود تا با برخورد به سندان متوقف گردد.
پس از اتمام یک تست، سه حالت ممکن است برای نمونه پیش بیاید که عبارتند از:

1- شکست: اگر یک و یا دو لبه ی سطح کششی شکسته باشد نمونه شکسته شده محسوب می-شود. شکسته شدن کامل در  سطح فشاری نمونه الزامی نیست.
2- بدون شکست: نمونه در ناحیه ی جوش دارای گسترشی در شکاف آغاز کننده است اما این شکاف تا هیچکدام از لبه ها ادامه پیدا نمی کند.
3- آزمون نامعتبر: اگر جوش در یک آزمون به طور قابل ملاحظه ای ترک نخورده باشد و یا اینکه نمونه به قدر کافی تا برخورد با تکیه گاه سندان تغییر شکل ندهد، این آزمون را معتبر در نظر نمی گیریم. عملکرد آزمون نامعتبر ممکن است نتیجه ی انرژی ناکافی، استفاده از جوش بیش از حد نرم و تغییر شکل پذیر، و یا قرار گیری نامناسب نمونه در دستگاه به طوری که تاج جوش با برخورد به تکیه گاه مانع از تغییر شکل کامل نمونه گردد.

مراجع:

ASTM, Standard Test Method for Conducting Drop-Weight Test to Determine Nil-Ductility Transition Temperature of Ferritic Steels, ASTM E208–95, 2000, USA

Dieter, G.E., Mechanical Metallurgy, 1988, SI metric edition, McGraw-Hill, ISBN 0-07-100406-8

H. Ku, and Y. M. Cheng, "Drop Weight Impact Test Fracture of Vinyl Ester Composites: Micrographs of Pilot Study", 2004

دانلود مقاله کامل با فرمت PDF