اندازه گیری استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده.

 

اندازه گیری  استحکام خمشی و انقباض در دو حالت خشک شده و پخته شده.

وسایل آزمایش:

500 گرم  خاک _ 180 گرم آب _ الک _ هاون _ قاشق _ لگن _ استوانه مدرج _ ترازو _ کاردک _ قالب های نمونه های استحکام و انقباض _ کمی روغن _ کولیس _ دستگاه وارد کننده نیرو _ کوره _ خشک کن

خاک مورد آزمایش : کائولن سوپر زنوز

تئوری آزمایش :

استحکام خشک :

منظور از استحکام خشک , استحکام مواد بعد از شکل گیری و خشک شدن و قبل از پخت می باشد. اهمیت استحکام خشک بدنه های خام  هنگامی مشخص می شود که به مراحل بعدی تولید ( پس از خشک شدن فرآورده ها) توجه شود. بدنه های خام پس از خشک شدن و یا در خلال آن باید پرداخت شده , احتمالا به یکدیگر چسبانده شده ( به عنوان مثال دسته و بدنه فنجان) و به نقاط دیگر حمل گردند. تمامی این اقدامات به معنی اعمال تنش به بدنه خام است. بنا بر این بدیهی است که بدنه خام باید دارای استحکام کافی جهت تحمل تنش های وارده باشد.

استحکام خشک مانند پلاستیسیته بستگی عمیقی به وجود خصوصیات ذرات کلوئیدی دارد. بنا بر این عوامل موثر در استحکام همان عوامل موثر در پلاستیسیته است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

 هنگامی که اندازه ذرات کانی های رسی موجود در یک نمونه, بسیار ریز و در عین حال حدودا یکسان باشد بدیهی است که به علت ابعاد بسیار ریز ذرات, مقدار پلاستیسیته و همچنین استحکام  بسیار زیاد خواهد بود.مایع جذب شده در سطح رس و نوع آن نیز یکی دیگر از عوامل ایجاد کننده و موثر در پلاستیسیته  می باشد.مولکولهای مایعات قطبی در سطح ذرات رس جذب گردیده و بدین وسیله باعث لغزش و ایجاد سهولت در حرکت صفحات رس می گردد. پس اختلاط با مایعات قطبی باعث ایجاد پلاستیسیته در خمیر می گردد. در حالی که مایعات غیر قطبی مانند بنزن هیچ نوع پلاستیسیته ای به وجود نخواهند آورد. به هر حال پلاستیسیته حاصل از هیچ مایعی قابل مقایسه با پلاستیسیته حاصل از آب نیست.

از مسائل مهم دیگر تاثیر فشار در میزان آب پلاستیسیته است.با افزایش فشار می توان پلاستیسیته یکسانی با مقدار آب کمتر به دست آورد.در صنعت سرامیک از این قانون به طور وسیع استفاده می شود.

از دیگر عوامل موثر در پلاستیسیته شکل ذرات است.مثلا ذرات رس به طور کلی دارای شکل پهنی بوده و اصطلاحا بشقابی هستند و این شکل خاص باعث ایجاد سهولت در لغزش ذرات بر روی یکدیگر و ایجاد پلاستیسیته بالا می گردد.

دسته ای از مواد آلی ایجاد کننده پلاستیسیته, ژلهای کلوئیدی ناشی از عمل باکتری ها هستند. این مورد یکی از دلایل افزایش پلاستیسیته و در نتیجه انبار کردن خمیر است. در این شرایط خمیر بدنه بر اثر فعالیت های باکتری ها اصطلاحا ترش شده و ژل های کلوئیدی به و جود می آیند.

این توضیحات به طور خلاصه این قانون کلی را بیان می کند که پلاستیسیه بیشتر به معنی استحکام خشک بیشتر است.

ضمنا باید توجه داشت که جایگزینی H+ به وسیله  Na+ باعث افزایش قابل ملاحظه استحکام خشک می گردد و این نکته ای است که در بسیاری موارد می تواند باعث ایجاد خطا در اندازه گیری پلاستیسیته گردد.در این مورد افزایش استحکام خشک به دلیل تغییر در بافت ذرات رس و نتیجتا افزایش تراکم بدنه خام است. جدول زیر تاثیر یون های مختلف را بر تخلخل نمونه و نتیجتا استحکام خشک نشان می دهد.

dried transverse strength( Ib/in2 )

Porosity after drying  ( % )

Drying shrinkage(%)

Forming   water ( % )

 

1275   

26.1   

14.0    

 21.2   

Raw clay

1150   

28.2   

15.5    

22.3   

H_ clay 

1250   

26.3   

12.4    

19.7   

 Ca _ clay

1410   

24.6   

11.0    

18.6   

Na _ clay

 

قبل از اینکه در مورد اندازه گیری استحکام خشک بحث شود باید اشاراه گردد که جهت حد اقل استحکام مورد نیاز یک بدنه خام , مقدار مشخصی نمی تواند ارائه گردد.چرا که این مورد بستگی زیاد به شکل و ضخامت قطعه و نیز چگونگی حمل و نقل آن دارد.از جمله اخیر می توان این نتیجه گیری را نیز نمود که کلیه ترک ها و شکست های بدنه خام را نمی توان ناشی از کمبود استحکام خشک دانست , بلکه طراحی بد و نتیجتا شکل نا متناسب قطعه نیز می تواند باعث ایجاد تنش (در خلال خشک شدن ) و نهایتا ایجاد ترک ( در هنگام خشک شدن و یا بعد از آن ) گردد.خشک نمودن سریع نیز می تواند باعث ایجاد ترک حتی در هنگام حمل و نقل گردد. بدیهی است که هیچ یک از این ترک ها را نمی توان به کمبود استحکام خشک نسبت داد.

انقباض تر به خشک :

در تولید فر آورده های سرامیک مهم ترین وظیفه آب در بدنه ایجاد ماده ای مناسب ( پودر, خمیر , یا دوغاب) جهت شکل دادن است.بعد از شکل یافتن فرآورده ها آب وظیفه خود را انجان داده و باید از فرآورده یا بدنه خام خارج شود.عمل خشک شدن عبارت است از خروج آب به وسیله تبخیر از بدنه خام. بدیهی است که خروج آب به معنی کاهش حجم و یا ابعاد فر آورده خام می باشد . اصطلاحا به کاهش ابعاد فرآورده های سرامیکی در این مرحله از تولید انقباض تر به خشک می گویند. انقباض همواره عامل ایجاد تنش و در نتیجه احتمال تغییر شکل و وقوع ترک در بدنه می باشد.از طرف دیگر انقباض زیاد باعث ایجاد تغییراتی در ابعاد قطعه گردیده و بنا براین در مواردی که ابعاد بسیار دقیقی برای قطعه مورد نیاز است انقباض تا حد امکان باید کاهش یابد.احتمال بروز چنین خطراتی باعث شده که مرحله خشک شدن در صنعت سرامیک به عنوان یکی از خطر ناکترین مراحل تولید معرفی گردد. ولی با این همه اگر چه مقدار زیاد انقباض تر به خشک مسئله ساز است ولی مقدار کم آن همیشه مورد نیاز و مطلوب بوده چرا که باعث سهولت در خروج فرآورده شکل یافته از قالب می گردد.

بدیهی است که انقباض تر به خشک بستگی عمیقی به آب موجود در فرآورده های خام دارد ولی باید توجه داشت که آب های موجود در بدنه های خام به علت نقش و وظایف متفاوت انها در ساختمان بدنه رفتار یکسانی را در هنگام خشک شدن بروز نداده و تاثیرات آنها در انقباض تر به خشک متفاوت است.

در هنگام خشک شدن فر آورده ها اگر چه آبهای خلل و فرج نیز خارج می گردند ولی در عمل همواره مقادیری از آنها در لا به لای ذرات رس باقی می مانند مگر اینکه بدنه خام در درجه حرارتی بیش از 0C120 خشک گردد.در مقیاس صنعتی معمولا بدنه های در درجه حرارتی پایین تر از 120 درجه خشک می گردند. بنا بر این همواره مقادیری از آب خلل و فرج در بدنه باقی مانده و این موضوع بدین معنی است که در حقیقت خشک شدن نهایی فرآورده ها در اولین مراحل پخت انجام می پذیرد. اصطلاح خشک شدن کامل به مرحله ای از روند خشک شدن اطلاق می گردد که آب خلل و فرج کاملا از بین رفته است.هنگامی که یک بدنه خام به طور کامل خشک گردیده بعد از خروج از خشک کن می تواند مجددا مقادیری آب موجود در هوا را که اصطلاحا به آن مقدار رطوبت تعادلی گفته می شود در خلل و فرج خود جذب کند.به طوری که تغییرات در مقدار آب خلل و فرج با  انبساط و انقباض زیادی همراه نیست و بنا بر این این جذب رطوبت از هوا به وسیله بدنه کاملا خشک شده (اگر مقدار زیادی رس موجود باشد ) به طور معمول خطر ناک نیست. ولی با توجه به اینکه بعضی از بدنه های خام دارای مقادیر زیاد رس نیستند این عمل در فصول خاصی (معمولا پاییز و زمستان) و به خصوص در نواحی مرطوب می تواند باعث ایجاد تنش کششی و در نتیجه انبساط خشک به تر و نهایتا وقوع ترک در بدنه های خام, بعد از خروج از خشک کن گردد. در بسیاری موارد این ترک ها تا مرحله نهای تولید قابل تشخیص نبوده و فقط روی فرآورده های تولید شده لعابدار مشاهده می شوند. در چنین شرایطی افزایش استحکام تر به وسیله افزایش مقدار رس در بدنه های خام ( در صورت امکان ) و با تغییر در روند خشک شدن این مشکل را حل نمود.

آب پلاستیسیته بر عکس آب خلل و فرج به سادگی در درجه حرارت های کمتر از 100 درجه تبخیر شده و این عمل با انقباض بسیار زیادی همراه است. بدنه هایی که داراری پلاستیسیته زیادی هستند مقدار آب پلاستیسیته نیز در آنها بیشتر است. بنا براین در هنگام خشک شدن نیز مقدار انقباض تر به خشک آنها بسیار زیاد بوده و این مورد نیز به عنوان یک قانون کلی وسیله دیگری جهت تعیین پلاستیسیته خمیرهاست.. خروج آب پلاستیسیته مهم ترین عامل در ایجاد انقباض تر به خشک و یا به طور کلی تنها عامل ایجاد انقباض تر به خشک است. 

روند آزمایش :

پیش آزمایش : ساخت نمونه های استحکام و انقباض

ابتدا 500 گرم از خاک که قبلا از طریق آزمایش پلاستیسیته عدد درصد آبکار پذیری آن را بدست آوردیم را در هاون می کوبیم و از الک رد می کنیم. سپس با ترازو توزین کرده و دقیقا 500 گرم را بر می داریم.با استفاده از درصد آبکار پذیری که از آزمایش پلاستیسیته برای خاکمان بدست آوردیم میزان آبی که باید به 500 گرم خاک اضافه کنیم تا یک گل مناسب از نظر شکل پذیری را به ما بدهد را بدست می آوریم. برای خاک کائولن سوپر زنور عدد درصد آبکار پذیری ففرکورن 36% بود. این به این معنی است که در هر 100 گرم خاک باید 36 گرم آب بریزیم تا حاصل گل شکل پذیر و خوب درآید . حال که ما 500 گرم خاک داریم باید 36 را در 5 ضرب کرده یعنی 180 گرم آب به آن اضافه کنیم و از آنجایی که چگالی آب یک است می توان با استفاده از استوانه مدرج 180 میلی لیتر آب را برداشت. حال گل را خوب ورز می دهیم تا کاملا یکدست شود و درون آن حباب باقی نماند.2 تا قالب نمونه داریم. یکی برای تست استحکام و یکی برای تست انقباض.قالب نمونه تست استحکام در داخل ذوذنقه ای شکل است. و قالب نمونه انقباض مربع شکل است. برای نمونه استحکام گل را از طرفی که عرض بیشتری دارد وارد می کنیم و خوب فشار می دهیم تا جای خالی در داخل نماند و باعث تضعیف استحکام نشود. تا آنجایی که می توانیم باید نمونه سالم و صافی را بدست بیاوریم. برای نمونه انقباض هم گل را داخل قالب کرده و برای بیرون آوردن قالب را از دو طوف می کشیم تا نمونه بیرون آید. حال قطر های مربع را با کاردک علامت زده و دهانه کولیس را به اندازه 4 سانتی متر باز می کنیم و روی قطر های مربع علامت می زنیم. برای تست استحکام 4 نمونه و برای تست انقباض 1 یا 2 نمونه درست می کنیم.

انقباض:

برای انقباض یک نمونه درست کردیم. بعد از اینکه داخل خشک کن قرار دادیم و کاملا خشک شد با کولیس فاصله بین دو علامت را که قبلا زدیم را اندازه گیری می کنیم. در این جا Ld  یعنی طول خشک حاصل می شود. این نمونه را در کوره قرار داده تا پخت نیز انجام گیرد. بعد از پخت نیز فاصله ی علامت های روی دو فطر را اندازه گیری کرده و میانگین 2 عدد به ما Lf  را که همان طول پخت است می دهد. حال با استفاده از روابط زیر انقباض را بدست می آوریم:

Lw – Ld / L d=40 -39.15/39.15=2.2% = درصد انقباض خشک به تر

Ld–Lf /Lf=39.15 – 38.56/38.56=1.5%=درصد انقباض پخت به خشک

Lw–Lf/Lf=40-38.56/38.56=3.7%=درصد انقباض پخت به تر(درصد

                                                                       انقباض کلی)       

Lw = طول تر        Ld = طول خشک          Lf = طول پخت

اندازه گیری استحکام به روش 3 نقطه:

نمونه هایی که داریم 2 تا به صورت خشک و 2 تا به صورت پخته شده است . حال 3 نقطه را روی هر نمونه تعیین کرده و عرض بالایی و عرض پایینی و ارتفاع آن را با کولیس اندازه می گیریم. میانگین 3 تا عدد عرض بالایی و 3 تا عرض پایینی را گرفته و میانگین عرض بالایی و عرض پایینی به ما عرض کل را می دهد. میانگین 3 ارتفاع را نیز برای هر نمونه محاسبه می کنیم. حال با استفاده از دستگاه ابتدا یک فاصله تکیه گاه مثلا 100 میلی متر را تنظیم می کنیم و بعد نیرو را وارد کرده زمانی که نمونه ما شکست نیرو را به ما می دهد. حال با استفاده از روابط زیر استحکام خمشی را اندازه گیری می کنیم:   

3 pL / 2 bh2                (N/mm2)                                        = استحکام خمشی

P  = نیرو بر حسب نیوتون

L  = فاصله تکیه گاه mm

b  = عرض mm

h  = ارتفاع mm

3x106.75x100/2x22.45x(16.1)2=2.75=استحکام خمشی نمونه پخته1

3x79.99x100/ 2x21.95x(16.2)2=2.08=استحکام خمشی نمونه پخته 2

3x29.68x100/2x 22.6x(16.4)2=0.73=استحکام خمشی نمونه خشک 3

3x42.06x100/2x22.5x(16.7)2=1.01 =استحکام خمشی نمونه خشک 4

میانگین اعداد به دست آمده:

0.87  = استحکام خام

2.415  = استحکام پخت

بحث و نتیجه گیری :


  گروه

نام خاک

درصدانقباض خشک

درصد انقباض تر

درصدانقباض    کلی

استحکام خام

استحکام پخت

    1

بالکی

  0.25

 4.01

 4.25

 0.135

 0.225

    2

کائولن زنوز

   8

 7.28

14.25

 1.41

 0.23

    3

کائولن سوپرزنوز

  2.2

  1.5

  3.7

 0.87

2.415

    4

بالکی

 3.75

 3.11

 6.75

0.095

0.155

    5

کائولن زدلیتس

 2.75

 1.54

 4.29

 0.96

 2.21

با توجه به اعداد بالا و همچنین با توجه به تئوری آزمایش و اعداد آزمایش پلاستیسیته معلوم می شود که هر چه پلاستیسیته خاک بیشتر باشد استحکام آن نیز بیشتر است. همانطور که در تئوری ذکر شد عوامل موثر در استحکام شامل عوامل موثر در پلاستیسیه نیز می شود. در مورد انقباض نیز هرچه درصد آبکار پذیری بیشتر باشد در هنگام خشک و پخت نیز آب بیشتری خارج شده و انقباض بیشتر می شود.

خطاها:

خطاهای ساخت نمونه:

اول از همه خطا هنگامی که آب پلاستیسیته را از آزمایش قبل به دست آوردیم اگر عدد پلاستیسیته دارای خطا باشد گل خوبی به ما نمی دهد و نمی توان نمونه خوبی ساخت.

هنگام ساخت نمونه اگر با دقت نمونه را نسازیم و نمونه دارای حفره یا ترک باشد یا صاف نباشد و حالت خمیده به خود بگیرد همه ی اینها باعث ایجاد خطا می شود.

خطاهای آزمایش:

اگر قطر را با کولیس دقیق اندازه نگیریم و همین طور خطای خود کولیس.

اگر هنگام اندازه گیری قطر بخشی از خاک خراشیده شود اندازه ها دارای خطا می شود.

همین طور در اندازه گیری ارتفاع و عرض نمونه های استحکام ممکن است خطا ایجاد شود.

خطای دستگاه اندازه گیری استحکام.

کتاب تکنولوژی سرامیک های ظریف ( افسون رحیمی – مهران متین )

 

 

فیروز رضائی ; ٤:٠٥ ‎ب.ظ ; ۱۳٩٠/٩/۱٢