इस्पात की आघात-कठोरता और चार्पी परीक्षण

इस्पात की आघात-टफनेस का अर्थ—और Charpy ऊर्जा का अर्थ क्या नहीं है

आघात-टफनेस बनाम सामर्थ्य, तन्यता और फ्रैक्चर टफनेस

आघात-टफनेस किसी पदार्थ का उस समय फ्रैक्चर के प्रति प्रतिरोध है, जब उस पर भार तेजी से लगाया जाता है—अक्सर ऐसे नॉच के माध्यम से, जो तनाव को एक स्थान पर केंद्रित करता है। यह सामर्थ्य, तनन तन्यता या फ्रैक्चर टफनेस के समान गुण नहीं है, हालांकि ये सभी परीक्षण के परिणाम को प्रभावित कर सकते हैं।

उपज सामर्थ्य उस तनाव को दर्शाता है जिस पर तनन परीक्षण के दौरान प्लास्टिक विरूपण शुरू होता है। तनन सामर्थ्य उस परीक्षण में प्राप्त अधिकतम इंजीनियरिंग तनाव है। इनमें से कोई भी मान यह नहीं बताता कि तीव्र भारण की स्थिति में तेज दरार वाले इस्पात का व्यवहार कैसा होगा। उच्च-सामर्थ्य वाले इस्पात में क्लिवेज फ्रैक्चर के प्रति कम प्रतिरोध हो सकता है, विशेष रूप से निम्न तापमान पर, जबकि कम-सामर्थ्य वाला इस्पात पर्याप्त आघात ऊर्जा अवशोषित कर सकता है।

तन्यता फ्रैक्चर से पहले होने वाले प्लास्टिक विरूपण को दर्शाती है, जिसे आमतौर पर तनन नमूने में बढ़ाव या क्षेत्रफल में कमी के माध्यम से मापा जाता है। आघात-टफनेस में दर-प्रभाव और नॉच-प्रभाव शामिल होते हैं, जिन्हें सामान्य तनन तन्यता पुनरुत्पादित नहीं करती। नॉचयुक्त Charpy नमूने में समान रूप से होने वाले विरूपण के माध्यम से तनाव को पुनर्वितरित करने का अवसर बहुत कम होता है। इसलिए नॉच स्थानीय प्रतिबंध और दरार आरंभण को परीक्षण का केंद्रीय भाग बना देता है।

चार्पी अवशोषित ऊर्जा KIC मान या पूर्ण भंग-कठोरता माप नहीं है। Strong evidence

भंग-कठोरताभंग-कठोरता परिभाषित नमूना ज्यामिति, भारण, मोटाई, दरार और वैधता स्थितियों के अंतर्गत मापा गया दरार-प्रतिरोधी गुण।

फ्रैक्चर टफनेस एक अलग श्रेणी का गुण है। $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ या क्रैक-टिप ओपनिंग डिस्प्लेसमेंट (CTOD) जैसे मान, पूर्व-विद्यमान दरार के निर्धारित नमूना, मोटाई, भारण और वैधता-स्थितियों के अंतर्गत फैलने के प्रति प्रतिरोध का वर्णन करते हैं। उदाहरण के लिए, $K_{\mathrm{IC}}$ समतल-विकृति फ्रैक्चर-टफनेस का वह मान है, जो नमूने के आकार और प्लास्टिकता के प्रभावों को दबाने के उद्देश्य से निर्धारित परिस्थितियों में प्राप्त किया जाता है। Charpy V-नॉच फ्रैक्चर आरंभण को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त रूप से तीक्ष्ण होता है, लेकिन यह थकान-पूर्व-दरारित फ्रैक्चर-टफनेस नमूना नहीं है और इसकी अवशोषित ऊर्जा $K_{\mathrm{IC}}$ मान नहीं होती।

दरार-रोक व्यवहार को भी अलग रखा जाना चाहिए। कोई पदार्थ दरार आरंभ होने का प्रतिरोध कर सकता है, फिर भी चलती हुई दरार के प्रति उसका प्रतिरोध अलग हो सकता है। पाइपलाइन इस्पातों के लिए, ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण आघात तापमानों की एक सीमा में फ्रैक्चर सतहों पर तन्य-शीयर और क्लिवेज अंशों को मापकर दरार-रोक व्यवहार का परीक्षण करता है। यह विधि Charpy परीक्षण का विकल्प नहीं है।

अवशोषित ऊर्जा पदार्थ का अप्रत्यक्ष संकेतक क्यों है

पारंपरिक Charpy परीक्षण में एक पेंडुलम नॉचयुक्त, सरलता से समर्थित नमूने पर प्रहार करता है। पेंडुलम की प्रारंभिक और अंतिम ऊर्जा के बीच का अंतर नमूने द्वारा अवशोषित कार्य को दर्शाता है और व्यवहार में, परीक्षण प्रक्रिया के अंतर्गत हिसाब में लिए गए कुछ संबद्ध नुकसानों को भी शामिल करता है। परिणाम को अवशोषित आघात ऊर्जा के रूप में, सामान्यतः जूल में, रिपोर्ट किया जाता है। NIST ने 2024 में Charpy परीक्षण को उच्च-भारण-दर वाला परीक्षण बताया, जो फ्रैक्चर के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और आघात-टफनेस का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है।

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

“अप्रत्यक्ष” यहाँ महत्वपूर्ण शब्द है। मापी गई ऊर्जा में कई घटनाएँ सम्मिलित होती हैं: नॉच के निकट प्लास्टिक विरूपण, दरार आरंभण, स्थिर या अस्थिर दरार-वृद्धि, घर्षण और मशीन-प्रभाव, तथा अंतिम फ्रैक्चर प्रक्रिया। यह कोई एकल पदार्थ-स्थिरांक नहीं है, जिसे हर घटक ज्यामिति या भारण-दर पर बिना परिवर्तन के लागू किया जा सके। ASTM E23 में Charpy सरल-बीम और Izod कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण शामिल हैं, जिनमें नमूना आवश्यकताएँ, प्रक्रियाएँ, मशीन सत्यापन, रिपोर्टिंग और शीयर-फ्रैक्चर के स्वरूप का निर्धारण शामिल है। ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए Charpy V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम आघात परीक्षण निर्दिष्ट करता है। नॉच का प्रकार महत्वपूर्ण है; निर्दिष्ट आधार के बिना V-नॉच और U-नॉच के परिणामों को समतुल्य नहीं माना जाना चाहिए।

फ्रैक्चर का स्वरूप ऐसी जानकारी प्रदान करता है, जो केवल ऊर्जा का मान नहीं दे सकता। तन्य फाड़ में सामान्यतः पर्याप्त प्लास्टिक विरूपण आवश्यक होता है और इसमें अधिक ऊर्जा अवशोषित होती है। क्लिवेज-प्रधान फ्रैक्चर में आमतौर पर कम ऊर्जा अवशोषित होती है। इसलिए शीयर फ्रैक्चर का प्रतिशत, पार्श्व विस्तार और तन्य-से-भंगुर संक्रमण वक्र पर परिणाम की स्थिति, समान नाममात्र ऊर्जा की इंजीनियरिंग व्याख्या को बदल सकते हैं।

इंस्ट्रुमेंटेड परीक्षण बल-समय या बल-विस्थापन प्रतिक्रिया के बारे में अतिरिक्त जानकारी दे सकता है। ISO 14556:2023 इंस्ट्रुमेंटेड Charpy V-नॉच परीक्षण और अतिरिक्त फ्रैक्चर व्यवहार को मापने तथा रिकॉर्ड करने के लिए प्रयुक्त उपकरण निर्दिष्ट करता है; ISO 148-1:2016 उस इंस्ट्रुमेंटेड विधि को शामिल नहीं करता। मशीन की स्थिति भी महत्वपूर्ण है। ASTM E23 और ISO 148-2 सत्यापन आवश्यकताएँ प्रदान करते हैं, और NIST का Charpy Machine Verification Program आवधिक मशीन-जाँच के लिए प्रमाणित नमूनों का उपयोग करता है।

एक Charpy मान को सार्वभौमिक गुण मानने का खतरा

“इस इस्पात की Charpy टफनेस 80 J है” जैसा कथन अधूरा है। इसमें तापमान का उल्लेख न हो सकता है। इसी प्रकार नॉच ज्यामिति, नमूना अभिविन्यास, प्लेट की मोटाई, ऊष्मा-उपचार की स्थिति, नमूना लेने का स्थान, परीक्षण दिशा, नमूनों की संख्या, लागू मानक और फ्रैक्चर के स्वरूप का भी उल्लेख नहीं हो सकता। इनमें से प्रत्येक omission परिणाम के अर्थ को बदल सकता है।

फेरिटिक इस्पातों में तापमान घटने पर सामान्यतः तन्य-से-भंगुर संक्रमण दिखाई देता है। इसलिए कमरे के तापमान पर प्राप्त परिणाम, अधिक ठंडे सेवा-तापमान पर व्यवहार के बारे में बहुत कम आश्वासन दे सकता है। संक्रमण क्षेत्र के भीतर भी तापमान में छोटे परिवर्तन ऊर्जा और फ्रैक्चर विधि में बड़े बदलाव ला सकते हैं। अपर-शेल्फ ऊर्जा, संक्रमण-क्षेत्र ऊर्जा और लोअर-शेल्फ व्यवहार अलग-अलग फ्रैक्चर तंत्रों से उत्पन्न होते हैं। इसलिए जब Charpy आँकड़ों का उपयोग निम्न-सीमा फ्रैक्चर-टफनेस मान का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है, तो अलग-अलग सहसंबंध आवश्यक होते हैं। ऐसे सहसंबंध परिभाषित फेरिटिक-इस्पात स्थितियों के लिए इंजीनियरिंग स्क्रीनिंग में सहायक हो सकते हैं; वे अवशोषित ऊर्जा को समतल-विकृति फ्रैक्चर टफनेस में परिवर्तित नहीं करते।

चार्पी परिणाम की व्याख्या उसकी नमूना-चयन योजना और नमूना अभिविन्यास से स्वतंत्र रूप से नहीं की जा सकती। Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

नमूने का अभिविन्यास एक अन्य निर्णायक चर है। अनुदैर्ध्य Charpy नमूना, अनुप्रस्थ या मोटाई-दिशा वाले नमूने की तुलना में इस्पात का अलग प्रकार से नमूना-प्रतिनिधित्व करता है, क्योंकि रोलिंग दिशा, अंतर्वेश, बैंडिंग और दानेदार संरचना दरार-वृद्धि को प्रभावित करते हैं। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य Charpy V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-ग्रहण प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। इसलिए नमूना-ग्रहण परिणाम का हिस्सा है, न कि परीक्षण के बाद जोड़ा जाने वाला कोई प्रशासनिक विवरण।

साइड-ग्रूव वाले Charpy नमूनों के NIST के 2011 के आकलन में पाया गया कि साइड ग्रूव अपर-शेल्फ ऊर्जाओं पर संचित प्लास्टिक विरूपण को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं; स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक होती है। यह निष्कर्ष दर्शाता है कि नमूने की ज्यामिति मापी गई ऊर्जा और फ्रैक्चर सतह—दोनों को बदल सकती है।

Charpy परिणाम तब उपयोगी होता है, जब उसे एक परिभाषित परीक्षण-प्रेक्षण के रूप में रिपोर्ट किया जाए: पदार्थ की स्थिति, मानक, नॉच, अभिविन्यास, तापमान, नमूना-ग्रहण योजना, ऊर्जा और फ्रैक्चर का स्वरूप—इन सभी को साथ में दर्ज किया जाए। इस संदर्भ के बिना एक संख्या इस्पात का सार्वभौमिक गुण नहीं होती और अकेले उसके आधार पर सेवा-स्थितियों में फ्रैक्चर सुरक्षा स्थापित नहीं की जा सकती।

चार्पी पेंडुलम परीक्षण: नमूना, नॉच और फ्रैक्चर घटना

मानक चार्पी V-नॉच और U-नॉच नमूने

चार्पी परीक्षण में एक छोटी, आयताकार छड़ का उपयोग किया जाता है, जिसके एक फलक पर मशीन से नॉच बनाई जाती है। नमूने को दो आधारों के बीच क्षैतिज रूप से रखा जाता है और फिर नॉच के विपरीत फलक पर पेंडुलम से प्रहार किया जाता है। यह व्यवस्था दरार को एक नियंत्रित स्थान से आरंभ होने और शेष लिगामेंट में फैलने के लिए बाध्य करती है। परिणाम केवल “इस्पात” का गुण नहीं होता; यह एक विशिष्ट नमूने, नॉच, अभिविन्यास, तापमान और पदार्थ की स्थिति की प्रतिक्रिया होती है।

ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए चार्पी V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम प्रभाव परीक्षण निर्दिष्ट करता है। V-नॉच और U-नॉच पदनाम नॉच की प्रोफ़ाइल का वर्णन करते हैं, न कि दो परस्पर विनिमेय परीक्षण परिणामों का। V-नॉच की झुकी हुई भुजाएँ एक नियंत्रित मूल-वक्रता त्रिज्या पर मिलती हैं, जिससे अपेक्षाकृत तीव्र तनाव-सांद्रण उत्पन्न होता है। U-नॉच का मूल गोलाकार होता है और इसलिए उसका स्थानीय तनाव-क्षेत्र भिन्न होता है। नॉच की गहराई, सम्मिलित कोण, मूल-वक्रता त्रिज्या, नमूने के आयाम और सतह की फिनिश लागू मानक द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। इनमें छोटे विचलन भी फ्रैक्चर से पहले दरार के आरंभ और प्लास्टिक विरूपण को बदल सकते हैं।

नाममात्र आयाम (mm)

आमतौर पर प्रयुक्त पूर्ण-आकार के चार्पी नमूने के नाममात्र आयाम 10 mm × 10 mm × 55 mm होते हैं, हालांकि लागू मानक और उत्पाद विनिर्देशन अनुमत आयामों तथा छोटे-आकार के विकल्पों को नियंत्रित करते हैं। V-नॉच नमूने में नॉच सामान्यतः 2 mm गहरी होती है, जिसका सम्मिलित कोण 45 डिग्री और मूल-वक्रता त्रिज्या निर्दिष्ट होती है। ये आंकड़े एक मानकीकृत ज्यामिति का वर्णन करते हैं, न कि किसी भी प्रभाव नमूने के लिए सामान्य विधि का। इसी प्रकार U-नॉच के आयाम भी चयनित मानक के अनुसार निर्धारित होते हैं और उन्हें V-नॉच की प्रथा से अनुमानित नहीं किया जाना चाहिए।

ASTM E23 चार्पी सरल-बीम और Izod कैंटिलीवर-बीम प्रभाव परीक्षण, दोनों को शामिल करता है। यह अंतर महत्वपूर्ण है। Izod नमूने को कैंटिलीवर के रूप में पकड़ा जाता है और आधार के ऊपर प्रहार किया जाता है, जबकि चार्पी नमूना दोनों सिरों पर समर्थित होता है। एक विधि से प्राप्त मान को दूसरी विधि के नाम से रिपोर्ट नहीं किया जा सकता। ASTM E23 नमूने की आवश्यकताओं, प्रक्रियाओं, मशीन सत्यापन, रिपोर्टिंग और शीयर-फ्रैक्चर स्वरूप के निर्धारण से भी संबंधित है।

नॉच का अभिविन्यास सामान्यतः इस प्रकार रखा जाता है कि प्रहारक बिना नॉच वाले फलक पर भार डाले और नॉच मोड़ वाले खंड की तनन दिशा में स्थित हो। इसके बाद लिगामेंट के मुड़ने पर दरार नॉच के मूल से आरंभ होती है। नमूने के अभिविन्यास की भी रिपोर्ट की जानी चाहिए। उदाहरण के लिए, रोल्ड प्लेट में अनुदैर्ध्य चार्पी V-नॉच नमूना, अनुप्रस्थ या मोटाई-दिशा में लिए गए नमूने की तुलना में, रोलिंग दिशा, समावेशन, बैंडिंग और दानेदार संरचना के भिन्न संयोजन का प्रतिनिधित्व करता है। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य चार्पी V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। इसलिए नमूना-चयन भी रिपोर्ट किए गए परिणाम के अर्थ का एक भाग है।

पेंडुलम प्रभाव और अवशोषित ऊर्जा की गणना

प्रहार से पहले पेंडुलम को एक निर्धारित ऊँचाई तक उठाया जाता है और उसे ज्ञात स्थितिज ऊर्जा प्रदान की जाती है। वह नीचे की ओर झूलता है, नियंत्रित वेग से नमूने पर प्रहार करता है, छड़ को तोड़ता या मोड़ता है और विपरीत दिशा में कम ऊँचाई तक ऊपर उठता है। सरल रूप में, अवशोषित ऊर्जा होती है

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

जहाँ $m$ प्रभावी पेंडुलम द्रव्यमान, $g$ गुरुत्वीय त्वरण, तथा $h_1$ और $h_2$ पेंडुलम की प्रारंभिक और अंतिम ऊँचाइयाँ हैं। वास्तविक मशीनें यांत्रिक हानियों, घर्षण, वायुगतिकीय प्रतिरोध, प्रहारक की ज्यामिति और मशीन के अंशांकन को ध्यान में रखती हैं। प्रदर्शित मान को परंपरागत रूप से जूल में रिपोर्ट किया जाता है।[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

NIST चार्पी परीक्षण को उच्च-भार-दर वाला परीक्षण बताता है, जो फ्रैक्चर के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और प्रभाव-कठोरता का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है। NIST Charpy Machine Verification Program जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से मशीनों की समय-समय पर जाँच की जाती है; इसमें ASTM E23 और ISO 148-2 के अंतर्गत प्रमाणित नमूनों का उपयोग किया जाता है। सत्यापन यह स्थापित करता है कि मशीन स्वीकार्य परिणाम देती है; यह इस्पात की रासायनिक संरचना, ऊष्मा-उपचार, नमूना-तैयारी या नमूना-चयन से उत्पन्न भिन्नता को समाप्त नहीं करता।

इस ऊर्जा में नई दरार की सतह बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा से अधिक घटक शामिल होते हैं। इसमें प्रत्यास्थ और प्लास्टिक मोड़, दरार का आरंभ, स्थिर चीरन, घर्षणीय प्रभाव और घटना के दौरान होने वाला अन्य विरूपण भी शामिल है। उच्च मान अक्सर तन्य चीरन के साथ पाया जाता है, जबकि निम्न मान सामान्यतः क्लिवेज-प्रधान फ्रैक्चर के साथ पाया जाता है; लेकिन केवल ऊर्जा से फ्रैक्चर की पूरी प्रक्रिया की पहचान नहीं की जा सकती। टूटे हुए पृष्ठ का परीक्षण किया जाना चाहिए और जहाँ आवश्यक हो, शीयर-फ्रैक्चर स्वरूप को दर्ज किया जाना चाहिए।

तापमान परिणाम को तीव्र रूप से बदल सकता है। फेरिटिक इस्पात, जैसे कार्बन और निम्न-मिश्रधातु संरचनात्मक इस्पात के अनेक ग्रेड, तापमान घटने पर तन्य-से-भंगुर संक्रमण प्रदर्शित कर सकते हैं। कमरे के तापमान पर प्राप्त एक मान, शीतकालीन डिजाइन तापमान, वेल्ड के ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र या सेवा के दौरान तीव्र दरार-घटना में व्यवहार का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकता। चार्पी ऊर्जा फेरिटिक इस्पात में निम्न-सीमा फ्रैक्चर-कठोरता का अनुमान लगाने के लिए निर्दिष्ट सहसंबंधों का समर्थन कर सकती है, लेकिन निम्न-शेल्फ, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-शेल्फ व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। यह समतल-विकृति फ्रैक्चर-कठोरता का मान नहीं है और न ही यह सीधे दरार-रोक प्रदर्शन स्थापित करता है। पाइपलाइन-इस्पात के दरार-रोक व्यवहार के लिए ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण एक अलग विधि है, जिसमें प्रभाव तापमानों की पूरी श्रेणी में तन्य-शीयर और क्लिवेज अंशों को मापा जाता है।

सरल-बीम ज्यामिति, आधार स्थितियाँ और नॉच का अभिविन्यास

प्रहार के दौरान चार्पी नमूना लगभग सरलता से समर्थित बीम की तरह व्यवहार करता है। इसके सिरे निर्धारित स्पैन पर निहाई पर टिके होते हैं, जबकि प्रहारक मध्य-बिंदु के निकट एक संकेंद्रित भार लगाता है। आधार, स्पैन, प्रहारक की त्रिज्या, क्लियरेंस, संरेखन और प्रहार वेग, सभी मोड़ के तनाव तथा नॉच के आसपास प्रतिबंध की मात्रा को प्रभावित करते हैं। यदि कोई नमूना ठीक से स्थापित न हो, गलत संरेखित हो, क्षतिग्रस्त हो या निर्दिष्ट स्थान से हटकर प्रहारित किया जाए, तो उसके आयाम सही दिखाई देने पर भी वह भ्रामक मान दे सकता है।

नॉच का अभिविन्यास यह नियंत्रित करता है कि दरार-पथ के आर-पार पदार्थ की कौन-सी दिशा स्थित होगी। रोलिंग टेक्सचर, लम्बे समावेशन, वेल्ड के ठोसकरण की संरचना, पृथक्करण और पूर्व विरूपण के कारण अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ और मोटाई-दिशा के परिणामों में पर्याप्त अंतर हो सकता है। मशीनिंग के निशान, अत्यधिक मूल-वक्रता त्रिज्या, बर्र, संक्षारण और तैयारी के दौरान उत्पन्न ऊष्मा भी दरार के आरंभ को बदल सकते हैं। तुलनीयता के लिए समान मानक, नॉच का प्रकार, आयाम, अभिविन्यास, तापमान, आधार व्यवस्था और तैयारी का इतिहास आवश्यक हैं।

साइड ग्रूव यह दर्शाते हैं कि ज्यामिति फ्रैक्चर व्यवहार को और किस प्रकार बदल सकती है। NIST ने 2011 में रिपोर्ट किया कि साइड ग्रूव ऊपरी-शेल्फ ऊर्जा पर प्लास्टिक-विरूपण के संचय को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं; तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट स्प्लिटिंग की तीव्रता सबसे अधिक होती है। ऐसे नमूने किसी परिभाषित जाँच के लिए उपयोगी हो सकते हैं, लेकिन किसी निर्दिष्ट विधि के उल्लेख के बिना उनके परिणामों को सामान्य चार्पी मानों के साथ नहीं मिलाया जाना चाहिए।[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

ISO 14556:2023 उपकरणयुक्त चार्पी V-नॉच पेंडुलम प्रभाव परीक्षण निर्दिष्ट करता है, जिसमें फ्रैक्चर व्यवहार के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्रदान करने के लिए बल और विस्थापन या संबंधित संकेत दर्ज किए जाते हैं। ISO 148-1:2016 इस उपकरणयुक्त विधि को पारंपरिक ऊर्जा परीक्षण के स्थान पर उपयोग करने का प्रावधान नहीं करता। पारंपरिक चार्पी परिणाम एक नियंत्रित प्रहार-घटना की मानकीकृत प्रतिक्रिया है—यह प्रत्येक सेवा-दरार, भार-इतिहास, प्रतिबंध की स्थिति या दरार-रोक समस्या का प्रत्यक्ष अनुकरण नहीं है।

ASTM E23, ISO 148-1:2016 और ISO 14556:2023

चार्पी परिणाम मानकीकृत माप होते हैं, लेकिन विभिन्न मानकों के अंतर्गत प्राप्त परिणाम स्वतः एक-दूसरे के स्थान पर प्रयोज्य नहीं होते। रिपोर्ट किया गया मान परीक्षण-नमूने, नॉच, अभिविन्यास, परीक्षण-तापमान, पेंडुलम मशीन, सत्यापन-स्थिति, पदार्थ की अवस्था और रिपोर्टिंग नियमों पर निर्भर करता है। यह अवशोषित आघात-ऊर्जा का भी वर्णन करता है—समतल-विकृति फ्रैक्चर टफनेस, दरार-रोक प्रतिरोध या भंग व्यवहार के प्रत्येक पहलू का नहीं।

NIST चार्पी परीक्षण को उच्च-लोडिंग-दर वाला परीक्षण बताता है, जो भंग के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और आघात-टफनेस का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है (NIST, 2024)। यह अंतर फेरिटिक इस्पातों के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि तापमान घटने पर उनमें सामान्यतः तन्य-से-भंगुर संक्रमण होता है। इसलिए कमरे के तापमान पर प्राप्त परिणाम कम सेवा-तापमान पर ऊर्जा में होने वाली तीव्र कमी को छिपा सकता है।

ASTM E23 क्या नियंत्रित और रिपोर्ट करता है[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

ASTM E23 में चार्पी सरल-बीम आघात परीक्षण और इज़ोड कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण, दोनों शामिल हैं (ASTM International, 2025)। चार्पी परीक्षण के लिए इसकी आवश्यकताओं में परीक्षण-नमूने के आयाम और नॉच का विवरण, नमूने का सहारा और अभिविन्यास, परीक्षण प्रक्रिया, मशीन का संचालन, सत्यापन और रिपोर्टिंग शामिल हैं। मानक में अपरूपण-भंग उपस्थिति का निर्धारण भी शामिल है, जिससे भंग-सतह अवशोषित-ऊर्जा परिणाम की पूरक जानकारी प्रदान कर सकती है।

इस व्यापक दायरे के कारण रिपोर्ट किया गया अंक केवल पेंडुलम का पाठ नहीं रह जाता, लेकिन इससे परीक्षण प्रत्यक्ष फ्रैक्चर-टफनेस मापन में परिवर्तित नहीं हो जाता। मशीन टूटे हुए नमूने से संबद्ध ऊर्जा-अंतर दर्ज करती है, जिसे सामान्यतः जूल या फुट-पाउंड में रिपोर्ट किया जाता है। यह मान तभी सार्थक होता है जब इसके साथ नॉच का प्रकार, नमूने का अभिविन्यास, परीक्षण-तापमान, पदार्थ की पहचान और लागू स्वीकृति-आवश्यकता भी दी गई हो।

मशीन की स्थिति मापन-श्रृंखला का एक हिस्सा है। ASTM E23 और ISO 148-2 के अंतर्गत NIST के चार्पी मशीन सत्यापन कार्यक्रम जैसी योजनाओं के माध्यम से चार्पी मशीनों का प्रमाणित संदर्भ-नमूनों से समय-समय पर सत्यापन किया जाता है। जिस मशीन ने लागू सत्यापन-आवश्यकताओं को पूरा नहीं किया है, वह संख्यात्मक रूप से सटीक परिणाम दे सकती है, फिर भी वह तुलना के लिए अनुपयुक्त हो सकती है।

ASTM E23 प्रत्येक इस्पात उत्पाद के लिए नमूना-चयन के संपूर्ण अर्थ को भी परिभाषित नहीं करता। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य चार्पी V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। इसलिए समान आघात-प्रक्रिया से प्राप्त दो परिणाम, यदि उनकी नमूना-चयन योजनाएँ अलग हों, तो उत्पादन-निगरानी के भिन्न स्तरों का प्रतिनिधित्व कर सकते हैं।

भंग की उपस्थिति ऐसी जानकारी प्रदान करती है जो केवल ऊर्जा से प्राप्त नहीं हो सकती। तन्य अपरूपण सामान्यतः अधिक ऊर्जा अवशोषित करता है, जबकि क्लिवेज-प्रधान भंग सामान्यतः कम ऊर्जा अवशोषित करता है। अपरूपण-भंग का प्रतिशत यह पहचानने में सहायता कर सकता है कि कोई नमूना संक्रमण-वक्र पर किस स्थिति में है, हालांकि उपस्थिति-मापन को लागू रिपोर्टिंग प्रक्रिया का पालन करना चाहिए। उच्च-ऊर्जा ऊपरी-पठार परिणाम $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ या दरार-रोक टफनेस का कोई विशिष्ट मान स्थापित नहीं करता।

पारंपरिक चार्पी परीक्षण के लिए ISO 148-1:2016 का दायरा

ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए चार्पी V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम आघात परीक्षण निर्दिष्ट करता है (ISO, 2016)। यह पारंपरिक परीक्षण व्यवस्था को परिभाषित करता है: एक नॉचयुक्त नमूने को सरल बीम की तरह सहारा दिया जाता है और निर्दिष्ट परिस्थितियों में पेंडुलम स्ट्राइकर द्वारा तोड़ा जाता है। इससे प्राप्त अवशोषित ऊर्जा, विधि द्वारा परिभाषित आघात-मान होती है, सार्वभौमिक पदार्थ-स्थिरांक नहीं।

V-नॉच और U-नॉच विन्यास एक-दूसरे के स्थान पर प्रयोज्य नहीं हैं। उनकी नॉच-ज्यामिति प्रतिबल-सांद्रण, प्लास्टिक विरूपण, दरार आरंभ और नमूने को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा को बदल देती है। इसलिए ISO 148-1:2016 के परिणामों और किसी अन्य विधि से प्राप्त परिणामों की तुलना करते समय नमूने के आयाम, नॉच का रूप, अभिविन्यास, तापमान, स्ट्राइकर का विवरण और मशीन का सत्यापन साथ में दिया जाना चाहिए।

ISO 148-1:2016 में इंस्ट्रूमेंटेड चार्पी परीक्षण शामिल नहीं है। इसका संबंध पारंपरिक पेंडुलम परीक्षण और अवशोषित-ऊर्जा निर्धारण से है; बल और विस्थापन के रिकॉर्ड की आवश्यकता वाले मापन ISO 14556 के अंतर्गत आते हैं। ISO 148-2 चार्पी पेंडुलम आघात मशीनों के सत्यापन को संबोधित करता है। इसलिए ISO 148-1:2016 का अनुपालन इस बात का प्रमाण नहीं माना जाना चाहिए कि असत्यापित मशीन तुलनीय आँकड़े उत्पन्न करती है।[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

मानक का दायरा पदार्थ-विशिष्ट प्रभावों को भी समाप्त नहीं करता। तापमान बदलने पर फेरिटिक इस्पात निम्न-पठार, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-पठार प्रदर्शित कर सकता है। इन क्षेत्रों में चार्पी ऊर्जा का उपयोग निम्न-सीमा फ्रैक्चर-टफनेस मान का अनुमान लगाने के लिए किए जाने पर अलग-अलग संबंधों की आवश्यकता होती है; निम्न-पठार, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-पठार व्यवहार के संबंध समान नहीं होते (TWI, 2024)। ऐसे सहसंबंध केवल उनकी निर्दिष्ट पदार्थ, ज्यामिति और तापमान-सीमाओं के भीतर ही लागू होते हैं।[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

2011 में प्रकाशित साइड-ग्रूव वाले चार्पी नमूनों पर NIST के शोध में पाया गया कि साइड-ग्रूव ऊपरी-पठार ऊर्जा पर संचित प्लास्टिक विरूपण को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं। स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक थी। यह निष्कर्ष दर्शाता है कि नमूना-तैयारी नाममात्र चार्पी लेबल को बदले बिना भंग व्यवहार को बदल सकती है।

ISO 14556:2023 के अंतर्गत इंस्ट्रूमेंटेड चार्पी परीक्षण

ISO 14556:2023 इंस्ट्रूमेंटेड चार्पी V-नॉच पेंडुलम आघात परीक्षण तथा इसके लिए प्रयुक्त मापन और रिकॉर्डिंग उपकरण निर्दिष्ट करता है (ISO, 2023)। पेंडुलम की समग्र अवशोषित ऊर्जा के अतिरिक्त, इंस्ट्रूमेंटेड प्रणाली आघात के दौरान बल-संबंधी आँकड़े रिकॉर्ड करती है। इससे मानक की मापन-आवश्यकताओं और आँकड़ा-व्याख्या के अधीन दरार आरंभ, अस्थिर प्रसार और उसके बाद होने वाले भंग जैसे चरणों का विश्लेषण किया जा सकता है।

इससे केवल एक समेकित ऊर्जा-मान के बजाय भंग व्यवहार के बारे में जानकारी प्राप्त हो सकती है। बल-विस्थापन या बल-समय अभिलेख आरंभ-ऊर्जा और प्रसार-ऊर्जा के बीच अंतर करने में सहायता कर सकते हैं तथा तन्य विदारण, क्लिवेज और मिश्रित भंग के बीच अंतर प्रकट कर सकते हैं। अतिरिक्त संकेत स्वतः समतल-विकृति फ्रैक्चर-टफनेस मान उत्पन्न नहीं करते; नमूने का आकार, प्रतिबंध, नॉच की तीक्ष्णता, अंशांकन और विश्लेषण की धारणाएँ अब भी महत्वपूर्ण रहती हैं।

ISO 14556:2023 विशेष रूप से इंस्ट्रूमेंटेड चार्पी V-नॉच विधि है। इसके परिणामों को पारंपरिक ISO 148-1:2016 V-नॉच मानों या ASTM E23 मानों के साथ बिना सावधानी के नहीं मिलाया जाना चाहिए, भले ही नमूने देखने में समान प्रतीत हों। अलग-अलग उपकरण, अंशांकन, परिभाषाएँ, फ़िल्टरिंग, रिपोर्टिंग परिपाटियाँ और स्वीकृति-मानदंड रिपोर्ट की गई राशियों को बदल सकते हैं।

चार्पी परीक्षण को ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण के साथ भी भ्रमित नहीं करना चाहिए। यह एक अलग विधि है, जिसमें पाइपलाइन-इस्पात के दरार-रोक व्यवहार का परीक्षण आघात-तापमानों की एक श्रेणी में तन्य-अपरूपण और क्लिवेज अंशों को मापकर किया जाता है। यह एक अलग इंजीनियरी प्रश्न का उत्तर देती है। चार्पी ऊर्जा, इंस्ट्रूमेंटेड आघात आँकड़े, भंग-उपस्थिति और दरार-रोक मापन परस्पर संबंधित साक्ष्य हैं, एक-दूसरे के स्थान पर प्रयोज्य लेबल नहीं।

मशीन सत्यापन, अंशांकन और परिणाम की विश्वसनीयता

प्रत्यक्ष सत्यापन और प्रमाणित संदर्भ नमूने

Charpy परिणाम तभी विश्वसनीय होता है जब संपूर्ण परीक्षण प्रणाली यह प्रदर्शित कर चुकी हो कि वह ज्ञात प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है। मशीन सत्यापन यही प्रमाण प्रदान करता है। यह केवल यह जाँचने के समान नहीं है कि पेंडुलम झूलता है या नहीं, नमूना एनविलों के बीच फिट होता है या नहीं, अथवा स्केल कोई संभावित संख्या प्रदर्शित करता है या नहीं।

ASTM E23 और ISO 148-2 के अंतर्गत, प्रत्यक्ष सत्यापन में स्थापित आघात-ऊर्जा मानों वाले प्रमाणित संदर्भ नमूनों का उपयोग किया जाता है। प्रयोगशाला इन नमूनों को मशीन पर तोड़ती है और मापे गए परिणामों की तुलना प्रमाणित सीमा से करती है। चूँकि संदर्भ नमूनों का व्यवहार ज्ञात होता है, इसलिए वे केवल अलग-अलग आयामों की जाँच करने के बजाय वास्तविक आघात परिस्थितियों में मशीन और उसकी मापन-श्रृंखला का परीक्षण करते हैं।

यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि Charpy परीक्षण उच्च-लोडिंग-दर वाला मापन है। NIST के अनुसार, यह परीक्षण भंग के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और आघात-कठोरता का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है। पेंडुलम को अल्प-अवधि वाली भंग-घटना के माध्यम से ऊर्जा स्थानांतरित करनी होती है, जबकि मशीन अपनी प्रारंभिक और अंतिम ऊर्जा के बीच का अंतर दर्ज करती है। इसलिए छोटी यांत्रिक हानियाँ या ज्यामितीय त्रुटियाँ रिपोर्ट किए गए मान को प्रभावित कर सकती हैं।

प्रत्यक्ष सत्यापन एक साथ कई विफलता-प्रकारों को उजागर कर सकता है। अत्यधिक पेंडुलम घर्षण आघात से पहले उपलब्ध ऊर्जा को कम कर देता है। क्षतिग्रस्त, गोलाकार, अनुचित अभिविन्यास वाला या गलत आयाम वाला स्ट्राइकर नॉच पर लगने वाले भार को बदल देता है। घिसे हुए एनविल या गलत सपोर्ट-अंतराल से झुकने और संपर्क की स्थितियाँ बदल जाती हैं। सपोर्ट का गलत संरेखण मरोड़ या असमान प्रतिबंध उत्पन्न कर सकता है। मशीन फिर भी साफ भंग और विश्वसनीय दिखने वाला डायल-पाठ प्रदर्शित कर सकती है, जबकि वह संदर्भ-नमूना आवश्यकता को पूरा न करती हो।

मशीन की क्षमता की भी एक निश्चित भूमिका होती है। इच्छित ऊर्जा-सीमा के लिए अत्यधिक बड़ी क्षमता वाला पेंडुलम कम विभेदन दे सकता है, जबकि अपर्याप्त क्षमता वाली मशीन नमूने को सही ढंग से भंग नहीं कर सकती या अपनी सीमा के निकट मापन-सटीकता खो सकती है। लागू मानक और मशीन का डिजाइन अनुमत क्षमता, ऊर्जा-सीमा, स्ट्राइकर-ज्यामिति, नमूना-सपोर्ट और संकेत-प्रणाली निर्धारित करते हैं।

सत्यापन, अंशांकन का मात्र पर्याय नहीं है। अंशांकन सामान्यतः किसी मापन-तत्व की सटीकता को अनुरेखणीय संदर्भ के विरुद्ध निर्धारित करने से संबंधित होता है। सत्यापन यह पूछता है कि क्या यांत्रिक घटकों और ऊर्जा-संकेत सहित संपूर्ण Charpy मशीन निर्धारित परीक्षण में स्वीकार्य परिणाम उत्पन्न करती है। कोई प्रयोगशाला एन्कोडर का अंशांकन कर सकती है या स्केल का निरीक्षण कर सकती है, फिर भी उसकी मशीन प्रत्यक्ष सत्यापन में विफल हो सकती है क्योंकि स्ट्राइकर, बेयरिंग, घर्षण या सपोर्ट दोषपूर्ण हैं।

NIST का Charpy मशीन सत्यापन कार्यक्रम

NIST का Charpy मशीन सत्यापन कार्यक्रम ASTM E23 और ISO 148-2 के अनुसार प्रमाणित नमूनों का उपयोग करके Charpy मशीनों के आवधिक सत्यापन में सहायता करता है। यह कार्यक्रम इसलिए मौजूद है क्योंकि मशीन-दर-मशीन अंतर इतने बड़े हो सकते हैं कि वे पदार्थों के बीच के अंतर को अस्पष्ट कर दें, विशेषकर तब जब मापी गई ऊर्जाएँ किसी विनिर्देशन-सीमा के निकट हों या जब विभिन्न प्रयोगशालाओं के परिणामों की तुलना की जा रही हो।

प्रमाणित नमूने उत्पादन-नमूनों के विकल्प नहीं हैं। वे नियंत्रण-पदार्थ हैं, जिनका उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया जाता है कि मशीन की मापी गई प्रतिक्रिया स्वीकृत सीमा के भीतर आती है या नहीं। सफल परिणाम सत्यापन के समय परीक्षण-प्रणाली के संबंध में विश्वास का समर्थन करता है; यह प्रत्येक भावी परीक्षण को प्रमाणित नहीं करता और न ही यह सिद्ध करता है कि प्रत्येक नमूना सही ढंग से तैयार, अभिविन्यासित, कंडीशन किया और परीक्षण किया गया था।

औपचारिक सत्यापनों के बीच नियमित जाँच आवश्यक रहती है। कर्मियों को स्ट्राइकर और एनविल के आयाम, सपोर्ट का संरेखण, पेंडुलम की स्थिति, मशीन का स्तर, घर्षण-हानियाँ, संकेतक या उपकरण की कार्यक्षमता तथा सुरक्षा-रक्षकों और रोकथाम उपकरणों की स्थिति की पुष्टि करनी चाहिए। नमूने को अपेक्षित आयाम, नॉच-त्रिज्या, नॉच-गहराई, नॉच-अभिविन्यास और सतह-अवस्था पूरी करनी चाहिए। नॉच का निरीक्षण गड़गड़ाहट, अत्यधिक खुरदरापन, मशीनिंग-चिह्नों या सहनशीलता से बाहर की त्रिज्या की पहचान कर सकता है। ये जाँचें नमूने और मशीन की ज्यामिति से संबंधित हैं; प्रत्यक्ष सत्यापन संपूर्ण संयोजित प्रणाली की मापी गई भंग-प्रतिक्रिया से संबंधित होता है।

तापमान-नियंत्रण अनिश्चितता का एक अलग स्रोत है। फेरिटिक इस्पात में तापमान घटने पर तन्य, उच्च-ऊर्जा भंग से क्लिवेज-प्रधान, निम्न-ऊर्जा भंग की ओर संक्रमण हो सकता है। गलत तापमान पर परीक्षण किया गया नमूना पूरी तरह पुनरुत्पाद्य संख्या दे सकता है, लेकिन वह गलत प्रश्न का उत्तर होगी। प्रयोगशाला को कंडीशनिंग समय, स्थानांतरण समय, स्नान या कक्ष के तापमान तथा नमूने द्वारा वास्तव में प्राप्त तापमान को नियंत्रित करना चाहिए। ऑपरेटर की प्रक्रिया भी उतनी ही महत्वपूर्ण है: गलत केंद्रीकरण, उलटा हुआ नमूना, विलंबित रिलीज़ या गलत नॉच-अभिविन्यास अन्यथा सफल मशीन-परीक्षण को अमान्य कर सकता है।

ASTM E23 में Charpy सरल-बीम और Izod कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण शामिल हैं, जिनमें मशीन सत्यापन, रिपोर्टिंग और शीयर-भंग उपस्थिति का निर्धारण भी सम्मिलित है। ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए Charpy V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम परीक्षण निर्दिष्ट करता है। इंस्ट्रूमेंटेड परीक्षण अलग है: ISO 14556:2023 इंस्ट्रूमेंटेड Charpy V-नॉच परीक्षण और अतिरिक्त भंग-सूचना दर्ज करने के लिए प्रयुक्त उपकरणों से संबंधित है।

सही दिखाई देने वाला आघात-मान फिर भी अविश्वसनीय क्यों हो सकता है

कोई संख्यात्मक परिणाम उचित दिखाई दे सकता है और फिर भी उसमें पदार्थ-संबंधी अर्थ का अभाव हो सकता है। सत्यापन नमूने-दर-नमूने प्रसरण, हीट-दर-हीट भिन्नता, अभिविन्यास-प्रभावों या नमूना-चयन की त्रुटियों को समाप्त नहीं कर सकता। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य Charpy V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। इसलिए नमूना-चयन योजना उस परिणाम के अर्थ का हिस्सा है। किसी अप्रतिनिधि स्थान से लिए गए तीन सही ढंग से परीक्षण किए गए नमूने संपूर्ण संरचना का निरूपण नहीं करते।

भंग का स्वरूप ऐसी जानकारी प्रदान करता है जो केवल ऊर्जा-मान से प्राप्त नहीं हो सकती। तन्य शीयर में सामान्यतः क्लिवेज की तुलना में अधिक ऊर्जा खर्च होती है, लेकिन समान अवशोषित ऊर्जा शीयर, क्लिवेज, स्प्लिटिंग और प्लास्टिक विरूपण के विभिन्न संयोजनों से उत्पन्न हो सकती है। NIST ने 2011 में रिपोर्ट किया कि साइड-ग्रूव ऊपरी-प्लेटो ऊर्जा पर प्लास्टिक-विरूपण के संचय को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं; स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक होती है। नमूने की ज्यामिति भंग-प्रक्रिया को बदल सकती है।

Charpy ऊर्जा, प्लेन-स्ट्रेन भंग-कठोरता का मान भी नहीं है। सहसंबंध निर्दिष्ट फेरिटिक इस्पातों और तापमान-क्षेत्रों के लिए निम्न-सीमा भंग-कठोरता का अनुमान दे सकते हैं, लेकिन निम्न-प्लेटो, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-प्लेटो व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। कमरे के तापमान पर प्राप्त मान निम्न-तापमान सेवा का वर्णन नहीं कर सकता, जब इस्पात तन्य-से-भंगुर संक्रमण से गुजरता है।[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

अंततः, Charpy परीक्षण क्रैक-अरेस्ट परीक्षण का विकल्प नहीं है। ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण आघात तापमानों के दौरान तन्य-शीयर और क्लिवेज अंशों के माध्यम से पाइपलाइन-इस्पात के क्रैक-अरेस्ट व्यवहार का मूल्यांकन करता है। यह एक अलग प्रश्न का उत्तर देता है। सत्यापित मशीन Charpy संख्या को मापन के रूप में अधिक विश्वसनीय बनाती है; वह उस संख्या को भंग-प्रतिरोध का संपूर्ण विवरण नहीं बनाती।

तापमान, फेरिटिक इस्पात और तन्य से भंगुर संक्रमण

तापमान घटने पर फेरिटिक इस्पातों में अक्सर तन्य से भंगुर संक्रमण दिखाई देता है। अधिक गर्म तापमान पर नॉच के आसपास प्लास्टिक विरूपण विकसित हो सकता है और नमूना अलग होने से पहले पर्याप्त आघात ऊर्जा अवशोषित कर सकता है। कम तापमान पर विस्थापन की गति अधिक प्रतिबंधित हो जाती है, नॉच की जड़ पर स्थानीय तनाव तेजी से बढ़ता है और सीमित प्लास्टिक विरूपण के साथ क्लिवेज फैल सकता है। इस परिवर्तन को किसी एक सार्वभौमिक तापमान या किसी एक Charpy मान से अभिव्यक्त नहीं किया जा सकता।

Charpy परीक्षण किसी निर्दिष्ट तापमान और भारण-दर पर, फ्रैक्चर के दौरान नॉचयुक्त नमूने द्वारा अवशोषित ऊर्जा दर्ज करता है। NIST इसे उच्च-भारण-दर परीक्षण और आघात दृढ़ता का अप्रत्यक्ष माप बताता है, न कि समतलीय-विकृति फ्रैक्चर-दृढ़ता का प्रत्यक्ष परीक्षण। परिणाम नॉच के आकार, नमूने की अभिविन्यास-दिशा, प्लेट या उत्पाद की स्थिति, परीक्षण-विधि और नमूना-चयन पर भी निर्भर करता है। ASTM E23 में Charpy सरल-बीम और Izod कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण शामिल हैं, जबकि ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए Charpy V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम परीक्षण निर्दिष्ट करता है। परिणामों की तुलना करते समय इन पदनामों और प्रक्रियाओं का महत्व होता है।

निचली शेल्फ, संक्रमण क्षेत्र और ऊपरी शेल्फ

निचला पठारनिचला पठार फेरिटिक-इस्पात चार्पी वक्र का ठंडे तापमान वाला क्षेत्र, जहाँ अवशोषित ऊर्जाएँ अपेक्षाकृत कम होती हैं और भंग सामान्यतः क्लिवेज-प्रधान होता है।

परिचित Charpy तापमान वक्र को सामान्यतः तीन व्याख्यात्मक क्षेत्रों में विभाजित किया जाता है। निचली शेल्फ वह निम्न-तापमान क्षेत्र है जिसमें अवशोषित ऊर्जाएँ अपेक्षाकृत कम रहती हैं और तापमान के साथ उनमें होने वाले परिवर्तन सीमित हो सकते हैं। फ्रैक्चर मुख्यतः क्लिवेज-जैसा होता है, हालांकि छोटे तन्य क्षेत्र या शीयर लिप्स फिर भी दिखाई दे सकते हैं। निचली शेल्फ का कम मान सीमित प्लास्टिक ऊर्जा-अवशोषण का संकेत देता है; लेकिन यह अपने-आप में किसी संरचना में दरार-प्रसार का पूर्ण विवरण प्रदान नहीं करता।

संक्रमण क्षेत्र निचली और ऊपरी शेल्फ के बीच स्थित होता है। यहाँ तापमान में मामूली परिवर्तन से अवशोषित ऊर्जा और फ्रैक्चर की आकृति में बड़ा परिवर्तन हो सकता है। कुछ नमूनों में एक ही फ्रैक्चर सतह पर क्लिवेज और तन्य शीयर दोनों दिखाई दे सकते हैं तथा परिणामों में प्रसरण पर्याप्त हो सकता है। इसलिए किसी निर्दिष्ट ऊर्जा से संबद्ध तापमान, जैसे कि अनुबंध में निर्धारित आवश्यकता, स्वतः ही पदार्थ का भौतिक संक्रमण तापमान नहीं होता। किसी अन्य परिभाषा में मध्यबिंदु ऊर्जा, फ्रैक्चर-आकृति का मानदंड या शीयर फ्रैक्चर का निर्दिष्ट प्रतिशत उपयोग किया जा सकता है।

ऊपरी शेल्फ पर अंतिम रूप से अलग होने से पहले व्यापक प्लास्टिक विरूपण के माध्यम से नमूना बहुत अधिक ऊर्जा अवशोषित करता है। फिर भी मापा गया मान प्रत्यक्ष फ्रैक्चर-दृढ़ता मान नहीं होता। ऊपरी-शेल्फ Charpy ऊर्जा नमूने के आयामों, नॉच की तीक्ष्णता, विकृति-दर, अभिविन्यास और प्रतिबंध से प्रभावित होती है। NIST ने 2011 में रिपोर्ट किया कि Charpy नमूनों में साइड-ग्रूव ऊपरी-शेल्फ ऊर्जाओं पर प्लास्टिक विरूपण के संचय को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं; स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य से भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक होती है। साइड-ग्रूव वाले परिणाम को बिना संशोधन वाले मानक नमूने के परिणाम के साथ परस्पर विनिमेय नहीं माना जाना चाहिए।

ये क्षेत्र “खराब” से “अच्छे” तक किसी सीधी मापनी के बिंदु नहीं हैं। जैसा कि TWI ने 2024 में उल्लेख किया है, निचली-शेल्फ, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-शेल्फ व्यवहार के लिए Charpy ऊर्जा को फ्रैक्चर-दृढ़ता की निम्न-सीमा से सहसंबद्ध करने हेतु अलग-अलग संबंधों का उपयोग किया जाता है। ऐसे सहसंबंधों के लिए प्रयोज्य इस्पात वर्ग, तापमान-सीमा, नमूना विन्यास और प्रतिबंध संबंधी मान्यताएँ आवश्यक होती हैं। Charpy ऊर्जा आघात ऊर्जा ही रहती है और इसे जूल में मापा जाता है; फ्रैक्चर-दृढ़ता को सामान्यतः $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ या किसी संबंधित दरार-शीर्ष मापदंड जैसे पैरामीटरों के माध्यम से व्यक्त किया जाता है।

क्लिवेज फ्रैक्चर बनाम तन्य शीयर

क्लिवेज एक तीव्र, भंगुर फ्रैक्चर प्रक्रिया है जिसमें दरार पहले के बहुत कम प्लास्टिक विरूपण के साथ पसंदीदा क्रिस्टलोग्राफिक तलों के अनुदिश आगे बढ़ती है। इसकी फ्रैक्चर सतह अक्सर अपेक्षाकृत चमकीली और दानेदार दिखाई देती है। चूँकि इसमें प्लास्टिक कार्य सीमित मात्रा में होता है, इसलिए क्लिवेज-प्रधान नमूने सामान्यतः कम Charpy ऊर्जा अवशोषित करते हैं। इस प्रकार निचली शेल्फ कम ऊर्जा और भंगुर फ्रैक्चर के उच्च अनुपात से संबद्ध होती है, हालांकि वास्तविक आकृति इस्पात, अभिविन्यास, नॉच और परीक्षण तापमान पर निर्भर करती है।

तन्य फ्रैक्चर प्लास्टिक प्रवाह तथा सूक्ष्म रिक्तियों के अंकुरण, वृद्धि और परस्पर जुड़ने के माध्यम से विकसित होता है। इसमें सामान्यतः अधिक ऊर्जा खर्च होती है और रेशेदार या मटमैली दिखाई देने वाली सतह बनती है, जिसमें अक्सर बाहरी फलकों के निकट शीयर लिप्स होते हैं। संक्रमण क्षेत्र में एक ही फ्रैक्चर सतह पर दोनों तंत्र मौजूद हो सकते हैं। फ्रैक्चर की आकृति बताए बिना अवशोषित ऊर्जा की रिपोर्ट करने से यह परिवर्तन छिप सकता है।

इसी कारण मानकों और विनिर्देशों में ऊर्जा के साथ-साथ शीयर फ्रैक्चर का प्रतिशत भी अपेक्षित हो सकता है। मध्यम ऊर्जा और मिश्रित फ्रैक्चर वाला नमूना, उसी ऊर्जा वाले लेकिन मुख्यतः तन्य शीयर वाले नमूने से अलग स्थिति दर्शाता है। ASTM E23 में शीयर-फ्रैक्चर आकृति का निर्धारण और रिपोर्टिंग संबंधी आवश्यकताएँ शामिल हैं। इंस्ट्रुमेंटेड परीक्षण घटना के दौरान बल, विस्थापन और अवशोषित ऊर्जा संबंधी अतिरिक्त जानकारी दे सकता है: ISO 14556:2023 इंस्ट्रुमेंटेड Charpy V-नॉच परीक्षण से संबंधित है, जबकि ISO 148-1:2016 उस इंस्ट्रुमेंटेड विधि को शामिल नहीं करता।

ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण एक और उपयोगी भेद प्रदान करता है। यह दरार-अवरोध व्यवहार के लिए पाइपलाइन-इस्पात की एक अलग विधि है, जिसमें आघात तापमानों की एक श्रेणी में तन्य-शीयर और क्लिवेज अंशों का आकलन किया जाता है। इसके परिणामों को Charpy ऊर्जा के स्थान पर नहीं रखा जाना चाहिए और न ही इन्हें उसी माप के रूप में प्रस्तुत किया जाना चाहिए।

सेवा तापमान को परीक्षण तापमान का निर्धारण क्यों करना चाहिए

निर्धारक परीक्षण तापमान को संबंधित सेवा-स्थिति की न्यूनतम प्रासंगिक दशा का प्रतिनिधित्व करना चाहिए; साथ ही लागू डिज़ाइन कोड और विनिर्देश के अनुसार आवश्यक भत्ते भी शामिल किए जाने चाहिए। कमरे के तापमान पर प्राप्त Charpy परिणाम केवल उस परीक्षण की गई स्थिति पर या उसके निकट प्रदर्शन स्थापित करता है। इससे अधिक ठंडे डिज़ाइन तापमान पर निचली शेल्फ की स्थिति, संक्रमण व्यवहार या फ्रैक्चर की आकृति स्थापित नहीं की जा सकती।

यह सीमा फेरिटिक संरचनात्मक इस्पातों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य Charpy V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। नमूना-चयन परिणाम के अर्थ का एक भाग है: अनुरूप नमूनों का एक सेट आवश्यक रूप से प्रत्येक स्थान, अभिविन्यास, हीट, मोटाई या उत्पाद-स्थिति का वर्णन नहीं करता।

इसलिए परीक्षण तापमान को अवशोषित ऊर्जा, नमूने के अभिविन्यास, नॉच के पदनाम, मानक और किसी भी शीयर-फ्रैक्चर आवश्यकता के साथ अवश्य बताया जाना चाहिए। मशीन की स्थिति भी महत्वपूर्ण है; ASTM E23 और ISO 148-2 सत्यापन-ढाँचे प्रदान करते हैं, और NIST का Charpy Machine Verification Program आवधिक मशीन सत्यापन के लिए प्रमाणित नमूनों का उपयोग करता है। इन विवरणों के बिना रिपोर्ट की गई “Charpy toughness” संख्या अधूरी होती है। तापमान परिणाम के साथ जोड़ी गई कोई गौण टिप्पणी नहीं है; फेरिटिक इस्पात के लिए यह निर्धारित कर सकता है कि देखा गया फ्रैक्चर मुख्यतः तन्य है या क्लिवेज-प्रधान।

नमूना-ग्रहण, अभिविन्यास और इस्पात-प्रसंस्करण का इतिहास

ASTM A673/A673M और संरचनात्मक इस्पात का नमूना-ग्रहण

चार्पी परिणाम एक परिभाषित इस्पात-खंड से लिए गए एक परिभाषित परीक्षण-नमूने का वर्णन करता है। संरचनात्मक प्लेट के लिए ASTM A673/A673M महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह अनुदैर्ध्य चार्पी V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-ग्रहण की प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है; नमूना-ग्रहण को परीक्षण के बाद जोड़े जाने वाले प्रशासनिक विवरण के रूप में नहीं मानता। यह मानक निर्धारित करता है कि नमूने कहाँ से लिए जाएँ और ऊष्मा-परीक्षण या टुकड़ा-परीक्षण के प्रावधानों के अंतर्गत प्रभाव-नमूनों की आवश्यकता कितनी बार होती है। ये विकल्प परिणाम के अर्थ का हिस्सा होते हैं।

नमूना-ग्रहण का स्थान महत्वपूर्ण हो सकता है, क्योंकि प्लेट अपनी लंबाई, चौड़ाई या मोटाई में पूरी तरह एकसमान नहीं होती। पिंड या सतत-कास्ट उत्पाद के कुछ क्षेत्रों के निकट रासायनिक पृथक्करण अधिक प्रबल हो सकता है, जबकि रोलिंग में कमी, शीतलन-दर तथा सतह और केंद्र के बीच तापमान-अंतर मोटाई के आर-पार अलग-अलग सूक्ष्मसंरचनाएँ उत्पन्न कर सकते हैं। इसलिए किसी अनुमत स्थान से काटा गया नमूना, निर्दिष्ट योजना के अंतर्गत उस नमूने के रूप में लिए गए पदार्थ के व्यवहार को प्रदर्शित करता है। इससे स्वतः प्लेट के प्रत्येक स्थान, उत्पादन-चक्र की प्रत्येक प्लेट या उससे निर्मित प्रत्येक घटक का व्यवहार स्थापित नहीं होता।

ASTM A673/A673M को लागू सामग्री-विनिर्देशन तथा क्रय या निर्माण संबंधी आवश्यकताओं के साथ पढ़ा जाना चाहिए। संस्करण और उत्पाद-संबंधी नियम सटीक नमूना-ग्रहण प्रावधान निर्धारित करते हैं। केवल “चार्पी परीक्षण किया गया” कहने वाली रिपोर्ट में आवश्यक जानकारी छूट जाती है: लागू मानक, नमूने का अभिविन्यास, परीक्षण तापमान, नमूना-स्थान, आवश्यक आवृत्ति, अवशोषित ऊर्जा का परिणाम तथा भंग-पृष्ठ के स्वरूप से संबंधित कोई भी आवश्यकता। ASTM E23 चार्पी सरल-बीम परीक्षण के लिए सामान्य रूपरेखा प्रदान करता है, जिसमें नमूना आवश्यकताएँ, प्रक्रियाएँ, मशीन सत्यापन, रिपोर्टिंग तथा शीयर-भंग स्वरूप का निर्धारण शामिल है। NIST का Charpy Machine Verification Program इस परीक्षण को भंग के दौरान अवशोषित ऊर्जा के उच्च-लोडिंग-दर मापन के रूप में वर्णित करता है; यह उस ऊर्जा को सीधे समतल-विकृति भंग-कठोरता के मान में परिवर्तित नहीं करता।

अनुदैर्ध्य बनाम अनुप्रस्थ परीक्षण

“अनुदैर्ध्य चार्पी” उत्पाद की प्रमुख रोलिंग-दिशा के सापेक्ष नमूने के अभिविन्यास को दर्शाता है। अनुदैर्ध्य नमूने में नमूने की लंबाई सामान्यतः रोलिंग-दिशा के साथ संरेखित होती है, जबकि नॉच का अभिविन्यास यह निर्धारित करता है कि दरार किस दिशा में पदार्थ के भीतर आगे बढ़ेगी। अनुप्रस्थ नमूना इस प्रकार काटा जाता है कि उसकी लंबाई रोलिंग-दिशा के आर-पार हो। ये पदार्थ की अलग-अलग दिशाएँ हैं; इन्हें परस्पर विनिमेय नाम नहीं माना जा सकता।

रोलिंग से कण और समावेशन लंबे हो जाते हैं तथा पट्टिकित सूक्ष्मसंरचना उत्पन्न हो सकती है। परिणामस्वरूप, लंबे किए गए अभिलक्षणों को पार करते हुए बढ़ने वाली दरार को फेराइट, पर्लाइट, पृथक्करण-पट्टियों या समावेशों का ऐसा क्रम मिल सकता है जो उनके साथ-साथ बढ़ने वाली दरार से भिन्न हो। अभिविन्यास के साथ मापी गई ऊर्जा बदल सकती है, विशेष रूप से ऐसी प्लेट-इस्पात में जिसमें प्रबल बनावट, स्पष्ट पट्टिकरण या मोटाई-दिशा में कमजोरी हो। यह प्रभाव केवल ग्रेड के नाम से निर्धारित नहीं होता। प्लेट की मोटाई, कमी-अनुपात, पुनःतापन-प्रक्रिया, नियंत्रित रोलिंग, सामान्यीकरण, शमन और टेम्परिंग तथा शीतलन-इतिहास—सभी इसमें योगदान करते हैं।

नॉच और दरार-प्रसार की दिशा पर समान ध्यान देना आवश्यक है। ASTM A673/A673M में दिया गया अनुदैर्ध्य अभिविन्यास सार्वभौमिक रूप से अनुप्रस्थ, मोटाई-दिशीय या वेल्ड-संबंधी दृढ़ता की आवश्यकता का विकल्प नहीं है। यदि किसी संरचना पर प्लेट को ऐसी दिशा में भारित किया जाएगा जिसका प्रतिनिधित्व परीक्षण-कूपन में नहीं है, तो रिपोर्ट किया गया मान आकलन के लिए अपूर्ण आधार हो सकता है। अभियंता को नमूने के अभिविन्यास का मिलान अपेक्षित दरार-पथ तथा लागू डिजाइन या सामग्री-मानक की आवश्यकता से करना चाहिए।

तापमान एक अतिरिक्त सीमा प्रस्तुत करता है। फेरिटिक इस्पातों में तापमान घटने पर सामान्यतः तन्य-से-भंगुर संक्रमण होता है। इसलिए कमरे के तापमान पर प्राप्त अनुदैर्ध्य मान सेवा-तापमान पर प्राप्त बहुत कम परिणाम को, या उसी तापमान पर अनुप्रस्थ नमूने की भिन्न प्रतिक्रिया को, छिपा सकता है। अवशोषित ऊर्जा और भंग-पृष्ठ के स्वरूप को साथ पढ़ना चाहिए: तन्य शीयर भंग सामान्यतः अधिक ऊर्जा अवशोषित करता है, जबकि क्लिवेज-प्रधान भंग में सामान्यतः कम ऊर्जा अवशोषित होती है। ASTM E23 में शीयर-भंग स्वरूप का निर्धारण शामिल है, जबकि ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए चार्पी V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम परीक्षण निर्दिष्ट करता है। यंत्रीकृत मापन अलग श्रेणी के होते हैं; ISO 14556:2023 यंत्रीकृत चार्पी V-नॉच परीक्षण तथा अतिरिक्त बल और विस्थापन संबंधी सूचना दर्ज करने के लिए प्रयुक्त उपकरणों को शामिल करता है।

ऊष्मा-परीक्षण, टुकड़ा-परीक्षण और पदार्थ की परिवर्तनशीलता

ऊष्मा-परीक्षण और टुकड़ा-परीक्षण नमूना-ग्रहण की रणनीतियाँ हैं; ये एक ही परीक्षण के दो नाम नहीं हैं। ऊष्मा-परीक्षण में नमूना-ग्रहण की आवृत्ति इस्पात की ऊष्मा से जुड़ी होती है—अर्थात एक नियंत्रित रासायनिक गलन से उत्पादित पदार्थ से। टुकड़ा-परीक्षण में लागू आवश्यकता के अनुसार नमूना-ग्रहण अलग-अलग उत्पाद-टुकड़ों या इकाइयों को सौंपा जाता है। ASTM A673/A673M इन दृष्टिकोणों और उनकी आवृत्तियों में अंतर करता है, इसलिए किसी एक दृष्टिकोण का उल्लेख करने वाले विनिर्देशन की व्याख्या ऐसे नहीं की जा सकती मानो उसमें दूसरे दृष्टिकोण की आवश्यकता हो। सटीक आवृत्ति लागू संस्करण और उत्पाद-संबंधी प्रावधान से ली जानी चाहिए; इसे किसी सामान्य चार्पी प्रथा से अनुमानित नहीं करना चाहिए।

यह अंतर तब महत्वपूर्ण हो जाता है जब एक ऊष्मा से अनेक प्लेटें बनाई जाती हैं, जब प्लेटों की मोटाई में पर्याप्त अंतर हो, या जब उत्पादन के दौरान प्रसंस्करण की स्थितियाँ बदलती हों। ऊष्मा-स्तर का नमूना निर्दिष्ट नमूना-ग्रहण योजना के अंतर्गत प्रतिनिधित्व किए गए पदार्थ के लिए प्रमाण प्रदान कर सकता है, लेकिन यह प्रत्येक स्थानीय समावेशन-रेखा, पृथक्करण-पट्टी, परत-विभाजन या प्रसंस्करण-परिवर्तन को प्रकट नहीं कर सकता। टुकड़ा-परीक्षण परिणाम और किसी विशिष्ट उत्पाद-टुकड़े के बीच प्रत्यक्ष संबंध बढ़ाता है, लेकिन तब भी पूरे तैयार ढाँचे के बजाय केवल नमूने के रूप में लिए गए क्षेत्र की जाँच करता है।

प्लेट-उत्पादन के बाद का प्रसंस्करण मूल धातु के परिणाम और सेवा-व्यवहार के बीच और अधिक अंतर उत्पन्न कर सकता है। वेल्डिंग से तापीय चक्र उत्पन्न होते हैं, जो ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र में कण-आकार, रूपांतरण-उत्पाद, कठोरता, अवशिष्ट तनाव और स्थानीय दृढ़ता को बदल देते हैं। वेल्डिंग के बाद का ऊष्मा-उपचार इन विशेषताओं को फिर से बदल सकता है। ASTM A673/A673M के अंतर्गत लिए गए मूल प्लेट-कूपन से वेल्ड धातु या ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र योग्य सिद्ध नहीं होता, जब तक कि इन क्षेत्रों से लागू प्रक्रिया के अनुसार अलग-अलग नमूने लेकर परीक्षण न किया जाए।

NIST ने 2011 में रिपोर्ट किया कि चार्पी नमूनों में पार्श्व खाँचे ऊपरी-प्लेटो ऊर्जा पर प्लास्टिक-विरूपण के संचय को कम करते हैं और विभाजन को बढ़ावा देते हैं; विभाजन की तीव्रता तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक होती है। इससे स्पष्ट होता है कि नमूने की ज्यामिति और भंग-पृष्ठ का स्वरूप ऊर्जा-मान की व्याख्या को क्यों बदल सकते हैं। चार्पी ऊर्जा फेरिटिक इस्पातों के लिए निम्न-सीमा भंग-कठोरता के निर्दिष्ट अनुमानों का समर्थन कर सकती है, लेकिन निम्न-प्लेटो, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-प्लेटो व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। यह फिर भी नमूने के अभिविन्यास और स्थिति से प्राप्त प्रभाव-ऊर्जा का परिणाम है—हर दरार-पथ, वेल्ड-क्षेत्र या घटक का पूर्ण विवरण नहीं।

फ्रैक्चर का स्वरूप, शीयर क्षेत्र, स्प्लिटिंग और पार्श्व खाँचे

टूटे हुए Charpy नमूने में ऐसी जानकारी होती है, जिसे अकेले अवशोषित-ऊर्जा का मान प्रदर्शित नहीं कर सकता। ऊर्जा वह कार्य है जो पेंडुलम नमूने को तोड़ने में करता है; फ्रैक्चर का स्वरूप यह दर्ज करता है कि वह कार्य किस प्रकार खर्च हुआ। उच्च मान व्यापक प्लास्टिक विरूपण को दर्शा सकता है, जबकि निम्न मान तीव्र क्लिवेज का संकेत दे सकता है; फिर भी समान नाममात्र ऊर्जा, प्लास्टिसिटी, दरार-विस्तार और प्रतिबंध के विभिन्न संयोजनों से उत्पन्न हो सकती है।

यह अंतर विशेष रूप से फेरिटिक स्टीलों के लिए महत्वपूर्ण है, जो सामान्यतः उच्च तापमानों पर तन्य व्यवहार से तापमान घटने पर क्लिवेज-प्रधान व्यवहार में परिवर्तित हो जाते हैं। इसलिए कमरे के तापमान पर प्राप्त परिणाम उस संक्रमण को छिपा सकता है, जिसमें अपेक्षाकृत छोटे तापमान-अंतराल में फ्रैक्चर की विधि तीव्रता से बदलती है। ASTM E23 में Charpy और Izod परीक्षणों में शीयर-फ्रैक्चर के स्वरूप का निर्धारण शामिल है, जबकि ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए Charpy V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम इम्पैक्ट परीक्षण निर्दिष्ट करता है। इनमें से कोई भी मानक फ्रैक्चर के स्वरूप को ऊर्जा, टफनेस या सेवा-योग्यता के विकल्प के रूप में स्वीकार नहीं करता।

तन्य और क्लिवेज विशेषताओं को पढ़ना

तन्य-शीयर क्षेत्र का स्वरूप सामान्यतः रेशेदार, मटमैला या फटा हुआ होता है। दरार पर्याप्त प्लास्टिक विरूपण के माध्यम से आगे बढ़ती है, जिसमें प्रायः सूक्ष्म-रिक्तियों का न्यूक्लिएशन, वृद्धि और सहसंयोजन शामिल होते हैं। फ्रैक्चर सतह पर यह तंत्र अधिक खुरदरी बनावट तथा मुक्त सतहों के निकट तिरछे शीयर-लिप्स उत्पन्न कर सकता है। संबंधित परीक्षण में प्रायः अधिक अवशोषित ऊर्जा दर्ज होती है, क्योंकि पूर्ण पृथक्करण से पहले नमूना पर्याप्त रूप से विरूपित होता है।

क्लिवेज फ्रैक्चर सामान्यतः अधिक चमकीला और क्रिस्टलीय दिखाई देता है। इसमें अपेक्षाकृत सपाट फैसेट तथा नदी-जैसे पैटर्न होते हैं, जो पसंदीदा क्रिस्टलोग्राफिक तलों के माध्यम से तीव्र दरार-प्रसार का संकेत देते हैं। तन्य फटाव की तुलना में इसमें स्थूल स्तर का प्लास्टिक विरूपण बहुत कम होता है। क्लिवेज-प्रधान सतह प्रायः निम्न इम्पैक्ट-ऊर्जा परिणाम के साथ दिखाई देती है, लेकिन दृश्य स्वरूप की व्याख्या करते समय नमूने की अभिविन्यास, स्टील ग्रेड, तापमान, नॉच की स्थिति और परीक्षण-विधि को ध्यान में रखना आवश्यक है। टूटी हुई सतह अपने-आप में पूर्ण मेटलोग्राफिक निदान नहीं होती।

यह संक्रमण प्रायः अचानक होने के बजाय मिश्रित होता है। किसी एक नमूने में बाहरी सतहों पर तन्य फटाव और नॉच के निकट क्लिवेज क्षेत्र हो सकता है, या स्पष्ट सीमा से विभाजित अलग-अलग तन्य और क्लिवेज क्षेत्र हो सकते हैं। शीयर फ्रैक्चर के अंश को, प्रायः फ्रैक्चर सतह के प्रतिशत के रूप में, रिपोर्ट करने से यह प्रदर्शित हो सकता है कि कोई पदार्थ तन्य-से-भंगुर संक्रमण से गुजर रहा है, भले ही ऊर्जा के मान एक-दूसरे से मिलते-जुलते हों। उदाहरण के लिए, दो नमूने समान ऊर्जा अवशोषित कर सकते हैं, जबकि एक में मुख्यतः रेशेदार फ्रैक्चर हो और दूसरे में पर्याप्त क्लिवेज क्षेत्र हो; निम्न-तापमान पर दरार-प्रसार के संबंध में इन दोनों परिणामों से समान चेतावनी नहीं मिलती।

फ्रैक्चर का स्वरूप परिणामों में होने वाले प्रसरण को भी उजागर करने में सहायता करता है। Charpy ऊर्जा नॉच की तीक्ष्णता, स्थानीय समावेशन, दाना-संरचना, नमूने की अभिविन्यास और परीक्षण-तापमान से प्रभावित होती है। एकल औसत मान असामान्य रूप से बड़े क्लिवेज क्षेत्र वाले नमूने को छिपा सकता है। टूटे हुए पृष्ठों की जाँच यह भौतिक सत्यापन प्रदान करती है कि मापी गई ऊर्जा अपेक्षित विफलता-विधि से मेल खाती है या नहीं।

इस साक्ष्य को प्लेन-स्ट्रेन फ्रैक्चर टफनेस के रूप में गलत ढंग से अभिहित नहीं किया जाना चाहिए। NIST के अनुसार Charpy परीक्षण उच्च-लोडिंग-दर वाला परीक्षण है, जो फ्रैक्चर के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और इम्पैक्ट टफनेस का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है। सहसंबंध फेरिटिक स्टीलों के लिए फ्रैक्चर टफनेस की निम्न-सीमा का अनुमान लगा सकते हैं, लेकिन निम्न-शेल्फ, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-शेल्फ व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। Charpy मान प्रत्यक्ष $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ या क्रैक-अरेस्ट मापन नहीं है।

रिपोर्ट किए गए परिणाम के रूप में शीयर-फ्रैक्चर का स्वरूप

शीयर-फ्रैक्चर का स्वरूप अवशोषित ऊर्जा, परीक्षण-तापमान, नमूने की अभिविन्यास और पहचान-संबंधी विवरणों के साथ रिपोर्ट किया जाने वाला परिणाम है। मानक-आधारित कार्य में शीयर अंश निर्धारित करने के लिए प्रयुक्त विधि महत्वपूर्ण होती है; आधार बताए बिना दृश्य अनुमान, तुलना-प्रक्रियाओं और मापन-सम्मेलनों को मिलाया नहीं जाना चाहिए। रिपोर्ट में यह निर्दिष्ट किया जाना चाहिए कि नमूना मानक V-नॉच या U-नॉच विन्यास का था और क्या उसमें पार्श्व खाँचों जैसी कोई संशोधन-सुविधा मौजूद थी।

तापमान बढ़ने के साथ शीयर अंश में वृद्धि सामान्यतः क्लिवेज से तन्य फ्रैक्चर की ओर संक्रमण का समर्थन करती है। हालांकि, केवल इसके आधार पर कोई सार्वभौमिक संक्रमण-तापमान निर्धारित नहीं किया जा सकता। इंजीनियर संक्रमण-तापमान को ऊर्जा-मानदंड, शीयर-क्षेत्र मानदंड या किसी निर्दिष्ट संयोजन के आधार पर परिभाषित कर सकते हैं, और ये तापमान आवश्यक रूप से समान नहीं होते। इसलिए चुने गए मानदंड को स्पष्ट रूप से बताया जाना चाहिए।

इंस्ट्रूमेंटेड परीक्षण लोडिंग और फ्रैक्चर-घटनाओं के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्रदान कर सकता है। ISO 14556:2023 इंस्ट्रूमेंटेड Charpy V-नॉच परीक्षण तथा इम्पैक्ट व्यवहार को मापने और रिकॉर्ड करने में प्रयुक्त उपकरणों को शामिल करता है; इंस्ट्रूमेंटेड परीक्षण ISO 148-1:2016 के दायरे से बाहर है। ये विधियाँ आरंभन और प्रसार की विशेषताओं में अंतर करने में सहायता कर सकती हैं, लेकिन इनमें भी ज्यामिति, पदार्थ की स्थिति, तापमान और अभिविन्यास का नियंत्रण आवश्यक रहता है।

नमूनाकरण भी व्याख्या को प्रभावित करता है। ASTM A673/A673M संरचनात्मक स्टील के अनुदैर्ध्य Charpy V-नॉच परीक्षण के लिए नमूनाकरण प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-टेस्टिंग तथा पीस-टेस्टिंग की आवृत्तियों में अंतर करता है। इसलिए फ्रैक्चर का एक चित्र और ऊर्जा का एक मान किसी विशिष्ट परीक्षण किए गए नमूने का वर्णन करते हैं; वे स्वचालित रूप से प्रत्येक प्लेट, पीस या हीट का प्रतिनिधित्व नहीं करते।

पार्श्व-खाँचेदार Charpy नमूनों पर NIST के निष्कर्ष

NIST के 2011 के पार्श्व-खाँचेदार Charpy इम्पैक्ट परीक्षण के आकलन से पता चला कि पार्श्व खाँचे नमूने की केवल बाहरी रूपरेखा को नहीं बदलते। ऊपरी-शेल्फ ऊर्जा पर वे प्लास्टिक विरूपण के संचय को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं। रिपोर्ट की गई स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य-से-भंगुर संक्रमण-तापमान के निकट सबसे अधिक थी।

स्प्लिटिंग एक अनुदैर्ध्य पृथक्करण या फटाव की विशेषता है, जो मुख्य फ्रैक्चर-पथ के आगे या उसके साथ-साथ विकसित हो सकती है। पार्श्व खाँचे विरूपण को निर्देशित करते हैं और नमूने की चौड़ाई में प्रतिबंध को बदलते हैं, जिससे दरार-वृद्धि और परिणामी फ्रैक्चर-आकृति-विज्ञान में परिवर्तन होता है। वे फ्रैक्चर सतह को अधिक खंडित दिखाई दे सकते हैं तथा मापी गई ऊर्जा और तन्य तथा क्लिवेज क्षेत्रों के बीच विभाजन—दोनों को प्रभावित कर सकते हैं।

इसी कारण पार्श्व-खाँचेदार और पारंपरिक Charpy नमूनों की तुलना बिना सावधानी के नहीं की जानी चाहिए। परिवर्तित ज्यामिति प्रतिबंध, प्लास्टिसिटी, दरार-विस्तार और स्प्लिटिंग की संभावना को बदल देती है। पार्श्व-खाँचेदार परिणाम किसी परिभाषित अनुसंधान या योग्यता-निर्धारण उद्देश्य के लिए उपयोगी हो सकता है, लेकिन यह मानक परिणाम का केवल अधिक तीक्ष्ण संस्करण नहीं है। इच्छित तुलना के लिए ज्यामिति, नॉच का स्वरूप, खाँचे के आयाम, अभिविन्यास, तापमान और रिपोर्टिंग-विधि का समान होना आवश्यक है।

NIST के निष्कर्ष इम्पैक्ट ऊर्जा की केंद्रीय सीमा को भी पुष्ट करते हैं: केवल संख्या फ्रैक्चर-तंत्र की पहचान नहीं करती। ऊर्जा, शीयर क्षेत्र, क्लिवेज विशेषताओं और स्प्लिटिंग को एक साथ पढ़ा जाना चाहिए तथा लागू मानक और नमूना-डिजाइन को स्पष्ट रूप से ध्यान में रखा जाना चाहिए।

उपकरण-सुसज्जित चार्पी परीक्षण और अतिरिक्त संकेतों से प्राप्त जानकारी

उपकरण-सुसज्जित चार्पी परीक्षण में सामान्य लोलक आघात परीक्षण के अतिरिक्त मापन चैनल जोड़े जाते हैं। केवल हथौड़े की प्रारंभिक और अंतिम ऊर्जा दर्ज करने के बजाय, मशीन नमूने पर लगाए गए बल और घटना के दौरान उसमें होने वाले परिवर्तन को भी दर्ज करती है। यह अतिरिक्त अभिलेख दिखा सकता है कि नमूना भार वहन करने की क्षमता कब खोना शुरू करता है, दरार के बढ़ने से पहले कितना कार्य होता है, और आरंभ के बाद भंग किस प्रकार विकसित होता है। इससे चार्पी नमूना पारंपरिक भंग-कठोरता नमूने में परिवर्तित नहीं हो जाता।

ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए चार्पी V-खांचा और U-खांचा लोलक आघात परीक्षण निर्दिष्ट करता है, लेकिन उपकरण-सुसज्जित परीक्षण उस विधि से बाहर रखा गया है। अलग मानक, ISO 14556:2023, उपकरण-सुसज्जित चार्पी V-खांचा लोलक आघात परीक्षण तथा आघात परिस्थितियों में भंग-व्यवहार के बारे में अतिरिक्त जानकारी प्राप्त करने के लिए प्रयुक्त मापन और अभिलेखन उपकरण निर्दिष्ट करता है। ASTM E23 में चार्पी साधारण-बीम और आइज़ोड कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण शामिल हैं, जिनमें नमूना आवश्यकताएँ, प्रक्रियाएँ, मशीन सत्यापन, रिपोर्टिंग और शीयर-भंग रूप-आकृति का निर्धारण सम्मिलित है; फिर भी उपकरण-सुसज्जित परिणाम लागू परीक्षण मानक और रिपोर्टिंग आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

बल-समय और ऊर्जा-समय संबंधी जानकारी

पारंपरिक चार्पी परिणाम सामान्यतः अवशोषित आघात ऊर्जा के रूप में, प्रायः जूल में, रिपोर्ट किया जाता है। NIST चार्पी परीक्षण को उच्च भारण-दर वाला परीक्षण बताता है, जो भंग के दौरान अवशोषित ऊर्जा को मापता है और आघात-कठोरता का अप्रत्यक्ष माप प्रदान करता है। उपकरण-सज्जा से बल-समय वक्र और अक्सर बल-विस्थापन या बल-ऊर्जा वक्र भी प्राप्त होता है, जिससे कुल कार्य की गणना की जा सकती है। सरल शब्दों में, बल-विस्थापन वक्र के नीचे का क्षेत्रफल नमूने को प्रदान किए गए यांत्रिक कार्य के बराबर होता है, जबकि ऊर्जा-समय वक्र यह दिखाता है कि वह कार्य कितनी तेजी से संचित होता है।

वक्र का आकार महत्वपूर्ण होता है। प्रारंभिक तीव्र वृद्धि खांचे वाले लिगामेंट के प्रत्यास्थ और प्लास्टिक भारण को दर्शा सकती है। अधिकतम बल उस बिंदु को चिह्नित कर सकता है जहाँ नमूना अपना सर्वोच्च भार प्राप्त करता है, हालांकि अधिकतम बल स्वतः भौतिक दरार-आरंभ के समान नहीं होता। गिरता हुआ भाग दरार-वृद्धि, प्लास्टिक पतन, प्रहारक के संपर्क में परिवर्तन या इन प्रभावों के मिश्रण का संकेत दे सकता है। इसलिए संकेत की व्याख्या करते समय नमूने की ज्यामिति, प्रहारक का विन्यास, फैलाव, आघात वेग और परीक्षण तापमान को ध्यान में रखना आवश्यक है।

सार्थक वक्र की शुरुआत मापन की गुणवत्ता से होती है। बल ट्रांसड्यूसर, विस्थापन या वेग मापन, समय-निर्धारण, प्रवर्धक बैंडविड्थ, डेटा-अधिग्रहण दर और अंशांकन—सभी दर्ज किए गए वक्र को प्रभावित करते हैं। यांत्रिक कंपन ऐसे दोलन उत्पन्न कर सकता है जो भंग की घटनाओं जैसे दिखाई दें। फ़िल्टरिंग शोर को हटा सकती है, लेकिन अत्यधिक फ़िल्टरिंग किसी शिखर को स्थानांतरित कर सकती है या आरंभ की अल्पकालिक घटना को छिपा सकती है। मशीन का अनुपालन और प्रहारक का द्रव्यमान दर्ज संकेत तथा नमूने द्वारा वास्तव में वहन किए गए बल के बीच संबंध को प्रभावित करते हैं।

उपकरण-सुसज्जित परीक्षण से प्राप्त समाकलित ऊर्जा की तुलना मशीन के पारंपरिक अवशोषित-ऊर्जा परिणाम से भी की जानी चाहिए। दोनों का मेल होना सुनिश्चित नहीं है: घर्षण, लोलक हानियाँ, स्थिरक प्रभाव, अंशांकन त्रुटियाँ और बल-विस्थापन पुनर्निर्माण की चुनी गई विधि अंतर उत्पन्न कर सकती हैं। आवधिक मशीन सत्यापन अब भी प्रासंगिक है। ISO 148-2 और ASTM E23 सत्यापन की विधियाँ प्रदान करते हैं, जिनमें NIST द्वारा वर्णित चार्पी मशीन सत्यापन कार्यक्रम में प्रमाणित नमूनों का उपयोग भी शामिल है।

आघात के दौरान आरंभ और प्रसार का व्यवहार

बल अभिलेख का एक महत्वपूर्ण उपयोग घटना को विभिन्न चरणों में विभाजित करना है। दरार के आगे बढ़ने से पहले खांचे वाला लिगामेंट प्रत्यास्थ और प्लास्टिक विकृति से गुजर सकता है। यदि इसके बाद दरार आरंभ होती है, तो बल-समय वक्र में ढाल का परिवर्तन, स्थानीय अधिकतम, अचानक गिरावट या विश्लेषणात्मक प्रक्रिया द्वारा चुनी गई कोई अन्य विशेषता दिखाई दे सकती है। चुने गए आरंभ-बिंदु तक के कार्य को आरंभ-ऊर्जा कहा जा सकता है, जबकि शेष कार्य बाद के दरार-प्रसार और नमूने की विकृति से संबद्ध होता है।

ये पद किसी विश्लेषण का वर्णन करते हैं, स्वतः सिद्ध भौतिक सत्य का नहीं। दरार-आरंभ स्पष्ट बल-पतन से पहले हो सकता है, विशेषकर तब जब स्थिर तन्य विदारण धीरे-धीरे विकसित हो। इसके विपरीत, संकेत में तीव्र परिवर्तन नई बनी दरार के बजाय मशीन या संपर्क-संबंधी प्रभाव का परिणाम हो सकता है। किसी विशेषता का वास्तविक अर्थ निश्चित करने के लिए उच्च-गति इमेजिंग, परीक्षण-पश्चात भंग परीक्षण, अनुपालन विश्लेषण या सहायक सेंसरों की आवश्यकता हो सकती है।

फेरिटिक इस्पात के तन्य से भंगुर संक्रमण में यह अंतर विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है। कम तापमान पर क्लिवेज के कारण भार में तीव्र कमी और अपेक्षाकृत कम विकृति हो सकती है। अधिक तापमान पर तन्य विदारण और प्लास्टिक विकृति वक्र के लंबे हिस्से में अधिक ऊर्जा का उपभोग कर सकते हैं। भंग की रूप-आकृति एक आवश्यक जाँच प्रदान करती है: शीयर और रेशेदार क्षेत्र सामान्यतः क्लिवेज-प्रधान क्षेत्रों से अलग व्याख्या का समर्थन करते हैं, भले ही दो नमूनों की कुल ऊर्जाएँ समान हों।

नमूने का अभिविन्यास और पदार्थ की अवस्था भी परिणाम का हिस्सा बने रहते हैं। ASTM A673/A673M संरचनात्मक इस्पात के अनुदैर्ध्य चार्पी V-खांचा परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में अंतर करता है। किसी एक नमूना-स्थान से प्राप्त विस्तृत बल-वक्र प्रत्येक अभिविन्यास, प्लेट-मोटाई, वेल्ड क्षेत्र या ताप-उपचार अवस्था में व्यवहार स्थापित नहीं कर सकता।

NIST के 2011 के साइड-ग्रूव वाले चार्पी नमूनों के आकलन में पाया गया कि साइड-ग्रूव ऊपरी-शेल्फ ऊर्जाओं पर प्लास्टिक-विकृति के संचय को कम करते हैं और स्प्लिटिंग को बढ़ावा देते हैं; स्प्लिटिंग की तीव्रता तन्य-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट सबसे अधिक होती है। ऐसे ज्यामितीय परिवर्तन बल-इतिहास और भंग की रूप-आकृति को बदल सकते हैं। डेटा-समुच्चयों की तुलना करते समय इन्हें मामूली संशोधन नहीं माना जाना चाहिए।

उपकरण-सुसज्जित डेटा को भंग-कठोरता में बदलने की सीमाएँ

उपकरण-सुसज्जित चार्पी डेटा भंग-यांत्रिकी की गणनाओं में सहायक हो सकता है, लेकिन रूपांतरण के लिए निर्दिष्ट विश्लेषणात्मक प्रक्रिया, मान्यीकृत अंशांकन तथा दरार-ज्यामिति, विकृति, भारण-दर और पदार्थ-व्यवहार से संबंधित मान्यताओं की आवश्यकता होती है। अकेला बल-समय वक्र वैध क्रांतिक प्रतिबल-तीव्रता गुणक, $K_{\mathrm{Ic}}$, या वैध समतली-विकृति $J_{\mathrm{Ic}}$ मान प्रदान नहीं करता।

एक मानक भंग-कठोरता परीक्षण में थकान-पूर्वदरारित नमूना, नियंत्रित आयाम, दरार-आकार का मापन, वैधता आवश्यकताएँ और समतली-विकृति या प्रत्यास्थ-प्लास्टिक कठोरता के मानदंड होते हैं। मशीन से बनाया गया चार्पी V-खांचा अलग खांचा-त्रिज्या, लिगामेंट ज्यामिति, भारण व्यवस्था और अक्सर अलग बंधन-स्तर रखता है। गतिशील भारण पदार्थ की प्रतिक्रिया को और बदल देता है। भले ही उपकरण-सुसज्जित वक्र आरंभ-ऊर्जा या दरार-वृद्धि से संबद्ध बल का अनुमान लगाने की अनुमति दे, फिर भी वह अनुमान स्वतः भंग-कठोरता के साथ परस्पर विनिमेय नहीं होता।

निर्दिष्ट सहसंबंधों के माध्यम से चार्पी ऊर्जा को फेरिटिक इस्पातों की निम्न-सीमा भंग-कठोरता से जोड़ा जा सकता है, लेकिन निम्न-शेल्फ, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-शेल्फ व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। संख्या के साथ तापमान, खांचा-ज्यामिति, नमूने का अभिविन्यास, भंग की रूप-आकृति और पदार्थ की अवस्था भी दी जानी चाहिए। दरार-रोक व्यवहार फिर एक अलग प्रश्न है: ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण आघात तापमानों के अंतर्गत तन्य-शीयर और क्लिवेज अंशों के माध्यम से पाइपलाइन इस्पात में दरार-रोक का लक्षण-निर्धारण करता है, न कि अपने परिणाम को चार्पी या भंग-कठोरता डेटा के स्थान पर रखता है।

इसलिए उपकरण-सुसज्जित परीक्षण प्रमाण बढ़ाता है, कोई सार्वभौमिक रूपांतरण गुणक नहीं देता। इसकी सबसे विश्वसनीय व्याख्या तब प्राप्त होती है जब उपकरण सत्यापित हों, संकेत स्वच्छ और अंशांकित हों, नमूने और तापमान का दस्तावेजीकरण किया गया हो तथा आरंभ या प्रसार का मानदंड स्पष्ट रूप से बताया गया हो।

चार्पी ऊर्जा से फ्रैक्चर टफनेस और दरार-रोकथाम तक

चार्पी ऊर्जा फ्रैक्चर टफनेस का मान नहीं होती। यह वह ऊर्जा है जो एक मानकीकृत नॉचयुक्त नमूने के उच्च-लोडिंग-दर वाले पेंडुलम आघात के दौरान टूटने पर अवशोषित होती है। NIST इस परिणाम को आघात टफनेस का अप्रत्यक्ष माप बताता है, न कि $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ या दरार-अग्र-उद्घाटन विस्थापन जैसे किसी प्रत्यक्ष दरार-अग्र पैरामीटर का माप। यह भेद महत्वपूर्ण है, क्योंकि एक छोटी चार्पी पट्टी और बड़ी दरारयुक्त संरचनात्मक अवयव में अलग-अलग प्रतिबंध, दरार-आकार, प्रतिबल-अवस्थाएँ और प्लास्टिक-क्षेत्र के आयाम होते हैं।

ASTM E23 में चार्पी सरल-बीम और आइज़ोड कैंटिलीवर-बीम आघात परीक्षण, दोनों शामिल हैं, जबकि ISO 148-1:2016 धात्विक पदार्थों के लिए चार्पी V-नॉच और U-नॉच पेंडुलम परीक्षण निर्दिष्ट करता है। उपकरणयुक्त आघात परीक्षण अलग होता है: ISO 14556:2023 उपकरणयुक्त चार्पी V-नॉच परीक्षणों को संबोधित करता है और फ्रैक्चर के दौरान बल, विस्थापन तथा ऊर्जा अभिलिखित करता है। मशीन का सत्यापन भी परिणाम पर विश्वास को प्रभावित करता है। ASTM E23 और ISO 148-2 में प्रमाणित संदर्भ नमूनों के साथ परीक्षण सहित आवधिक सत्यापन अपेक्षित है, और NIST एक चार्पी मशीन सत्यापन कार्यक्रम संचालित करता है।

इसलिए रिपोर्ट किया गया जूल मान किसी विशिष्ट नमूने, नॉच, अभिविन्यास, तापमान, परीक्षण-दर और पदार्थ-अवस्था का वर्णन करता है। संरचनात्मक इस्पात के लिए ASTM A673/A673M एक और आवश्यक शर्त जोड़ता है: यह अनुदैर्ध्य चार्पी V-नॉच परीक्षण के लिए नमूना-चयन प्रक्रियाएँ निर्दिष्ट करता है और हीट-परीक्षण तथा पीस-परीक्षण की आवृत्तियों में भेद करता है। नमूना-चयन परिणाम के अर्थ का एक भाग है। किसी एक चयनित नमूने से प्राप्त मान स्वतः प्रत्येक प्लेट, वेल्ड-समीप क्षेत्र, रोलिंग-दिशा या सेवा-तापमान का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकता।

फेरिटिक इस्पातों के लिए सशर्त सहसंबंध

फेरिटिक इस्पातों के लिए चार्पी ऊर्जा निम्न-सीमा फ्रैक्चर टफनेस के अनुमान में सहायक हो सकती है, जब संबंधित इस्पात-वर्ग और फ्रैक्चर-परास के लिए सहसंबंध स्थापित किया गया हो। यह उपयोगी है, क्योंकि तापमान घटने पर फेरिटिक इस्पातों में सामान्यतः तन्य-से-भंगुर संक्रमण दिखाई देता है। उनकी आघात-ऊर्जा वक्र में निम्न शेल्फ, संक्रमण क्षेत्र और ऊपरी शेल्फ हो सकते हैं, तथा अवशोषित ऊर्जा और फ्रैक्चर प्रतिरोध के बीच संबंध इन क्षेत्रों में बदलता रहता है।

निम्न-शेल्फ, संक्रमण-क्षेत्र और ऊपरी-शेल्फ व्यवहार के लिए अलग-अलग संबंध लागू होते हैं। ऊपरी शेल्फ के लिए चुने गए सहसंबंध को केवल इसलिए निम्न-शेल्फ परिणाम पर लागू नहीं किया जाना चाहिए कि दोनों मान जूल में रिपोर्ट किए गए हैं। संक्रमण क्षेत्र में तापमान में छोटे परिवर्तन फ्रैक्चर-विधि और मापी गई ऊर्जा में बड़े परिवर्तन उत्पन्न कर सकते हैं; इसलिए जिस तापमान पर चार्पी मान प्राप्त किया गया था, वह आवश्यक है। फ्रैक्चर का स्वरूप प्रमाण का दूसरा स्रोत प्रदान करता है: विखंडन-प्रधान फ्रैक्चर सामान्यतः कम ऊर्जा अवशोषित करता है, जबकि तन्य विदारण से प्रायः अधिक प्लास्टिक विरूपण और अधिक अवशोषित ऊर्जा उत्पन्न होती है।

फेरिटिक इस्पातों के भीतर भी रासायनिक संघटन, दाने का आकार, सामर्थ्य-स्तर, ऊष्मा-उपचार, प्लेट की मोटाई, रोलिंग-दिशा, नॉच की तीक्ष्णता और विकिरण या तापीय पुरनता इस संबंध को बदल सकते हैं। अतः सहसंबंध एक सशर्त मॉडल है, जूल से फ्रैक्चर टफनेस में सार्वभौमिक रूपांतरण नहीं। यह परिभाषित पदार्थ-समूह, तापमान-सीमा, नमूना-अभिविन्यास और वैधता-शर्त के लिए एक रूढ़िवादी स्क्रीनिंग अनुमान प्रदान कर सकता है। यह नियमित चार्पी परिणाम को समतल-विकृति फ्रैक्चर टफनेस के मापन में परिवर्तित नहीं करता।

नमूना स्वयं भी व्याख्या को प्रभावित कर सकता है। 2011 में प्रकाशित NIST के एक अध्ययन में, साइड-ग्रूव वाले चार्पी नमूनों ने ऊपरी-शेल्फ ऊर्जा पर प्लास्टिक विरूपण के संचय में कमी और स्प्लिटिंग में वृद्धि दिखाई; तन्य-से-भंगुर संक्रमण तापमान के निकट स्प्लिटिंग की तीव्रता सबसे अधिक थी। यह निष्कर्ष इस बात को पुष्ट करता है कि संशोधित चार्पी ज्यामिति भी फ्रैक्चर-प्रक्रिया को बदल सकती है और उसे सामान्य V-नॉच नमूने के साथ अदल-बदल योग्य नहीं माना जा सकता।

निम्न-सीमा अनुमानों और उनकी सीमाएँ

निम्न-सीमा अनुमान का उद्देश्य यह दावा करने से बचना है कि प्रमाण जितना समर्थन करता है, उससे अधिक फ्रैक्चर प्रतिरोध मौजूद है। यह प्रारंभिक स्क्रीनिंग, परिभाषित प्रक्रियाओं वाले अखंडता-मूल्यांकन या उन परिस्थितियों में उपयुक्त हो सकता है जहाँ कोई कोड या नियामक प्रथा विशेष रूप से चार्पी-आधारित संबंध की अनुमति देती हो। अनुमान के साथ उसकी शर्तें बनी रहनी चाहिए: पदार्थ-परिवार, उपज-सामर्थ्य सीमा, अभिविन्यास, तापमान, नॉच विन्यास, ऊर्जा-सीमा और अनुमानित किए जा रहे फ्रैक्चर-टफनेस पैरामीटर।

निम्न सीमा इस बात की गारंटी नहीं है कि कोई अवयव प्रत्येक दरार का प्रतिरोध करेगा। चार्पी नमूने छोटे होते हैं और उनका फ्रैक्चर तीक्ष्ण थकान-दरार वाले मोटे अवयव की तुलना में कम प्रतिबंध के अंतर्गत हो सकता है। इसलिए किसी संरचनात्मक दरार में मशीनीकृत चार्पी नॉच से अलग प्रतिबल-क्षेत्र उत्पन्न हो सकता है। मोटाई, अवशिष्ट प्रतिबल, वेल्ड-दोष, लोडिंग-दर, दरार-आकार और द्विअक्षीयता—सभी सरल ऊर्जा-सहसंबंध की प्रासंगिकता को कम कर सकते हैं। कमरे के तापमान पर मापा गया मान निम्न सेवा-तापमान पर व्यवहार के बारे में भी बहुत कम बताता है, जब तक कि संक्रमण वक्र स्थापित न किया गया हो।

जब भंगुर-फ्रैक्चर का जोखिम महत्वपूर्ण हो, तब ऊर्जा-मान के साथ फ्रैक्चर का स्वरूप और संक्रमण-तापमान संबंधी आँकड़े भी दिए जाने चाहिए। एकल ऊपरी-शेल्फ परिणाम ठंडे तापमानों पर होने वाले तीव्र संक्रमण को छिपा सकता है; निम्न-शेल्फ परिणाम ऐसी अवस्था की पहचान कर सकता है जिसमें विखंडन पहले से नियंत्रक हो। जब मूल्यांकन निर्दिष्ट प्रतिबंध और वैधता-आवश्यकताओं के अंतर्गत योग्य $K$, $J$ या दरार-अग्र-उद्घाटन विस्थापन मान पर निर्भर करता है, तब प्रत्यक्ष फ्रैक्चर-टफनेस परीक्षण आवश्यक बना रहता है।

ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण किस प्रकार भिन्न है

ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण चार्पी परीक्षण से भिन्न प्रश्न का उत्तर देता है। इसे पाइपलाइन-इस्पात में दरार-रोकथाम व्यवहार के अध्ययन के लिए विकसित किया गया था, न कि केवल छोटे नमूनों को अवशोषित आघात ऊर्जा के आधार पर क्रमबद्ध करने के लिए। अपेक्षाकृत लंबी, नॉचयुक्त पट्टी पर नियंत्रित आघात परिस्थितियों में प्रहार किया जाता है और परिणामी फ्रैक्चर सतह की विभिन्न तापमानों पर जाँच की जाती है। मूल्यांकन में तन्य-शीयर और विखंडन फ्रैक्चर के अनुपात पर ध्यान दिया जाता है, जिसमें यह भी देखा जाता है कि फ्रैक्चर-विधि बदलने पर संचरित फ्रैक्चर रुकता है या नहीं।

चार्पी परीक्षण यह पूछता है कि मानकीकृत नॉचयुक्त पट्टी फ्रैक्चर से पहले कितनी ऊर्जा अवशोषित करती है और इसमें अवशोषित ऊर्जा, पार्श्व विस्तार तथा शीयर-फ्रैक्चर का स्वरूप रिपोर्ट किया जा सकता है। ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण यह पूछता है कि पाइपलाइन-इस्पात में संचरित फ्रैक्चर किस प्रकार व्यवहार करता है और तन्य विदारण तथा विखंडन के बीच फ्रैक्चर सतह कैसे बदलती है। दोनों परीक्षण तन्य-से-भंगुर संक्रमण को प्रकट कर सकते हैं, लेकिन उनकी ज्यामिति, नमूना-आयाम, लोडिंग-प्रतिक्रिया और अभियांत्रिक निष्पत्तियाँ अलग-अलग होती हैं।

निर्दिष्ट पदार्थ और अभिविन्यास के लिए आघात-ऊर्जा तथा संक्रमण-व्यवहार स्थापित करने हेतु चार्पी परीक्षण का उपयोग करें। अनुमत चार्पी सहसंबंध का उपयोग केवल स्पष्ट रूप से बताए गए निम्न-सीमा फ्रैक्चर-टफनेस अनुमान के लिए करें। जब अभियांत्रिक प्रश्न पाइपलाइन-इस्पात में लंबी दूरी तक संचरित फ्रैक्चर और दरार-रोकथाम से संबंधित हो, तब ड्रॉप-वेट टियर परीक्षण का उपयोग करें। इनमें से कोई भी परिणाम अपने आप दूसरे प्रश्न का उत्तर नहीं दे सकता।

संदर्भ

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