شکست (fracture)

چکيده:
بررسي مکانيزمهاي ايجاد ترک و مکانيزمهاي متفاوت رشد سريع يا در حد بحراني ترک و رشد آرام و پايينتر از رشد بحراني از اهميت ويژه صنعتي برخوردارند. بررسي فعل و انفعالات فيزيکي که به هنگام شکست روي ميدهد چندان ساده نيست، زيرا چگونگي ايجاد ترک و رشد آن و بالاخره نوع شکست در مواد کريستالي به جنس، ساختار شبکه کريستالي، ريزساختار و از آنجا که قطعات معمولا به طور کامل سالم و بدون عيب نيستند به نوع، اندازه و موقعيت عيب، نوع و حالت تنش وارد بر آنها بستگي خواهد داشت. معمولا شکست در فلزات به شکست نرم و شکست ترد تقسيم مي شود.
در صنعت هدف، کنترل و به تعويق انداختن شکست است.

شکست نرم:

بسياري از فلزات و آلياژهاي آنها، به ويژه آنهايي که داراي شبکه fcc هستند، مانند آلومينيوم و آلياژهاي آن، در تمام درجه حرارتها، شکست نرم خواهند داشت. شکست نرم به آرامي و پس از تغيير شکل پلاستيکي زياد به ازاي تنشي بالاتر از استحکام کششي ظاهر ميشود. از مشخصات شکست نرم، تحت تاثير تنش کششي، ظاهر گشتن گلويي يا نازکي موضعي و ايجاد حفره هاي بسيار ريز در درون قسمت گلويي و اتصال آنها به يکديگر تا رسيدن به حد يک ترک ريز و رشد آرام ترک تا حد پارگي يا شکست نهايي است.

مراحل مختلف شكست نرم در يك فلز انعطاف پذير

در اين نوع شکست علت ايجاد حفرهاي ريز در محدوده گلويي ميتواند تغيير شکل غير يکنواخت ناشي از ناخالصيهاي موجود در ماده اصلي زمينه باشد. لذا با ايجاد حفره هاي بسيار ريز در محدوده گلويي حالت تنش سه محوري برقرار ميشود که منجر به ايجاد ترک ميشود .
در طراحي و ساخت اجزاي ماشين آلات و در ساختمان سازي، تنشهاي وارد بر سازه هاي فلزي در محدوده الاستيکي انتخاب ميشود. بنابراين در کاربرد صنعتي، شکست در حالت تنش استاتيکي در مواد انعطاف پذير ( داکتيل ) يک پيشامد نامطلوب است.

ترك داخلي در نا حيه نازك شده در نمونه كششي مس با خلوص بالا

شکست ترد:

شکست ترد معمولا در فلزاتي با ساختار کريستالي مکعب مرکزدار(bcc ) و هگزاگونال متراکم (hcp) و آلياژهاي آنها در درجه حرارتهاي پايين ( معمولا پايينتر از دماي معمولي محيط ) و سرعتهاي تغيير شکل بالا بطور ناگهاني ظاهر ميشود. شکست ترد در امتداد صفحه کريستالي معيني، به نام صفحه کليواژ، انجام ميگيرد. در شکست ترد عموما تغيير شکل پلاستيکي قابل توجهي در منطقه شکست مشاهده نميشود.
نظريه شکست ابتدا علت شکست را اين چنين بيان کرد که تمام پيوندهاي اتمي در امتداد صفحه شکست هم زمان با هم گسيخته ميشوند. بدين ترتيب که با ازدياد تنش فاصله اتمها از يکديگر دور ميشوند ودر نهايت به محض اينکه تنش به حد تنش شکست ( تنش بحراني ) رسيد، در نتيجه گسستن تمامي پيوندهاي اتمي در صفحه عمود بر امتداد کشش، شکست پديدار ميشود.
در جدول زير تنشهاي بحراني عمود بر صفحات کريستالي معين در چند تک کريستال براي شکست داده شده است.

شكست ترد وتعدادي از تك كريستالها

عملا تنش لازم براي شکست مواد لازم فلزي به اندازه قابل توجهي کمتراز تنش شکست محا سبه شده ا ز طريق تئوري است . بنابراين فعل وانفعال شکست نميتواند از طريق گسستن همزمان تمامي پيوند هاي اتمي درامتداد سطح شکست صورت گيرد. بد ين ترتيب فعل و انفعالات شکست عملا بيشتر از طريق ايجاد يک ترک بسيار ريز به عنوان منشا ترک و رشد و پيشروي آن انجام ميگيرد . براي پيشروي ترک د ر يک ماده لازم است مقدار تنش متمرکز در نوک ترک از استحکام کششي در آن موضع فراتر رود . د ر مواردي که شرايط براي پيشروي منشا ترک مساعد نيست ترک مي تواند متوقف گشته وشکست پديدار نشود.

تئوري گريفيت:

او چنين بيان مي کند که در ماده اي که حاوي تعدادي ترک بسيار ريز باطول معيني است ، همين که مقدار تنش متمرکز درنوک ترک ، حداقل به مقدار تنش لازم براي گسستن پيوندهاي اتمي د رآن موضع ( استحکام کششي ) رسيد، شکست ظاهر ميشود . باپيشرفت ترک ، سطح ترک افزايش مي يابد . اين مطلب بدين معني است که براي ايجاد اين سطح بايد انرژي به کار برده شود . اين مقدار انرژي از انرژي تغيير شکل کسب مي شود.

بنابراين فرضيه گريفيت علت پديدار گشتن شکست ترد را وجود ترکها و خراشهاي سطحي بسيار ريز ( با اندازه بحراني) و پائين بودن استحکام را د رآن مواضع مي داند . اماموادب هم وجود دارد که بد ون داشتن ترکهاي سطحي بسيار ريز شکست ترد د ر آنها پديدار مي شود . بنابراين د ر اين گونه مواد هم بايد فعل وانفعالاتي صورت گيرد که موجب به وجود آمدن تمرکز تنش وفراتر رفتن موضعي مقدارتنش از استحکام کششي ود رنتيجه ايجاد منشا ترک شود. زنر و اشترو مکانيزم اين فعل و انفعال راچنين بيان داشتند که در حين تغيير شکل پلا ستيکي نابجاييها در پشت موانع ( مانند مرزدانه ها ومرز مشترک د و قلوييها ) تجمع يافته وبدين ترتيب در زير نيم صفحه هاي مربوط به اين نابجاييها ترکهاي بسيار ريزي ايجاد مي شود .

اين ترکهاي بسيار ريزهمچنين مي تواند محلهاي مناسبي براي نفوذ عناصري مانند اکسيژن ، ازت وکربن درآنها وايجاد فازهاي ثانوي ترد ودر نتيجه شکست ترد باشند. چنين رفتار ترد د ر شکست ترد مس باوجود عناصري مانند آنتيموان وآهن همراه بااکسيژن مشاهده شده است .

اکنون اين سئوال مطرح مي شود که به ازاي چه مقداري از تنش s جوانه ترک مصنوعي د ر داخل جسم گسترش مي يابد تاحدي که منجر به شکست نمونه شود . در اطراف اين ترک تنش به صورت پيچيده اي توزيع مي شود. حداکثر تنش کششي ايجاد شده د ر راس ترک بزرگتر از خارجيs است و تنش بحراني ( sc ) ناميده ميشود.تا زماني که sc کوچکتراز استحکام کششي است نمونه نمي شکند .
با وارد آمدن تنش به نمونه د ر محدوده الاستيکي ابتدا انرژي پتانسيل در نمونه ذ خيره مي شود . موقعي که ترک شروع به رشد مي کند بين مقدارکاهش انرژي پتانسيل ذخيره شده د رنمونه وانرژي سطحي ناشي از رشد ترک تعادل برقرار است . تازماني رشد ترک ادامه پيدا مي کند که از انرژي الاستيکي کاسته و به انرژي سطحي افزوده شود، يعني تالحظه اي که شکست ظاهر گرد د .
ابتدا گريفيث با توجه به روابط مربوط به انرژي پتانسيل ذ خيره شده و انرژي سطحي ترک در ماده الاستيکي ،مانند شيشه و تغيير و تبد يل آنها به يک د يگررابطه زير را ارائه کرد:

s=√2Egs ∕ pa

اين رابطه براي حالت تنش د و بعدي برقرار است . gs د ر اين رابطه انرژي سطحي ويژه و E مد ول الاستيکي ماده است .
براي حالت تغيير شکل د و بعدي ( حالت تنش سه بعدي باصرفنظر از تغيير شکل د ربعد سوم ) رابطه زير را ارائه کرد:

s = √ 2Egs ∕ pa(1_ n² )

لازم به تذکر است که رابطه گريفيث براي يک ماده الاستيکي شامل ترک بسيار ريز باراس ترک تيز ارائه شد و اين رابطه ترک باشعاع راس ترک 0≠r را شامل نمي شو د . بنابراين رابطه گريفيث شرط لازم براي تخريب است ، اما شرط کافي نيست .
در رابطه گريفيث انرژي تغيير شکل پلاستيکي در نظر گرفته نشده است . ازاين ر و اروان انرژي تغيير شکل پلاستيکي ، که براي فلزات و پليمرها در فرآيند شکست قابل توجه است رادر نظر گرفت و رابطه زير راارائه کرد:

s = √ 2E(gs+gp) ∕ pa

سپس اروين رابطه گريفيث را براي موادي که قابليت تغيير شکل پلاستيکي دارند ، به کار برد و باتوجه به ميزان رها شدن انرژي تغيير شکل الاستيکي در واحد طول ترک د رحين رشد ( G) رابطه زير را براي حالت تنش د و بعدي ارائه داد :

s = √ EG ∕ pa

بامقايسه با رابطه قبل (gs+gp) 2 = s است . بد ين ترتيب د ر لحظه ناپايداري ، وقتي ميزان رها شد ن انزژي تغيير شکل الاستيکي به يک مقدار بحراني رسيد ، شکست پديدار مي شود. در اين صورت در لحظه شکست :

براي حالت تنش دو بعدي Gc= pasc² ∕ E
براي حالت کرنش دو بعديGc= pa(1- n² ) sc² ∕ E = Kc² ∕ E

Gcمقياسي براي تافنس شکست يک ماده بوده و مقدار آن براي هر ماده اي ثابت و معين است . بامعلوم بودن اين کميت مي توان مشخص کرد که مقدارa به چه اندازه اي بايد برسد تاجسم بشکند . بدين ترتيب اين رابطه در مکانيزم شکست اهميت دارد. هرچقدر Gcکوچکتر باشد ، تافنس کمتر يا به عبارتي ماده تردتراست .
رابطه زير را براي حالت تنش دو بعدي مي توان به صورت زير نوشت :

Gc = √ EGc ∕ pa

و براي شرايط تغيير شکل نسبي د و بعدي رابطه زير ارائه شده است :

s = √ EGc ∕ pa(1_n²)

تعيين تنش شکست بحراني sc کار چندان ساده اي نيست . اما مي توان گفت که به ازاي تنشهاي جسم باوجود ترک هنوز نمي شکند . از اين رو تنش درحد پاينتر از مقدار بحراني با ضريب شدت تنش K توصيف و رابطه زير براي آن ارائه شد ه است :

K= fs√ pa

در اين رابطه f ضريب هند سه نمونه معيوب ، s تنش اعمالي وa اندازه عيب است ، در شکل تئوري گريفيث اگر عرض نمونه نامحدود فرض شود ، دراين صورت 1 = f است . با انجام آزمايش روي نمونه اي با اندازه معيني از عيب مي توان مقدار k ، که به ازاي آن ترک شروع به رشد کرده و موجب شکست ميشود ، را تعيين کرد . اين ضريب شدت تنش بحراني به عنوان تافنس شکست ناميده ميشود و به Kc نشان داده ميشود .اماازطرفي ، همچنين به ازاي تنش ثابتي درحد کوچکتر از استحکام کششي باافزايش کند ترک ، طول ترک (a) ميتواند به مقدار بحراني برسد و به ازاي آن نمونه تخريب شود.

تافنس شكست (Kc) از فولادي با تنش تسليم MN.m2 2070 با افزايش ضخامت تا تافنس شكست در حالت تغيير شكل صفحه اي (دو بعدي) كاهش مي يابد.

کميتهاي Kcو Gc بستگي به ضخامت نمونه دارد. همين که ضخامت نمونه افزايش يافت ، تافنس شکست Kcتا مقدار ثابتي کاهش مي يابد ، اين مقدار ثابت Kc تافنس شکست تغيير شکل نسبي دو بعدي KIc ناميده مي شود . Kc کميتي مستقل از اندازه نمونه است و در محاسبه استحکام که مستلزم اطمينان بالاست ، به کار ميرود .
بنابراين در طراحي در محاسبات بايد روابط زير توجه شود :

s< Kc ∕ √ pa

و در حالت تغيير شکل دو بعدي ( حالت تنش سه بعدي باناچيز بودن تغيير شکل در بعد سوم):

s< K1c ∕ √ pa

کميتهاي K1c و G1c نه فقط براي گسترش ترک ترد ونرم تعريف شد ه است ، بلکه همچنين براي شکست تحت شرايط تنش خوردگي ، خستگي و خزش نيز به کار ميرود. در جداول زير تافنس شکست تعدادي از مواد ارائه شده است .

تافنس شكست تعدادي از مواد طراحي

تافنس شكست در حالت تغيير طول نسبي دومحوري (KIc) تعدادي از مواد

اگر حد اکثر اندازه عيب موجود در قطعه a و مقدار تنش وارد برآن s باشد ، ميتوان ماده اي را باتافنس شکست Kc يا K1c به اندازه کافي بالا ، که بتواند از رشد ترک جلوگيري کند، انتخاب کرد. همچنين اگر حداکثر اندازه مجاز عيب موجود درقطعه و تافنس شکست ماده ، يعني Kc يا K1c، معلوم باشد در آن صورت ميتوان حداکثر تنش قابل تحمل براي قطعه رامشخص کرد. از اين رو ميتوان اندازه تقريبي قطعه را تيين کرد، آن چنان که از پايينتر آمدن حداکثر تنش ايجاد شده از حد مجاز، اطمينان حاصل شود.
همچنين اگر ماده معيني انتخاب و اندازه قطعه و تنش وارد برآن مشخص شده باشد ، حد اکثر اندازه مجاز عيب قابل تحمل را ميتوان به طور تقريب بدست آورد.
توانايي هرماده در مقابل رشد ترک به عوامل زير بستگي دارد:
1- عيوب بزرگ ، تنش مجاز را کاهش ميدهد. فنون خاص توليد، مانند جداسازي و کاهش ناخالصيهااز فلز مذاب و فشردن ذرات پودر در حالت داغ در توليد اجزاي سراميکي همگي ميتواند موجب کاهش اندازه عيب شود و تافنس شکست را بهبود ببخشد.
2- در فلزات انعطاف پذير ، ماده مجاور راس ترک ميتواند تغيير فرم يابد . به طوري که سبب باز شدن راحت راس ترک و کاسته شدن از حساسيت آن شده و ضزيب شدت تنش را کاهش داده و از رشد ترک جلوگيري ميکند معمولا افزايش استحکام فلز انعطاف پذيري را کاهش ميدهد و سبب کاهش تافنس شکست ميشود ، مانند سراميکهاوتعداد زيادي از پليمرها ، تافنس شکست بسيار پايينتر از فلزات دارند.
3- مواد ضخيمتر وصلبتر داراي تافنس شکست کمتر از مواد نازک هستند.
4- افزايش سرعت وارد کردن بار، مانند سرعت وارد شدن بار د ر آزمايش ضربه ، نوعاتافنس شکست جسم را کاهش ميدهد.
5- افزايش درجه حرارت معمولا تافنس شکست راافزايش ميدهد، همان گونه که د ر آزمايش ضربه اين چنين است .
6- با کوچک شدن اندازه دانه ها معمولا تافنس شکست بهبود مييابد ، د ر حالي که با وجود عيوب نقطه اي و نابجاييهاي بيشتر تافنس شکست کاهش مييابد. بنابراين مواد سراميکي دانه ريز ميتواند مقاومت به رشد ترک را بهبود بخشند.

نويسنده:عليرضا سنجري
منبع:felezat.com

شکست (fracture)

مطالب مشابه :

فرم های کارشناسی ارشد

انواع گازها در کوره

آشنایی با رشته مهندسی پزشکی در گرایش بیو متریال

روش جوشکاری تیگ

معرفی کتاب

پایانی بد برای یازدهمین دوره مسابقات ملی عملیات حرارتی

شکست (fracture)

درمورد استاندارد ASTM چه میدانید؟