فرایند شکست

مکانیزم شکست (Mechanisms of crack)

 

بررسی مکانیزمهای ایجاد ترک و مکانیزمهای متفاوت رشد سریع یا در حد بحرانی ترک و رشد آرام و پایینتر از رشد بحرانی از اهمیت ویژه صنعتی برخوردارند. بررسی فعل و انفعالات فیزیکی که به هنگام شکست روی میدهد چندان ساده نیست، زیرا چگونگی ایجاد ترک و رشد آن و بالاخره نوع شکست در مواد کریستالی به جنس، ساختار شبکه کریستالی، ریزساختار و از آنجا که قطعات معمولا به طور کامل سالم و بدون عیب نیستند به نوع، اندازه و موقعیت عیب، نوع و حالت تنش وارد بر آنها بستگی خواهد داشت. معمولا شکست در فلزات به شکست نرم و شکست ترد تقسیم می شود.
در صنعت هدف، کنترل و به تعویق انداختن شکست است.

 

 

 

شکست : جدایش یا تقسیم شدن دویا چند قسمت دراثر اعمال تنش . فرایند شکست شامل دو مرحله ی جوانه زنی ترک و پیشرفت وگسترش ترک میشود . شکست رامی توان ازچند نظر تقسیم بندی کرد :
الف) ارنظرکریستالوگرافی به دو دسته ی برشی وکلیواژ
ب) ازنظرشکل ظاهر به دونوع الیافی ودانه ی
ج) ازنظرمقدار کرنش شکست به دوگروه نرم وترد
د) ازنظرمیکروسکوپی ومتالوگرافی به دونوع درون دانه ی ومرزدانه ی

 

نوع شکست به چند عامل مانند: نوع ماده ، دما ، شرایط تنش وسرعت
بارگذاری بستگی دارد.دونوع عمده شکست ،شکست نرم وترد می باشد.
شکست نرم بامقدارقابل توجه ی تغییر فرم پلاستیک قبل ازمرحله ی پیشرفت ترک ودرحین آن مرحله همراه است . شکست ترد در فلزات با سرعت سریع پیشرفت ترک ومیزان خیلی کم تغییر فرم پلاستیک همراه است.

 

 شکست نرم:
بسیاری از فلزات و آلیاژهای آنها، به ویژه آنهایی که دارای شبکه fcc هستند، مانند آلومینیوم و آلیاژهای آن، در تمام درجه حرارتها، شکست نرم خواهند داشت. شکست نرم به آرامی و پس از تغییر شکل پلاستیکی زیاد به ازای تنشی بالاتر از استحکام کششی ظاهر میشود. از مشخصات شکست نرم، تحت تاثیر تنش کششی، ظاهر گشتن گلویی یا نازکی موضعی و ایجاد حفره های بسیار ریز در درون قسمت گلویی و اتصال آنها به یکدیگر تا رسیدن به حد یک ترک ریز و رشد آرام ترک تا حد پارگی یا شکست نهایی است.

 

مراحل مختلف شکست نرم در یک فلز انعطاف پذیر
در این نوع شکست علت ایجاد حفرهای ریز در محدوده گلویی میتواند تغییر شکل غیر یکنواخت ناشی از ناخالصیهای موجود در ماده اصلی زمینه باشد. لذا با ایجاد حفره های بسیار ریز در محدوده گلویی حالت تنش سه محوری برقرار میشود که منجر به ایجاد ترک میشود .
در طراحی و ساخت اجزای ماشین آلات و در ساختمان سازی، تنشهای وارد بر سازه های فلزی در محدوده الاستیکی انتخاب میشود. بنابراین در کاربرد صنعتی، شکست در حالت تنش استاتیکی در مواد انعطاف پذیر ( داکتیل ) یک پیشامد نامطلوب است.
ترک داخلی در نا حیه نازک شده در نمونه کششی مس با خلوص بالا

 

شکست ترد:

 

درطی جنگ جهانی دوم دیده شد که تعداد زیاد ی کشتی که ازفولاد نرم وشکل پذیر ساخته شده بودند دچارشکست می شدند به طوری که به دو تکه تبدیل می شدند با انجام تحقیقات فراوان ومطالعه ی شرایط کاری کشتی ها مشخص شد که اغلب آنها درزمستان ودر دریاهای مواج وطوفانی اتفاق افتاده است. این مطالعات به منظور بررسی مکانیزم شکست ترد ویافتن علتها ونیز راههای جلوگیری از آن انجام گرفت.

 

شکست ترد معمولا در فلزاتی با ساختار کریستالی مکعب مرکزدار(bcc ) و هگزاگونال متراکم (hcp) و آلیاژهای آنها در درجه حرارتهای پایین ( معمولا پایینتر از دمای معمولی محیط ) و سرعتهای تغییر شکل بالا بطور ناگهانی ظاهر میشود. شکست ترد در امتداد صفحه کریستالی معینی، به نام صفحه کلیواژ، انجام میگیرد. در شکست ترد عموما تغییر شکل پلاستیکی قابل توجهی در منطقه شکست مشاهده نمیشود.
نظریه شکست ابتدا علت شکست را این چنین بیان کرد که تمام پیوندهای اتمی در امتداد صفحه شکست هم زمان با هم گسیخته میشوند. بدین ترتیب که با ازدیاد تنش فاصله اتمها از یکدیگر دور میشوند ودر نهایت به محض اینکه تنش به حد تنش شکست ( تنش بحرانی ) رسید، در نتیجه گسستن تمامی پیوندهای اتمی در صفحه عمود بر امتداد کشش، شکست پدیدار میشود.
در جدول زیر تنشهای بحرانی عمود بر صفحات کریستالی معین در چند تک کریستال برای شکست داده شده است.

 

شکست ترد به سه دلیل اصلی صورت میگیرد:

 

۱) تنش سه بعدی
۲) دمای پایین
۳) نرخ کرنش بالا

 

دلایل خرابی قطعات می تواند به خاطرشروع ترک ازنواحی جوشکاری ویا نقایص همراه بادمای زیر صفر باشد.

 

شکست ترد وتعدادی از تک کریستالها
عملا تنش لازم برای شکست مواد لازم فلزی به اندازه قابل توجهی کمتراز تنش شکست محا سبه شده ا ز طریق تئوری است . بنابراین فعل وانفعال شکست نمیتواند از طریق گسستن همزمان تمامی پیوند های اتمی درامتداد سطح شکست صورت گیرد. بد ین ترتیب فعل و انفعالات شکست عملا بیشتر از طریق ایجاد یک ترک بسیار ریز به عنوان منشا ترک و رشد و پیشروی آن انجام میگیرد . برای پیشروی ترک د ر یک ماده لازم است مقدار تنش متمرکز در نوک ترک از استحکام کششی در آن موضع فراتر رود . د ر مواردی که شرایط برای پیشروی منشا ترک مساعد نیست ترک می تواند متوقف گشته وشکست پدیدار نشود.

تحلیل مهندسی این پروژه رو با اباکوس میتونید از طریق همین سات تهیه کنید

آزمایش اندازه گیری چقرمگی شکست کرنش صفحه ای (KIC)

آزمایش استاندارد برای چقرمگی شکست کرنش صفحه ای مواد فلزی با کد E399-83 ارائه شده است . استاندارد استفاده از قطعات نشان داده شده در شکل  را پیشنهاد می کند . روابط مربوط به ضرایب شدت تنش برای این قطعات در جدول زیر  آورده شده اند . برای حصول اطمینان از این که ترک در محدوده بخصوصی اتفاق می افتد و برای جلوگیری از پراکندگی ، معمولاً از برش های شروع کننده ای از نوع نشان داده شده در شکل  استفاده می شود . برای شبیه سازی یک ترک صفحه ای ایده آل با شعاع نوک به منظور هماهنگی با فرضیات مکانیک شکست الاستیک خطی (LEFM) در قطعات قبل از آزمایش ترک خستگی ایجاد می کنند .

 

در تصاویر زیر نمونه های توصیه شده توسط ASTM برای ارزیابی مقدار K_{IC نشان داده شده است.}

 

 

 

 

 

جدول زیر ضریب شدت تنش K_Iبرای نمونه های توصیه شده توسط ASTM جهت ارزیابی چقرمگی شکست کرنش صفحه ای K_IC را نشان می دهد.

 

آزمایش چقرمگی کرنش صفحه ای از این نظر غیر معمول است که هیچ اطمینان واضحی نمی تواند وجود داشته باشد که یک مقدار KICمعتبر در انتهای آزمایش به دست خواهد آمد . بنابراین ، لازم است که خود را مقید به پیروی از تمام معیارهای توصیه شده در استاندارد فوق نماییم . روشن است که دقت نتایج آزمایش KIC، غالباً بستگی به قید پلاستیکی خواهد داشت که بلافاصله جلوی ترک خستگی اولیه عمل می کند . برای برقراری اندازه های خواسته شده برای آزمایش KIC ، ابعاد قطعه باید به اندازه کافی بزرگ باشند تا از شرایط کرنش صفحه ای اطمینان حاصل شود . استاندارد فوق توصیه می کند که روابط زیر رعایت شود. روابط چنین فرض می کنند که  ما از قبل KIC را می دانیم یا حداقل آگاه به تخمین معقولی از آن هستیم .

 

a≥۲٫۵(KIC/Y)^2
B≥۲٫۵(KIC/Y)^2
W≥۵(KIC/Y)^2

 

روش های دیگری نیز به منظور ارائه تخمین هایی برای a ، B و W به وجود آمده اند که شامل موارد زیر می شوند :
۱- استفاده از قطعات با ضخامت زیاد (تا حد امکان) .
۲- استفاده از تخمین های بیش از حد واقع KICبر پایه آزمایش های دیگر یا مواد قابل مقایسه .
۳- استفاده از نسبت Y/Eو مقادیر حداقل توصیه شده a و B همان طوری که در جدول داده شده است .