پیش‌نویس:شکست در فلزات

مقدمه

شکست در مواد مهندسی بدلیل ایجاد ضرر های اقتصادی و همچنین به خطر انداختن جان انسانها همواره ناخواسته و نا مطلوب است. حتی اگر عوامل موثر بر شکست و رفتار مواد نیز شناخته شده باشند پیشگیری از پدیده شکست را به سختی می توان تضمین کرد. از عوامل معمول در بروز شکست میتوان به :

1. انتخاب نامناسب مواد
2. فرآیند نامناسب
3. طراحی اجزای نامناسب
4. استفاده غلط از اجزا

اشاره کرد.

وظیفه مهندس این است که شکست را پیش بینی کند و طوری برنامه ریزی کند که شکست رخ ندهد و در صورتیکه حوادثی اتفاق افتاد تمهیداتی انجام دهد تا بتواند از پدیده های مشابه آتی پیشگیری کند.

اصول شکست

شکست ساده عبارت است از جدا شدن یا خرد شدن یک قطعه به دو یا چند تکه در اثر تنش استاتیکی در دمای پایین نسبت به نقطه ذوب ماده.

برای مواد مهندسی بر اساس قابلیت تغییر شکل پلاستیک، دو نوع شکست محتمل است:

شکست نرم و شکست ترد. البته عبارات نرم و ترد نسبی هستند و اینکه یک شکست از کدام نوع است، به موقعیت و شرایط بستگی دارد. به علاوه نرمی تابعی از از دمای ماده، نرخ کرنش و حالت تنش است.

هر فرآیند شکست در پاسخ به اعمال تنش دو مرحله دارد که عبارتند از:

1. شکل گیری ترک
2. انتشار ترک

نوع شکست به مکانیزم انتشار ترک بسیار وابسته است. بطوریکه برای وقوع شکست نرم، افزایش طول ترک به آرامی صورت می گیرد و تغییر شکل وسیعی در نزدیکی ترک در حال رشد رخ می‌دهد. این ترک‌ها تا هنگامیکه تنش اعمالی ثابت باشد، گسترش پیدا نمی‌کنند و اصطلاحا آنها را " ترک پایدار " می‌نامند. در شکست ترد اما ترک‌ها بدون کوچکترین تغییر شکل پلاستیکی، بسیار سریع منتشر می‌شوند و اشاعه آنها ناگهان آغاز می‌شود. این ترک‌ها بر خلاف ترک‌های پایدار، خودبخود و در حالیکه هیچ گونه تغییری در اندازه تنش اعمالی صورت نگرفته است، گسترش پیدا می‌کنند.

همواره شکست نرم نسبت به شکست ترد برای ما مطلوب‌تر خواهد بود؛ زیرا شکست ترد، بصورت آنی، فاجعه بار و بدون هشدار رخ می‌دهد؛ در مقابل اما، در شکست نرم، تغییر شکل پلاستیک به ما هشدار می‌دهد که شکست در حال رخ دادن است و در اینصورت می‌توان اقدامات پیش‌گیرنده را انجام داد و از بروز آن جلوگیری کرد. علاوه بر این، چقرمه تر بودن مواد نرم، باعث می‌شود که برای بروز شکست، انرژی کرنشی بیشتری نیاز باشد.

در اثر اعمال تنش کششی اکثر آلیاژهای فلزی نرم هستند در حالیکه سرامیکها ترد هستند و پلیمرها ممکن است هر دو نوع شکست را داشته باشند.

انواع شکست

انواع شکست در فلزات

بطور کلی سطوح شکست شامل سطوح نرم و ترد می‌شوند که هر کدام شکل مخصوص به خود را دارند.شکل مقابل مشخصه ماکروسکوپی مقطع عمودی شکست را بطور شماتیک نشان می‌دهد.

شکل a مربوط به مواد بسیار نرم مانند طلای خالص، سرب در دمای اتاق و دیگر مواد در دماهای بالا می‌باشد. این مواد خیلی نرم تا رسیدن به یک نقطه گلویی می‌شوند و سطح مقطع آنها کاملا کاهش می‌یابد.

شکل b متداول ترین نوع شکست را نشان می‌دهد که به آن شکست نرم متوسط گفته می‌شود؛ شکستی که در آن مقدار کمی گلویی شدن اتفاق می‌افتد.

شکل c مربوط به شکست کاملا ترد است که بدون هیچگونه تغییر شکل پلاستیک انجام می‌شود.

شکست نرم

مراحل شکست نرم

شکست نرم به آرامی و پس از تغییر شکل پلاستیکی زیاد، به ازای تنشی بالاتر از استحکام کششی ظاهر می‌شود.

در تصویر مقابل مراحل پنجگانه فرآیند شکست نرم(از چپ به راست) نشان داده شده است:

(a): در هنگام اعمال بار بصورت کششی، گلویی یا نازکی موضعی(initial necking)ظاهر می‌شود.

(b): ایجاد حفره های بسیار ریز در درون قسمت گلویی

(c): اتصال حفره های ریز به یکدیگر تا رسیدن به حد یک ترک ریز

(d): رشد آرام ترک تا حد پارگی یا شکست نهایی

(e): رخ دادن شکست برشی نهایی در زاویه 45 درجه نسبت به جهت کشش

در این نوع شکست، علت ایجاد حفره های ریز در محدوده گلویی (مرحله b)، می‌تواند تغییر شکل غیر یکنواخت حاصل از ناخالصی های موجود در ماده زمینه باشد.

جهت ترک ایجاد شده ابتدا عمود بر امتداد کشش است(مراحل a تا c). با رشد ترک و نزدیک شدن آن به سطح خارجی نمونه(مراحل d و e)، شکست نهایی با برش بقیه سطح مقطع تحت زاویه 45°  با امتداد کشش، یعنی در صفحه های لغزش با بیشترین تنش برشی، رخ می‌دهد.

نمونه‌ای از شکست فنجان و مخروط در آلومینیوم

بعضی مواقع شکستی که سطح مقطع آن دارای چنین نقش‌هایی باشد را شکست فنجان مخروط می‌نامند. زیرا در این حالت یکی از دو سطح دارای شکل فنجان و دگری به شکل مخروط است.

بسیاری از فلزات، به ویژه آنهایی که دارای ساختار شبکه بلوری مکعبی مرکز پر یا مرکز حجمی (BCC) هستند، مانند آلومینیوم و آلیاژ های آن، در تمام دماها، دارای شکست نرم هستند.

شکست ترد

شکست ترد با تغییر شکل الاستیک که در آن انتشار ترک بسیار سریع اتفاق می‌افتد، رخ می‌دهد.

شکست ترد در امتداد صفحه کریستالی معینی به نام رَخ انجام می‌گیرد(این سطوح معمولاً دسته صفحات با چگالی اتمی کم و فاصله زیاد هستند.).

یک سطح شکست نسبتاً تخت را نتیجه می‌دهد و در سطح شکست نشانه های تغییر شکل پلاستیک دیده نمی‌شود.

در بعضی از تکه‌های فولادی یک سری علایم V شکل در نزدیک مرکز سطح مقطع شکست دیده می‌شود که نقطه نوک تیز آن محل آغاز ترک را نشان می‌دهد(تصویر زیر).

تصویری از شکست ترد V شکل که در آن فلش ها نشان دهنده منبع ترک هستند.(اندازه تقریبا واقعی است.)

قسمت های دیگر آن دارای خطوط یا شیارهایی هستند که از مبدأ ترک به صورت الگوهای بادبزنی شکل و شعاعی خارج شده‌اند (تصویر زیر).

تصویر نوری یک سطح شکست ترد که نشان دهنده شیار های شعاعی است و فلش ها نشان دهنده منبع ترک هستند(تصویر تقریبا دو برابر بزرگنمایی شده است.)

شکست ترد معمولا در فلزاتی با ساختار های کریستالی شبکه مکعبی وجوه پر(FCC) و بسته شش ضلعی(HCP) و آلیاژ های آنها با سرعت تغییر شکل بالا و بطور ناگهانی ظاهر می‌شود. شکست ترد در مواد آمورف نظیر شیشه و سرامیک‌ها یک سطح نسبتاً درخشان و صیقلی ایجاد می‌کند. شکست ترد اغلب بصورت درون دانه‌ای یا بین دانه‌ای انجام می‌شود.

شکست درون دانه‌ای

(a): تصویر میکروسکوپ الکترونی سطح شکست نرم چدن نشان دهنده سطح شکست میان دانه‌ای. (b): نمای شماتیک از شکست درون دانه‌ای

برای بیشتر مواد کریستالی ترد اشاعه ترک با انفصال پی در پی پیوندهای بین اتمی در امتداد صفحات کریستالوگرافی خاص می‌باشند. چنین فرایندی رخ (cleavage) نامیده می‌شود.

در این نوع شکست ترک‌های شکست از درون دانه‌ها عبور می نمایند.

شکست بین دانه‌ای

(a): تصویر میکروسکوپ الکترونی سطح شکست بین دانه‌ای(با 50 برابر بزرگنمایی).(b): تصویری شماتیک از شکست بین دانه‌ای

در برخی از آلیاژها، انتشار ترک در امتداد مرزهای دانه اتفاق می‌افتد. این شکستگی بین دانه ای نامیده می شود و در آن ماهیت سه بعدی دانه‌ها ممکن است دیده شود. هرگاه مناطق مرزی دانه‌ها تضعیف شوند، این نوع شکستگی رخ می‌دهد.

تمرکز تنش

(a): هندسه ترکهای سطحی و داخلی (b): نمودار تنش بر حسب موقعیت در طول خط 'X-X در شکل a که افزایش تنش در نقطه نوک ترک را نشان می‌دهد.

مقاومت در برابر شکست یک ماده جامد تابعی از نیروهای چسبندگی موجود بین اتمهای آن ماده است. بنابراین، استحکام چسبندگی تئوری یک جامد الاستیک ترد حدود ۱۰÷E تقریب زده شده است(E مدول الاستیک است.).

در عمل مقاومت شکست بیشتر مواد مهندسی معمولا بین ده تا هزار مرتبه پایین تر از مقدار تئوری آنهاست. در دهه ۱۹۲۰ دانشمندی بنام گریفیث بیان داشت که اختلاف بین مقدار تئوری و مقدار تجربی می‌تواند به علت وجود ضعفها یا ترکهای بسیار ریز و میکروسکوپی باشد که همیشه در شرایط معمولی در سطح اجسام و نیز در قسمت داخلی آنها وجود دارد.

این ترکها باعث کاهش مقاومت در برابر شکست می‌شوند زیرا تنش اعمالی در راس ترک متمرکز می شود.مقدار بزرگی این تشدید بستگی به موقعیت و هندسه ترک دارد.

در راستای این نظریه باید گفت که تشدید تنش تنها به این ترکهای میکروسکوپی محدود نمی شود بلکه این تشدید ممکن است در ناپیوستگیهای داخلی مانند حفره ها گوشه های تیز و شیارهای V شکل در ساختارهای بزرگ رخ دهد. علاوه بر این اثر بالا برنده تنش در مواد ترد محسوس تر از مواد نرم می باشد. برای مواد نرم، در صورت بالا رفتن مقدار تنش ماکزیمم از مقدار تنش تسلیم تغییر شکل پلاستیک رخ می دهد و این پدیده باعث توزیع یکنواخت تر تنش در مجاورت عوامل بالابرنده تنش و به وجود آمدن ضریب تمرکز تنش بیشینه می‌شود. در قطعات ترد پدیده فوق اتفاق نمی افتد لذا تمرکز تنش تئوری اتفاق می افتد.

روابط مربوط به تمرکز تنش

مقدار تنش بحرانی از رابطه ^½[(πa)÷(σ_{c =} [(2Eγ_s محاسبه می‌شود که در آن E مدول الاستیسیته ، γ_s انرژی سطح و a نصف طول ترک داخلی است.

چقرمگی شکست

رابطه بین تنش بحرانی و طول ترک

چقرمگی شکست K_c، ضریب شدّت تنش بحرانی یک ترک تیز است که در آن، انتشار ترک بطور ناگهانی سریع و نامحدود می‌شود.

یک روش کمّی برای بیان مقاومت یک ماده نسبت به انتشار ترک است که از رابطه مقابل محاسبه می‌شود.

ترک‌ها نمی‌توانند به آسانی در مواد چقرمه گسترش یابند. فلزات بالاترین مقدار چقرمگی شکست را دارند و در برابر ترک‌خوردگی تحت تنش، به شدّت مقاوم هستند و منحنی تنش-کرنش آنها، ناحیه‌ی بزرگی از جریان پلاستیک را نشان می‌دهد.

برای صفحات خیلی عریض و ترکهای ریز Y به مقدار واحد می رسد. برای مثال برای یک صفحه با عرض بی نهایت با داشتن ترک راه بدر (شکلa ) Y=1  است. که برای صفحه با عرض نیمه تا متناهی با داشتن ترک لبه ای با طول a (شکل b)، Y=1.1 است. برای اجزا با ابعاد معین و متناهی محاسبات مربوط به Y نسبتا پیچیده است.

هنگامی که ضخامت نمونه خیلی بیشتر از ابعاد ترک باشد، K_c به ضخامت نمونه وابسته نیست و شرایط کرنش صفحه ای وجود دارد.

چقرمگی شکست کرنش صفحه‌ای

مقدار ثابت برای قطعات ضخیم تر تحت عنوان چقرمگی شکست کرنش صفحه ای K_Ic نشان داده می‌شود و طبق رابطه روبرو تعریف می شود.

مواد تردی که برای آنها تغییر شکل پلاستیک در مقابل یک ترک پیشرونده امکان پذیر نیست ، مقادیر  K_Ic کمی داشته و در معرض شکست ناگهانی هستند.

موثرترین عوامل بر  K_Ic ، دما ، نرخ کرنش و ریز ساختار می‌باشند. بزرگی . K_Ic با افزایش نرخ کرنش و کاهش دما کاهش می‌یابد.

K_Ic را معمولا با کاهش در اندازه دانه در صورت ثابت بودن ترکیب، ریز ساختار و متغیر های دیگر می‌توان افزایش داد.

روابط تنش بحرانی و حداکثر طول ترک بحرانی

در امکان شکست بعضی از اجزای ساختاری، سه متغیر باید در نظر گرفته شود: چقرمگی، تنش اعمالی و اندازه ترک.

البته با فرض اینکه Y مشخص باشد. این مهم است که بدانیم چنانچه دو تا از پارامترها مشخص شده باشند، بر اساس معادلات سومی ثابت خواهد بود.

برای محاسبه تنش بحرانی و حداکثر طول ترک مجاز می‌توانیم از روابط روبرو استفاده کنیم:

استحکام تسلیم و چقرمگی شکست صفحه‌ای در دمای اتاق برای برخی مواد مهندسی

ماده	استحکام تسلیم (MP)	چقرمگی شکست کرنش صفحه‌ای (KIc) (MPa)
آلیاژ آلومینیوم (T651 - 7075)	495	24
آلیاژ آلومینیوم (T3 - 2024)	345	44
آلیاژ تیتانیوم (Ti - 4V-6Al)	910	55
فولاد آلیاژی (4340 تمپر شده در 260 درجه سانتیگراد)	1640	50
فولاد آلیاژی (4340 تمپر شده در 425 درجه سانتیگراد)	1420	87.4

جستار های وابسته

• خستگی
• خزش
• نسبت خستگی
• عیوب نقطه‌ای

• علم مواد

مراجع

1. ASM Handbook, Vol. 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, Materials Park, OH, 1986.

2. ASM Handbook, Vol. 12, Fractography, ASM International, Materials Park, OH, 1987.

3. Boyer, H. E. (Editor), Atlas of Creep and Stress Rupture Curves,ASM International, Materials Park, OH, 1988.

4. Boyer, H. E. (Editor), Atlas of Fatigue Curves, ASM International,Materials Park, OH, 1986.

5. Colangelo, V. J. and F. A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, 1987.

6. Collins, J. A., Failure of Materials in Mechanical Design, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, 1993.

7. Courtney, T. H., Mechanical Behavior of Materials, McGraw-Hill Book Co., New York, 1990.

8. Davidge, R. W., Mechanical Behaviour of Ceramics, Cambridge University Press, Cambridge, 1979. Reprinted by TechBooks,Marietta, OH.

9. Dieter, G. E., Mechanical Metallurgy, 3rd edition, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986.

10. Esaklul, K. A., Handbook of Case Histories in Failure Analysis, ASM International, Materials Park, OH, 1992 and 1993. In two volumes.

11. Fatigue Data Book: Light Structural Alloys, ASM International,Materials Park, OH, 1995.

12. Hertzberg, R. W., Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 4th edition, John Wiley & Sons, New York, 1996.

رده:مقاله‌های ایجاد شده توسط ایجادگر