تئوری شکست

چرا شکست مورد مطالعه قرار میگیرد؟
در طراحی یک قطعه یا سازه غالبا از مهندس خواسته میشود که امکان شکست و ازکارافتادگی را حداقل نماید در نتیجه این نکته دارای اهمیت است که مکانیزم‌های مختلف از کارافتادگی را بشناسیم. به علاوه باید با اصول مناسب طراحی که ممکن است از شکست قطعه در حین کار جلوگیری نماید آشنا باشیم.
مبانی شکست
شکست ساده عبارت است از جدا شدن یک جسم به دو یا چند تکه در واکنش به تنش اعمالی که به صورت استاتیکی (یعنی تنشی که به صورت ثابت یا با تغییر آهسته نسبت به زمان) وارد می‌شود و در دمایی که نسبت به دمای ذوب پایین‌تر است اتفاق می‌افتد.تنش اعمالی ممکن است کششی،فشاری،و یا پیچشی باشد.بحث حاضر به شکست‌هایی منحصر است که از بارهای کششی تک محوری حاصل میگردند.برای مواد مهندسی دو حالت شکست امکان پذیر است. شکست نرم یا داکتیل و شکست ترد.این دسته بندی بر اساس توانایی یک ماده جهت انجام تغییر شکل پلاستیک است. مواد انعطاف پذیر معمولا تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی را همراه با جذب انرژی زیاد تا قبل از شکست از خود نشان می‌دهند. از سوی دیگر در شکست ترد ، معمولا هیج تغییر شکل پلاستیکی وجود ندارد یا بسیار جزیی بوده و همراه با جذب انرژی کم اتفاق می‌افتد.
مراحل شکست
هر شکستی شامل دو مرحله است : ایجاد ترک و اشاعه آن که در واکنش به یک تنش اعمالی بروز می‌کند حالت شکست به میزان زیادی به مکانیزم اشاعه ترک بستگی دارد.شکست نرم توسط تغییر شکل پلاستیک زیاد در مجاورت ترک رو به رشد متمایز میگردد.
انواع شکست
شکست نرم
سطوح شکست نرم دارای جنبه‌های متمایز مربوط به خود در هر دو حالت ماکروسکوپی و میکروسکوپی می‌باشند.مواد فوق العاده نرم و انعطاف پذیر نظیر پلیمر‌ها و شیشه‌های معدنی و طلا و سرب قبل از شکست گلویی شده و به یک نقطه تبدیل شده که در حقیقت بیانگر 100 درصد کاهش در سطح مقطع است.شکست برای فلزات انعطاف پذیر تنها توسط مقدار متوسطی از گلویی شدن دنبال میگردد.
AlMgSi alloy. The local necking and the cup and cone fracture surfaces are typical for ductile metals.
فرایند شکست نرم
ابتدا بعد از اینکه گلویی شدن آغاز گردید،حفره‌های کوچکی در داخل سطح مقطع گلویی تشکیل میشود.سپس با ادامه تغییر شکل این میکروحفره‌ها بزرگ شده و به هم نزدیک می‌شوند و به هم می‌پیوندند تا یک ترک بیضی شکل را ایجاد نمایند که قطر بزرگ این بیضی عمود بر جهت اعمال تنش است ترک به رشد خود در جهت موازی با قطر بزرگ بیضی توسط فرایند به هم پیوستن میکرو حفره‌ها ادامه میدهد و سرانجام توسط اشاعه سریع یک ترک در اطراف محیط بیرونی ناحیه گلویی توسط تغییر شکل برشی در زاویه حدود 45 نسبت به محور کششی دنبال می‌شود(این زاویه‌ای است که در آن تنش برشی حداکثر است به این شکست با این مشخصه‌ی سطحی شکست گودی برآمدگی نامیده می‌شوند(cup and cone fracture )
شکست ترد
شکست ترد بدون وقوع تغییر شکل محسوس و توسط اشاعه ترک سریع بروز میکند.جهت حرکت تقریبا عمود بر جهت تنش کششی اعمالی است و یک سطح شکست نسبتا تخت را نتیجه میدهد.
سطوح شکست موادی که در حالت ترد شکسته‌اند دارای الگوهای متمایز مربوط به خود می‌باشند.هیچگونه علائمی از تغییر شکل پلاستیک زیاد دیده نخواهد شد. برای مثال در بعضی از تکه‌های فولادی یک سری از علایم چورون (chevron) به شکل V ممکن است در نزدیک مرکز سطح مقطع شکست دیده شود که نقطه نوک تیز آن به طرف محل آغاز ترک قرار گرفته است.دیگر سطوح شکست ترد دارای خطوط یا شیار‌هایی هستند که از مبدا ترک به صورت الگوی بادبزنی شکل به صورت شعاعی خارج شده‌اند.اغلی هر دو نوع این الگو‌ها به اندازه‌ی کافی درشت هستند تا بتوانند با چشم غیر مسلح دیده شوند و برای فلزات بسیار سخت و ریز دانه ، هیچ الگوی شکست قابل تمایزی وجود ندارد.شکست ترد دو مواد آمورف نظیر شیشه و سرامیک‌ها یک سطح نسبتا درخشان و صیقلی ایجاد میکند.
برای بیشتر مواد کریستالی ترد اشاعه ترک متناظر با انفصال پی در پی و مکرر پیوند‌های بین اتمی در امتداد صفحات کریستالوگرافی خاص می‌باشند.چنین فرایندی اصطلاحا کلیواژ نامیده میشود.این نوع شکست درون دانه‌ای (transgranular) یا درون کریستالی نامیده میشود زیرا ترک‌های شکست از درون دانه‌ها عبور می‌نمایند. از لحاظ ماکروسکوپی سطح شکست ممکن است دارای یک بافت دانه‌ای یا پخ دار باشد که در نتیجه تغییرات در جهت کریسالوگرافی صفحات کلیواژ از یک دانه به دانه دیگر می‌باشد.
بررسی‌های شکست نگاری (fractographic studies)
اطلاعات خیلی مشروح‌تری درباره مکانیزم شکست از بررسی میکروسکوپی الکترونی رویشی (SEM) مقدور میگردد.بررسی‌هایی از این قبیل را شکست نگاری(فرکتوگرافی) می‌نامند.میکروسکوپ الکترونی رویشی از آن جهت برای شکست نگاری ترجیح داده می‌شود که دارای قدرت تفکیک و عمق میدان بسیار بهتری نسبت به میکروسکوپ نوری است.
اصول مکانیک شکست
شکست ترد مواد انعطاف پذیر معمول نیاز مبرم به شناخت بیشتر مکانیزم‌های شکست را مطرح می‌نماید.تلاش‌های تحقیقاتی گسترده‌ای در طی چند دهه گذشته منجر تکامل حوزه مکانیک شکست شده است.این موضوع به ما امکان میدهد که ارتیاط بین خواص ماده،میزان تنش حضور عیوب و ترک‌های ایجاد کننده ترک و مکانیزم‌های اشاعه ترک را به صورت کمی بیان کنیم.
استحکام شکست
استحکام شکست یک ماده جامد تابعی از نیروهای چسبندگی است که بین اتم‌ها وجود دارد بر این اساس استحکام چسبندگی تئوری (که ناشی از مقاومت پیوند‌های ماده برای جدا شدن از یک دیگر است برای یک جامد الاستیک ترد تقریبا برابر E/10 تخمین زده شده است که در آن E مدول الاستیک است.
دافعه و جاذبه اتمی بر روی نیرو‌های چسبندگی،موثر هستند که از فاصله‌ی بین اتمی تاثیر می‌پذیرند.
اگر کریستال تحت نیروی کششی قرار گیرد فاصله بین اتم‌ها زیاد می‌شود.با زیاد شدن فاصله،نیروی دافعه با سرعت بیشتری نسبت به نیروی جاذبه کاهش می‌یابد که برایند آن‌ها با نیروی کششی اعمالی موازنه می‌گردد.با افزایش بار کششی نیروی دافعه کمتر میشود و به نقطه‌ای میرسیم که در آن به علت زیاد شدن فاصله اتم‌ها ، از نیروی دافعه صرف نظر شده و نیروی جاذبه نیز کاهش می‌یابد.این نقطه بیانگر استحکام چسبندگی تئوری ماده می‌باشد که از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید : (برای جامدات ترد)
_th=_max=〖((E_s)/a_0 )〗^(1/2)
که در آن E مدول الاستیک ،_s انرژی سطحی ویژه a_0 فاصله بین اتمی یا پارامتر شبکه می‌باشد.
نکته قابل توجه این است که استحکام‌های شکست تجربی مواد مهندسی معمولا بین 10-1000 برابر پایین‌تر از این مقدار استحکام تئوری است. در دهه 1920 ،گریفیث (A.A.Griffith) پیشنهاد کرد که این تفاوت بین استحکام تئوری و تجربی می‌تواند حضور ناپیوستگی و ترک‌های میکروسکوپی خیلی کوچک که تحت شرایط عادی در سطح و در داخل نمونه‌ای از یک ماده وجود دارد، توجیه شود.
تئوری گریفیث برای شکست ترد
An edge crack (flaw) of length in a material
در طی اشاعه یک ترک آزاد شدن "انرژی کرنشی الاستیک" وجود دارد که مقداری از انرژی است که در ماده به هنگام تغییر شکل الاستیک ذخیره شده است.به علاوه در طی فرایند اشاعه‌ی ترک،سطوح آزاد جدیدی در وجوه ترک ایجاد می‌شود که افزایش در انرژی سطحی سیستم ایجاد می‌کند.گریفیث معیاری برای اشاعه ترک یک ترک بیضی شکل ارائه نمود.او نشان داد که تنش بحرانی _c برای اشاعه ترک در یک ماده ترد به صورت زیر بیان میشود.
_c=((2E_s)/a)^(1/2)
که در آن،E مدول الاستیک و _s انرژی سطحی ویژه و a نصف طول یک ترک داخلی می‌باشد.
پیشرفت قبلی در این زمینه تنها در مورد مواد ترد صادق است که در آن‌ها هیچگونه تغییر شکل پلاستیک در طی شکست وجود ندارد.بیشتر فلزات و بسیاری از پلیمرها مقداری تغییر شکل پلاستیک را در طی شکست خود تجربه می‌نمایند که این پیچیدگی با اضافه شدن _p ممکن است برطرف گردد که در آن _p بیانگر انرژی تغییر شکل پلاستیک است.
اصلاح اروین
در دهه 1950 G.R.Irwin هر دو عبارت _p و _s را به صورت یک عبارت به صورت 2(_s+_p) تعریف نمود که این عبارت به عنوان سرعت آزاد شدن انرژی کرنشی بحرانی نامیده می‌شود.با در نظر گرفتن این مطلب معیار دیگری برای ایجاد ترک گریفیث حاصل می‌شود.
2(_s+_p)=(^2 a)/E
خوردگی تنشی
فرکتوگرافی
استحکام تسلیم
سختی
خستگی (مواد)
متالورژی
عیوب نقطه‌ای
متالوگرافی
ناکاملی بلوری
فرکتوگرافی
علم مواد