Thể loại:Cơ học phá hủy

Cơ học phá hủy là lĩnh vực cơ học chuyên nghiên cứu về sự hình thành và phát triển của các vết nứt trong vật liệu. Nó sử dụng các phương pháp phân tích cơ học vật rắn để tính toán động lực học lên các vết nứt và các phương pháp cơ học vật rắn thực nghiệm để tìm ra các đặc trưng về khả năng chống nứt gãy của vật liệu.

Về mặt lý thuyết, ứng suất phía trước của một đầu vết nứt sắc nhọn trở nên vô hạn và không thể dùng để mô tả trạng thái xung quanh vết nứt. Cơ học phá hủy được sử dụng để mô tả tải trọng lên vết nứt, thường sử dụng một tham số duy nhất để mô tả trạng thái tải hoàn toàn ở đầu vết nứt. Một số thông số khác nhau đã được phát triển. Khi vùng dẻo ở đầu vết nứt nhỏ so với chiều dài vết nứt, trạng thái ứng suất ở đầu vết nứt là kết quả của các lực đàn hồi bên trong vật liệu và được gọi là cơ học phá hủy đàn hồi tuyến tính (LEFM) và có thể được đặc trưng bằng cách sử dụng hệ số cường độ ứng suất K. Mặc dù tải trọng trên một vết nứt có thể là tùy ý, vào năm 1957 G. Irwin nhận thấy bất kỳ trạng thái nào cũng có thể được giảm xuống dưới sự kết hợp của ba yếu tố cường độ ứng suất độc lập:

·     Mode I: Chế độ mở rộng - hai mặt nứt sẽ mở rộng ra theo một phương

·     Mode II: Chế độ trượt tịnh tiến - ứng suất cắt tác động song song với mặt phẳng của vết nứt và vuông góc với mặt trước vết nứt

·     Mode III: Chế độ xé (trượt xoay) - ứng suất cắt tác dụng song song với mặt phẳng của vết nứt và song song với mặt trước vết nứt).

Khi kích thước của vùng chảy dẻo ở đầu vết nứt quá lớn, có thể sử dụng cơ học phá hủy – đàn dẻo với các tham số như tích phân J hoặc chuyển vị mở đầu vết nứt.

Tham số đặc trưng mô tả trạng thái của đầu vết nứt sau đó có thể liên quan đến các điều kiện thí nghiệm để đảm bảo tính tương tự. Sự tăng trưởng vết nứt xảy ra khi các thông số thường vượt quá các giá trị quan trọng nhất định. Ăn mòn có thể làm cho vết nứt phát triển từ từ khi vượt quá ngưỡng cường độ ứng suất ăn mòn ứng suất. Tương tự, các sai sót nhỏ có thể dẫn đến sự phát triển của vết nứt khi chịu tải trọng theo chu kỳ. Được gọi là mỏi, người ta nhận thấy rằng đối với các vết nứt dài, tốc độ phát triển phần lớn bị chi phối bởi phạm vi cường độ ứng suất mà vết nứt phải chịu do tải trọng tác dụng. Sự đứt gãy nhanh sẽ xảy ra khi cường độ ứng suất vượt quá độ bền chống gãy của vật liệu. Dự đoán về sự phát triển của vết nứt là trọng tâm của kỷ luật thiết kế cơ khí chịu thiệt hại.

Các quá trình sản xuất, xử lý, gia công và tạo hình vật liệu có thể tạo ra các sai sót trong một bộ phận cơ khí đã hoàn thiện. Phát sinh từ quá trình sản xuất, các sai sót bên trong và bề mặt được tìm thấy trong tất cả các cấu trúc kim loại. Không phải tất cả các lỗi như vậy đều không ổn định trong điều kiện hoạt đôngh. Cơ học phá hủy là phân tích các lỗ hổng để phát hiện ra những lỗ hổng an toàn (nghĩa là không phát triển) và những lỗ hổng có khả năng lan truyền dưới dạng vết nứt và do đó gây ra sự cố của kết cấu có khuyết tật. Bất chấp những sai sót cố hữu này, có thể đạt được thông qua phân tích khả năng chịu thiệt hại, hoạt động an toàn của một kết cấu. Cơ học phá hủy như một chủ đề cho nghiên cứu phê bình chỉ mới xuất hiện được một thế kỷ và do đó là tương đối mới.

Cơ học phá hủy cố gắng cung cấp câu trả lời định lượng cho các câu hỏi sau:

·      Độ bền của cấu kiện như là một hàm của kích thước vết nứt?

·      Kích thước vết nứt nào có thể chịu được khi tải dịch vụ, tức là kích thước vết nứt tối đa cho phép là bao nhiêu?

·      Mất bao lâu để một vết nứt phát triển từ một kích thước ban đầu nhất định, ví dụ như kích thước vết nứt tối thiểu có thể phát hiện được, đến kích thước vết nứt tối đa cho phép?

·      Tuổi thọ sử dụng của kết cấu là bao nhiêu khi một kích thước lỗ hổng nhất định đã tồn tại trước đó (ví dụ: một khiếm khuyết có sẵn) được giả định là tồn tại?

·      Trong thời gian sẵn sàng để phát hiện vết nứt, cấu trúc nên được kiểm tra vết nứt bao lâu một lần?