نوشته‌ها

مکانیک شکست

مکانیک شکست

 

در این مقاله آموزشی قصد داریم تا بطور تخصصی به معرفی مکانیک شکست بپردازیم ،پس با ما همراه باشید.

مکانیک شکست یا مکانیک ترک شاخه‌ای از مکانیک جامدات می‌باشد که به بررسی ایجاد و گسترش ترک در جامدات و همچنین سازه‌ها و نحوه تأثیر آن بر تغییر شکل  سازه می‌پردازد. این موضوعات از هر دو منظر مکانیک محیط‌ های پیوسته و محیط‌ های گسسته مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در مکانیک شکست، از روش‌های تحلیل مکانیک جامدات برای محاسبه نیروهای محرک اعمال شده بر ترک و از روش‌های تجربی برای تعیین مقاومت ماده در برابر شکست استفاده می‌شود.

ترک در فلزات

بررسی مکانیزم های ایجاد ترک و مکانیزم های متفاوت رشد سریع یا در حد بحرانی ترک و رشد آرام و پایین تر 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.

بسیاری از سازه های مکانیکی در اثر رشد ترک ها که ممکن است در حین عملیات ساخت و یا حمل و نقل به وجود آید، دچار شکست می گردند. گسیختگی نهایی بسیاری از تجهیزات و سازه های صنعتی,نه تنها عواقب جانی ناگواری در پی دارد,بلکه ضررهای چشمگیر اقتصادی را نیز فراهم می آورد. معمولا شکست در فلزات به شکست نرم و شکست ترد تقسیم می شود.

شکست در فلزات

شکست در فلزات

شکست نرم

بسیاری از فلزات و آلیاژهای آنها، به ویژه آنهایی که دارای شبکه FCC هستند، مانند آلومینیوم و آلیاژهای آن 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.

شکست ترد

شکست ترد معمولا در فلزاتی با ساختار کریستالی مکعب مرکزدارBCC  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 و در 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.

حوزه های مکانیک شکست

کاربرد این علم و نتایج آن در طراحی کشتی، سازه‌ها به ویژه سازه‌های بتنی، ژئوفیزیک و زمین‌شناسی مهندسی، مهندسی پزشکی و مهندسی مکانیک می‌باشد.

علم مواد

درمقیاس اتم ها، نابجایی ها و…شکست را بررسی می کند.

مکانیک کاربردی

به محاسبه تنش،تغییرشکل ها و…درنوک ترک میپردازد.

امروزه در علم مواد، مکانیک شکست به عنوان یک ابزار مهم برای بهبود عملکرد قطعات مکانیکی به حساب می‌آید. مکانیک شکست با اعمال قوانین فیزیکی تنش و کرنش بخصوص تئوری‌های الاستیسیته و پلاستیسیته به عیب و نقص‌های ساختار بلوری مواد در مقیاس میکروسکوپی، رفتار مکانیکی آن‌ها در مقیاس ماکروسکوپی را پیش‌بینی می‌کند.

شکست‌ن گاری  (Fractography)یکی از علوم پرکاربرد در این حوزه است که به منظور ارزیابی دلایل شکست و اعتبارسنجی پیش‌بینی‌های تئوری شکست با شکست‌های واقعی استفاده می شود. پیش‌بینی رشد ترک یکی از مؤلفه‌های اصلی بررسی تحمل آسیب (Damage Tolerance) در اصول طراحی مکانیکی محسوب می‌شود.

فرآیندهای ساخت و تولید، ماشین‌کاری و شکل‌دهی مواد می‌توانند منجر به ایجاد عیب و نقص‌هایی در قطعات مکانیکی شوند. مکانیک شکست روشی است که تحلیل عیب و نقص‌های یک قطعه به منظور شناسایی ترک‌های ایمن (بدون احتمال رشد) و ترک‌های مستعد رشد را امکان‌پذیر می‌کند. ترک‌های مستعد رشد می‌توانند باعث رخ دادن شکست در یک قطعه یا سازه شوند.

اهداف مکانیک شکست

هدف اساسی مکانیک شکست، پاسخ کمی به سؤالات زیر است:

  • اگر یک قطعه را تابعی از اندازه ترک‌ها در نظر بگیریم، مقاومت آن چقدر خواهد بود؟
  • اندازه ترک‌ها باید چقدر باشد تا قطعه تحت شرایط بارگذاری عملیاتی دوام بیاورد؟
  • حداکثر اندازه مجاز برای ترک‌ها چقدر است؟
  • با در نظر گرفتن یک اندازه اولیه مشخص برای ترک، مدت زمان لازم برای رشد و گسترش آن چقدر خواهد بود؟
  • حداقل اندازه قابل شناسایی ترک و حداکثر اندازه مجاز ترک چقدر است؟
  • میزان عمر سرویس‌دهی سازه معیوب چقدر خواهد بود؟
  • در مدت زمان قابل دسترس برای شناسایی ترک‌ها، هرچند وقت یکبار باید سازه را از نظر وجود ترک مورد بازرسی قرار دارد؟

به طور کلی سه حالت برای شروع رشد ترک وجود دارد:

  • ترک حالت اول(حالت بازشدگی) ناشی از تنش کششی عمود بر سطح ترک
  • ترک حالت دوم(حالت لغزش) ناشی از اعمال یک تنش برشی موازی با سطح ترک و عمود بر بخش جلویی ترک
  • ترک حالت سوم(حالت پارگی) ناشی از اعمال تنش برشی موازی با سطح ترک و همچنین موازی با بخش جلویی ترک

به طور کلی، مکانیک شکست به دو بخش تقسیم بندی میشود

مکانیک شکست الاستیک خطی (Linear Elastic Fracture Mechanics)

مکانیک شکست الاستیک-پلاستیک (Elastic–Plastic Fracture Mechanics)

برای مواد با استحکام بالا میتوان از قوانین شکست الاستیک خطی بهره جست و تحلیل را بر اساس مشخصه ضریب شدت تنش بنا نهاد. به منظور اجرای تحلیل و پیش‌بینی گسیختگی در مکانیک شکست به اطلاعات زیر نیاز است:

  • بار اعمال شده
  • تنش پسماند
  • شکل و اندازه قطعه مورد آزمایش
  • شکل، اندازه، محل قرارگیری و جهت‌گیری ترک

به علت عدم دسترسی همیشگی به تمامی اطلاعات بالا، معمولاً از فرضیات محافظه‌کارانه برای انجام تحلیل‌ها کمک گرفته می‌شود. گاهی اوقات نیز تحلیل‌های مکانیک شکست پس از رخ دادن گسیختگی مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر شکست در عدم حضور بارهای اضافی رخ داده باشد، وجود ترک‌های بسیار بزرگ شناسایی نشده در حین بررسی‌های معمول یا چقرمگی پایین ماده به عنوان دلایل رخ دادن شکست در نظر گرفته می‌شوند.

چقرمگی شکست و روش‌های آزمایش آن

چقرمگی خاصیتی است که میزان مقاومت یک ماده در برابر شکست را بیان می‌کند. چندین روش مختلف آزمایش برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست ماده وجود دارد. در این آزمایش‌ها معمولاً از یک نمونه شیاردار در یکی از چندین پیکربندی موجود استفاده می‌شود. هنگامی که یک ماده پیش از شکست، رفتار الاستیک خطی از خود به نمایش می‌گذارد مقدار بحرانی ضریب شدت تنش برای ترک حالت اول را می‌توان به عنوان یک پارامتر شکست مناسب در نظر گرفت.

این روش با توجه به ضریب شدت تنش بحرانی برای کرنش صفحه‌ای، یک معیار کمی از چقرمگی شکست را بیان می‌کند. به منظور اطمینان از نتایج باید ابعاد نمونه ثابت و به اندازه‌ای بزرگ باشند که شرایط کرنش صفحه‌ای در نوک ترک را تضمین کنند. این الزامات باعث محدودیت در نحوه اجرای آزمایش می‌شوند.

روشهای اصلی تعمیرات ترک

روشهای تعمیر و ترمیم ترک ها به شیوه های مختلفی انجام می گیرد که بسته به چگونگی نیروی وارد، شکل ترک و نیز جنس ماده ای دارد که ترک در آن به وجود می آید.
۱- استفاده از چاک های تعمیری

۲- تعمیر به وسیله سوراخ های متوقف کننده

۳- ترمیم به کمک صفحات تقویت کننده، پرچ شده یا چسبیده بر روی سطح دارای ترک

۴- چفت کردن با استفاده از پیچ و مهره و یا دوختن دو سطح مجزا

۵- جوش کردن دو سطح مجزا و یا پرکردن با مواد ترمیمی