پدیده شکست در مواد

تعریف

شکست به معنای جدا و تقسیم شدن یک ماده به دو یا چند قسمت تحت یک عمل یا تنش است. بسته به نوع بارگداری، شکست ممکن است با نام های مختلفی مانند : شکست کششی، شکست فشاری، شکست برشی، شکست خستگی، شکست خزشی و شکست کسیختگی شناخته شود.

انواع شـکست

شکست نرم

بسیاری از فلزات و آلیاژهای آنها، به ویژه آنهایی که دارای شبکه FCC هستند، مانند آلومینیوم و آلیاژهای آن، در تمام درجه حرارت ها، 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 می شود.

در طراحی و ساخت اجزای ماشین آلات و در ساختمان سازی، تنش های وارد بر سازه های فلزی در محدوده الاستیکی انتخاب می شود. بنابراین در کاربرد صنعتی، شکست در حالت تنش استاتیکی در مواد انعطاف پذیر (داکتیل) یک پیشامد نامطلوب است.

ترک داخلی در ناحیه نازک شده در نمونه کششی مس با خلوص بالا

شکست ترد

معمولاً در فلزاتی با ساختار کریستالی BCC و HCP و آلیاژهای آنها در درجه حرارت های پایین (معمولاً پایینتر از دمای محیط) و سرعت های تغییر شکل بالا بطور ناگهانی ظاهر می شود. این نوع، در امتداد صفحه کریستالی معینی، به نام صفحه کلیواژ انجام می پذیرد. عموماً تغییر شکل پلاستیکی قابل توجهی در منطقه شکسته شده مشاهده نمی شود.

عملا تنش لازم برای شکست مواد لازم فلزی به اندازه قابل توجهی کمتراز تنش شـکست محاسبه شده از طریق تئوری است . بنابراین فعل و انفعال شـکست نمیتواند از طریق گسستن همزمان تمامی پیوندهای اتمی در امتداد سطح شـکست صورت گیرد . بدین 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 در یک ماده لازم است مقدار تنش متمرکز در نوک ترک از استحکام کششی در آن موضع فراتر رود. در مواردی که شرایط برای پیشروی منشا ترک مساعد نیست ترک می تواند متوقف گشته و شـکست پدیدار نشود.

تئوری گریفیت:

او چنین بیان می کند که در ماده ای که حاوی تعدادی ترک بسیار ریز باطول معینی است ، همین که مقدار تنش متمرکز درنوک ترک ، حداقل به مقدار تنش لازم برای گسستن پیوندهای اتمی در آن موضع ( استحکام کششی ) رسید، شکست ظاهر می شود. باپیشرفت ترک ،سطح ترک افزایش می یابد. این مطلب بدین معنی است که برای ایجاد این سطح باید انرژی به کار برده شود . این مقدار انرژی از انرژی تغییر شکل کسب می شود.

بنابراین فرضیه گریفیت علت پدیدار گشتن شکست ترد را وجود ترک ها و خراش های سطحی بسیار ریز ( با اندازه بحرانی ) و پائین بودن استحکام را د رآن مواضع می داند. اما موادی هم وجود دارد که بدون داشتن ترک های سطحی بسیار ریز شکست ترد در آنها پدیدار می شود بنابراین در این گونه مواد هم باید فعل وانفعالاتی صورت گیرد که موجب به وجود آمدن تمرکز تنش وفراتر رفتن موضعی مقدارتنش از استحکام کششی ود رنتیجه ایجاد منشا ترک شود. زنر و اشترو مکانیزم این فعل و انفعال را چنین بیان داشتند که در حین تغییر شکل پلاستیکی نابجایی ها در پشت موانع ( مانند مرزدانه ها ومرز مشترک د و قلوییها ) تجمع یافته وبدین ترتیب در زیر نیم صفحه های مربوط به این نابجاییها ترکهای بسیار ریزی ایجاد می شود .

نظریه شـکست ابتدا علت را این چنین بیان کرد که تمام پیوندهای اتمی در امتداد صفحه شـکست هم زمان با هم گسیخته می شود. بدین تریتیب که با ازدیاد تنش فاصله اتم ها از یکدیگر دور می شوند 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، شـکست پدیدار می شود.

این ترک های بسیار ریز همچنین می تواند محل های مناسبی برای نفوذ عناصری مانند اکسیژن، ازت و کربن در آنها و ایجاد فازهای ثانوی ترد و در نتیجه شـکست ترد باشند. چنین رفتار ترد در شکست ترد مس با وجود عناصری مانند آنتیموان و آهن همراه با اکسیژن مشاهده شده است.

بررسی مکانیزم های ایجاد ترک و مکانیزم های 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 . فایل حاضر شامل ۲ کتابچه فارسی و لاتین در رابطه با این پدیده  مکانیکی است.