شکستگی یا شکستگی چیست?

1. مقدمه

در علوم مهندسی و مواد, تمایز بین a شکستگی یا نقطه شکستن بیش از معنایی است - ایمنی را تعریف می کند, عمل, و چرخه عمر اجزای بحرانی.

در حالی که "شکستگی" به واقعه واقعی جدایی مواد اشاره دارد, "نقطه شکستن" اغلب به عنوان آستانه نهایی که فراتر از آن شکست فاجعه بار است درک می شود.

این مفاهیم به ویژه در هوا و فضا, خودرو, وابسته به پزشکی, و مهندسی عمران, جایی که شکست می تواند منجر به از بین رفتن زندگی شود, فاجعه زیست محیطی, یا خسارت اقتصادی.

برای مدیریت مؤثر چنین خطرات, مهندسان باید درک کنند مکانیک شکست, مواد مناسب را انتخاب کنید, انجام آزمایش دقیق, و از تکنیک های مدل سازی پیشرفته استفاده کنید.

این مقاله یک تحلیل چند ساله از رفتار شکستگی ارائه می دهد, استانداردهای تست, برنامه های دنیای واقعی, و نوآوری های آینده.

2. شکستگی یا شکستگی چیست?

در شکستگی یا نقطه شکستگی یک ماده به حد بحرانی که دیگر نمی تواند در برابر استرس کاربردی مقاومت کند و در نهایت شکست می خورد با شکستن یا ترک خوردگی.

این نکته نشان می دهد پایان توانایی مواد در تغییر شکل, یا الاستیک یا پلاستیکی, و شروع یک شکست کامل ساختاری.

تعاریف کلیدی:

• نقطه شکستگی: نقطه ای که یک ماده به دلیل تشکیل و انتشار ترک ها به دو یا چند قطعه جدا می شود.
• نقطه شکستن: اغلب به طور متناوب با نقطه شکستگی استفاده می شود, این به استرس حداکثر مواد می توانند تحمل کنند قبل از نارسایی فاجعه بار.
• قدرت کششی نهایی (بیدر): در استرس حداکثر یک ماده می تواند در حالی که قبل از گردن زدن کشیده یا کشیده شده است مقاومت کند.
  هر چند, شکستگی واقعی ممکن است در استرس کمی پایین تر از یا برابر با UTS رخ دهد, بسته به نوع مواد و شرایط آزمایش.

3. مکانیک اساسی شکست

درک مکانیک های اساسی که منجر به شکستگی یا شکستن می شود ، سنگ بنای پیش بینی و جلوگیری از خرابی ساختاری در سیستم های مهندسی است.

مواد به بارهای اعمال شده از طریق ترکیبی از تغییر شکل الاستیک و پلاستیک قبل از رسیدن به یک حد بحرانی پاسخ می دهند - اغلب به اوج شکستگی.

در این بخش چگونگی استرس بیان شده است, فشار, و خصوصیات مادی ذاتی بر آن مسیر به سمت شکست حاکم است.

استرس و رفتار کرنش

هنگامی که یک بار روی یک ماده اعمال می شود, این مقاومت داخلی را در قالب تجربه می کند استرس, و با تغییر شکل یا اندازه پاسخ می دهد, به عنوان فشار.

رابطه استرس و کرنش معمولاً توسط منحنی استرس و فشار, که مراحل مختلف رفتار مکانیکی را مشخص می کند.

الاستیک در مقابل. تغییر شکل پلاستیکی

• تغییر شکل الاستیک برگشت پذیر است. مطابق قانون هوک, استرس متناسب با فشار تا حد کشش.
• تغییر شکل پلاستیکی, هر چند, دائمی است. هنگامی که مواد از آن فراتر می روند قدرت عملکرد, این تغییرات غیرقابل برگشت در ساختار است.

نکات کلیدی در منحنی استرس -کرنش:

پارامتر	توضیحات
نقطه بازده	سطح استرس فراتر از آن تغییر شکل پلاستیک آغاز می شود
قدرت کششی نهایی (بیدر)	حداکثر استرس که در هنگام کشش می تواند مقاومت کند
نقطه شکستگی	نقطه ای که در آن ماده در نهایت شکسته یا شکست می خورد

به عنوان مثال, استیل خفیف به طور معمول یک نقطه عملکرد مشخص و UT های اطراف را نشان می دهد 370 MPA و 450 MPA, به ترتیب, قبل از شکستگی در استرس کمی پایین پس از گردن زدن.

خصوصیات مواد حاکم بر شکست

رفتار شکست یک ماده به تنهایی توسط رفتار استرس کنترل نمی شود.

ذاتی خاصیت مواد همچنین نقش های محوری را بازی کنید, به خصوص در تعیین نحوه جذب و مجدداً استرس.

سختی, انعطاف پذیری, و سختی

• سختی آیا توانایی مواد در جذب انرژی قبل از شکستگی است - که اغلب به عنوان تجسم شده است ناحیه زیر منحنی استرس -کرنش.
• انعطاف پذیری تعیین می کند که یک ماده قبل از خرابی می تواند به صورت پلاستیکی تغییر شکل دهد, به طور معمول توسط اندازه گیری می شود کشیدگی یا کاهش منطقه.
• سختی مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک موضعی را منعکس می کند, اگرچه سختی زیاد می تواند گاهی اوقات با شکنندگی ارتباط داشته باشد.

عوامل ریزساختاری

در سطح میکروسکوپی, چندین ویژگی داخلی بر نارسایی مکانیکی تأثیر می گذارد:

• اندازه دانه: دانه های ظریف اغلب به دلیل تقویت مرز دانه ، قدرت و چقرمگی را تقویت می کنند (اثر تالار).
• اجزاء: ذرات یا آلاینده های غیر فلزی می توانند به عنوان استرس عمل کنند و ترک ها را شروع کنند.
• ذرات فاز دوم: در آلیاژهای چند فاز (به عنوان مثال, فولادها یا آلیاژهای تیتانیوم), توزیع و انسجام بین مراحل بر نحوه شروع و انتشار ترک ها تأثیر می گذارد.

به عنوان نمونه, آلیاژهای آلومینیومی با اندازه دانه های کوچکتر و تعداد کمتری می تواند به دست آورد مقادیر سختی شکستگی در بالا 30 mpa√m, آنها را برای پوست های هوافضا مناسب می کند.

4. ضروریات مکانیک شکستگی

در حالی که استحکام کلاسیک مواد بر استرس و کرنش در ساختارهای بدون نقص متمرکز است, مکانیک شکستگی شکاف بین تئوری ایده آل و شکست های دنیای واقعی.

این صریحاً حضور را در نظر می گیرد ترک یا نقص, تشخیص اینکه بیشتر مواد حاوی نواقصی هستند که می توانند در شرایط خدمات رشد کنند.

مکانیک شکستگی مهندسان را قادر می سازد پیش بینی کنند که چه زمانی شکاف غیرقابل کنترل رشد می کند - به شکست ناگهانی - و طراحی در برابر چنین نتایج.

این زمینه به ویژه در بخش های مهم ایمنی مانند هوافضا بسیار حیاتی است, رگهای فشار, و انرژی هسته ای.

حالت شکستگی

ترک ها بسته به نوع و جهت بار اعمال شده می توانند از چند طریق پخش شوند. مکانیک شکستگی این موارد را به سه حالت اساسی:

• حالت من (حالت افتتاحیه): صورت های ترک عمود بر صفحه شکاف از هم جدا می شوند. این رایج ترین و مهمترین حالت در برنامه های مهندسی است.
• حالت دوم (حالت کشویی): برشی درون هواپیما که در آن سطوح ترک بر روی یکدیگر به موازات جلو می چرخند.
• حالت iii (حالت اشک): برشی خارج از هواپیما, جایی که سطوح ترک در یک حرکت اشک آور یا قیچی حرکت می کنند.

در سناریوهای دنیای واقعی, ترک ها اغلب تجربه می کنند بارگیری حالت مختلط, ترکیب دو یا چند مورد از این حالت های اساسی.

سختی شکستگی: k₁ و k₁c

برای تعیین کمیت مقاومت یک ماده در برابر انتشار ترک در حالت بارگیری من, مکانیک شکستگی از ضریب شدت استرس استفاده می کند (k):

• کله: شدت میدان استرس را در نوک ترک توصیف می کند.
• k₁c (سختی شکستگی): مقدار بحرانی K₁ که در آن شکستگی سریع رخ می دهد.

در شرایط شکستگی وقتی رسیده است:

k1≥k₁c

مقادیر چقرمگی شکستگی به طور قابل توجهی با مواد متفاوت است:

• آلیاژهای آلومینیوم: k₁c ≈ 25-35 mPa√m
• فولادهای با استحکام بالا: k₁c ≈ 50-100 mPa√m
• سرامیک: k₁c < 5 mpa√m (قدرت بالا اما شکننده)

K₁C بالاتر, ماده مقاوم تر از رشد رشد است.

این پارامتر به ویژه برای مؤلفه های تحت بارگذاری کششی یا ضربه از اهمیت ویژه ای برخوردار است, مانند پوست هواپیما یا کشتی های فشار.

معیارهای مبتنی بر انرژی: نظریه گریفیت

علاوه بر تجزیه و تحلیل استرس, شکستگی را نیز می توان از طریق آن تفسیر کرد مفاهیم انرژی.

در معیار گریفیت, در ابتدا برای مواد شکننده ساخته شده است, اظهار می دارد که ترک هنگامی که منتشر شود انرژی آزاد شد از گسترش ترک بیش از انرژی مورد نیاز برای ایجاد سطوح جدید.

وضعیت گریفیت برای انتشار ترک است:

g≥gc

کجا:

• جف است میزان آزاد سازی انرژی کرنش
• g_c است میزان انتشار بحرانی انرژی, یا چقرمگی شکستگی مواد از نظر انرژی (اغلب به عنوان gicg_ مشخص می شود{کیهان}برای حالت I)

این معیار به ویژه برای درک شکستگی در آن مفید می شود کامپوزیت ها, سرامیک, وت پلیمرها, جایی که ملاحظات انرژی سطح حاکم است.

انعطاف پذیری نوک: LEFM در مقابل. EPFM

مکانیک شکستگی بسته به میزان تغییر شکل پلاستیک در نزدیکی نوک ترک ، اغلب به دو شاخه اصلی تقسیم می شود:

• مکانیک شکستگی الاستیک خطی (لف): انعطاف پذیری در مقیاس کوچک را فرض می کند; قابل استفاده برای مواد شکننده یا با استحکام.
• مکانیک شکستگی الاستیک و پلاستیک (EPFM): هنگامی که منطقه پلاستیکی قابل توجه است استفاده می شود, اغلب درگیر وابسته به j به عنوان یک اندازه گیری مقاومت در برابر شکستگی.

به عنوان مثال:

• مواد شکننده مانند شیشه → LEFM اعمال می شود
• فلزات انعطاف پذیر تحت بارهای زیاد → EPFM ترجیح می دهد

طبق ASTM E1820, در روش j-integral اندازه گیری قابل اعتماد از مقاومت در برابر شکستگی برای موادی را فراهم می کند که در آن K₁C به دلیل رفتار غیرخطی قابل استفاده نیست.

رشد و ثبات ترک

درک رفتار ترک فقط مربوط به شروع نیست - این نیز شامل می شود انتشار ترک و ثبات:

• رشد ترک پایدار: شکستن به آرامی تحت افزایش بار پیشرفت می کند; معمولی در شکستگی انعطاف پذیر.
• رشد ترک ناپایدار: ناگهانی, شکستگی فاجعه بار با هشدار کمی; مشخصه مواد شکننده.

مهندسان اغلب استفاده می کنند منحنی R (منحنی های مقاومت) برای ترسیم مقاومت رشد در مقابل پسوند ترک, که به ارزیابی تحمل آسیب کمک می کند.

5. انواع حالت شکستگی و شکست

خرابی مادی به روشی مفرد رخ نمی دهد.

در عوض, از طریق مکانیسم های مختلف شکستگی و حالت های خرابی تجلی می یابد, هر یک تحت تأثیر ترکیب مواد, شرایط بارگیری, محیط کار, و زمان.

درک این حالت های خرابی برای مهندسان برای انتخاب مواد مناسب بسیار مهم است, ساختارهای قوی را طراحی کنید, و اجرای استراتژی های تعمیر و نگهداری فعال.

در زیر تفکیک مهمترین شکستگی و انواع خرابی که در برنامه های مهندسی وجود دارد:

شکستگی شکننده

شکستگی شکننده با تغییر شکل پلاستیکی کم یا کم رخ می دهد و به سرعت یک بار شروع می شود. اغلب فاجعه بار است و حداقل هشدار می دهد.

• مکانیزم: به طور معمول شامل شکاف در امتداد هواپیماهای کریستالوگرافی است.
• حساسیت دما: در مکعب بدن محور رایج است (سال قبل از میلاد) فلزات مانند فولاد کم کربن در دمای زیر صفر.
• سطح شکستگی: مسطح, دانه دار, و ممکن است الگوهای رودخانه یا شورونهایی را نشان دهد که به سمت منشأ می روند.
• نمونه: کشتی های آزادی دهه 1940 به دلیل سرویس کم دمای و سختی جوش ضعیف ، شکستگی های شکننده ای را تجربه کردند.

سختی شکستگی (k₁c) در مواد شکننده می تواند به اندازه کم باشد 1-5 MPa√m, آنها را به شدت مستعد انتشار ترک می کند.

شکستگی انعطاف پذیر

شکستگی انعطاف پذیر شامل تغییر شکل پلاستیک قابل توجهی قبل از خرابی و جذب انرژی بیشتر از شکستگی شکننده است, آن را از نظر ایمنی به طور کلی مطلوب تر می کند.

• مراحل: شروع (هسته سازی باطل), رشد (انسجام میکروائید), و شکستگی نهایی (تشکیل لب برشی).
• سطح شکستگی: ظاهر کمرنگ تحت میکروسکوپ الکترونی اسکن (کدام).
• مواد معمولی: آلیاژهای آلومینیوم, فولادهای ساختاری, مس.
• فواید: علائم هشدار دهنده قبل از شکست ارائه می دهد, مانند گردنبند.

به عنوان مثال, عتیقه 1018 فولاد نشان می دهد 20% کشیدگی قبل از شکستگی, نشانگر درجه بالایی از انعطاف پذیری.

شکستگی

خرابی خستگی حساب بیش از 80% از شکست های ضمن خدمت در اجزای فلزی در معرض بارگذاری چرخه ای.

• مراحل: شروع ترک → انتشار ترک → شکستگی نهایی.
• پارامترهای اصلی:

• • منحنی های S -n: رابطه بین دامنه استرس را نشان می دهد (حرف) و تعداد چرخه های شکست (حرف).

• ویژگی های سطحی: علائم ساحل و ایستگاه هایی که تاریخ رشد ترک را نشان می دهد.

نمونه: اسپارهای بال هواپیما به دلیل بارگذاری آیرودینامیکی چرخه ای ، خرابی خستگی را تجربه می کنند, نیاز به روال بازرسی دقیق.

پارگی خزش

خزیدن تغییر شکل وابسته به زمان تحت بار ثابت در دمای بالا است, سرانجام منجر به پارگی خزش.

• مواد معمولی: فلزات در >0.4 TM (جایی که TM = دمای ذوب), مانند Superalloys مبتنی بر نیکل در توربین ها.
• مراحل:

1. 1. اصلی (کاهش نرخ کرنش)
   2. ثانی (خزش حالت پایدار)
   3. دوره سوم (خزش شتاب منجر به پارگی)

• پیش بینی زندگی خزش: اغلب بر اساس پارامتر لارسون -میلر (LMP) یا قانون نورتون.

نمونه: تیغه های توربین موتور جت ساخته شده از آلیاژهای اینتال مقاومت در برابر خزش تا 1000درجه سانتیگراد, با زمان پارگی استرس بیش از 10,000 ساعت تحت بارهای سرویس.

ترک

ترک خوردگی محیط زیست (EAC) شامل شکستگی ناشی از تعامل محیطی است یا شتاب می گیرد.

ترک خوردگی (SCC):

• در آلیاژهای مستعد تحت استرس کششی و یک محیط خورنده خاص رخ می دهد (به عنوان مثال, SCC ناشی از کلرید در فولاد ضد زنگ).
• اغلب در طبیعت بین دانه ای.

تهویه هیدروژن:

• اتم های هیدروژن در فلزات پخش می شوند, کاهش انعطاف پذیری و ایجاد شکستگی زودرس.
• در فولادهای با استحکام بالا و آلیاژهای تیتانیوم بسیار مهم است.

به عنوان مثال, فولادهای با استحکام بالا (>1200 MPA UTS) به ویژه مستعد ترک خوردگی ناشی از هیدروژن در محیط های دریایی و زیرزمینی هستند.

شکستگی

بارگذاری ضربه نرخ کرنش بالا را معرفی می کند, که می تواند حالت خرابی یک ماده را به میزان قابل توجهی تغییر دهد, غالباً آن را از رفتارهای شکننده و شکننده سوق می دهد.

• روشهای تست:

• • تست Charpy V-Notch (ASTM E23)
  • آزمون ضربه izod

• مقدار اندازه گیری شده: انرژی ضربه ای که قبل از شکستگی جذب می شود (ژول).
• دمای انتقال انعطاف پذیر به شکننده (dbtt) یک معیار کلیدی برای موادی مانند فولاد کربن است.

نمونه: تست های ضربه ای Charpy نشان می دهد که فولاد خفیف بیش از حد جذب می شود 200 j در دمای اتاق اما پایین می آید 20 J در -40 درجه سانتیگراد, نشانگر انتقال تیز به شکننده شدید.

جدول خلاصه: انواع عمده شکستگی

6. پیامدهای عملی برای طراحی

درک رفتار شکستگی فقط آغاز است; مرحله بعدی استفاده از این دانش در طراحی مهندسی در دنیای واقعی.

آیا ساخت بدنه هواپیما, یک کاشت پزشکی, یا یک پلنگ پل, مهندسان طراحی باید خطرات شکستگی را پیش بینی کنند و از طریق استراتژی های مهندسی هوشمند شکست را کاهش دهید.

در این بخش ملاحظات اصلی عملی مورد استفاده برای اطمینان از یکپارچگی ساختاری در طول عمر یک مؤلفه بیان شده است.

عوامل ایمنی و افزونگی

در کاربردهای مهم ایمنی, خرابی گزینه ای نیست.

مهندسان استفاده می کنند عوامل ایمنی- به طور معمول بین 1.5 وت 4 برای فلزات انعطاف پذیر و بالاتر برای مواد شکننده - برای عدم قطعیت در رفتار مادی, شرایط بارگیری, و تولید نواقص.

علاوه بر این, طراحان معرفی می کنند افزونگی به سیستم ها. به عنوان مثال:

• هواپیما استفاده می کند چندین مسیر بار برای اطمینان از اینکه اگر یک مؤلفه شکست بخورد, دیگران می توانند بار را حمل کنند.
• پل ها با طراحی شده اند اتصالات ایمن که از خرابی آبشار جلوگیری می کند.

مطابق با استانداردهای ASME و ناسا, اجزای هوافضا با امنیت بسیار مهم اغلب نیاز دارند صدور گواهینامه تحمل خسارت,

اثبات اینکه یک ساختار می تواند برای تعداد مشخصی از چرخه ها قبل از خرابی ، شکافی از اندازه معین را حفظ کند.

هندسه و غلظت استرس

ترک ها به ندرت در مناطق استرس یکنواخت شکل می گیرند. در عوض, آنها در کنسانتره استرس- گوشه های Sharp, سوراخ, انگشتان پا, یا ریشه های نخ - جایی 2 به 5.

برای کاهش این:

• فیله در گوشه های داخلی اضافه می شوند.
• برش های کلیدی برای صاف کردن نکات ترک استفاده می شود.
• انتقال های مخروطی برای کاهش تغییرات ناگهانی در مقطعی استفاده می شود.

به عنوان نمونه, اصلاح یک گوشه داخلی 90 درجه با a 5 فیله شعاع MM می تواند استرس اوج را کاهش دهد تا 60%, زندگی خستگی به طرز چشمگیری افزایش می یابد.

انتخاب مواد

انتخاب یک ماده فقط مربوط به قدرت نیست - این شامل تعادل دقیق است:

• سختی (مقاومت در برابر انتشار ترک)
• مقاومت در برابر خوردگی (به خصوص در محیط های دریایی یا زیست پزشکی)
• تراکم (برای طرح های حساس به وزن)
• عملکرد خستگی

به عنوان مثال:

• آلیاژهای تیتانیوم مقاومت بسیار خوبی و مقاومت در برابر خوردگی را ارائه دهید, ایده آل برای کاشت و قطعات هوافضا.
• فولادهای با استحکام بالا مقاومت در برابر خستگی برتر را فراهم کنید اما ممکن است برای سرکوب شروع ترک به درمان های سطحی نیاز داشته باشد.

با توجه به آزمایش ASTM, سختی شکستگی آلیاژهای تیتانیوم مانند TI - 6AL - 4V می تواند بیش از حد باشد 55 mpa√m, آنها را به یک انتخاب ارجح تبدیل کنید که تحمل آسیب بسیار مهم باشد.

ملاحظات چرخه عمر و بازرسی

طراحی برای دوام همچنین شامل پیش بینی چگونگی شروع و رشد ترک ها با گذشت زمان است. این رویکرد, معروف به طراحی تحمل آسیب, شامل کردن:

• بازرسی های برنامه ریزی شده بر اساس نرخ رشد ترک پیش بینی شده
• ارزیابی غیر مخرب (در سال) روش هایی مانند آزمایش اولتراسونیک یا اشعه ایکس
• اجزای سایش قابل تعویض که به راحتی قابل کنترل و تعویض است

در هوا فضا, بوئینگ 787 پانل های کامپوزیت به طور معمول با استفاده از سونوگرافی آرایه فاز برای تشخیص ترک های زیرسطحی قابل مشاهده برای چشم غیر مسلح مورد بازرسی قرار می گیرند.

این نگهداری پیشگی.

مهندسی سطح و فشارهای باقیمانده

شرایط سطح نقش مهمی در شروع ترک دارد. سطوح خشن, علائم ماشینکاری, یا چاله های خوردگی اغلب تحت بارگذاری چرخه ای به نقاط شروع تبدیل می شوند.

برای تقویت مقاومت در برابر شکستگی:

• شلی استرسهای باقیمانده فشاری را که رشد ترک خوردگی را کند می کند معرفی می کند.
• پوشش مانند بوی یا پی وی پی مقاومت در برابر خوردگی را بهبود بخشید و نقص سطح را کاهش دهید.
• جلا دادن یا سوزش سطوح صاف, افزایش عمر خستگی 25-50 ٪.

به عنوان مثال, چشمه های تعلیق خودرو که تحت آن قرار می گیرند شلی نمایشگاه تا 200% بهبود مقاومت در برابر خستگی, مطابق با استانداردهای SAE J2441.

7. خصوصیات تجربی

در حالی که مدل ها و شبیه سازی های نظری بینش ارزشمندی را ارائه می دهند, در درک واقعی از رفتار شکستگی با آزمایش فیزیکی آغاز می شود.

خصوصیات تجربی فرضیات را تأیید می کند, مدل های پیش بینی کننده را کالیبره می کند, و تضمین می کند که مواد و مؤلفه ها در شرایط بارگیری در دنیای واقعی ، استانداردهای ایمنی و عملکرد را رعایت کنند.

در این بخش مهمترین روشها برای توصیف شکستگی ها ارائه شده است, برجسته کردن هر دو روش استاندارد و اهمیت عملی آنها در صنایع.

آزمایش کششی و فشاری

در پایه و اساس تجزیه و تحلیل عدم موفقیت مواد آزمایش کششی و فشاری. این آزمایشات نشان می دهد که چگونه مواد به بارگذاری یک محوره پاسخ می دهند, تعریف خصوصیات مکانیکی کلیدی مانند:

• قدرت عملکرد (بوها<زیر>حرف</زیر>)
• قدرت کششی نهایی (بیدر)
• مدول (اشمیه)
• کشیدگی در زمان استراحت

استاندارد شده توسط آسم E8/E8M, آزمایش کششی به طور معمول از نمونه های استخوان سگ به شکل کشیده شده با سرعت کرنش ثابت تا شکستگی استفاده می کند.

به عنوان مثال, یک فولاد سازه مانند ASTM A36 ممکن است UTS 400-550 پوند MPa و کشیدگی 20-25 ٪ را نشان دهد.

در آزمایش فشاری - به ویژه برای مواد شکننده مانند سرامیک یا آهنین ریخته گری بسیار مهم است - نمونه ها برای شناسایی فشرده می شوند محدودیت های کمانش وت قدرت فشاری,

به طور معمول طبق استانداردهای ASTM E9 انجام می شود.

تست سختی شکستگی

برای درک اینکه چگونه یک ترک تحت استرس رفتار می کند, مهندسان اجرا می کنند تست سختی شکستگی, غالباً با استفاده از نمونه های از قبل خرد شده در معرض بارگذاری کنترل شده.

• ASTM E399 تست سختی شکستگی هواپیما را تعریف می کند, بازده ضریب شدت استرس (k<زیر>کیهان</زیر>).
• برای مواد انعطاف پذیر, در روش j-integral (ASTM E1820) اتلاف انرژی غیرخطی در هنگام رشد ترک.

به عنوان مثال, نمایشگاه های آلومینیوم درجه یک هوافضا 7075-T6 نمایشگاه A k<زیر>کیهان</زیر> از 25-30 MPa · √m, در حالی که برخی از فولادهای فوق العاده فوق العاده می توانند از آن استفاده کنند 100 MPA · √m.

این مقادیر به طور مستقیم در محاسبات طراحی تحمل آسیب تغذیه می شوند, تعیین اندازه نقص مجاز و فواصل بازرسی.

آزمایش خستگی

پس از 90% خرابی های مکانیکی به دلیل خستگی رخ می دهد, این روش آزمایش ضروری است. آزمایش خستگی مواد را در معرض بارگذاری چرخه ای قرار می دهد تا تعیین کند:

• حد تحمل (حرف<زیر>اشمیه</زیر>)
• زندگی خستگی (حرف<زیر>ج</زیر>)
• میزان انتشار ترک (DA/DN)

روش ها شامل:

• تست های خمش چرخش
• خستگی محوری (تنش -فشار)
• خستگی ساکن برای تعامل خزش و جبهه

منحنی های S -n (استرس در مقابل. چرخه) فاش کنید که یک ماده در استرس مکرر چه مدت می تواند زنده بماند.

برای فولادهایی مانند AISI 1045, حد خستگی تقریباً است 0.5 × UTS, یا در مورد 250 MPA برای نقاط قوت معمولی.

قانون پاریس (da/dn = c(ΔK)<سوپال>مگس</سوپال>) به پیش بینی میزان رشد ترک در مرحله انتشار پایدار کمک می کند - به ویژه در هوافضا و اجزای هسته ای.

ضربه و آزمایش خم

آزمایش ضربه ، نحوه پاسخگویی مواد را تعیین می کند ناگهانی, بارگذاری با سرعت بالا, در برنامه های کاربردی مانند ایمنی تصادف خودرو یا خرابی ساختاری تحت بارهای لرزه ای ضروری است.

• تست های ضربه ای Charpy و Izod (ASTM E23) انرژی جذب شده در هنگام شکستگی را اندازه گیری کنید, نشانگر چقرمگی.
• مقادیر چارپی برای فولادهای انعطاف پذیر ممکن است به 80–120 j, در حالی که سرامیک های شکننده ممکن است جذب شوند <10 j.

تست های خمش سه نقطه, از طرف دیگر, برای اندازه گیری استفاده می شود قدرت انعطاف پذیری وت رفتار شکستگی در مواد لایه ای یا شکننده مانند کامپوزیت ها, پلیمرها, یا لمینت.

این روش ها بینش هایی را ارائه می دهند شروع شکستگی تحت بارگذاری پویا یا چند محوری, تکمیل تست های استاتیک.

عکسبرداری

برای تشخیص کامل یک رویداد شکستگی, مهندسان روی می آورند عکسبرداری- بررسی دقیق سطوح شکستگی با استفاده از:

• میکروسپی نوری برای تجزیه و تحلیل مسیر ترک در مقیاس کلان
• میکروسکوپ الکترونی اسکن (کدام) برای ویژگی های ریزساختاری

فراکتوگرافی نشان می دهد:

• الگوهای شکستگی شکننده (شکاف, الگوهای رودخانه)
• ویژگی های انعطاف پذیر (پارگی کم رنگ از همبستگی باطل)
• خستگی نشان دادن رشد ترک چرخه ای
• خسارت ثانویه از خوردگی یا اضافه بار

جدول خلاصه - تکنیک های اصلی آزمایش در تجزیه و تحلیل شکستگی

8. مزایا و چالش های آزمایش شکستگی

آزمایش شکستگی به عنوان سنگ بنای ارزیابی مواد مدرن و ارزیابی یکپارچگی ساختاری است.

این مبنای تجربی را برای پیش بینی رفتار مؤلفه تحت استرس به مهندسان ارائه می دهد, از خرابی های فاجعه بار خودداری کنید, و طراحی ایمن تر, محصولات قابل اعتمادتر.

هر چند, این فرایند حیاتی بدون فنی نیست, وابسته به لجستیکی, و موانع مالی.

در این بخش به بررسی منظره دوگانه آزمایش شکستگی, برجسته کردن قابل توجه آن فواید در حالی که آن را تصدیق می کند چالش های پیچیده,

به خصوص هنگام ترجمه داده های آزمایشگاهی به قابلیت اطمینان در دنیای واقعی.

مزایای آزمایش شکستگی

انتخاب و صلاحیت مواد را افزایش می دهد

آزمایش شکستگی به مهندسین اجازه می دهد خصوصیات بحرانی را کمیت کنید مانند سختی شکستگی (k₁c), زندگی خستگی (NF), و جذب انرژی.

این معیارها انتخاب موادی را که برای برنامه های پر سر و صدا مناسب است ، راهنمایی می کنند, مانند اسپارهای بال هوافضا, کشتی های فشار هسته ای, یا کاشت ارتوپدی, جایی که شکست گزینه ای نیست.

به عنوان مثال, ASTM F136 TI-6AL-4V ELI تیتانیوم مورد استفاده در کاشت پزشکی به طور معمول برای سختی شکستگی برای اطمینان از عملکرد بار ایمن در داخل بدن مورد آزمایش قرار می گیرد.

یکپارچگی طراحی را تأیید می کند

تست های شکستگی شرایط زندگی واقعی را شبیه سازی می کنند, نشان می دهد که چگونه ترک ها در سناریوهای مختلف بارگیری شروع و پخش می شوند.

سپس طراحان می توانند هندسه را بهینه کنید, غلظت استرس را کاهش دهید, و عوامل ایمنی مناسب را اجرا کنید.

در بخش های بحرانی مانند هواپیمایی, این بینش امکان پذیر است طراحی تحمل آسیب, که نقص های کوچک را می پذیرد اما مانع از فاجعه بار آنها می شود.

از انطباق نظارتی پشتیبانی می کند

بسیاری از صنایع, از خودرو (ISO 26262) به هوا و فضا (فاحشه, ایزو), چقرمگی شکستگی, خستگی, یا آزمایش ضربه به عنوان بخشی از گواهینامه مواد و مؤلفه ها.

رعایت این استانداردها به ذینفعان اطمینان می دهد قابلیت اطمینان محصول و ایمنی.

مدیریت پیش بینی و مدیریت چرخه عمر را بهبود می بخشد

داده های شکستگی و خستگی به دوقلوهای دیجیتال و مدل های نگهداری پیش بینی کننده, کمک به برآورد باقی مانده عمر مفید (کور) و از خرابی بدون برنامه ریزی جلوگیری کنید.

برنامه های نگهداری داده محور می تواند عمر خدمات را تا 10 تا 30 ٪ افزایش دهد, کاهش هزینه های چرخه زندگی ضمن حفظ ایمنی.

نوآوری در مواد و تولید را هدایت می کند

آزمایش نشان می دهد که آلیاژهای جدید چگونه, عملیات حرارتی, و روشهای ساختگی بر مقاومت در برابر شکستگی تأثیر می گذارد.

این یک گام اساسی در واجد شرایط بودن مواد پیشرفته است, مانند فلزات تولید شده به صورت افزودنی یا کامپوزیت های نانو ساختار یافته, برای استقرار در دنیای واقعی.

چالش های آزمایش شکستگی

علی رغم کاربرد آن, آزمایش شکستگی منابع بسیار زیاد است و محدودیت های مختلفی را ایجاد می کند که مهندسان و محققان باید با دقت مدیریت کنند.

آماده سازی نمونه و حساسیت هندسی

تهیه نمونه های تست استاندارد (به عنوان مثال, تنش جمع و جور یا میله های چارپی) نیاز به ماشینکاری دقیق و کنترل پایان سطح دارد.

هرگونه انحراف در هندسه یا شرایط سطح می تواند به میزان قابل توجهی باشد نتایج تأثیرگذاری, به خصوص در تست های شکستگی و تست های خستگی.

کنترل محیط زیست و واقع گرایی

رفتار شکستگی اغلب به آن بستگی دارد درجه حرارت, رطوبت, و نرخ بارگیری.

آزمایش باید شرایط سرویس را تکرار کند - مانند درجه حرارت بالا در تیغه های توربین یا شرایط کرایوژنیک در مخازن LNG - برای ارائه داده های معنی دار.

تست های شکستگی خزش, به عنوان مثال, برای شبیه سازی مکانیسم های تخریب واقعی ممکن است برای هزاران ساعت در دمای 600-800 درجه سانتیگراد نیاز به آزمایش پایدار داشته باشد.

مقیاس از آزمایشگاه به اجزای کامل

کوپن های آزمون اغلب در مقیاس متفاوت هستند, هندسه, و شرایط محدودیت از اجزای واقعی.

در نتیجه, مهندسان باید اقدام کنند فاکتورهای تصحیح یا انجام اعتبار کامل در مقیاس, افزایش هزینه و پیچیدگی.

محدودیت های زمان و هزینه

آزمایش شکستگی با وفاداری بالا, به خصوص آزمایشات خستگی یا خزش, می تواند باشد وقت گیر و گران قیمت.

ممکن است یک آزمایش خستگی واحد انجام شود 10چرخه تا 10 درجه, بعضی اوقات هفته ها برای تکمیل.

در بخش های تحت فشار هزینه, مانند الکترونیک مصرفی یا ماشین آلات صنعتی, آزمایش شکستگی گسترده ممکن است برای همه مؤلفه ها از نظر اقتصادی قابل دوام نباشد.

تفسیر حالتهای شکست پیچیده

رفتار شکستگی همیشه ساده نیست.

تعامل بین ویژگی های ریزساختاری, استرس سه قلو, و تخریب محیط زیست می تواند تولید کند خرابی های حالت مختلط یا ترک خوردگی ثانویه که تشخیص را پیچیده می کند.

ابزارهای پیشرفته مانند شبه نگاری, توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس, یا همبستگی تصویر دیجیتال (دیک) گاهی اوقات برای درک کامل مکانیسم های شکستگی لازم است, افزودن هزینه بیشتر و تلاش تحلیلی.

8. پایان

شکستگی یا نقطه شکستگی صرفاً یک حد مواد نیست - این یک طراحی است, امنیت, و نگرانی اقتصادی که نیاز به توجه چند رشته ای دارد.

مهندسان می توانند به طور موثری خطرات شکستگی را مدیریت کرده و با ادغام مکانیک های اساسی ، یکپارچگی ساختاری را تقویت کنند, علم مادی, تست, و مدل سازی پیش بینی کننده.

با پیشرفت مواد و فن آوری های نظارت, توانایی پیش بینی و جلوگیری از خرابی حتی دقیق تر و فعال تر خواهد شد.