مکانیک شکست

. ارسال شده در مقالات

چکیده
معیارهای سنتی و متداول شکست غالباً قادر نیستند به صورت کامل اکثر موارد شکست سازه ای را که در تنش های خیلی کمتر از مقاومت نهایی مواد اتفاق می افتد توجیه کنند . نمونه هایی از آن شامل پل ها ، مخازن ، لوله ها ، جنگ افزارها ، کشتی ها ، راه آهن و سازه های هوا فضا می باشند . مبحث " مکانیک شکست " بر روی این فریضه واقع بینانه که"تمام مواد دارای نقص های شبه ترک بوده و این هسته اولیه آغاز مکانیک شکست در قطعه می باشد " بنا گردیده است . یکی از اهداف اصلی مکانیک شکست در جایی که یک ترک وجود داشته باشد ، مطالعه ظرفیت تحمل بار سازه ها می باشد . بنابراین ، یک فلسفه و روش جدید طراحی توسط مکانیک شکست به جای استفاده از معیارهای سنتی ارائه می گردد .
طراحی با مکانیک شکست مستلزم شناخت اندازه ترک بحرانی و پارامتری است که مشخص کننده رغبت ترک به گسترش باشد ...

کلمات کلیدی :
ترک – خستگی – شکست نرم و سرد –تمرکز تنش

مقدمه ای بر مکانیک شکست
از آنجایی که پدیده شکست پدیده ای مخرب و خطرناک در طراحی سازه ها است لازم است که از رابطه بین تنش خارجی و طول ترک موجود در قطعه ، خواص ماده و... آگاه باشیم .
فهم این رابطه در طراحی سازه های مقاوم در برابر شکست و کنترل این پدیده بسیار مهم است . علمی که رابطه بین خواص ماده ، مقدار و حالت تنش ترک ها و مکانیزم رشد ترک را بررسی می کند مکانیک شکست نامیده می شود .
پدیده شکست در اجسام یکی از عمده ترین مسایلی است که انسان از زمان ساختن ساده ترین ابزارها با آن مواجه بوده و بدلیل پیشرفت تکنولوژی در عصر حاضر ، این مسئله از اهمیت بیشتری نسبت به گذشته برخوردار می باشد .
متلاشی شدن بسیاری از هواپیما ها و فضاپیماها در طی دهه گذشته ، لزوم درک دقیق تری از مکانیک شکست در اجسام را در علوم جدید ایجاب می کند .

علت شکست در اکثر سازه ها در یکی از دو دلیل زیر نهفته است :
1 . نادیده گرفتن برخی از عوامل طراحی نظیر عدم رعایت استانداردها و خطاها در محاسبات ، بی دقتی در ساخت و مونتاژ در کارگاه و استفاده از مواد غیر استاندارد و بالاخره عدم بازرسی مداوم از وضعیت سازه .
2 . استفاده از مواد جدید و روش های طراحی نو که منجر به پیامدهای غیر منتظره می گردد .
استفاده از مواد جدید که ممکن است از استحکام بالاتری و وزن کمتر برخوردار باشند ولی بدون انجام آزمایشات مکانیکی لازم نظیر کشش ،فشار ، خزش و خستگی در شرایط مختلف کاری به کار گرفته شوند منجر به رفتارهای پیش بینی نشده می گردد .

mechanic

شکست
جدایش یک جسم به دو یا چند قطعه تحت تنش اعمالی و در شرایط کاری ( دما ، سرعت بارگذاری و ...)

شکست همواره شامل دو مرحله است :
1. جوانی زنی ترک (Nucleation crack   ) : در این مرحله ترک ایجاد می شود .
2 . رشد ترک ( Growth crack ) : در این مرحله طول ترک زیاد می شود یا به اصطلاح رشد می کند .
درصد افزایش طول یا کاهش سطح مقطع قبل از شکست به عنوان معیاری جهت نوع شکست می باشد . باید توجه داشت که تغییر شرایط کاری قطعه مانند دما ، سرعت بارگذاری و .... می تواند باعث تغییر نوع شکست شود .

دسته بندی شکست
در کل می توان شکست را به دو دسته تقسیم کرد :
1.    شکست نرم ( Fracture Ductile) : شکستی است که در ان ماده قبل از وقوع شکست تغییر شکل زیادی می دهند .
2.    شکست ترد (Fracture Brittle) : شکستی است که ماده قبل از وقوع شکست تغییر شکل کمی می دهد .

مکانیزم شکست
هر کدام از انواع شکست مکانیزم خاص خود را دارد ، اما نکته مهم این است که :
1.    رشد ترک در شکست  نرم ، رشد ترک ناپیوسته است .
2.    در شکست ترد پس از اینکه ترک به یک طول بحرانی رسید سریع (با سرعت صوت در جامدات ) درشد می کند و قطعه به شکست نهایی می رسد که برای طراحی سازه ها اهمیت زیادی دارد .

شکست نرم
در شکست نرم در ناحیه گلویی ابتدا حفره هایی جوانه می زند و سپس این حفره ها به هم می پیوندند و ترک ایجاد می شود .
با تکرار این عملیات ( جوانه زنی حفره ها و پیوستن آنها به ترک ) ترک رشد کرده و پس از رسیدن به طول بحرانی به سرعت رشد کرده و باعث ترک می شود . از آنجایی که رشد ترک به جوانه زنی حفره ها بستگی دارد ف رشد ترک در شکست نرم آهسته و ناپیوسته است .

شکست ترد
شکست ترد بدون تغییر شکل زیاد و با رشد سریع ترک صورت می گیرد . رشد ترک عمود بر تنش اعمالی صورت می گیرد که باعث می شود سطح شکست به صورت سطحی صاف باشد .
سطح شکست شامل خطوطی است که از نوک ترک به سمت اطراف گسترده می شوند .
 break

در شکست ترد معمولاً پس از اینکه ترک به اندازه بحرانی رسید ، ترک با سرعت زیاد پیوندهای اتمی را پی در پی می شکند و پدیده شکست کامل می شود .
(Cleavage)

ترک هنگام پیشروی می تواند دو مسیر را انتخاب کند .
1 . ترک درون دانه پیشروی کند که در این حالت شکست درون دانه ای صورت گرفته است . (Transgranular Fracture)
2 . ترک درون مرز دانه پیشروی میکند شکست بین دانه ای Fracture Intergranular اتفاق می افتد .

عوامل اصلی شکست
عوامل گوناگون بروز پدیده شکست پدیده شکست ترد و ناگهان در سازه ها نقش دارند که از آن جمله می توان خواص و استحکام ماده در مقابل شکست ، درجه حرارت کارکرد قطعه  یا سازه ، شرتیط محیطی ، جوشکاری ، تنش های پسماند ، نوع و مقدار بارگزذاری و کیفیت تولید را نام برد .

از بین عوامل ، سه عامل زیر در ایجاد شکست نقش کلیدی دارند :


الف ) استحکام شکست ماده
استحکام ماده در مقابل شکست به میزان توانایی ماده به منظور تحمل بارهای وارده در حضور یک ترک اطلاق می شود . این خاصیت در حقیقت به تغییر شکل پلاستیک ماده در حوالی ترک در اثر اعمال بار بستگی داشته و تابعی از درجه حرارت است . 

ب)طول ترک
معمولا شکست از ناپیوستگی ها آغاز می شود . این ناپیوستگی ها می توانند از شکاف یا ترک های بسیار ریز و غیر قابل مشاهده با چشم غیر مسلح ، تا ترک های بزرگ ایجاد شده در قطعه باشد .
ترک ها و شکاف ها می توانند در اثر عوامل مختلف از جمله عدم دقت در ساخت و تولید ، خراش های سطحی ، خوردگی و خستگی و یا اصولا ماهیت روش تولید بوجود آمده باشند . 

ج ) سطح تنش اعمالی
 برای اینکه شکست در سازه رخ دهد احتیاج به تنش کششی ( و یا برشی ) می باشد  که این تنش را می توان از روش های تحلسل تنش تحلیلی ، عددی یا تجربی محاسبه کرد . به طور کلی هر چند سطح تنش اعمالی بالاتر باشد احتمال وقوع گسختگی در سازه بالاتر است .
سه عامل یاد شده بالا به عنوان عوامل ااصلی کنترل ککننده شکست در سازه ها شناخته شده اند .

تئوری شکست خستگی
دلیل عمده خطرناک بودن شکست خستگی این است که بدون آگاهی قبلی و غیر قابل رویت بودن رخ می دهد . خستگی به صورت شکستگی با ظاهر ترد ، هیچگونه تغییر شکل ناخالصی در شکست نتیجه میشود . معمولا سطح شکست در مقیاس ماکروسکوپی برجهت تنش کششی اصلی عمود است . معمولا سطح شکست خستگی از ظاهر سطح شکست تشخیص داد می شود ، که از یک ناحیه هموار حاصل از عمل سایش با اشاعه ترک در مقاطع و یک ناحیه ناهموار که در هنگام عدم تحمل بار توسط مقطع ، در قطعه به صورت نرم شکسته شده است تشکیل می شود .غالباً پیشرفت شکست توسط یک دسته حلقه نشان داده می شود . که از نقطه شروع شکست به طرف داخل پیشرفت می کگند .

سه عامل عمده برای وقوع شکست خستگی ضروری هستند . این عوامل عبارتند از:
1-    تنش کششی حداکثری به مقدار بسیار زیاد
2-    تغییرای به حد کافی زیاد یا نوسانی در تنش وارده
3-    زیاد بودن چرخه های تنش وارده
4-    علاوه بر این تغییرهای دیگری مانند تمرکز تنش، خوردگی دما، بار اضافی ، ساختار متالورژیکی ،تنشهای باقیمانده و تنشهای مرکب هم وجود دارند که شرایط را ایجاد خستگی تقویت می کنند .

خصوصیات ساختاری خستگی
در مطالعات تغییرات ساختاری اصلی در فلزی که به ان تنش چرخه ای اعمال می شود ، فرایند خستگی برای سهولت درک به مراحل زیر تقسیم شده است .
1 – شروع ترک : شامل ایجاد اولیه عیب خستگی که با عملیات تابانیدن مناسب برطرف می شود.
2- رشد ترک نوار لغزش : عبارت است از عمیق شدن ترک اولیه روی صفحات با تنش برش زیاد ، این مرحله غالبا رشد ترک مرحله 1 نامیده می شود .
3 – شکست ترک روی صفحاتی با تنش کششی زیاد : عبارت است از رشد ترک معین در جهت عمود بر تنش کششی حداکثر این مرحله معمولا رشد ترک مرحله 2 نامیده میشود .
4 – شکست نرم نهایی : هنگامی رخ می دهد که طول ترک به اندازه کافی برسد .طوری که سطح مقطع باقیمانده نتواند با وارده را تحمل کند .

اثر سطح و خستگی
عملا تمام شکست های خستگی از سطح شروع می شوند . در بسیاری از انواع متنوع بارگذاری ، مانند خمش و پیچش ، تنش حداکثر در سطح رخ می دهد . طوری که شروع شکست از آن مکان منطقی جلوه می کند . اما در بارگذاری محوری ، شکست خستگی تقریبا همیشه از سطح شروع می شود . مدارک فراولنی حاکی از اینکه خواص خستگی به شرایط سطحی بسیار حساس هستند در دست است.

عوامل موثر که در سطح یک نمونه حستگی تاثیر میگذارد عمدتا به سه دسته تقسیم می شوند :
1 . ناهمواری سطح یا منابع تنش سطحی
2 . تغییر استحکام خستگی فلز سطحی
3.    تغییرات شرایط تنش باقیمانده در سطح
علاوه بر این ، سطح فلز در معرض اکسایش و خوردگی نیز قرارد دارد .

اثر دما بر خستگی
آزمایش های خستگی فلزات در دماهای کمتر از دمای اتاق نشان می دهد که استحکام کششی افزایش می یابد ، با نشان دادن شکست خستگی در دمای اتاق که با تشکیل و تمرکز جای خالی همراه است ، توجیه می شود .
به طور کلی ، هر چند استحکام خزش ماده ای بیشتر باشد ، استحکام خستگی آن ماده در دمای زیاد بیشتر است.
تنش هایی که باعث ایجاد شکست خستگی دز دمای بالا می شوند ، لزوما نباید از منابع مکانیکی ناشی شده باشند .شکست خستگی می تواند در شرایطی که هیچ تنشی به دلایل مکانیکی تولید نمی شود ، توسط تنش های گرمایی نوسانی بوجود می آید .
تنش های گرمایی وقتی به وجود می ایند که توسط قیدی از تغییر ابعاد یک قطعه به علت تغییر دما جلوگیری شود .
اثر اعمال تنش گرمایی رخ دهد ، شرایط به شوک گرمایی مرسوم است اما اگر شکست پس از اعمال مکرر تنش گرمایی رخ می دهد ، این حالت خستگی حرارتی نامیده می شود غالباض در وسایلی که در دمای بالا کار میکنند ، شرایط ایجاد شکست در اثر خستگی گرمایی وجود دارد .

روش های جلوگیری از رشد ترک و افزایش عمر خستگی

break1

رشد ترک بستگی به شرایط تنش متمرکز شده در نوک ترک دارد . جلوگیری از رشد ترک در اثر تنش پسماند بر دو عامل استوار است :
1 . ترک هرگز رشد نمی کند مگر اینکه تنشی کششی در نوک ترک یا نزدیک آن متمرکز شده و باعث باز شدن دهانه آن می شود .
2 . تا زمانی که تنشی فشاری در نوک ترک وجود داشته باشد ، دهانه ترک باز نخواهد شد.
واضح است که خمیدگی ها، سوراخ ها ، شکاف ها و زاویه ها ی مقعر تیز مواضعی برای تنش های بالا و امکان شکست د رقطعات ماشین محسوب می شوند . استفاده از فیلت های زیاد ، گرد کردن انتهای جای خار ها و چاک ها ، صافکاری گوشه ها و اجتناب از اثرات برشی ابزار تیز بنجو قابل ملاحضه ای عامل بوجود آورنده ی تنش را حذف کرده و عمر خستگی را افزایش می دهند .
هر گونه شیارها یا شکاف های تیز می توانند توزیع تنش را تغییر داده و خواص فیزیکی یک ماده را افزایش می دهند .
هر گونه شیارها یا شکاف های تیز می توانند توزیع تنش را تغییر داده و خواص فیزیکی یک ماده را اصلاح کنند و باعث شوند تا قطعات در برابر نیروی وارده عکس العمل خوبی از خود نشان دهند.

 

بررسی دلایل ایجاد شکست در میل لنگ
میل لنگ یکی از قطعات حساس موتور می باشد که تحت بارهای مکانیکی متناوب شدیدی قرار دارد . به همین خاطر شرایط برای ایجاد ورشد خستگی در این قطعه فراهم می باشد .
در بررسی های چشمی مشخص شد که مقطع شکست دارای دو بخش می باشد . بخش اول دارای سطحی صافتر و ظاهری روشن تر و بخش دوم دارای سطحی زبرتر و و ظاهری تیره تر بود .
این نوع سطح مقطع شکست ، مشخصه شکست خستگی می باشد . سطح مقطع شکست در مرحله رشد ترک خستگی دارای سطحی نسبتا صاف می باشد .
این موضوع به این دلیل است که هنگام فرایند رشد ترک که با باز و بسته شدن ترک بر اثر تنش کششی همراه است ، دو سطح ترک بر روی هم سائیده شده و سطح آن نسبتا صاف می گزدد . در حالی که در مرحله شکست نهایی ، ترک در روی سطح بطور ناگهانی اشاعه پیدا کرده و دارای سطح با ظاهر خشن تر می باشد .

همچنین ترک های خستگی بطور معمول از چند ناحیه بر روی قطعه شروع به حرکت می کنند که در نهایت آن ترکی که شرایط مناسبتری دارد ، منجر به شکست نهایی می شود .
با توجه به این نکته و با توجه به فلوچارت آورده شده در قسمت آنالیز تخریب سطوح میل لنگ تحت بازرسی غیر مخرب قرار گرفت . برای این منظور از روش مایع نافذ دارای ذرات مغناطیسی استفاده شد . در این روش ابتدا میل لنگبا گذاشته شدن درون یک کوئل خاصیت مغناطیسی پیدا کرد . پس از آن مایع حاوی ذرات مغناطیسی به قسمت مختلف میل لنگ پاشیده شد و میل لنگ زیر تابش نور ماورا بنفش قرار گرفت . بر اثر تابش ماوراء بنفش نقاطی از میل لنگ که دارای ترک بوده مشخص گردید .
با توجه به نتایج حاصل از بازرسی چشمی، بازرسی غیر مخرب و تصاویر متالوگرافی و با توجه به شرایط کاری میل لنگ ، نوع شکست در میل لنگ از نوع شکست خستگی تشخیص داده شد . مراحل شکست به این صورت می باشد که براثر نیروهای تناوبی وارد بر میل لنگ ترک های خستگی از نقاط مختلفی در میل لنگ شروع به جوانه زنی و سپس رشد می کنند . بر اثر ضربه نهایی که از طرف شاتون بر میل لنگ وارد شد ، نیروی مکانیکی شدیدی بر میل لنگ وارد شده باعث اشاعه ترکی که شرایط ارجع تری برای رشد داشته باشد .

نتیجه گیری شکست در میل لنگ
1 – بررسی سیستماتیک علل سوانح بر مبنای اصول علم آنالیز تخریب از اهمیت زیادی در یافتن علل سوانح هوایی برخوردار است .
2 – شکست خستگی یکی از دلایل عمده تخریب در صنایع هوائی می باشد  و توجه جدی به خستگی عامل مهمی در قضاوت در مورد علل تخریب در قطعات می باشد .
3 – علت تخریب میل لنگ در هواپیمای سانحه دیده ذکر شده ، شکست خستگی می باشد .
انجام به موفع آنالیز روغن و بازرسی غیر از اهمیت بسیار زیادی در جلوگیری از ایجاد سوراخ در موتورهای هوائی برخوردار می باشد .

 

منابع و ماخذ :
1.    فرهی ، غلامحسین ؛مکانیک شکست ، انتشارات دانشگاه بو علی سینا 1387
2.    جاوید راد،فرهاد،مکانیک شکست در طراحی سازه ها، انتشارات گوتنبرگ 1388
3.    سجادی ؛ رفتار مکانیکی مواد، انتشارات دانشگاه فردوسی
4.    اکرامی ،علی اکبر ؛ تغییر شکل و مکانیک مواد و آلیاژهای مهندسی ، انتشارات علمی
5.    شاکری ؛ مکانیک شکست اجسام ، انتشارات دانشگاه امیرکبیر
6.    بداخشان راز، صادق ، شکست ، خستگی ، مجموعه ی مقالات دومین همایش ایمنی هوانوردی ، دانشگاه هوایی شهید ستاری تهران
7.    شهیدی، شهره ، متالوژی مواد، دیتر
8.    تویسر کانی ، حسین؛ اصول علم مواد ( ساختار ، خواص و مهندسی مواد ) ، انتشارات دانشگاه صنعتی اصفهان

ماهنامه ساخت و تولید

 

نظر خود را اضافه کنید.

0
شرایط و قوانین.

نظرات

    • هیچ نظری یافت نشد

    ماشین کاری

    machining3

    شعارهای ایمنی

    • سلامتی بالاترین نعمت است، آن را به آسانی از دست ندهید.
    • آن روزی پایانش خوش است که حادثه ای رخ ندهد.
    • فرشته نجات حوادث ناگوار، رعایت ایمنی است.
    • اگر به سعادت خود و فرزندانتان علاقه دارید، رعایت ایمنی و بهداشت را در سرلوحه کارتان قرار دهید
    • تجربه ناشی از حوادث را تجربه کردن خطاست.
    • وسایل و تجهیزات حفاظت فردی، نوعی دفاع شخصی ساده و کارا هستند.
    • به هنگام بروز حوادث، مضطرب و وحشت زده نباشید و خود مشکلی روی مشکلات نشوید
    • ارمغان ایمنی، شادابی و تندرستی است.
    • محل کار خود را همیشه تمیز و مرتب نگه دارید.
    • خطر پاره شدن، باز شدن و سقوط بار را همواره در نظر بگیرید.
    • شتابزدگی و بی نظمی حادثه آفرین است.
    • رانندگان لیفتراک : آهسته برانید و بار خود را حدالامکان پایین حمل کنید.
    • استفاده از گوشی های ایمنی در محیط های پر سروصدا (بالاتر از 85 دسی بل) الزامی است
    • تولید بدون حادثه، هدف همه ما در شرکت است.