ما هي الهشاشة? | تعريف, الأسباب & مواد

نادراً ما تفشل المواد المستخدمة في الهندسة لأنها ببساطة "قوية" أو "ضعيفة".

يعتمد سلوكهم الفعلي تحت الحمل على مزيج من القوة, صلابة, ليونة, صلابة, مقاومة الكسر, درجة حرارة, معدل التحميل, البنية المجهرية, والعيوب.

ومن هذه الخصائص, هشاشة وهو مهم بشكل خاص لأنه يرتبط بالكسر الذي يحدث بعد تشوه دائم قليل نسبيًا.

قد تتحمل المادة الهشة حمولة كبيرة وتبدو سليمة من الناحية الهيكلية حتى يتم الوصول إلى حالة حرجة, وبعد ذلك يمكن أن يحدث التشقق والكسر بسرعة.

يختلف هذا السلوك اختلافًا جوهريًا عن سلوك المواد شديدة اللدونة, والتي يمكن أن تخضع لتشوه بلاستيكي كبير قبل الفشل.

وبالتالي فإن الهشاشة ليست مجرد مرادف للضعف, صلابة, أو الهشاشة.

1. ما هي الهشاشة?

هشاشة هي خاصية مادية تصف الميل إلى الكسر تشوه بلاستيكي قليل أو محدود عندما تتعرض لضغوط ميكانيكية.

على عكس المواد اللدنة, والتي يمكن أن تخضع لتشوه دائم كبير قبل الفشل, قد تصل المادة الهشة إلى الكسر مع تغير طفيف نسبيًا في الشكل.

من وجهة نظر هندسية, من الأفضل فهم الهشاشة على أنها ميل المادة لاستيعاب الضغط المطبق من خلالها بدء الكراك وانتشاره بدلاً من إنتاج البلاستيك على نطاق واسع.

بمجرد أن يصبح الكراك أو العيب الحرج غير مستقر, يمكن أن يحدث الفشل بسرعة.

لا ينبغي الخلط بين الهشاشة والهشاشة قوة منخفضة أو صلابة عالية. يمكن أن تتمتع المادة الهشة بقوة شد وصلابة كبيرة بينما لا تزال تتمتع بمقاومة ضعيفة لانتشار الشقوق.

يعتمد سلوك الكسر على عوامل مثل البنية المجهرية, درجة حرارة, معدل التحميل, عيوب, وتركيز الإجهاد.

الخصائص الرئيسية للمواد الهشة

2. كيف ترتبط الهشاشة بمنحنى الإجهاد والانفعال?

تنعكس الهشاشة في المقام الأول في سلالة محدودة والقدرة على امتصاص الطاقة المادة قبل الكسر.

على منحنى الإجهاد والانفعال, تُظهر المادة الهشة عادةً منطقة مرنة قصيرة نسبيًا يتبعها كسر, مع تشوه بلاستيكي قليل أو معدوم.

وبالتالي فإن إجهاد الكسر الخاص بها منخفض مقارنة بضغط المواد المطيلة. تمثل المساحة الموجودة أسفل المنحنى حتى الكسر مساحة المادة صلابة, لذا تشير المساحة الصغيرة بشكل عام إلى محدودية امتصاص الطاقة.

على النقيض من ذلك, تطور المادة المرنة منطقة بلاستيكية واضحة بعد الخضوع ويمكن أن تتعرض لتشوه كبير قبل الفشل.

هكذا, يوفر منحنى الإجهاد والانفعال تمييزًا بصريًا مفيدًا: تميل المواد الهشة إلى الكسر عند الضغط المنخفض مع تشوه بسيط في البلاستيك, في حين أن المواد اللدنة تتحمل إجهادًا بلاستيكيًا كبيرًا قبل الكسر.

الأهم من ذلك, لا ينبغي الحكم على الهشاشة من خلال القوة أو الصلابة وحدها; يمكن أن تتمتع المادة بقوة عالية أو معامل مرونة عالي بينما لا تزال تظهر فشلًا هشًا.

3. آليات الكسر الهش

يحدث الكسر الهش عندما ينتشر الشق مع القليل من التشوه البلاستيكي المصاحب.

كسر الانقسام

كسر الانقسام هي آلية فشل عبر الحبيبات ينتشر فيها الشق عبر الحبوب على طول مستويات بلورية محددة.

إنه مفضل عندما يكون التشوه البلاستيكي مقيدًا بشدة, مثل درجات الحرارة المنخفضة أو تحت قيود عالية.

الكسر الحبيبي

كسر بين الحبيبات يحدث عندما يتبع التشقق بشكل تفضيلي حدود الحبوب بدلاً من قطع الحبوب.

يشير بشكل عام إلى أن حدود الحبوب أصبحت أضعف ميكانيكيًا من الأجزاء الداخلية للحبوب.

كسر هش في البوليمرات

تظهر البوليمرات آليات كسر مختلفة لأن تركيبها الجزيئي وسلوك التشوه يختلفان بشكل أساسي عن تلك الخاصة بالمعادن البلورية والسيراميك.

أقل من درجة حرارة التحول الخاصة بالمواد, تصبح بعض البوليمرات زجاجية وتفقد الكثير من قدرتها على الخضوع للتشوه البلاستيكي.

4. ما الذي يجعل المادة تصبح هشة?

لا يتم تحديد الهشاشة من خلال خاصية مادية واحدة. وينتج عن التفاعل بين التركيب الكيميائي, البنية المجهرية, درجة حرارة, ظروف التحميل, تاريخ التصنيع, والعيوب.

إن المادة التي تتصرف بشكل مطاوع في ظل مجموعة من الظروف قد تصبح أكثر هشاشة بشكل ملحوظ في ظل مجموعة أخرى.

درجة حرارة

تعتبر درجة الحرارة من أهم العوامل التي تؤثر على سلوك الكسر, خاصة في العديد من المكعبات التي تتمحور حول الجسم (نسخة مخفية الوجهة) المعادن.

كما تنخفض درجة الحرارة, تصبح الحركة الذرية وحركة التفكك أكثر صعوبة, تقليل قدرة المادة على استيعاب التشوه البلاستيكي.

لذلك تظهر بعض أنواع الفولاذ أ انتقال الدكتايل إلى البخاخ (دي بي تي) على مدى درجة حرارة محددة.

يعد هذا السلوك مهمًا بشكل خاص للمكونات المعرضة للبيئات الباردة, مثل خطوط الأنابيب, أوعية الضغط, معدات النقل, والهياكل البحرية.

ولذلك يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار ليس فقط قوة درجة حرارة الغرفة ولكن أيضًا متانة التأثير المطلوبة عند أدنى درجة حرارة للخدمة.

التركيب الكيميائي وصناعة السبائك

يمكن لكيمياء السبائك أن تغير التوازن بين القوة بشكل كبير, ليونة, ومقاومة الكسر.

زيادة محتوى الكربون, على سبيل المثال, يمكن أن يزيد من صلابة وقوة الفولاذ ولكنه قد يقلل من الليونة والمتانة إذا أصبحت البنية المجهرية صلبة أو هشة بشكل مفرط.

يمكن لبعض عناصر صناعة السبائك تحسين المتانة أو تثبيت المراحل المرغوبة, بينما الشوائب مثل الكبريت والفوسفور يمكن أن يعزز التقصف عند وجوده بمستويات غير مناسبة.

يعد الهيدروجين مصدر قلق مهم آخر لأنه يمكن أن ينتشر إلى معادن حساسة ويساهم في ذلك هشاشة الهيدروجين, خاصة في الفولاذ عالي القوة.

البنية المجهرية والمعالجة الحرارية

غالبًا ما تحدد البنية المجهرية الداخلية مدى سهولة بدء الشق وانتشاره.

حجم الحبوب, توزيع المرحلة, مورفولوجيا كربيد, يترسب, الادراج, والضغوط المتبقية كلها تؤثر على سلوك الكسر.

ولذلك فإن المعالجة الحرارية أمر بالغ الأهمية. يمكن أن يؤدي التصلب المفرط إلى إنتاج هياكل مجهرية عالية القوة ولكن منخفضة المتانة, في حين أن التخفيف الذي يتم التحكم فيه بشكل صحيح يمكن أن يحسن مقاومة انتشار الشقوق.

في الفولاذ, على سبيل المثال, يمكن أن يكون الفرق بين المارتنسيت المقسى بشكل صحيح والمارتنسيت غير المقسى بشكل مفرط أمرًا حاسمًا بالنسبة للموثوقية الهيكلية.

تركيز الإجهاد والعيوب

الكسر الهش حساس للغاية لتركيزات الإجهاد المحلية. زوايا حادة, الشقوق, علامات التصنيع, المسام, الادراج, تجاويف الانكماش, عيوب اللحام, والشقوق يمكن أن يؤدي إلى تضخيم الضغط المحلي إلى ما هو أبعد من الضغط الاسمي المطبق.

كلما كان العيب أكثر حدة، انخفضت صلابة المادة للكسر, كلما زاد خطر بدء الكراك.

هذا هو السبب في أن التصميمات الهندسية غالبًا ما تستخدم أنصاف أقطار شرائح كبيرة, جودة السطح التي تسيطر عليها, وطرق الفحص المناسبة لتقليل مواقع بدء الكسر المحتملة.

شروط التصنيع والخدمة

يمكن أن يقدم تاريخ المعالجة عوامل تزيد من الهشاشة, بما في ذلك الإجهاد المتبقي, المعالجة الحرارية غير المناسبة, الفصل, العمل البارد المفرط, عيوب اللحام, والتحولات المرحلة غير المواتية.

قد يساهم التعرض البيئي بشكل أكبر من خلال آليات مثل تقصف الهيدروجين, التكسير بمساعدة التآكل, أو أضرار الإشعاع.

5. ما هي المواد التي عادة ما تكون هشة؟?

ترتبط الهشاشة بشكل شائع بالمواد التي تحتوي على تشوه بلاستيكي محدود وإجهاد كسر منخفض نسبيًا.

لكن, الهشاشة ليست تصنيفا مطلقا: قد تصبح نفس المادة أكثر أو أقل هشاشة حسب درجة الحرارة, البنية المجهرية, معدل التحميل, عيوب, والظروف البيئية.

6. ما هو الفرق بين الهشاشة والليونة?

تصف الهشاشة والليونة كيفية استجابة المادة للضغط قبل الكسر.

تميل المادة الهشة إلى الكسر مع تشوه بلاستيكي بسيط, في حين أن المادة المرنة يمكن أن تخضع لتشوه دائم كبير قبل الفشل.

ترتبط هذه الخصائص ارتباطًا وثيقًا بقدرة المادة على استيعاب الضغط من خلال تشوه البلاستيك.

7. هشاشة مقابل. صلابة: لماذا يهم الفرق

المتانة والهشاشة ليستا نفس الخاصية. تصف الهشاشة ميل المادة إلى الكسر مع تشوه بلاستيكي بسيط, في حين تقيس المتانة كمية الطاقة التي يمكن أن تمتصها المادة قبل الكسر.

8. كيف يمكن تقليل الهشاشة?

يمكن في كثير من الأحيان تقليل الهشاشة عن طريق تعديل تركيبة المادة, البنية المجهرية, ظروف المعالجة, هندسة المكونات, أو بيئة الخدمة.

يعتمد النهج المناسب بقوة على النظام المادي والآلية المسؤولة عن السلوك الهش.

تحسين المعالجة الحرارية

للفولاذ والسبائك الأخرى القابلة للمعالجة بالحرارة, تعد المعالجة الحرارية الخاضعة للرقابة واحدة من أكثر الطرق فعالية لتحقيق التوازن بين القوة والليونة.

على سبيل المثال, يمكن أن يؤدي تقسية الفولاذ المقسى إلى تقليل الصلابة المفرطة والضغوط المتبقية مع تحسين المتانة.

الهدف ليس بالضرورة تحقيق أقصى قدر من الليونة, ولكن لإنشاء مزيج مناسب من القوة, صلابة, صلابة الكسر, واستقرار الأبعاد.

صقل والسيطرة على البنية المجهرية

يمكن أن يؤدي تحسين البنية المجهرية إلى تحسين مقاومة الكسر الهش بشكل كبير في العديد من المواد المعدنية.

بخير, يمكن للحبوب المنتظمة أن تزيد من مقاومة الانقسام وتقلل المسافة التي يمكن أن ينتشر عبرها صدع غير مستقر.

السيطرة على الادراج, يترسب, كربيدات, والفصل لا يقل أهمية. يمكن أن تؤدي المراحل الهشة المفرطة أو سيئة التوزيع إلى إنشاء مواقع تفضيلية لبدء التصدع.

تعديل تركيبة السبائك

يمكن استخدام تصميم السبائك لتحسين المتانة مع الحفاظ على الخواص الميكانيكية المطلوبة.

حسب نظام المواد, قد تؤدي صناعة السبائك المناسبة إلى استقرار المراحل المرغوبة, صقل الحبوب, تحسين الصلابة, أو تقليل التعرض للهشاشة البيئية.

للفولاذ, السيطرة على الشوائب الضارة وتقليل الظروف التي تعزز التقصف الهيدروجيني, هشاشة المزاج, أو يمكن أن يكون إضعاف حدود الحبوب ذا أهمية خاصة.

تقليل تركيزات التوتر

هندسة المكونات لها تأثير مباشر على مخاطر الكسر الهش. زوايا حادة, تغييرات مفاجئة في القسم, الشقوق العميقة, ويمكن للثقوب سيئة التصميم أن تنتج تركيزات إجهاد محلية شديدة.

التدابير الهندسية مثل نصف قطر شرائح أكبر, انتقالات أكثر سلاسة, هندسة الثقب الأمثل, وتحسين جودة السطح يمكن أن يقلل من الضغوط المحلية القصوى ويقلل من احتمالية بدء التشقق.

التحكم في عيوب التصنيع

المسامية, الادراج, الشقوق, اندماج غير كامل, تلف الآلات, وغيرها من عيوب التصنيع يمكن أن تصبح أصولًا خطيرة للكسر.

تحسين الصب, تزوير, لحام, المعالجة الحرارية, وبالتالي يمكن لعمليات التصنيع أن تزيد من مقاومة الكسر الفعالة.

للمكونات الهامة للسلامة, اختبار غير التدمير (NDT)– مثل الموجات فوق الصوتية, شعاعي, الجسيمات المغناطيسية, أو فحص اختراق الصبغة - يمكن أن يساعد في تحديد العيوب قبل أن تتحول إلى فشل في الخدمة.

إدارة درجة الحرارة والبيئة

إذا كانت الهشاشة مرتبطة بانخفاض درجة الحرارة, إن زيادة درجة حرارة التشغيل أو اختيار مادة ذات صلابة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة قد يمنع التحول من اللدونة إلى الهشاشة.

الضوابط البيئية مهمة أيضا. اختيار المواد المناسبة, الطلاءات, المعالجات السطحية, الحماية الكاثودية حيثما ينطبق ذلك, ومن الممكن أن تؤدي تدابير التحكم في الهيدروجين إلى تقليل التشققات المدعومة بيئيًا.

9. لماذا الهشاشة مهمة في الهندسة؟

تعتبر الهشاشة أحد الاعتبارات الهندسية الهامة لأنها تؤثر بشكل مباشر وضع الفشل, الموثوقية الهيكلية, هوامش السلامة, واختيار المواد.

قد يتحمل المكون الهش أحمالًا كبيرة بينما يبدو غير تالف ثم يفشل بسرعة بمجرد الوصول إلى حالة التشقق أو الضغط الحرجة.

هذا السلوك مثير للقلق بشكل خاص في الهياكل التي يمكن أن يؤدي فيها الكسر المفاجئ إلى أضرار متتالية أو فقدان الاحتواء.

اختيار المواد

يجب أن يأخذ اختيار المواد في الاعتبار بيئة الخدمة الكاملة بدلاً من الاعتماد فقط على قوة الشد أو الصلابة.

على سبيل المثال, قد يوفر الفولاذ عالي القوة قدرة تحمل ممتازة ولكنه قد يكون غير مناسب لتطبيق درجات الحرارة المنخفضة إذا أصبحت صلابة الكسر غير كافية.

التصميم الهيكلي والمكونات

تؤثر الهندسة بقوة على خطر الكسر الهش. الشقوق الحادة, تغييرات مفاجئة في القسم, الثقوب, المواضيع, وعلامات التصنيع يمكنها تركيز الضغط وتسريع عملية بدء التصدع.

وبالتالي فإن التصميم المناسب يتضمن انتقالات سلسة, شعاع مناسب, جودة السطح التي تسيطر عليها, ومقاومة كافية للكسر.

التصنيع ومراقبة الجودة

يمكن أن تصبح عيوب التصنيع أصولًا خطيرة للكسر في المواد الهشة أو الحساسة للكسر.

صب المسامية, الادراج, انقطاعات اللحام, عيوب المعالجة الحرارية, ويجب التحكم في الشقوق السطحية من خلال معلمات العملية وإجراءات الفحص المناسبة.

للمكونات الحرجة, اختبار غير التدمير (NDT) ومعايير القبول القائمة على ميكانيكا الكسر يمكن أن توفر طبقة إضافية من الحماية ضد الفشل غير المتوقع.

التنبؤ بالسلامة والفشل

غالبًا ما توفر المواد المرنة تشوهًا واضحًا قبل الفشل, في حين أن المواد الهشة قد توفر القليل من التحذير.

بالتالي, تتطلب التصميمات التي تتضمن مواد هشة عمومًا اهتمامًا أكبر حجم العيب, نمو الكراك, درجة حرارة التشغيل, ظروف التحميل, وفترات التفتيش.

في تطبيقات مثل أوعية الضغط, الجسور, خطوط الأنابيب, الهياكل الفضائية, أدوات القطع, ومكونات السيراميك, يعد فهم الهشاشة أمرًا ضروريًا لتحديد عوامل الأمان المناسبة ومنع الكسور الكارثية.

10. ما هو الفرق بين "الهش" و "الهش"?

الشروط "قابل للكسر" و "هش" غالبا ما تستخدم بالتبادل في اللغة اليومية, لكن لها معاني مختلفة في الهندسة.

هش هو مصطلح تقني في علم المواد يصف ميل المادة إلى الكسر مع تشوه بلاستيكي محدود.

قابل للكسر, على النقيض من ذلك, هو مصطلح وصفي أوسع يعني عادةً أن شيئًا ما يتلف بسهولة, مكسور, أو دمرت.

قد يكون الجسم الهش عرضة للخطر بسبب هندسته, ركاكة, حالة السطح, أو البناء - ليس بالضرورة لأن المادة نفسها ذات ليونة منخفضة بطبيعتها.

11. خاتمة

الهشاشة هي ميل المادة إلى الكسر مع تشوه لدن قليل أو معدوم.

إنه يختلف جوهريًا عن القوة, صلابة, والمتانة, على الرغم من أن هذه الخصائص يمكن أن تتفاعل بقوة في تحديد سلوك الفشل في العالم الحقيقي.

من وجهة نظر هندسية, القضية الأساسية ليست مجرد ما إذا كانت المادة مصنفة على أنها "هشة".,"ولكن كيف سيتصرف في ظل ظروف الخدمة الفعلية الخاصة به.

اختيار المواد المناسبة, السيطرة على البنية الدقيقة, المعالجة الحرارية, تصميم هندسي, منع العيب, والفحص يمكن أن يقلل بشكل كبير من خطر حدوث كسر غير متوقع.

 

الأسئلة الشائعة

ما هي الهشاشة بعبارات بسيطة?

الهشاشة هي ميل المادة إلى الانكسار بدلاً من التشوه اللدن عند تعرضها لضغط كافٍ.

تتكسر المواد الهشة بشكل عام فجأة وتمتص طاقة قليلة نسبيًا قبل الفشل.

هل الهشاشة هي نفس القوة المنخفضة؟?

لا. القوة والهشاشة خصائص مختلفة. يمكن أن تتمتع المادة بقوة أو صلابة عالية جدًا ولكنها تظل قابلة للكسر مع تشوه بلاستيكي بسيط.

هل يمكن للمعدن أن يصبح هشاً?

نعم. يمكن أن تصبح المعادن أكثر هشاشة بسبب انخفاض درجة الحرارة, تصلب مفرط, المعالجة الحرارية غير المواتية, التعرض للهيدروجين, فصل الشوائب, الضرر الإشعاعي, أو تركيزات الإجهاد الشديد.

كيف يتم قياس الهشاشة?

لا توجد "قيمة هشاشة" عالمية واحدة.

عادةً ما يقوم المهندسون بتقييمه باستخدام خصائص مثل إجهاد الكسر, استطالة, صلابة التأثير, صلابة الكسر, ودرجة حرارة التحول من الدكتايل إلى الهش, اعتمادا على المواد والتطبيق.

هل يمكن جعل المواد الهشة أكثر صرامة؟?

في كثير من الحالات, نعم. يمكن تحسين المتانة من خلال تحسين البنية المجهرية, المعالجة الحرارية الأمثل, تعديل السبائك, المعالجة الخاضعة للرقابة, تعزيز, والحد من تركيزات الإجهاد والعيوب.

لماذا يصبح الفولاذ هشاً عند درجات الحرارة المنخفضة؟?

يصبح الفولاذ هشًا عند درجات الحرارة المنخفضة بسبب التحول من الليونة إلى الهشة.

تحت درجة الحرارة الانتقالية, لا يمكن للمادة استيعاب الضغط من خلال تشوه البلاستيك والكسور بطريقة هشة.

ما هي درجة حرارة التحول من اللدنة إلى الهشة (DBTT)?

DBTT هي درجة الحرارة التي تتصرف المادة تحتها بطريقة هشة وفوقها تتصرف بطريقة مطيعة. إنها معلمة حرجة لتطبيقات درجات الحرارة المنخفضة.