شکنندگی چیست? | تعریف, علل & مواد

مواد مورد استفاده در مهندسی به ندرت به دلیل اینکه "قوی" یا "ضعیف" هستند شکست می خورند.

رفتار واقعی آنها تحت بار بستگی به ترکیبی از قدرت دارد, سفتی, شکل پذیری, سختی, مقاومت در برابر شکست, دما, نرخ بارگذاری, ساختار, و عیوب.

از جمله این خصوصیات است, شجاعت اهمیت ویژه ای دارد زیرا با شکستگی همراه است که پس از تغییر شکل دائمی نسبتاً کمی رخ می دهد.

یک ماده شکننده ممکن است بار اعمال شده قابل توجهی را تحمل کند و تا رسیدن به شرایط بحرانی از نظر ساختاری سالم به نظر برسد, پس از آن ترک خوردگی و شکستگی می تواند به سرعت رخ دهد.

این رفتار اساساً با رفتار یک ماده بسیار انعطاف پذیر متفاوت است, که می تواند قبل از شکست دچار تغییر شکل پلاستیکی قابل توجهی شود.

بنابراین شکنندگی صرفاً مترادف ضعف نیست, سختی, یا شکنندگی.

1. شکنندگی چیست?

شکنندگی یک ویژگی مادی است که تمایل به شکستگی را توصیف می کند تغییر شکل پلاستیک کم یا محدود هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می گیرند.

بر خلاف مواد انعطاف پذیر, که می تواند قبل از شکست دچار تغییر شکل دائمی قابل توجهی شود, یک ماده شکننده ممکن است با تغییر نسبتاً کمی قابل مشاهده در شکل به شکستگی برسد.

از منظر مهندسی, شکنندگی به عنوان تمایل یک ماده برای انطباق با تنش وارده از طریق آن بهتر درک می شود شروع و انتشار ترک به جای تسلیم پلاستیک گسترده.

هنگامی که یک ترک یا نقص بحرانی ناپایدار می شود, شکست می تواند به سرعت رخ دهد.

شکنندگی را نباید با آن اشتباه گرفت استحکام کم یا سختی بالا. یک ماده شکننده می‌تواند استحکام کششی و سختی قابل‌توجهی داشته باشد در حالی که مقاومت ضعیفی در برابر انتشار ترک دارد..

رفتار شکستگی آن به عواملی مانند ریزساختار بستگی دارد, دما, نرخ بارگذاری, نقص, و تمرکز استرس.

ویژگی های کلیدی مواد شکننده

2. چگونه شکنندگی با منحنی تنش-کرنش ارتباط دارد؟?

شکنندگی در درجه اول در منعکس می شود کرنش محدود و ظرفیت جذب انرژی از یک ماده قبل از شکست.

روی منحنی تنش-کرنش, یک ماده شکننده معمولاً یک ناحیه الاستیک نسبتاً کوتاه و به دنبال آن شکستگی را نشان می دهد, با تغییر شکل پلاستیکی کم یا بدون تغییر شکل.

بنابراین کرنش شکست آن در مقایسه با یک ماده انعطاف پذیر کم است. ناحیه زیر منحنی تا شکستگی نمایانگر ماده است سختی, بنابراین یک منطقه کوچک به طور کلی نشان دهنده جذب انرژی محدود است.

در مقابل, یک ماده انعطاف پذیر پس از تسلیم شدن یک ناحیه پلاستیکی مشخص ایجاد می کند و می تواند قبل از شکست دچار تغییر شکل قابل توجهی شود..

بنابراین, منحنی تنش-کرنش تمایز بصری مفیدی را ارائه می دهد: مواد شکننده تمایل به شکستن در کرنش کم با تغییر شکل پلاستیکی کمی دارند, در حالی که مواد انعطاف پذیر فشار پلاستیک قابل توجهی را قبل از شکست تحمل می کنند.

مهمتر, شکنندگی را نباید تنها از روی استحکام یا سفتی قضاوت کرد; یک ماده می تواند دارای استحکام بالا یا مدول الاستیک بالا باشد در حالی که هنوز شکست شکننده را نشان می دهد.

3. مکانیسم های شکست شکننده

شکستگی شکننده زمانی اتفاق می‌افتد که یک ترک با تغییر شکل پلاستیکی کمی منتشر می‌شود.

شکستگی برش

شکستگی برش یک مکانیسم شکست ترانس دانه ای است که در آن یک ترک از طریق دانه ها در امتداد صفحات کریستالوگرافی خاص منتشر می شود.

هنگامی که تغییر شکل پلاستیک به شدت محدود شده باشد مورد علاقه است, مانند دماهای پایین یا تحت محدودیت زیاد.

شکستگی بین دانه ای

شکستگی بین دانه ای زمانی اتفاق می‌افتد که ترک‌خوردگی ترجیحاً از مرز دانه‌ها پیروی می‌کند تا برش دانه‌ها.

به طور کلی نشان می دهد که مرزهای دانه از نظر مکانیکی ضعیف تر از داخل دانه شده است.

شکست شکننده در پلیمرها

پلیمرها مکانیسم‌های شکست متفاوتی از خود نشان می‌دهند، زیرا ساختار مولکولی و رفتار تغییر شکل آن‌ها اساساً با فلزات و سرامیک‌های کریستالی متفاوت است..

زیر دمای انتقال خاص ماده, برخی از پلیمرها شیشه ای می شوند و بسیاری از توانایی خود را برای تغییر شکل پلاستیک از دست می دهند.

4. چه چیزی باعث می شود یک ماده شکننده شود?

شکنندگی توسط یک خاصیت مادی مشخص نمی شود. از تعامل بین ترکیب شیمیایی حاصل می شود, ساختار, دما, شرایط بارگذاری, تاریخچه ساخت, و عیوب.

ماده ای که تحت یک سری شرایط به شکل شکل پذیر رفتار می کند ممکن است در شرایط دیگر به طور قابل توجهی شکننده تر شود.

دما

دما یکی از مهمترین عوامل موثر بر رفتار شکستگی است, به ویژه در بسیاری از مکعب های بدن محور (BCC) فلزات.

با کاهش دما, تحرک اتمی و حرکت جابجایی دشوارتر می شود, کاهش توانایی مواد برای انطباق با تغییر شکل پلاستیک.

بنابراین برخی از فولادها نشان می دهند انتقال به کشش به شکننده (DBT) در یک محدوده دمایی خاص.

این رفتار به ویژه برای اجزایی که در معرض محیط های سرد قرار می گیرند بسیار مهم است, مانند خطوط لوله, مخازن تحت فشار, تجهیزات حمل و نقل, و سازه های فراساحلی.

بنابراین انتخاب مواد باید نه تنها مقاومت دمای اتاق، بلکه چقرمگی ضربه مورد نیاز در حداقل دمای سرویس را نیز در نظر بگیرد.

ترکیب شیمیایی و آلیاژسازی

شیمی آلیاژ می تواند به طور قابل ملاحظه ای تعادل بین استحکام را تغییر دهد, شکل پذیری, و مقاومت در برابر شکست.

افزایش محتوای کربن, برای مثال, می تواند سختی و استحکام را در فولادها افزایش دهد، اما اگر ریزساختار بیش از حد سخت یا شکننده شود، شکل پذیری و چقرمگی را کاهش می دهد..

برخی از عناصر آلیاژی می توانند چقرمگی را بهبود بخشند یا فازهای مطلوب را تثبیت کنند, در حالی که ناخالصی هایی مانند گوگرد و فسفر در صورت وجود در سطوح نامناسب می تواند باعث افزایش شکنندگی شود.

هیدروژن یکی دیگر از نگرانی های مهم است زیرا می تواند به فلزات حساس نفوذ کند و به آن کمک کند تردی هیدروژنی, به ویژه در فولادهای با مقاومت بالا.

ریزساختار و عملیات حرارتی

ریزساختار داخلی اغلب تعیین می‌کند که ترک چقدر می‌تواند شروع و منتشر شود.

اندازه دانه, توزیع فاز, مورفولوژی کاربید, رسوایی, اجزاء, و تنش‌های پسماند همگی بر رفتار شکست تأثیر می‌گذارند.

بنابراین عملیات حرارتی بسیار مهم است. سخت شدن بیش از حد می تواند ریزساختارهایی با مقاومت بالا اما چقرمگی کم ایجاد کند, در حالی که تلطیف مناسب کنترل شده می تواند مقاومت در برابر انتشار ترک را بهبود بخشد.

در فولاد, برای مثال, تفاوت بین مارتنزیت درست شده و مارتنزیت بیش از حد سخت غیرخوب می تواند برای قابلیت اطمینان سازه تعیین کننده باشد..

تمرکز استرس و نقص

شکستگی شکننده به غلظت های تنش موضعی بسیار حساس است. گوشه های تیز, شکاف, علائم ماشینکاری, منافذ, اجزاء, حفره های کوچک شدن, نقص جوش, و ترک می تواند تنش موضعی را بسیار فراتر از تنش اسمی اعمال شده تقویت کند.

هر چه عیب تیزتر باشد و چقرمگی شکست مواد کمتر باشد, خطر شروع ترک بیشتر است.

به همین دلیل است که در طرح های مهندسی اغلب از شعاع فیله سخاوتمندانه استفاده می شود, کیفیت سطح کنترل شده, و روش های بازرسی مناسب برای کاهش مکان های احتمالی شروع شکستگی.

شرایط ساخت و خدمات

تاریخچه پردازش می تواند عواملی را معرفی کند که شکنندگی را افزایش می دهد, از جمله تنش پسماند, عملیات حرارتی نامناسب, جداسازی, سرد کاری بیش از حد, عیوب جوشکاری, و تبدیل فاز نامطلوب.

قرار گرفتن در معرض محیطی ممکن است بیشتر از طریق مکانیسم هایی مانند شکنندگی هیدروژن کمک کند, ترک خوردگی به کمک خوردگی, یا آسیب ناشی از تابش.

5. کدام مواد معمولاً شکننده هستند?

شکنندگی معمولاً با موادی مرتبط است که دارند تغییر شکل پلاستیک محدود و کرنش نسبتا کم شکستگی.

با این حال, شکنندگی یک طبقه بندی مطلق نیست: بسته به دما ممکن است همان ماده کم و بیش شکننده شود, ساختار, نرخ بارگذاری, نقص, و شرایط محیطی.

6. تفاوت بین شکنندگی و شکل پذیری چیست؟?

شکنندگی و شکل پذیری چگونگی واکنش یک ماده به تنش را قبل از شکست توصیف می کند.

یک ماده شکننده تمایل به شکستگی با تغییر شکل پلاستیکی کمی دارد, در حالی که یک ماده انعطاف پذیر می تواند قبل از شکست دچار تغییر شکل دائمی قابل توجهی شود.

این ویژگی‌ها ارتباط نزدیکی با توانایی مواد برای انطباق با تنش از طریق تغییر شکل پلاستیک دارند.

7. شکنندگی در مقابل. سختی: چرا تفاوت مهم است

چقرمگی و شکنندگی یک ویژگی نیستند. شکنندگی تمایل یک ماده به شکستگی با تغییر شکل پلاستیکی کمی را توصیف می کند, در حالی که چقرمگی مقدار انرژی را که یک ماده می تواند قبل از شکست جذب کند اندازه گیری می کند.

8. چگونه می توان شکنندگی را کاهش داد?

شکنندگی را اغلب می توان با اصلاح ترکیب مواد کاهش داد, ساختار, شرایط پردازش, هندسه جزء, یا محیط خدمات.

رویکرد مناسب به شدت به سیستم مواد و مکانیسم مسئول رفتار ترد بستگی دارد.

بهینه سازی عملیات حرارتی

برای فولادها و سایر آلیاژهای قابل عملیات حرارتی, عملیات حرارتی کنترل شده یکی از موثرترین روش ها برای متعادل کردن استحکام و شکل پذیری است.

به عنوان مثال, فولاد سخت شده می تواند سختی بیش از حد و تنش های پسماند را کاهش دهد و در عین حال چقرمگی را بهبود بخشد..

هدف لزوماً به حداکثر رساندن شکل پذیری نیست, اما برای ایجاد یک ترکیب مناسب از قدرت, سختی, چقرمگی شکست, و ثبات ابعادی.

ریزساختار را اصلاح و کنترل کنید

پالایش ریزساختاری می تواند به طور قابل توجهی مقاومت در برابر شکست شکننده را در بسیاری از مواد فلزی بهبود بخشد.

خوب, دانه های یکنواخت می توانند مقاومت در برابر شکاف را افزایش دهند و فاصله ای که ترک ناپایدار می تواند در آن منتشر شود را کاهش دهند.

کنترل گنجاندن, رسوایی, کاربیدها, و تفکیک به همان اندازه مهم است. فازهای شکننده بیش از حد یا ضعیف توزیع شده می تواند سایت های ترجیحی شروع ترک ایجاد کند.

ترکیب آلیاژ را اصلاح کنید

طراحی آلیاژ را می توان برای بهبود چقرمگی و در عین حال حفظ خواص مکانیکی مورد نیاز استفاده کرد.

بسته به سیستم مواد, آلیاژ مناسب ممکن است فازهای مطلوب را تثبیت کند, غلات را تصفیه کنید, سختی پذیری را بهبود بخشد, یا حساسیت به تردی محیطی را کاهش دهد.

برای فولادها, کنترل ناخالصی های مضر و به حداقل رساندن شرایطی که باعث شکنندگی هیدروژن می شود, شکنندگی مزاج, یا تضعیف مرز دانه می تواند بسیار مهم باشد.

کاهش تمرکز استرس

هندسه مولفه تأثیر مستقیمی بر خطر شکستگی شکننده دارد. گوشه های تیز, تغییرات ناگهانی بخش, بریدگی های عمیق, و سوراخ‌هایی که طراحی ضعیفی دارند می‌توانند غلظت‌های شدید تنش موضعی ایجاد کنند.

اقدامات مهندسی مانند شعاع فیله بزرگتر, انتقال های نرم تر, هندسه سوراخ بهینه شده, و بهبود کیفیت سطح می تواند تنش های محلی اوج را کاهش دهد و احتمال شروع ترک را کاهش دهد.

کنترل عیوب تولید

تخلخل, اجزاء, ترک ها, همجوشی ناقص, آسیب ماشینکاری, و سایر عیوب تولید می توانند به منشاء شکستگی بحرانی تبدیل شوند.

بهبود ریخته گری, جعل, جوشکاری, عملیات حرارتی, بنابراین فرآیندهای ماشینکاری می توانند مقاومت موثر در برابر شکست را افزایش دهند.

برای اجزای حیاتی ایمنی, آزمایش غیر مخرب (NDT)- مانند اولتراسونیک, رادیوگرافی, ذره مغناطیسی, یا بازرسی رنگ نافذ - می تواند به شناسایی عیوب قبل از خراب شدن سرویس کمک کند.

مدیریت دما و محیط

اگر شکنندگی با دمای پایین همراه باشد, افزایش دمای عملیاتی یا انتخاب ماده ای با چقرمگی بهتر در دمای پایین ممکن است از انتقال شکل پذیر به شکننده جلوگیری کند..

کنترل های زیست محیطی نیز مهم هستند. انتخاب مواد مناسب, پوشش ها, درمان های سطحی, حفاظت کاتدی در صورت لزوم, و اقدامات کنترل هیدروژن می تواند ترک خوردگی به کمک محیط زیست را کاهش دهد.

9. چرا شکنندگی در مهندسی اهمیت دارد؟

شکنندگی یک ملاحظات مهندسی مهم است زیرا مستقیماً تأثیر می گذارد حالت شکست, قابلیت اطمینان ساختاری, حاشیه ایمنی, و انتخاب مواد.

یک جزء شکننده ممکن است بارهای قابل توجهی را تحمل کند در حالی که آسیبی ندیده به نظر می رسد و پس از رسیدن به یک ترک بحرانی یا شرایط تنش به سرعت از بین می رود..

این رفتار به ویژه در سازه هایی که شکستگی ناگهانی می تواند منجر به آسیب آبشاری یا از دست دادن مهار شود نگران کننده است..

انتخاب مواد

انتخاب مواد باید به جای اتکا به استحکام کششی یا سختی، محیط کامل خدمات را در نظر بگیرد.

به عنوان مثال, یک فولاد با استحکام بالا ممکن است ظرفیت باربری عالی را فراهم کند اما اگر چقرمگی شکست آن ناکافی شود ممکن است برای کاربرد در دمای پایین نامناسب باشد..

طراحی سازه و اجزاء

هندسه به شدت بر خطر شکستگی شکننده تأثیر می گذارد. بریدگی های تیز, تغییرات ناگهانی بخش, سوراخ ها, رشته ها, و علائم ماشینکاری می توانند استرس را متمرکز کرده و شروع ترک را تسریع کنند.

بنابراین طراحی مناسب شامل انتقال صاف است, شعاع های مناسب, کیفیت سطح کنترل شده, و مقاومت کافی در برابر شکست.

تولید و کنترل کیفیت

عیوب ساخت می تواند به منشأ شکست حیاتی در مواد شکننده یا حساس به شکست تبدیل شود..

تخلخل, اجزاء, ناپیوستگی های جوشکاری, نقص عملیات حرارتی, و ترک های سطحی باید از طریق پارامترهای فرآیند مناسب و روش های بازرسی کنترل شوند.

برای اجزای حیاتی, آزمایش غیر مخرب (NDT) و معیارهای پذیرش مبتنی بر مکانیک شکست می توانند یک لایه حفاظتی اضافی در برابر خرابی غیرمنتظره ایجاد کنند..

پیش بینی ایمنی و شکست

مواد انعطاف پذیر اغلب تغییر شکل قابل مشاهده را قبل از شکست ایجاد می کنند, در حالی که مواد شکننده ممکن است هشدار کمی ارائه دهند.

در نتیجه, طرح هایی که شامل مواد شکننده هستند معمولاً به توجه بیشتری نیاز دارند اندازه نقص, رشد ترک, دمای عملیاتی, شرایط بارگذاری, و فواصل بازرسی.

در کاربردهایی مانند مخازن تحت فشار, پل ها, خطوط لوله, سازه های هوافضا, ابزار برش, و اجزای سرامیکی, درک شکنندگی برای ایجاد فاکتورهای ایمنی مناسب و جلوگیری از شکستگی فاجعه بار ضروری است.

10. تفاوت بین "شکننده" و "شکننده" چیست؟?

شرایط "شکننده" و "شکننده" اغلب به جای هم در زبان روزمره استفاده می شوند, اما در مهندسی معانی مختلفی دارند.

شکننده یک اصطلاح علمی مواد فنی است که تمایل یک ماده به شکستگی با تغییر شکل پلاستیک محدود را توصیف می کند..

شکننده, در مقابل, یک اصطلاح توصیفی گسترده تر است که معمولاً به معنای آسیب دیدن چیزی است, شکسته, یا نابود شده است.

یک جسم شکننده ممکن است به دلیل هندسه اش آسیب پذیر باشد, لاغری, وضعیت سطح, یا ساخت و ساز - نه لزوماً به این دلیل که خود ماده شکل پذیری ذاتاً پایینی دارد.

11. نتیجه گیری

شکنندگی تمایل یک ماده به شکستگی با تغییر شکل پلاستیکی کم یا بدون قابل توجه است.

اساساً با قدرت تفاوت دارد, سختی, و سختی, اگرچه این ویژگی ها می توانند به شدت در تعیین رفتار شکست در دنیای واقعی تعامل داشته باشند.

از منظر مهندسی, مسئله کلیدی صرفاً این نیست که آیا یک ماده برچسب "شکننده" است یا خیر,اما چگونه تحت شرایط خدمات واقعی خود رفتار خواهد کرد.

انتخاب مواد مناسب, کنترل ریزساختاری, عملیات حرارتی, طراحی هندسی, پیشگیری از نقص, و بازرسی می تواند به طور قابل ملاحظه ای خطر شکستگی غیر منتظره را کاهش دهد.

 

سوالات متداول

شکنندگی به زبان ساده چیست?

شکنندگی تمایل یک ماده به شکستن به جای تغییر شکل پلاستیکی در اثر تنش کافی است.

مواد شکننده معمولاً به طور ناگهانی شکسته می شوند و انرژی نسبتا کمی را قبل از شکست جذب می کنند.

آیا شکنندگی همان استحکام کم است?

خیر. استحکام و شکنندگی خواص متفاوتی هستند. یک ماده می تواند استحکام یا سختی بسیار بالایی داشته باشد اما همچنان با تغییر شکل پلاستیکی کمی شکسته شود.

آیا یک فلز می تواند شکننده شود؟?

بله. فلزات به دلیل دمای پایین می توانند شکننده تر شوند, سخت شدن بیش از حد, عملیات حرارتی نامطلوب, قرار گرفتن در معرض هیدروژن, تفکیک ناخالصی, آسیب تشعشع, یا غلظت استرس شدید.

شکنندگی چگونه اندازه گیری می شود?

هیچ "ارزش شکنندگی" جهانی واحدی وجود ندارد.

مهندسان معمولاً آن را با استفاده از ویژگی هایی مانند فشار شکستگی ارزیابی می کنند, کشیدگی, چقرمگی ضربه, چقرمگی شکست, و دمای انتقال شکل پذیر به شکننده, بسته به مواد و کاربرد.

آیا می توان مواد شکننده را سخت تر کرد?

در بسیاری از موارد, بله. چقرمگی را می توان از طریق پالایش ریزساختار بهبود بخشید, عملیات حرارتی بهینه, اصلاح آلیاژ, پردازش کنترل شده, تقویت, و کاهش غلظت تنش و نقص.

چرا فولاد در دماهای پایین شکننده می شود؟?

فولاد در دماهای پایین به دلیل انتقال شکل پذیر به شکننده، شکننده می شود.

زیر دمای انتقال, این ماده نمی تواند استرس را از طریق تغییر شکل پلاستیک و شکستگی به صورت شکننده تحمل کند.

دمای انتقال شکل پذیر به شکننده چقدر است (dbtt)?

DBTT دمایی است که در زیر آن یک ماده به صورت شکننده و بالاتر از آن به صورت انعطاف پذیر رفتار می کند.. این یک پارامتر حیاتی برای کاربردهای با دمای پایین است.