مقاومة الكسر

في علم المواد ، تُعرف مقاومة الكسر بأنها عامل شدة الإجهاد الحرج للشق الحاد، حيث يصبح انتشار الشق سريعًا وغير محدود. وهي خاصية للمادة تُحدد قدرتها على مقاومة انتشار الشق والانهيار تحت تأثير الإجهاد المُطبق. يؤثر سُمك المكون على ظروف التقييد عند طرف الشق؛ فالمكونات الرقيقة تخضع لظروف إجهاد مستوي ، مما يؤدي إلى سلوك مطيلي، بينما تخضع المكونات السميكة لظروف انفعال مستوي ، حيث يزداد التقييد، مما يؤدي إلى انهيار هش. تُعطي ظروف الانفعال المستوي أدنى قيمة لمقاومة الكسر، وهي خاصية للمادة . تُعرف القيمة الحرجة لعامل شدة الإجهاد في نمط التحميل الأول، والمقاسة في ظل ظروف الانفعال المستوي ، بمقاومة الكسر في حالة الانفعال المستوي ، ويُرمز لها بـ $K_{\text{Ic}}$ [ ¹^] عندما يفشل الاختبار في تلبية متطلبات السماكة وغيرها من متطلبات الاختبار الموضوعة لضمان ظروف الإجهاد المستوي، تُعطى قيمة مقاومة الكسر الناتجة التسمية التالية ^: $K_{\text{c}}$ .

يمكن أن يحدث انتشار الشقوق البطيء والمستدام ذاتيًا، والمعروف باسم تشقق التآكل الإجهادي ، في بيئة أكالة فوق العتبة $K_{\text{Iscc}}$ (عامل شدة الإجهاد، عتبة تشقق التآكل الإجهادي) وما دونها $K_{\text{Ic}}$ يمكن أن تحدث زيادات صغيرة في امتداد الشقوق أثناء نمو شقوق الإجهاد ، والتي يمكن أن تنمو تدريجياً بعد دورات التحميل المتكررة حتى يحدث الفشل النهائي عن طريق تجاوز صلابة الكسر.

تنوع المواد

نوع المادة	مادة	K _Ic (MPa·m ^1/2 )
معدن	الألومنيوم	14-28
	سبيكة الألومنيوم (7075)	20–35 ^{[ 2 ]}
	إنكونيل 718	73–87 ^{[ 3 ]}
	فولاذ ماراجينج (درجة 200)	175
	سبيكة فولاذية (4340)	50
	سبيكة التيتانيوم	84–107 ^{[ 4 ]}
السيراميك	أكسيد الألومنيوم	3-5
	كربيد السيليكون	3-5
	زجاج الصودا والجير	0.7–0.8
	أسمنت	0.2–1.4
بوليمر	بولي ميثيل ميثاكريلات	0.7–1.60
بوليمر	البوليسترين	0.7–1.1
مركب	مركب ألياف الموليت	1.8–3.3 ^{[ 5 ]}
مركب	هلام السيليكا	0.0008–0.0048 ^{[ 6 ]}

تتفاوت مقاومة الكسر بين المواد بمقدار أربعة أضعاف تقريبًا. تتميز المعادن بأعلى قيم مقاومة الكسر، بينما تتميز السيراميك بأدنى قيمها. يصعب انتشار الشقوق في المواد الصلبة، مما يجعل المعادن شديدة المقاومة للتشقق تحت الضغط، ويمنح منحنى الإجهاد-الانفعال الخاص بها منطقة واسعة من التدفق اللدن. على الرغم من انخفاض مقاومة الكسر في السيراميك، إلا أنه يُظهر تحسنًا استثنائيًا في مقاومة الكسر الإجهادي، ويعزى ذلك إلى زيادة قوته بمقدار 1.5 ضعف مقارنةً بالمعادن. تتجاوز مقاومة الكسر للمواد المركبة، المصنوعة من مزيج السيراميك الهندسي والبوليمرات الهندسية، مقاومة الكسر الفردية للمواد المكونة لها بشكل كبير.

الآليات

الآليات الجوهرية

آليات التقوية الذاتية هي عمليات تحدث أمام طرف الشق لزيادة متانة المادة. تعمل هذه الآليات على المستوى الذري أو المجهري، وهي أساسية للمادة نفسها، ولا تتأثر بعوامل خارجية. وترتبط هذه الآليات عادةً ببنية المادة الأساسية وروابطها، بالإضافة إلى خصائصها المجهرية والإضافات إليها. ومن أمثلة هذه الآليات:

انحراف الشقوق بفعل المراحل الثانوية،
انفصال الشقوق بسبب بنية الحبيبات الدقيقة
تغيرات في مسار الشقوق بسبب حدود الحبيبات

يمكن اعتبار أي تغيير في المادة الأساسية يزيد من ليونتها بمثابة تقوية جوهرية. ^{[ 7 ]}

حدود الحبوب

يؤثر وجود الحبيبات في المادة على متانتها من خلال التأثير على طريقة انتشار الشقوق. أمام الشق، قد تتشكل منطقة لدنة حيث تخضع المادة للتشوه اللدن. وخلف هذه المنطقة، تظل المادة مرنة. وتكون ظروف الكسر أكثر ملاءمة عند الحد الفاصل بين هاتين المنطقتين، ولذلك غالباً ما تبدأ الشقوق بانفلاق حبيبة عند هذا الموضع.

عند درجات الحرارة المنخفضة، حيث تصبح المادة هشة تمامًا، كما هو الحال في المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC)، تتقلص المنطقة اللدنة، ولا تبقى سوى المنطقة المرنة. في هذه الحالة، ينتشر الشق عن طريق انقسام الحبيبات المتتالي. عند هذه الدرجات المنخفضة، تكون مقاومة الخضوع عالية، لكن إجهاد الكسر ونصف قطر انحناء طرف الشق يكونان منخفضين، مما يؤدي إلى انخفاض المتانة. ^{[ 8 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انعدام التشوه اللدن عند درجات الحرارة المنخفضة إلى امتصاص ضئيل للطاقة قبل الكسر، مما يجعل المادة عرضةً للانهيار المفاجئ والكارثي. يُعد هذا السلوك الهش بالغ الأهمية في التطبيقات الإنشائية، حيث يمكن أن يؤدي التحميل الصدمي أو تركيز الإجهاد إلى بدء الكسر بسرعة. تُعرّف درجة حرارة التحول من الليونة إلى الهشاشة (DBTT) بأنها درجة الحرارة التي تُظهر عندها المادة هذه الطبيعة الهشة، وفي المعادن ذات البنية المكعبة المتمركزة في الجسم (BCC)، تختلف هذه الدرجة بناءً على عوامل مثل محتوى الشوائب وحجم الحبيبات وعناصر السبائك. غالبًا ما تُستخدم حلول هندسية، مثل تحسين بنية الحبيبات أو المعالجات الحرارية المُتحكم بها، لخفض درجة حرارة التحول من الليونة إلى الهشاشة وتحسين المتانة عند درجات الحرارة المنخفضة. علاوة على ذلك، يمكن لعوامل خارجية مثل معدل الإجهاد وحالات الإجهاد ثلاثي المحاور أن تُفاقم الهشاشة، مما يجعل اختيار المواد بعناية أمرًا بالغ الأهمية للتطبيقات التي تعمل في بيئات باردة.

عند درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض مقاومة الخضوع، مما يؤدي إلى تكوّن المنطقة اللدنة. من المرجح أن يبدأ الانفلاق عند حدود المنطقة المرنة اللدنة، ثم يمتد عائدًا إلى طرف الشق الرئيسي. عادةً ما يكون هذا مزيجًا من انفلاق الحبيبات والكسر المطيل للحبيبات المعروف بالروابط الليفية. تزداد نسبة الروابط الليفية مع ارتفاع درجة الحرارة حتى تصبح الروابط ليفية بالكامل. في هذه الحالة، على الرغم من انخفاض مقاومة الخضوع، فإن وجود الكسر المطيل وزيادة نصف قطر انحناء طرف الشق يؤديان إلى زيادة المتانة. ^{[ 8 ]}

بالإضافة إلى ذلك، تُعزز اللدونة المتزايدة عند درجات الحرارة المرتفعة تبديد الطاقة أثناء انتشار الشقوق، مما يُحسّن متانة المادة. كما يتأثر الانتقال من الكسر الهش إلى الكسر المطيل بمعدل الإجهاد وعوامل البنية المجهرية، مثل حجم الحبيبات والتركيب الطوري. تميل المواد ذات الحبيبات الدقيقة إلى إظهار مقاومة أعلى لبدء الشقوق نتيجةً لزيادة التفاعلات بين حدود الحبيبات . علاوة على ذلك، يمكن أن تُؤثر عمليات الأكسدة عند درجات الحرارة العالية في تغيير سلوك الشقوق، إما بتعزيز المتانة أو تقليلها، وذلك تبعًا لنوع المادة والظروف البيئية.

المحتويات

يمكن أن تتصرف الشوائب الموجودة في المادة، مثل جزيئات الطور الثاني، بشكل مشابه للحبيبات الهشة التي تؤثر على انتشار الشقوق. قد يحدث الكسر أو الانفصال عند الشوائب إما بسبب الإجهاد الخارجي أو بسبب الانخلاعات التي تتشكل أثناء محاولة الشوائب البقاء متصلة بالمادة المحيطة. وكما هو الحال مع الحبيبات، فإن الكسر غالباً ما يحدث عند حدود المنطقة المرنة اللدنة. بعد ذلك، يمكن أن يتصل الشق بالشق الرئيسي. إذا كانت المنطقة اللدنة صغيرة أو كثافة الشوائب منخفضة، فمن المرجح أن يتصل الكسر مباشرة بطرف الشق الرئيسي. أما إذا كانت المنطقة اللدنة كبيرة أو كثافة الشوائب عالية، فقد تحدث كسور إضافية للشوائب داخل المنطقة اللدنة، ويحدث الاتصال بالانتقال من الشق إلى أقرب شوائب متصدعة داخل المنطقة. ^{[ 8 ]}

تقوية التحول

تُعرف ظاهرة تقوية التحول بأنها تحول طوري واحد أو أكثر في المادة، وهو تحول طوري مارتنسيتي (إزاحي، غير انتشاري)، ينتج عنه تغير فوري تقريبًا في حجم المادة. ويحدث هذا التحول نتيجة لتغير في حالة الإجهاد في المادة، مثل زيادة إجهاد الشد، ويعمل في اتجاه معاكس للإجهاد المُطبق. وبالتالي، عندما تتعرض المادة لشد موضعي، على سبيل المثال عند طرف شق متنامٍ، يمكن أن تخضع لتحول طوري يزيد من حجمها، مما يقلل من إجهاد الشد الموضعي ويعيق تقدم الشق عبر المادة. تُستغل هذه الآلية لزيادة متانة المواد الخزفية، ولا سيما في الزركونيا المُثبتة بالإيتريا، وذلك لتطبيقات مثل السكاكين الخزفية والطلاءات العازلة للحرارة على شفرات توربينات المحركات النفاثة. ^{[ 9 ]}

يمكن أن تحدث عملية تقوية مماثلة، وإن لم يكن تغييرًا في الحجم، في المواد التي يمكن أن تغير فيها الخلية البلورية اتجاهها نتيجةً لحمل خارجي. في هذه الحالة، سيؤدي مجال الإجهاد عند طرف الشق إلى إعادة اصطفاف الخلايا البلورية في اتجاه إجهاد الشد، مما يقلل من إجهاد الشد. ولأن هذه العملية لا تتضمن تحولًا طوريًا بلوريًا ، يظل حجم الخلية البلورية ثابتًا. ومن الأمثلة الجيدة على هذا السلوك خزف زركونات تيتانات الرصاص اللين الكهروإجهادي. وعلى عكس التحول الطوري التقليدي، فإن هذه العملية قابلة للانعكاس عمومًا. كما أن الاتجاه الأصلي للخلية البلورية بالغ الأهمية، إذ لا يمكن أن يحدث تأثير التقوية إذا كانت الخلية البلورية مصطفة بالفعل في اتجاه إجهاد الشد. ^{[ 10 ]}

الآليات الخارجية

آليات التقوية الخارجية هي عمليات تعمل خلف طرف الشق لمقاومة اتساعه. ومن الأمثلة على ذلك:

الربط الليفي/الصفائحي، حيث تربط هذه الهياكل سطحي الكسر معًا بعد انتشار الشق عبر المادة الأساسية،
تمدد الشقوق نتيجة الاحتكاك بين سطحين خشنين للكسر، و
التصدع الدقيق، حيث تتشكل شقوق أصغر في المادة حول الشق الرئيسي، مما يخفف الإجهاد عند طرف الشق عن طريق زيادة مرونة المادة بشكل فعال . ^{[ 11 ]}

أساليب الاختبار

تُجرى اختبارات مقاومة الكسر لتحديد مدى مقاومة المادة للكسر الناتج عن التصدع. تُنتج هذه الاختبارات إما قيمة واحدة لمقاومة الكسر أو منحنى مقاومة . منحنيات المقاومة هي رسوم بيانية تُوضح العلاقة بين معلمات مقاومة الكسر (K، J، إلخ) ومعلمات تُحدد انتشار الشق. يُستخلص منحنى المقاومة أو قيمة مقاومة الكسر بناءً على آلية الكسر واستقراره. تُعد مقاومة الكسر خاصية ميكانيكية بالغة الأهمية في التطبيقات الهندسية. هناك أنواع عديدة من الاختبارات المستخدمة لقياس مقاومة الكسر للمواد، والتي تستخدم عادةً عينة مشقوقة بأحد الأشكال المختلفة. من أكثر طرق الاختبار المعيارية شيوعًا اختبار شاربي للصدم، حيث تُعرَّض عينة ذات شق على شكل حرف V أو U للصدم من خلف الشق. كما تُستخدم على نطاق واسع اختبارات إزاحة الشقوق، مثل اختبارات انحناء العارضة ثلاثية النقاط، حيث تُجهز شقوق رفيعة مسبقًا في عينات الاختبار قبل تطبيق الحمل.

متطلبات الاختبار

اختيار العينة

توصي المواصفة القياسية ASTM E1820 لقياس مقاومة الكسر ^{[ 12 ]} بثلاثة أنواع من العينات لاختبار مقاومة الكسر، وهي عينة الانحناء أحادي الحافة [SE(B)]، وعينة الشد المضغوطة [C(T)]، وعينة الشد المضغوطة القرصية الشكل [DC(T)]. تتميز كل عينة بثلاثة أبعاد، هي طول الشق (a)، والسمك (B)، والعرض (W). تُحدد قيم هذه الأبعاد وفقًا لمتطلبات الاختبار المحدد الذي يُجرى على العينة. تُجرى غالبية الاختبارات إما على عينة مضغوطة أو عينة انحناء ثلاثية النقاط . وللحصول على نفس الأبعاد المميزة، تتطلب العينة المضغوطة كمية أقل من المادة مقارنةً بعينة الانحناء ثلاثية النقاط.

توجيه المادة

يُعدّ اتجاه الكسر مهمًا نظرًا للطبيعة غير المتجانسة المتأصلة في معظم المواد الهندسية. ونتيجةً لذلك، قد توجد مستويات ضعف داخل المادة، وقد يكون نمو الشقوق على طول هذه المستويات أسهل مقارنةً بالاتجاهات الأخرى. ولأهمية هذه المسألة ، وضعت الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) طريقةً موحدةً للإبلاغ عن اتجاه الشق بالنسبة لمحور التشكيل. ^{[ 13 ]} تُستخدم الأحرف L وT وS للدلالة على الاتجاهات الطولية والعرضية والعرضية القصيرة ، حيث يتطابق الاتجاه الطولي مع محور التشكيل. ويُحدد الاتجاه بحرفين، الأول يُمثل اتجاه إجهاد الشد الرئيسي، والثاني يُمثل اتجاه انتشار الشق. وبشكل عام، يُحصل على الحد الأدنى لمتانة المادة في الاتجاه الذي ينمو فيه الشق في اتجاه محور التشكيل.

التكسير المسبق

للحصول على نتائج دقيقة، يلزم وجود شق حاد قبل الاختبار. لا تفي الشقوق والفتحات المصنعة آليًا بهذا المعيار. الطريقة الأكثر فعالية لإحداث شق حاد بما فيه الكفاية هي تطبيق تحميل دوري لتكوين شق إجهاد من الفتحة. تبدأ شقوق الإجهاد من طرف الفتحة وتُترك لتنتشر حتى يصل طول الشق إلى القيمة المطلوبة.

يتم التحكم في التحميل الدوري بعناية فائقة لتجنب التأثير على متانة المادة من خلال التصلب الإجهادي. ويتم ذلك باختيار أحمال دورية تُنتج منطقة لدنة أصغر بكثير مقارنةً بمنطقة اللدونة للكسر الرئيسي. على سبيل المثال، وفقًا للمعيار ASTM E399، يجب ألا تتجاوز شدة الإجهاد القصوى K _{max قيمة 0.6} $K_{\text{Ic}}$ خلال المرحلة الأولية وأقل من 0.8 $K_{\text{Ic}}$ عندما يقترب الشق من حجمه النهائي. ^{[ 14 ]}

في بعض الحالات، تُصنع أخاديد في جوانب عينة اختبار مقاومة الكسر بحيث يتم تقليل سمك العينة إلى 80% على الأقل من سمكها الأصلي على طول المسار المقصود لامتداد الشقوق. ^{[ 15 ]} والسبب هو الحفاظ على جبهة شق مستقيمة أثناء اختبار منحنى المقاومة.

يتم وصف الاختبارات المعيارية الأربعة الرئيسية أدناه مع اختبارات K _Ic و K _R الصالحة لميكانيكا الكسر المرنة الخطية (LEFM) بينما اختبارات J و J _R الصالحة لميكانيكا الكسر المرنة اللدنة (EPFM).

اختبار مقاومة الكسر في حالة الإجهاد المستوي

عند إجراء اختبار مقاومة الكسر، فإن أكثر تكوينات عينات الاختبار شيوعًا هي عينات الانحناء ذات الشق الأحادي ( SENB أو الانحناء ثلاثي النقاط)، وعينات الشد المضغوط (CT). وقد أظهرت الاختبارات أن ظروف الإجهاد المستوي تسود عمومًا عندما: ^{[ 14 ]}

$B,a\geq 2.5\left({\frac {K_{IC}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}$ أين $B$ هو الحد الأدنى للسمك اللازم، $K_{\text{Ic}}$ صلابة المادة ضد الكسر و $\sigma _{\text{YS}}$ هي قوة خضوع المادة.

يُجرى الاختبار عن طريق التحميل التدريجي بمعدل يزيد من قيمة K _I من 0.55 إلى 2.75 (ميجا باسكال) ${\sqrt {m}}$ أثناء الاختبار، يتم تسجيل الحمل وإزاحة فتحة الشق (CMOD)، ويستمر الاختبار حتى الوصول إلى أقصى حمل. يتم حساب الحمل الحرج PQ _من خلال رسم بياني للحمل مقابل CMOD. يتم إعطاء قيمة مؤقتة للمتانة _{KQ على النحو التالي:}

$K_{Q}={\frac {P_{Q}}{{\sqrt {W}}B}}f(a/W,...)$ .

عامل الهندسة $f(a/W,...)$ هي دالة لا بُعدية لـ a/W، وتُعطى بصيغة متعددة الحدود في معيار E 399. يمكن إيجاد عامل الهندسة لاختبارات الهندسة المضغوطة هنا . ^{[ 16 ]} تُعتبر قيمة المتانة المؤقتة هذه صالحة عند استيفاء المتطلبات التالية:

$min(B,a)>2.5\left({\frac {K_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}\right)^{2}$ و $P_{max}\leq 1.1P_{Q}$

عند اختبار مادة ذات مقاومة كسر غير معروفة، يتم اختبار عينة بكامل سماكة مقطع المادة، أو يتم تحديد أبعاد العينة بناءً على توقع لمقاومة الكسر. إذا لم تستوفِ قيمة مقاومة الكسر الناتجة عن الاختبار متطلبات المعادلة المذكورة أعلاه، فيجب إعادة الاختبار باستخدام عينة أكثر سمكًا. بالإضافة إلى حساب السماكة، تتضمن مواصفات الاختبار عدة متطلبات أخرى يجب استيفاؤها (مثل حجم حواف القص) قبل اعتبار الاختبار قد أسفر عن قيمة K _IC .

عندما لا يفي الاختبار بمتطلبات السُمك وغيرها من متطلبات الإجهاد المستوي، يُطلق على قيمة مقاومة الكسر الناتجة الرمز K _c . في بعض الأحيان، يتعذر إنتاج عينة تستوفي متطلبات السُمك. على سبيل المثال، عند اختبار صفيحة رقيقة نسبيًا ذات مقاومة عالية، قد يتعذر إنتاج عينة أكثر سُمكًا بظروف إجهاد مستوي عند طرف الشق.

تحديد منحنى R، KR

تُظهر العينة التي تُظهر نموًا مستقرًا للشق اتجاهًا تصاعديًا في مقاومة الكسر مع ازدياد طول الشق (امتداد الشق المرن). يُطلق على هذا الرسم البياني لمقاومة الكسر مقابل طول الشق اسم منحنى المقاومة (R). يحدد معيار ASTM E561 إجراءً لتحديد منحنيات مقاومة الكسر مقابل نمو الشق في المواد. ^{[ 17 ]} لا يفرض هذا المعيار قيودًا على الحد الأدنى لسمك المادة، وبالتالي يمكن استخدامه للصفائح الرقيقة، ومع ذلك، يجب استيفاء متطلبات ميكانيكا الكسر الخطية المرنة (LEFM) ليكون الاختبار صالحًا. تنص معايير LEFM بشكل أساسي على أن البعد في المستوى يجب أن يكون كبيرًا مقارنةً بالمنطقة اللدنة. هناك مفهوم خاطئ حول تأثير السمك على شكل منحنى R. يُلمح إلى أنه بالنسبة لنفس المادة، يفشل المقطع الأكثر سمكًا بكسر الإجهاد المستوي ويُظهر مقاومة كسر أحادية القيمة، بينما يفشل المقطع الأقل سمكًا بكسر الإجهاد المستوي ويُظهر منحنى R تصاعديًا. ومع ذلك، فإن العامل الرئيسي الذي يتحكم في ميل منحنى R هو شكل الكسر وليس السمك. في بعض المواد، يؤدي تغير سُمك المقطع إلى تغيير شكل الكسر من التمزق المطيل إلى الانفلاق عند الانتقال من المقطع الرقيق إلى المقطع السميك، وفي هذه الحالة، يحدد السُمك وحده ميل منحنى R. وهناك حالات يحدث فيها كسر حتى في حالة الإجهاد المستوي مع ارتفاع منحنى R، وذلك بسبب "اندماج الفراغات المجهرية" كنمط للفشل.

إنّ أدقّ طريقة لتقييم منحنى KR هي مراعاة وجود اللدونة، وذلك بحسب الحجم النسبي للمنطقة اللدنة. في حالة إهمال اللدونة، يُستخلص منحنى الحمل مقابل الإزاحة من الاختبار، ويُحسب الامتثال عند كل نقطة. الامتثال هو مقلوب ميل المنحنى الذي سيتبعه النموذج عند إزالة الحمل من العينة عند نقطة معينة، والذي يُمكن التعبير عنه كنسبة الإزاحة إلى الحمل في ميكانيكا الكسر الخطية المرنة (LEFM). يُستخدم الامتثال لتحديد طول الشق اللحظي من خلال العلاقة الواردة في معيار ASTM.

يجب تصحيح شدة الإجهاد بحساب طول الشق الفعال. يقترح معيار ASTM نهجين بديلين. يُطلق على الطريقة الأولى اسم تصحيح منطقة اللدونة لإروين. يصف نهج إروين طول الشق الفعال $a_{\text{eff}}$ أن يكون ^{[ 18 ]}

$a_{\text{eff}}=a+{\frac {1}{2\pi }}\left({\frac {K}{\sigma _{YS}}}\right)^{2}$

يؤدي نهج إيروين إلى حل تكراري لأن K نفسه دالة لطول الشق.

تستخدم الطريقة الأخرى، وهي طريقة القاطع، معادلة طول الشق المرتبطة بالامتثال، والمُعطاة في معيار ASTM، لحساب طول الشق الفعال من الامتثال الفعال. الامتثال عند أي نقطة على منحنى الحمل مقابل الإزاحة هو في الأساس مقلوب ميل المنحنى الناتج عند إزالة الحمل عن العينة عند تلك النقطة. يعود منحنى إزالة الحمل إلى نقطة الأصل في حالة المواد المرنة الخطية، ولكنه لا يعود إليها في حالة المواد المرنة اللدنة لوجود تشوه دائم. يُؤخذ الامتثال الفعال عند نقطة ما في حالة المواد المرنة اللدنة على أنه ميل الخط الواصل بين تلك النقطة ونقطة الأصل (أي الامتثال لو كانت المادة مرنة). يُستخدم هذا الامتثال الفعال لحساب نمو الشق الفعال، وتُستكمل بقية الحسابات وفقًا للمعادلة.

$K_{I}={\frac {P}{{\sqrt {W}}B}}f(a_{\text{eff}}/W,...)$

يعتمد اختيار تصحيح اللدونة على حجم المنطقة اللدنة. يشير معيار ASTM الذي يغطي منحنى المقاومة إلى أن استخدام طريقة إيروين مقبول للمناطق اللدنة الصغيرة، ويوصي باستخدام طريقة القاطع عندما تكون لدونة طرف الشق أكثر وضوحًا. ونظرًا لأن معيار ASTM E 561 لا يتضمن متطلبات بشأن حجم العينة أو أقصى امتداد مسموح به للشق، فإن استقلال منحنى المقاومة عن الحجم غير مضمون. وقد أظهرت دراسات قليلة أن اعتماد منحنى المقاومة على الحجم أقل وضوحًا في البيانات التجريبية لطريقة القاطع.

تحديد J _IC

يُحسب معدل إطلاق طاقة الإجهاد لكل وحدة مساحة سطح الكسر باستخدام طريقة التكامل J، وهي تكامل مسار محيطي حول طرف الشق، حيث يبدأ المسار وينتهي على أي من سطحي الشق. تشير قيمة متانة J إلى مقاومة المادة من حيث كمية طاقة الإجهاد اللازمة لنمو الشق. تُقاس قيمة متانة J _IC للمواد المرنة اللدنة. تُحدد قيمة J _IC كقيمة متانة بالقرب من بداية امتداد الشق المطيل (لا يُؤخذ تأثير تصلب الإجهاد في الاعتبار). يُجرى الاختبار على عينات متعددة، حيث تُحمّل كل عينة بمستويات مختلفة ثم تُفرغ. يُعطي هذا امتثال فتحة الشق، والذي يُستخدم لحساب طول الشق باستخدام العلاقات الواردة في معيار ASTM E 1820، الذي يُغطي اختبار التكامل J. ^{[ 19 ]} هناك طريقة أخرى لقياس نمو الشق، وهي وضع علامات على العينة باستخدام التلوين الحراري أو تشقق الإجهاد. تُكسر العينة في النهاية، ويُقاس امتداد الشق باستخدام العلامات.

ينتج عن الاختبار الذي تم إجراؤه عدة منحنيات للعلاقة بين الحمل وإزاحة فتحة الشق (CMOD)، والتي تُستخدم لحساب J على النحو التالي:

$J=J_{el}+J_{pl}$

يتم حساب معامل المرونة الخطي J باستخدام ${\textstyle J_{el}={\frac {K^{2}\left(1-\nu ^{2}\right)}{E}}}$ ويتم تحديد قيمة K من ${\textstyle K_{I}={\frac {P}{\sqrt {WBB_{N}}}}f(a/W,...)}$ أين $B_{N}$ يمثل سمك العينة ذات الأخاديد الجانبية، ويساوي B للعينة التي لا تحتوي على أخاديد جانبية.

يتم حساب معامل المرونة اللدنة J باستخدام

$J_{\mathrm {pl} }={\frac {\eta A_{\mathrm {pl} }}{B_{N}b_{o}}}$

أين

$\eta$ = 2 لعينة SENB
$b_{o}$ يُعطى طول الرباط الأولي بالفرق بين العرض وطول الشق الأولي
$A_{\mathrm {pl} }$ هي المنطقة البلاستيكية الواقعة أسفل منحنى الحمل والإزاحة.

تُستخدم تقنية متخصصة لتقليل البيانات للحصول على بيانات أولية $J_{Q}$ يتم قبول القيمة إذا تم استيفاء المعيار التالي:

$\min(B,b_{o})\geq {\frac {25J_{Q}}{\sigma _{\text{YS}}}}$

عمل الكسر

يُعدّ شغل الكسر مصطلحًا نظريًا يُشير إلى كمية الطاقة اللازمة لتمزيق عينة بالكامل، مقسومةً على مساحة مقطعها العرضي. ويرتبط هذا المصطلح بـ J _IC . في المواد الهشة كالزجاج، تكون الطاقة اللازمة منخفضة، وتخضع لقوانين ميكانيكا الكسر المرنة الخطية (LEFM). أما في المواد المطيلية كالفولاذ، فتكون الطاقة اللازمة أعلى، حيث تتضمن هذه المواد تشوهًا لدنًا .

تحديد مقاومة التمزق (اختبار كان للتمزق)

يوفر اختبار التمزق (مثل اختبار كان للتمزق) مقياسًا شبه كمي للمتانة من حيث مقاومة التمزق. يتطلب هذا النوع من الاختبارات عينة أصغر، وبالتالي يمكن استخدامه مع نطاق أوسع من أشكال المنتجات. كما يمكن استخدام اختبار التمزق مع سبائك الألومنيوم شديدة الليونة (مثل 1100 و3003)، حيث لا تنطبق ميكانيكا الكسر المرنة الخطية.

طرق الاختبار القياسية

تقوم العديد من المنظمات بنشر معايير تتعلق بقياسات صلابة الكسر، وهي ASTM و BSI وISO وJSME.

طريقة اختبار ASTM C1161 لقوة الانحناء للسيراميك المتقدم عند درجة حرارة الغرفة
طرق الاختبار القياسية ASTM C1421 لتحديد مقاومة الكسر للسيراميك المتقدم عند درجة حرارة الغرفة
طريقة اختبار ASTM E399 لقياس مقاومة الكسر في حالة الإجهاد المستوي للمواد المعدنية
ممارسة ASTM E740 لاختبار الكسر باستخدام عينات شد الشقوق السطحية
طريقة الاختبار القياسية ASTM E1820 لقياس مقاومة الكسر
مصطلحات ASTM E1823 المتعلقة باختبارات الإجهاد والكسر
ISO 12135 المواد المعدنية - طريقة موحدة لاختبار تحديد صلابة الكسر شبه الساكنة
ISO 28079:2009، طريقة بالمكفيست ، المستخدمة لتحديد صلابة الكسر للكربيدات الملبدة ^{[ 20 ]}

تقوية مقاومة انحراف الشقوق

تُصاب العديد من المواد الخزفية ذات البنية متعددة البلورات بشقوق كبيرة تنتشر على طول حدود الحبيبات، بدلاً من اختراق البلورات نفسها، وذلك لأن صلابة حدود الحبيبات أقل بكثير من صلابة البلورات. ويؤدي اتجاه أوجه حدود الحبيبات والإجهاد المتبقي إلى تقدم الشق بطريقة معقدة ومتعرجة يصعب تحليلها. ولا يُعد حساب طاقة السطح الإضافية المرتبطة بزيادة مساحة سطح حدود الحبيبات نتيجةً لهذا التعرج دقيقًا، إذ أن جزءًا من الطاقة اللازمة لتكوين سطح الشق يأتي من الإجهاد المتبقي. ^{[ 21 ]}

نموذج فابر-إيفانز

طُوِّر نموذج ميكانيكي للمواد، قدمته كاثرين فابر وأنتوني جي. إيفانز ، للتنبؤ بزيادة مقاومة الكسر في السيراميك نتيجة انحراف الشقوق حول جسيمات الطور الثاني المعرضة للتشقق الدقيق في المادة الأساسية. ^{[ 22 ]} يأخذ النموذج في الحسبان شكل الجسيمات، ونسبة أبعادها، والمسافة بينها، والكسر الحجمي للطور الثاني، بالإضافة إلى انخفاض شدة الإجهاد الموضعي عند طرف الشق عند انحرافه أو انحناء سطحه. تُحسب درجة تعرج الشق الفعلية باستخدام تقنيات التصوير، مما يسمح بإدخال زوايا الانحراف والانحناء مباشرةً في النموذج.

تُقارن الزيادة الناتجة في مقاومة الكسر بمقاومة الكسر الناتج عن شق مسطح في المادة الأساسية. ويُحدد مقدار هذه الزيادة في المقاومة بإجهاد عدم التوافق الناتج عن عدم توافق الانكماش الحراري، ومقاومة الكسر المجهري عند سطح التماس بين الجسيمات والمادة الأساسية. ^{[ 23 ]} وتصبح هذه الزيادة ملحوظة عند وجود توزيع ضيق لأحجام الجسيمات ذات الأحجام المناسبة. وعادةً ما يقبل الباحثون نتائج تحليل فابر، التي تشير إلى أن تأثيرات الانحراف في المواد ذات الحبيبات متساوية المحاور تقريبًا قد تزيد من مقاومة الكسر بمقدار ضعف قيمة مقاومة الكسر عند حدود الحبيبات.

انظر أيضاً

مراجع

↑ سوريش، س. (2004). إجهاد المواد . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-57046-6.
↑ كوفمان، ج. جيلبرت (2015)، قاعدة بيانات سبائك الألومنيوم ، نوفيل ، تم الاطلاع عليه في 1 أغسطس 2019
↑ لجنة دليل الجمعية الأمريكية لعلم المعادن الدولية (1996)، دليل الجمعية الأمريكية لعلم المعادن، المجلد 19 - الإجهاد والكسر ، الجمعية الأمريكية لعلم المعادن الدولية، ص 377
↑ سبائك التيتانيوم - Ti6Al4V الدرجة 5 ، مواد AZO، 2000 ، تم الاطلاع عليه في 24 سبتمبر 2014
↑ AR Boccaccini; S Atiq; DN Boccaccini; I Dlouhy; C Kaya (2005). "سلوك الكسر في مركبات مصفوفة الموليت المدعمة بألياف الموليت تحت تأثير الأحمال شبه الساكنة والصدمات الباليستية". علوم وتكنولوجيا المركبات . 65 (2): 325-333 . doi : 10.1016/j.compscitech.2004.08.002 .
^ ج. فاليبو. تي.فونيير؛ ر. روجير (1989). "صلابة الكسر في aerogels السيليكا" . جورنال دي فيزيك كولوكويس . 50 : ج4-191. دوى : 10.1051/jphyscol:1989431 .
↑ وي، روبرت (2010)، ميكانيكا الكسر: تكامل الميكانيكا وعلوم المواد والكيمياء ، مطبعة جامعة كامبريدج، ASIN 052119489X
1 2 3 كورتني، توماس هـ. (2000). السلوك الميكانيكي للمواد . ماكجرو هيل. ISBN 9781577664253. OCLC 41932585 .
↑ بادتور، نيتين (12 أبريل 2002). "طلاءات العزل الحراري لتطبيقات محركات التوربينات الغازية". مجلة ساينس . 296 (5566): 280-284 . Bibcode : 2002Sci...296..280P . doi : 10.1126/science.1068609 . PMID 11951028. S2CID 19761127 .
↑ دوس سانتوس إي لوكاتو، سيرجيو؛ وآخرون (2000). " تأثير اتجاه الاستقطاب على سلوك منحنى المقاومة في مادة PZT". مجلة الجمعية الأمريكية للخزف . 83 (2): 424-426 . doi : 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01210.x
↑ ليانغ، ييلينغ (2010)، آلية التقوية في مركبات الإيبوكسي-السيليكا-المطاط النانوية الهجينة ، جامعة ليهاي، ص 20، OCLC 591591884
↑ طريقة اختبار قياس مقاومة الكسر (تقرير فني). الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM). doi : 10.1520/e1820-20a . ASTM E1820-20a.
↑ "المصطلحات القياسية المتعلقة باختبارات كسور الإجهاد" . www.astm.org . doi : 10.1520/e1823-13 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .
1 2 "طريقة الاختبار القياسية لصلابة الكسر في حالة الإجهاد المستوي للمواد المعدنية" . www.astm.org . doi : 10.1520/e0399-90r97 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .
↑ أندروز، دبليو آر؛ شيه، سي إف (1979). "تأثيرات السُمك والأخاديد الجانبية على منحنيات مقاومة J وδ لصلب A533-B عند 93 درجة مئوية". في: جيه دي لاندز؛ جيه إيه بيجلي؛ جي إيه كلارك (محررون). الكسر المرن اللدن . الجمعية الأمريكية لاختبار المواد. الصفحات 426-450 . doi : 10.1520/stp35842s . ISBN 0-8031-0330-1.
↑ "معاملات شدة الإجهاد/معاملات نوسلت المرنة في هندسة الاختبار" . www.twi-global.com
↑ "الممارسة القياسية لتحديد منحنى المقاومة" . www.astm.org . doi : 10.1520/e0561-98 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .
↑ ليو، م.؛ وآخرون (2015). "حل شبه تحليلي مُحسَّن للإجهاد عند الشقوق ذات الأطراف المستديرة" (ملف PDF) . ميكانيكا كسر الهندسة . 149 : 134-143 . doi : 10.1016/j.engfracmech.2015.10.004 . S2CID 51902898. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 13 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 1 نوفمبر 2017 .
↑ "طريقة الاختبار القياسية لقياس مقاومة الكسر" . www.astm.org . doi : 10.1520/e1820-01 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .
↑ ISO 28079:2009، اختبار متانة بالمكفيست ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يناير 2016
↑ هاتشينسون، جون (1989). "آليات التقوية في السيراميك" . الميكانيكا النظرية والتطبيقية : 139-144 . doi : 10.1016/B978-0-444-87302-6.50017-X . ISBN 9780444873026– عبر دار النشر Elsevier.
↑ فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1 أبريل 1983). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الأول: النظرية" . مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 565-576 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..565F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90046-9 . ISSN 0001-6160 .
↑ فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1 أبريل 1983). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الثاني: التجربة" . مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 577-584 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..577F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90047-0 . ISSN 0001-6160 .

للمزيد من القراءة

أندرسون، تي إل، ميكانيكا الكسر: الأساسيات والتطبيقات (مطبعة سي آر سي، بوسطن 1995).
دافيدج، آر دبليو، السلوك الميكانيكي للسيراميك (مطبعة جامعة كامبريدج 1979).
Knott, KF, أساسيات ميكانيكا الكسر (1973).
سوريش، إس.، إجهاد المواد (مطبعة جامعة كامبريدج 1998، الطبعة الثانية).

[suresh04-1] سوريش، س. (2004). إجهاد المواد . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-0-521-57046-6.

[2] كوفمان، ج. جيلبرت (2015)، قاعدة بيانات سبائك الألومنيوم ، نوفيل ، تم الاطلاع عليه في 1 أغسطس 2019

[3] لجنة دليل الجمعية الأمريكية لعلم المعادن الدولية (1996)، دليل الجمعية الأمريكية لعلم المعادن، المجلد 19 - الإجهاد والكسر ، الجمعية الأمريكية لعلم المعادن الدولية، ص 377

[4] سبائك التيتانيوم - Ti6Al4V الدرجة 5 ، مواد AZO، 2000 ، تم الاطلاع عليه في 24 سبتمبر 2014

[boccaccini-5] AR Boccaccini; S Atiq; DN Boccaccini; I Dlouhy; C Kaya (2005). "سلوك الكسر في مركبات مصفوفة الموليت المدعمة بألياف الموليت تحت تأثير الأحمال شبه الساكنة والصدمات الباليستية". علوم وتكنولوجيا المركبات . 65 (2): 325-333 . doi : 10.1016/j.compscitech.2004.08.002 .

[phalippou-6] ج. فاليبو. تي.فونيير؛ ر. روجير (1989). "صلابة الكسر في aerogels السيليكا" . جورنال دي فيزيك كولوكويس . 50 : ج4-191. دوى : 10.1051/jphyscol:1989431 .

[7] وي، روبرت (2010)، ميكانيكا الكسر: تكامل الميكانيكا وعلوم المواد والكيمياء ، مطبعة جامعة كامبريدج، ASIN 052119489X

[:0-8] 1 2 3 كورتني، توماس هـ. (2000). السلوك الميكانيكي للمواد . ماكجرو هيل. ISBN 9781577664253. OCLC 41932585 .

[9] بادتور، نيتين (12 أبريل 2002). "طلاءات العزل الحراري لتطبيقات محركات التوربينات الغازية". مجلة ساينس . 296 (5566): 280-284 . Bibcode : 2002Sci...296..280P . doi : 10.1126/science.1068609 . PMID 11951028. S2CID 19761127 .

[10] دوس سانتوس إي لوكاتو، سيرجيو؛ وآخرون (2000). " تأثير اتجاه الاستقطاب على سلوك منحنى المقاومة في مادة PZT". مجلة الجمعية الأمريكية للخزف . 83 (2): 424-426 . doi : 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01210.x

[11] ليانغ، ييلينغ (2010)، آلية التقوية في مركبات الإيبوكسي-السيليكا-المطاط النانوية الهجينة ، جامعة ليهاي، ص 20، OCLC 591591884

[12] طريقة اختبار قياس مقاومة الكسر (تقرير فني). الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM). doi : 10.1520/e1820-20a . ASTM E1820-20a.

[13] "المصطلحات القياسية المتعلقة باختبارات كسور الإجهاد" . www.astm.org . doi : 10.1520/e1823-13 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .

[E399-90R97-14] 1 2 "طريقة الاختبار القياسية لصلابة الكسر في حالة الإجهاد المستوي للمواد المعدنية" . www.astm.org . doi : 10.1520/e0399-90r97 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .

[15] أندروز، دبليو آر؛ شيه، سي إف (1979). "تأثيرات السُمك والأخاديد الجانبية على منحنيات مقاومة J وδ لصلب A533-B عند 93 درجة مئوية". في: جيه دي لاندز؛ جيه إيه بيجلي؛ جي إيه كلارك (محررون). الكسر المرن اللدن . الجمعية الأمريكية لاختبار المواد. الصفحات 426-450 . doi : 10.1520/stp35842s . ISBN 0-8031-0330-1.

[16] "معاملات شدة الإجهاد/معاملات نوسلت المرنة في هندسة الاختبار" . www.twi-global.com

[17] "الممارسة القياسية لتحديد منحنى المقاومة" . www.astm.org . doi : 10.1520/e0561-98 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .

[notch-18] ليو، م.؛ وآخرون (2015). "حل شبه تحليلي مُحسَّن للإجهاد عند الشقوق ذات الأطراف المستديرة" (ملف PDF) . ميكانيكا كسر الهندسة . 149 : 134-143 . doi : 10.1016/j.engfracmech.2015.10.004 . S2CID 51902898. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 13 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 1 نوفمبر 2017 .

[19] "طريقة الاختبار القياسية لقياس مقاومة الكسر" . www.astm.org . doi : 10.1520/e1820-01 . تاريخ الاسترجاع: 10 مايو 2019 .

[20] ISO 28079:2009، اختبار متانة بالمكفيست ، تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يناير 2016

[21] هاتشينسون، جون (1989). "آليات التقوية في السيراميك" . الميكانيكا النظرية والتطبيقية : 139-144 . doi : 10.1016/B978-0-444-87302-6.50017-X . ISBN 9780444873026– عبر دار النشر Elsevier.

[22] فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1 أبريل 1983). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الأول: النظرية" . مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 565-576 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..565F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90046-9 . ISSN 0001-6160 .

[23] فابر، ك. ت.؛ إيفانز، أ. ج. (1 أبريل 1983). "عمليات انحراف الشقوق - الجزء الثاني: التجربة" . مجلة أكتا ميتالورجيكا . 31 (4): 577-584 . رمز Bibcode : 1983AcMet..31..577F . doi : 10.1016/0001-6160(83)90047-0 . ISSN 0001-6160 .

1

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗