كسر بين الحبيبات

في ميكانيكا الكسور ، يحدث الكسر بين الحبيبات ، أو التصدع بين الحبيبات ، أو التقصف بين الحبيبات، عندما ينتشر الشق على طول حدود حبيبات المادة، وعادةً ما يحدث ذلك عندما تضعف هذه الحدود. ^{[ 1 ]} أما الكسر عبر الحبيبات، وهو الأكثر شيوعًا ، فيحدث عندما ينمو الشق عبر حبيبات المادة. على سبيل المثال، في جدار من الطوب، يُشابه الكسر بين الحبيبات الكسر الذي يحدث في الملاط الذي يربط الطوب ببعضه.

من المرجح حدوث تشقق بين الحبيبات في حال وجود تأثير بيئي معادٍ، ويزداد احتمال حدوثه مع كبر حجم الحبيبات وارتفاع الإجهادات . ^{[ 1 ]} ويُمكن حدوث التشقق بين الحبيبات ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة. ^{[ 2 ]} بينما يُفضل حدوث التشقق عبر الحبيبات نتيجة لتمركز الإجهاد (الذي بدوره يزداد مع صغر حجم الحبيبات)، فإن التصدع بين الحبيبات يزداد مع تجانس الإجهاد الناتج عن الحبيبات الخشنة. ^{[ 3 ]}

غالباً ما يترافق التقصف ، أو فقدان الليونة ، مع تغير في نمط الكسر من الكسر عبر الحبيبات إلى الكسر بين الحبيبات. ^{[ 4 ]} يُعد هذا التحول ذا أهمية خاصة في آلية تقصف ذرات الشوائب. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى ذلك، يُعد تقصف الهيدروجين فئة شائعة من التقصف حيث يمكن ملاحظة الكسر بين الحبيبات. ^{[ 5 ]}

يمكن أن يحدث الكسر بين الحبيبات في مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك سبائك الصلب والنحاس والألومنيوم والسيراميك. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 3 ]} في المعادن ذات التوجهات الشبكية المتعددة ، عندما تنتهي شبكة وتبدأ أخرى، يتغير اتجاه الكسر ليتبع الحبيبة الجديدة. ينتج عن ذلك كسر ذو مظهر متعرج إلى حد ما بحواف مستقيمة للحبيبة، وقد يُلاحظ سطح لامع. أما في السيراميك، فتنتشر الكسور بين الحبيبات عبر حدودها، مُنتجةً أسطحًا ناعمة غير منتظمة يسهل من خلالها تحديد الحبيبات.

على الرغم من سهولة تحديد التصدع بين الحبيبات، إلا أن تحديد السبب أكثر تعقيدًا نظرًا لتعدد آلياته مقارنةً بالكسر عبر الحبيبات. ^{[ 6 ]} وهناك العديد من العمليات الأخرى التي قد تؤدي إلى الكسر بين الحبيبات أو انتشار الشقوق بشكل تفضيلي عند حدود الحبيبات: ^{[ 8 ] [ 6 ]}

• تكوّن وتجمع الفراغات الدقيقة عند الشوائب أو جزيئات الطور الثاني الموجودة على طول حدود الحبيبات
• تكوّن الشقوق والتجاويف على حدود الحبيبات المرتبطة بظروف تمزق الإجهاد عند درجات الحرارة المرتفعة
• يحدث انفصال بين الحبيبات المتجاورة نتيجة وجود عناصر شوائب عند حدود الحبيبات وبالتزامن مع الأجواء العدائية مثل غاز الهيدروجين والمعادن السائلة.
• عمليات تشقق التآكل الإجهادي المرتبطة بالذوبان الكيميائي على طول حدود الحبيبات
• ظروف التحميل الدوري
• عندما لا تحتوي المادة على عدد كافٍ من أنظمة الانزلاق المستقلة لاستيعاب التشوه اللدن بين الحبيبات المتجاورة، يُعرف هذا أيضًا باسم الكسر بين البلورات أو انفصال حدود الحبيبات.
• انتشار أسرع على طول حدود الحبيبات منه على طول داخل الحبيبات
• تسارع عملية تكوين ونمو الرواسب عند حدود الحبيبات
• يُعدّ التصدع الناتج عن التبريد السريع، أو نمو الشقوق بعد عملية التبريد السريع ، مثالاً آخر على التصدع بين الحبيبات، ويحدث دائمًا تقريبًا من خلال عمليات بين الحبيبات. ^{[ 6 ]} وتتفاقم هذه العملية بفعل ضعف حدود الحبيبات وكبر حجمها، كما تتأثر بتدرج درجة الحرارة الذي يحدث عنده التبريد السريع، وتمدد الحجم أثناء التحول.

من وجهة نظر الطاقة، فإن الطاقة المنبعثة من انتشار الشقوق بين الحبيبات أعلى من تلك التي تنبأت بها نظرية غريفيث ، مما يعني أن مصطلح الطاقة الإضافي اللازم لانتشار الشق يأتي من آلية حدود الحبيبات. ^{[ 9 ]}

يمكن تصنيف الكسور بين الحبيبات إلى ما يلي: ^{[ 6 ]}

• يُشير مصطلح "الكسر بين الحبيبي ذو التجاويف" إلى حالات يحدث فيها اندماج للفراغات المجهرية عند حدود الحبيبات نتيجةً لتجويف الزحف أو تكوّن الفراغات عند رواسب حدود الحبيبات. يتميز هذا النوع من الكسر بوجود تجاويف على السطح. يؤدي الكسر بين الحبيبي ذو التجاويف عادةً إلى انخفاض المطيلية الكلية، حيث تظهر تضاريس التجاويف على أوجه الحبيبات عند فحصها بتكبيرات عالية (من 1000 إلى 5000 ضعف). تعمل الشوائب التي تلتصق بحدود الحبيبات على تعزيز الكسر بين الحبيبي ذي التجاويف. ^{[ 6 ]}
• يشمل الكسر الهش بين الحبيبات الحالات التي لا تحتوي فيها أسطح الحبيبات على نقرات تدل على اندماج الفراغات المجهرية. يُطلق على هذا النوع من الكسر اسم الكسر الهش نظرًا لحدوثه قبل الوصول إلى اللدونة. ^{[ 4 ]} تشمل الأسباب وجود جزيئات طور ثانوي هشة عند حدود الحبيبات، وانفصال الشوائب أو الذرات عند حدود الحبيبات ، والتقصف الناتج عن العوامل البيئية. ^{[ 6 ]}
• يشمل كسر الإجهاد بين الحبيبات الحالات التي يحدث فيها الكسر داخل الحبيبة نتيجةً للتحميل الدوري أو الإجهاد . يرتبط هذا النوع من كسر الإجهاد بين الحبيبات غالبًا بمعالجة المواد بشكل غير سليم أو بظروف بيئية قاسية تُضعف الحبيبات بشدة. ^{[ 6 ]} يمكن أن يؤدي الإجهاد المُطبق عند درجات حرارة مرتفعة (الزحف)، وترسبات حدود الحبيبات، والمعالجة الحرارية التي تُسبب الانفصال عند حدود الحبيبات، وإضعاف حدود الحبيبات بفعل العوامل البيئية، إلى إجهاد الإجهاد بين الحبيبات. ^{[ 7 ]}

في درجة حرارة الغرفة ، يرتبط التصدع بين الحبيبات عادةً بتغير التماسك الناتج عن انفصال المواد المذابة أو الشوائب عند حدود الحبيبات. ^{[ 10 ]} ومن أمثلة المواد المذابة المعروفة بتأثيرها على التصدع بين الحبيبات: الكبريت والفوسفور والزرنيخ والأنتيمون، خاصةً في الفولاذ، والرصاص في سبائك الألومنيوم، والهيدروجين في العديد من السبائك الإنشائية. ^{[ 10 ]} عند مستويات عالية من الشوائب، وخاصةً في حالة التقصف الهيدروجيني ، يزداد احتمال حدوث التصدع بين الحبيبات. ^{[ 6 ]} يُفترض أن المواد المذابة مثل الهيدروجين تعمل على تثبيت وزيادة كثافة الفراغات الناتجة عن الإجهاد، ^{[ 11 ]} مما يؤدي إلى ظهور تشققات دقيقة وفراغات مجهرية عند حدود الحبيبات. ^{[ 5 ]}

يعتمد التصدع بين الحبيبات على التوجه النسبي للحدود المشتركة بين حبيبتين. وعادةً ما يحدث مسار الكسر بين الحبيبات على طول حدود الحبيبات ذات الزاوية الأكبر. ^{[ 6 ]} في إحدى الدراسات، تبين أنه لا يحدث تصدع عند الحدود ذات انحراف يصل إلى 20 درجة، بغض النظر عن نوع الحدود. ^{[ 12 ]} عند زوايا أكبر، لوحظت مساحات واسعة من السلوك المتصدع وغير المتصدع والمختلط. تشير النتائج إلى أن درجة تصدع حدود الحبيبات، وبالتالي الكسر بين الحبيبات، تتحدد إلى حد كبير بمسامية الحدود، أو مقدار عدم تطابق الذرات. ^{[ 12 ]}

• كسر عبر الحبيبات
• التآكل بين الحبيبات
• الكريستال