در این مقاله در رابطه با راحی از دیدگاه مکانیک شکست در مهندسی مکانیک، مزایای استفاده از دیدگاه مکانیک شکست برای طراحی قطعات، شکست نرم و ترد، رشد ترک خستگی و ..... توضیح داده شده است. فهرست مطالب ارائه شده به صورت زیر است.
طراحی قطعات و مجموعه ها
مکانیزم های واماندگی و مودهای مختلف واماندگی
روند تکامل دانش طراحی
نگرشهای متفاوت در طراحی
تاریخچه مکانیک شکست
مودهای مختلف رشد ترک
ضریب شدت تنش
نمونه های مختلف آزمایش مکانیک شکست
رشد ترک خستگی
مقدار آستانه ضریب شدت تنش ASTM E647
پیشنهاد می شود مقاله وصله های تعمیراتی برای جلوگیری از رشد ترک را هم بخوانید.
مزایای استفاده از دیدگاه مکانیک شکست برای طراحی قطعات
1- ترک را در قطعه و یا سازه به عنوان مهمترین عامل واماندگی در نظر می گیرد.
2- قطعات فقط به دلیل تمام شدن عمر کاری خودشان دور انداخته نمی شوند و صرفه اقتصادی دارد.
3- حتی قطعاتی که در آنها ترک وجود دارد تا نقطه مشخصی قابلیت استفاده دارند.
4- دوره های بازرسی را تعریف می کند و در نتیجه ایمنی قطعات و سازه بالاتر است.
5- با تمرکز بر روی ترک به عنوان عامل اصلی شکست قطعات می توان راهکارهای مختلفی را برای کند کردن رشد ترک و یا متوقف کردن آن پیشنهاد داد.
برای مشاهده لیست مدرسین فعال در زمینه تدریس خصوصی مهندسی مکانیک و دروس مکانیک بر روی لینک تدریس خصوصی مهندسی مکانیک کلیک نمائید.
مکانیک شکست یا مکانیک ترک (Fracture Mechanics) شاخه‌ای از مکانیک جامدات می‌باشد که به بررسی ایجاد و گسترش ترک در جامدات (و سازه‌ها) و نحوه تأثیر آن بر تغییر شکل و احیانا واماندگی سازه می‌پردازد. این روش از روش های تحلیلی مکانیک جامدات برای محاسبه نیروی محرکه روی یک ترک و از روش های مکانیک جامدات تجربی برای مشخص کردن مقاومت ماده در برابر شکست استفاده می کند. مکانیک شکست الاستیک خطی به منظور تخمین مقدار انرژی مورد نیاز برای گسترش ترک‌های موجود در یک ماده ترد یا شکننده مورد استفاده قرار میگیرد. مکانیک شکست در طی جنگ جهانی اول توسط «آلن آرنولد گریفیث» (Alan Arnold Griffith)، یک مهندس هوافضای انگلیسی، به منظور توصیف ساز و کار شکست مواد شکننده توسعه یافت. تا اوایل دهه 1950 میلادی، مطالعات گریفیث چندان مورد توجه قرار نگرفت. در طی جنگ جهانی دوم، گروهی از دانشمندان آزمایشگاه تحقیقاتی وابسته به نیروی دریایی ایالات متحده به سرپرستی «جورج رنکین اروین» (George Rankine Irwin) اصلاحاتی را بر روی معیارهای ارائه شده توسط گریفیث اعمال نمودند. یکی از دستاوردهای مهم اروین و همکارانش، یافتن روشی برای محاسبه مقدار انرژی قابل دسترس شکست با توجه به تنش مجانبی و میدان‌های جابجایی اطراف بخش جلویی ترک در یک جامد الاستیک خطی بود. اروین کمیت ضریب شدت تنش Stress Intensity Factor را تعریف کرد و با محاسبه این پارامتر برای ترک ایجاد شده در جسم جامد الاستیک خطی و مقایسه آن با مقدار بحرانی همین پارامتر می توان در رابطه با رشد یا عدم رشد ترک اظهار نظر نمود.
از نظر تئوری، تنش پیش از نوک ترک تیز بی نهایت می شود و نمی توان از آن برای توصیف وضعیت اطراف یک ترک استفاده کرد. مکانیک شکست برای مشخص کردن بارهای روی ترک استفاده می‌شود. در این روش، معمولاً از یک پارامتر واحد برای توصیف وضعیت بارگذاری کامل در نوک ترک استفاده می‌شود. برای بیان وضعیت تنش و بارگذاری در اطراف نوک ترک، تعدادی پارامتر مختلف توسعه داده شده است. هنگامی که ناحیه پلاستیک در نوک ترک نسبت به طول ترک کوچک است، حالت تنش در نوک ترک نتیجه نیروهای الاستیک درون ماده است و مکانیک شکست الاستیک خطی (LEFM) نامیده می‌شود و می‌توان با استفاده از پارامتر ضریب شدت تنش وضعیت ترک را مشخص کرد. اگرچه بار روی یک ترک می‌تواند دلخواه باشد، در سال 1957 جی. اروین دریافت که هر حالتی را می‌توان به ترکیبی از سه عامل شدت تنش مستقل کاهش داد:
مود I - حالت باز شدن (تنش کششی نرمال برای صفحه ترک)،
مود II- حالت لغزشی (تنش برشی موازی با صفحه ترک و عمود بر جلوی ترک) و
مود III - حالت پارگی (تنش برشی که به موازات صفحه ترک و موازی با جلوی ترک عمل می کند).
در بسیاری از مواد از جمله فولادهای نرم و فولادهای با استحکام متوسط و همچنین بسیاری از آلیاژهای آلومینیوم و فلزات دیگر، به علت بزرگ بودن نسبی اندازه ناحیه پلاستیک تشکیل شده در نوک ترک، نمی توان از اصول مکانیک شکست ارتجاعی خطی (LEFM) استفاده نمود. در این موارد، با توجه به رشد اندازه ناحیه پلاستیک قبل از رشد ترک و شکست نهایی، نیاز به معیارهای شکست جامع تر با در نظر گرفتن ناحیه پلاستیک بزرگ در نوک ترک می باشد. برای تعیین ناحیه پلاستیک اطراف نوک ترک می توان از روش های مختلف مانند روش اروین، داگدیل، روش تئوری کلاسیک عمومی بر مبنای تئوری ون مایسز و همچنین روش عددی اجزاء محدود استفاده کرد. در حالتیکه ناحیه پلاستیک بزرگ باشد از انتگرال J و بازشده گی دهانه ترک برای بررسی مسئله مکانیک شکست استفاده می شود.
مطالعه کنید: دیدگاهEIFS در مکانیک شکست (طول ترک اولیه معادل)
هنگامی که اندازه ناحیه پلاستیک در نوک ترک بیش از حد بزرگ است، می توان از مکانیک شکست الاستیک-پلاستیک با پارامترهایی مانند J-integral یا جابجایی باز شدن دهانه ترک (crack tip opening displacement) استفاده کرد. انتگرال مستقل از مسیر J که اولین بار توسط Rice معرفی شد، دارای کاربردهای زیادی در تعیین میزان رهایی انرژی کرنشی (خصوصا در مواد غیر خطی) است. در ابتدا، انتگرال J روشی برای محاسبه میزان رهایی انرژی کرنشی یک ماده همگن ارتجاعی خطی و یا غیرخطی بدون در نظر گرفتن نیروهای جسمی و تنش های اولیه در حالت دو بعدی معرفی گردید. اما این روش قدرتمند در حال حاضر برای مواد الاستوپلاستیک و حالت های سه بعدی نیز گسترش داده شده و همچنین جداسازی این کمیت برای مودهای مختلف نیز امکان پذیر شده است.
پارامتر مشخص کننده وضعیت نوک ترک را توصیف می کند که سپس می تواند برای اطمینان از شباهت به شرایط آزمایشی مرتبط شود. رشد ترک زمانی اتفاق می افتد که پارامترها معمولاً از مقادیر بحرانی خاصی فراتر می روند. خوردگی، وقتی حد آستانه شدت تنش خوردگی تنشی رد شد، ممکن است باعث شود که ترک به آرامی رشد کند. به طور مشابه، نقص های کوچک ممکن است منجر به رشد ترک در هنگام بارگذاری چرخه ای شود. که به عنوان خستگی شناخته می‌شود. مشخص شد که برای ترک‌های طولانی، سرعت رشد تا حد زیادی توسط بازه ضریب شدت تنش (ΔK) که توسط ترک به دلیل بارگذاری اعمال شده تجربه می‌شود، کنترل می‌گردد. شکست سریع زمانی رخ می دهد که ضریب شدت تنش از چقرمگی شکست ماده بیشتر شود.
حتما بخوانید: تست رشد ترک خستگی بر مبنای استاندارد ASTM E647
کاربرد این علم و نتایج آن در صنایع هوافضا، طراحی کشتی، سازه‌ها به ویژه سازه‌های بتنی، ژئوفیزیک و زمین‌شناسی مهندسی، مهندسی پزشکی و مهندسی مکانیک می‌باشد.
شکست نرم: با مقدار قابل توجه ی تغییر فرم پلاستیک قبل ازمرحله ی پیشرفت ترک ودرحین آن مرحله همراه است.
شکست ترد در فلزات : سرعت سریع پیشرفت ترک و تقریبا بدون تغییر شکل است. و معمولا شکست در دماهای کم انجام میگیرد.
در مکانیک شکست فرض می کنیم که ترکی در قطعه وجود دارد و با این فرض محاسبات را انجام می دهیم.
3 حالت برای شروع رشد ترک وجود دارد:
1.حالت بازشدگی opening ناشی از تنش کششی عمود بر سطح ترک
2. حالت لغزشIn-plane shear ناشی از اعمال یک تنش برشی موازی با سطح ترک و عمود بر بخش جلویی ترک
3. حالت پارگی out-of-plane shear ناشی از اعمال تنش برشی موازی با سطح ترک و همچنین موازی با بخش جلویی ترک
مطالعه مقاله پارامترهای لازم در طراحی پره هلی کوپتر (ملخ بالگرد) را هم پیشنهاد می کنیم.
مکانیک شکست به دو بخش زیر تقسیم‌بندی می‌شود.
1. مکانیک شکست الاستیک خطی Linear Elastic Fracture Mechanics (ضریب شدت تنش)
2. مکانیک شکست الاستیک-پلاستیک Elastic–Plastic Fracture Mechanics (انتگرال J)
در مکانیک شکست ایده وجود ترک در قطعات حتی پیش از به کار گرفتن آنها و امکان گسترش آن ترک ها به هنگام کار وجود دارد. تکیه این فلسفه روی رشد ترک تا بحرانی شدن آن و دور انداختن قطعه است. بازبینی و مراقبت برای پیشگیری و بازنشسته کردن قطعات پیش از رسیدن ترک به مرحله واماندگی اساس کار است. معمولا بازبینی های منظم برای یافتن ترک بنا به دستورات استاندارد و قوانین دولتی حاکم است. کلیک کنید: مشاهده فیلم های آموزش و تدریس مکانیک شکست
ضریب شدت تنش برای ترک در صفحه محدود تحت بار گسترده در دوردست:
رشد ترک خستگی: در بحث رشد ترک خستگی از رابطه پاریس استفاده می شود که به صورت زیر است:
در ادامه با انتگرال گیری از رابطه پاریس می توان عمر خستگی را از رابطه زیر محاسبه نمود.
در شکل زیر مسیر رشد ترک بعد از برخورد پرتابه (a: بدون در نظر گرفتن اثر تنش پسماند، b: با در نظر گرفتن اثر تنش پسماند) نمایش داده شده است.
مطالعه نمائید: دانلود پدیده شکست در اجسام
جمع بندی مطالب ارائه شده:
- در طراحی از دیدگاه مکانیک شکست فرض می شود در قطعه و یا سازه ترکی وجود دارد.
فرض وجود ترک در قطعه دور از واقعیت نیست و همواره نقص ها و ترک های ریزی در قطعات وجود دارند هر چند که با ابزار موجود و در اختیار ما قابل تشخیص نباشند.
در دیدگاه مکانیک شکست تلاش می شود حتی با وجود ترک باز هم از قطعات استفاده کرد و به همین دلیل استفاده مقتصدانه تر و پربازده تری از قطعات می شود.
بر خلاف دیدگاههای سنتی و کلاسیک در دیدگاه مکانیک شکست برای بررسی میزان رشد ترک حین استفاده از قطعه و یا سازه دوره های بازرسی تعریف می گردد. دوره های بازرسی باعث می شود ایمنی قطعات طراحی شده از این دیدگاه بالاتر باشد. در طراحی قطعات از دیدگاه مقاومت مصالح و طراحی اجزاء و روش های کلاسیک دوره بازرسی معمولا تعریف نمی گردد.
پارامتر بسیار مهمی که در دیدگاه مکانیک شکست و در حالت الاستیک خطی تعریف می شود ضریب شدت تنش است. اگر ضریب شدت تنش به مقدار بحرانی خودش برسد رشد سریع ترک اتفاق می افتد و باید از آن اجتناب نمود.
در حالتی که ضریب شدت تنش از مقدار آستانه آن کمتر باشد ترک رشد نمی کند و می توان گفت عمر قطعه یا سازه بی نهایت است. مطالعه نمائید: تعیین چقرمگی شکست (KIC) مواد فلزی بر مبنای استاندارد ASTM E 399
منبع: ایران مدرس
