چقرمگی شکست و روش های آزمایش آن در ماده

چقرمگی شکست و روش های آزمایش آن در ماده:
چقرمگی خاصیتی است که میزان مقاومت یک ماده در برابر شکست را بیان می کند. این خاصیت مکانیکی، از اهمیت بالایی در مسائل مهندسی برخوردار است.

چندین روش مختلف آزمایش برای اندازه گیری چقرمگی شکست ماده وجود دارد. در این آزمایش ها معمولاً از یک نمونه شیاردار در یکی از چندین پیکربندی موجود استفاده می شود.

با توجه به اهداف مقاله پیش رو، در این بخش به معرفی روش های تعیین چقرمگی شکست کرنش صفحه ای (KIc) خواهیم پرداخت.

هنگامی که یک ماده پیش از شکست، رفتار الاستیک خطی از خود به نمایش می گذارد (مانند حالتی که ناحیه پلاستیک در مقایسه با ابعاد نمونه کوچک است)، مقدار بحرانی ضریب شدت تنش برای ترک حالت اول را می توان به عنوان یک پارامتر شکست مناسب در نظر گرفت.

این روش با توجه به ضریب شدت تنش بحرانی برای کرنش صفحه ای، یک معیار کمی از چقرمگی شکست را ارائه می کند.

به منظور اطمینان از معنادار بودن نتایج باید پس از اتمام هر آزمایش، اعتبارسنجی های مورد نیاز صورت گیرد.

ابعاد نمونه باید ثابت و به اندازه ای بزرگ باشند که شرایط کرنش صفحه ای در نوک ترک را تضمین کنند. این الزامات باعث محدودیت در نحوه اجرای آزمایش می شوند.

نکته اصلی در آزمایش های مبتنی بر چقرمگی شکست (K) این است که باید از قرار داشتن شکست های نمونه تحت شرایط الاستیک خطی اسمی اطمینان حاصل کرد. این مسئله لزوم کوچک بودن ناحیه پلاستیک در مقایسه با مقطع نمونه را نشان می دهد.

آزمایش چقرمگی شکست در شرایط کرنش صفحه ای:
نمونه های خمش شکاف تک لبه ای (SENB یا خمش سه نقطه ای) و نمونه های فشرده کششی (CT)، متداول ترین پیکربندی های آزمایش چقرمگی شکست هستند.

برای تعیین دقیق چقرمگی شکست کرنش صفحه ای باید نمونه ای را انتخاب کرد که ضخامت آن از یک مقدار بحرانی (B) بیشتر باشد. بر اساس آزمایش های صورت گرفته، شرایط کرنش صفحه ای در صورت صادق بودن رابطه زیر کاربرد دارد:

B: حداقل ضخامتی که باعث ایجاد کمترین انرژی کرنش پلاستیک در نوک ترک می شود؛ KIC: چقرمگی شکست ماده؛ sy: تنش تسلیم ماده

هنگامی که یک ماده با چقرمگی شکست مجهول مورد آزمایش قرار می گیرد، از نمونه ای با ضخامت مقطع کامل یا اندازه ای متناسب با چقرمگی پیش بینی شده آن استفاده می شود.

اگر مقدار چقرمگی شکست حاصل از آزمایش در رابطه بالا صدق نکند، باید آزمایش را با یک نمونه ضخیم تر تکرار کرد. هنگامی که یک آزمایش قادر به برطرف کردن الزامات مورد نیاز (مانند ضخامت) به منظور اطمینان از وجود شرایط کرنش صفحه ای نباشد، مقادیر به دست آمده چقرمگی شکست با KC نمایش داده خواهند شد.

حالت های تنش صفحه ای و تنش انتقالی:
در مواقعی که انرژی پلاستیک نوک ترک قابل اغماض نیست، پارامترهای دیگر مکانیک شکست (مانند انتگرال J و منحنی R) برای تعیین خصوصیات ماده مورد استفاده قرار می گیرند.

داده های به دست آمده از آزمایش های دیگر به ضخامت نمونه مورد آزمایش بستگی خواهند داشت و به عنوان خواص واقعی ماده محسوب نخواهند شد. اگرچه، شرایط کرنش صفحه ای در تمام پیکربندی های سازه صادق نیست.

از این رو، استفاده از مقادیر KIC در طراحی نواحی نسبتاً نازک می تواند منجر به نتایج بسیار محافظه کارانه و در نتیجه افزایش وزن و هزینه ساخت آن شود.

در مواردی که حالت تنش واقعی به صورت صفحه ای یا انتقالی باشد، به کارگیری داده های به دست آمده از انتگرال J و نمودار R مناسب تر خواهد بود. این حالت برای شکست های آرام و پایدار (پارگی شکل پذیر) نسبت به شکست های سریع (شکننده) کاربرد بیشتری دارد.

شرط در نظر گرفتن حالت تنش صفحه ای یا انتقالی به صورت زیر است:

σc: تنش بحرانی اعمال شده که باعث ایجاد شکست می شود؛ KIC: چقرمگی شکست کرنش صفحه ای؛ Y: یک ثابت عددی مرتبط با هندسه نمونه؛ a: طول ترک برای ترک های لبه ای یا نصف طول ترک برای ترک های داخلی