Kırık - Fracture

Eksenel olarak gerilmiş bir numunenin sünek kırılması

Kırılma , bir nesnenin veya malzemenin stres etkisi altında iki veya daha fazla parçaya ayrılmasıdır . Bir katının kırılması, genellikle katı içinde belirli yer değiştirme süreksizlik yüzeylerinin gelişmesi nedeniyle oluşur. Bir yer değiştirme değiştirme yüzeyine dik gelişirse, bir adlandırılır normal gerilme çatlak ya da sadece bir çatlak ; Bir yer değiştirme, yer değiştirme yüzeyine teğetsel olarak gelişirse, buna kayma çatlağı , kayma bandı veya çıkık denir .

Gevrek kırılmalar, kırılmadan önce belirgin bir deformasyon olmaksızın meydana gelir; sünek kırılmalar, ayrılmadan önce görünür deformasyon meydana geldiğinde meydana gelir. Kırılma mukavemeti veya kırılma mukavemeti , bir numunenin arızalanması veya kırılması durumundaki strestir. Malzemelerde kırılmanın nasıl oluştuğunun ayrıntılı bir şekilde anlaşılması, kırılma mekaniğinin incelenmesiyle desteklenebilir .

Kuvvet

Alüminyum için tipik olan gerilim ve gerinim eğrisi
  1. Nihai çekme mukavemeti
  2. Akma dayanımı
  3. Oransal limit gerilimi
  4. Kırık
  5. Ofset gerinimi (tipik olarak %0.2)

Kırılma mukavemeti olarak da bilinen kırılma mukavemeti , bir numunenin kırılma yoluyla başarısız olduğu strestir . Bu genellikle belirli bir numune için , gerilme-gerinim eğrisini çizen bir çekme testi ile belirlenir (resme bakın). Kaydedilen son nokta kırılma mukavemetidir.

Sünek malzemeler nihai çekme mukavemetinden (UTS) daha düşük bir kırılma mukavemetine sahipken, kırılgan malzemelerde kırılma mukavemeti UTS'ye eşittir. Sünek bir malzeme, yük kontrollü bir durumda nihai çekme mukavemetine ulaşırsa, kırılıncaya kadar ek bir yük uygulaması olmaksızın deforme olmaya devam edecektir. Bununla birlikte, yükleme yer değiştirme kontrollü ise, malzemenin deformasyonu yükü hafifletebilir ve kopmayı önleyebilir.

Rastgele malzemelerdeki kırılma istatistikleri çok ilgi çekici davranışlara sahiptir ve mimarlar ve mühendisler tarafından oldukça erken fark edilmiştir. Gerçekten de, kırılma veya parçalanma çalışmaları, hala merak uyandıran ve çok canlı kalan en eski fizik bilimi çalışmaları olabilir. Leonardo da Vinci , 500 yıldan daha uzun bir süre önce, nominal olarak özdeş demir tel numunelerinin çekme mukavemetlerinin, artan tel uzunluğu ile azaldığını gözlemledi (örneğin, yakın tarihli bir tartışma için bakınız). Benzer gözlemler 400 yıldan daha uzun bir süre önce Galileo Galilei tarafından yapılmıştır . Bu, aşırı başarısızlık istatistiklerinin tezahürüdür (daha büyük numune hacmi, arızaların çekirdeklendiği ve numunenin daha düşük mukavemetine neden olduğu kümülatif dalgalanmalar nedeniyle daha büyük kusurlara sahip olabilir).

Türler

İki tür kırık vardır:

gevrek kırılma

Camda kırılgan kırılma
Bir bisikletin alüminyum krank kolunun kırılması, burada Bright= kırılgan kırılma, Dark= yorulma kırılması.

Gelen gevrek kırılma , görünürde plastik deformasyon kırığı önce gerçekleşir. Gevrek kırılma tipik olarak çok az enerji emilimi içerir ve çelikte 2133,6 m/s'ye (7000 ft/sn) varan yüksek hızlarda meydana gelir. Çoğu durumda gevrek kırılma, yükleme durdurulduğunda bile devam edecektir.

Gevrek kristalli malzemelerde, düşük bağlanma (bölünme düzlemleri) ile kristalografik düzlemlere normal olarak etki eden çekme geriliminin bir sonucu olarak bölünme ile kırılma meydana gelebilir . İçinde , şekilsiz katılar , tam tersine, bir bir kristal yapı sonuçlarının eksikliği konkoidal kırılma uygulanan gerilim, normal işlem çatlaklar ile,.

Bir malzemenin kırılma mukavemeti (veya mikro-çatlak çekirdeklenme stesi) ilk olarak 1921'de Alan Arnold Griffith tarafından teorik olarak tahmin edildi :

nerede: -

Bir taramalı elektron mikroskobundan gevrek bölünme kırılma yüzeyi
olan Young modülü malzemesi,
bir yüzey enerjisi ve
mikro-çatlak uzunluğudur (veya kristal bir katıdaki atomik merkezler arasındaki denge mesafesi).

Öte yandan, bir çatlak tarafından modellenen bir gerilme konsantrasyonu ortaya çıkar.

(Keskin çatlaklar için)

nerede: -

yükleme stresidir,
çatlağın uzunluğunun yarısıdır ve
çatlak ucundaki eğrilik yarıçapıdır.

Bu iki denklemi bir araya getirirsek,

Yakından bakıldığında, keskin çatlakların (küçük ) ve büyük kusurların (büyük ) her ikisinin de malzemenin kırılma mukavemetini düşürdüğünü görebiliriz.

Son zamanlarda, bilim adamları , bir malzemede ses hızından daha hızlı çatlak yayılımı olgusu olan süpersonik kırılma keşfettiler . Bu fenomen, yakın zamanda kauçuk benzeri malzemelerde kırılma deneyi ile de doğrulandı.

Tipik bir gevrek kırılmadaki temel sıra şudur: malzeme hizmete alınmadan önce veya sonra bir kusurun ortaya çıkması, tekrarlayan yükleme altında yavaş ve kararlı çatlak ilerlemesi ve tanımlanan koşullara bağlı olarak çatlak kritik çatlak uzunluğuna ulaştığında ani hızlı kırılma. kırılma mekaniği ile. Gevrek kırılma, üç ana faktörün kontrol edilmesiyle önlenebilir: malzeme kırılma tokluğu (K c ), nominal gerilim seviyesi (σ) ve ortaya çıkan kusur boyutu (a). Artık gerilimler, sıcaklık, yükleme hızı ve gerilim konsantrasyonları da üç ana faktörü etkileyerek gevrek kırılmaya katkıda bulunur.

Belirli koşullar altında, sünek malzemeler gevrek davranış sergileyebilir. Hızlı yükleme, düşük sıcaklık ve üç eksenli stres kısıtlaması koşulları, sünek malzemelerin önceden deformasyon olmaksızın kırılmasına neden olabilir.

sünek kırılma

Sünek kırılmadaki adımların şematik gösterimi (saf gerilimde)

Olarak biçimlendirilebilir kırılma , geniş plastik deformasyon ( boyun ) kırık önce gerçekleşir. Kopma veya sünek kopma terimleri , çekme ile yüklenen sünek malzemelerin nihai başarısızlığını tanımlar . Geniş plastisite, kırılmadan önce büyük miktarda enerjinin emilmesi nedeniyle çatlağın yavaş ilerlemesine neden olur.

6061-T6 alüminyumun sünek kırılma yüzeyi

Sünek kırılma yüksek derecede plastik deformasyon içerdiğinden, yukarıda modellendiği gibi ilerleyen bir çatlağın kırılma davranışı temel olarak değişir. Çatlak uçlarındaki gerilim konsantrasyonlarından kaynaklanan enerjinin bir kısmı, çatlak ilerledikçe plastik deformasyon tarafından dağıtılır.

Sünek kırılmadaki temel adımlar, boşluk oluşumu, boşluk birleşmesi (çatlak oluşumu olarak da bilinir), çatlak ilerlemesi ve başarısızlıktır, genellikle bir kap ve koni şeklinde bir kırılma yüzeyi ile sonuçlanır. Boşluklar tipik olarak çökeltiler, ikincil fazlar, kapanımlar etrafında ve malzemedeki tane sınırlarında birleşir. Sünek kırılma tipik olarak transgranülerdir ve çıkık kaymasından kaynaklanan deformasyon , kap ve koni kırılmasının kesme dudağı özelliğine neden olabilir.

Kırılma özellikleri

Bir çatlağın malzeme boyunca yayılma şekli, kırılma modu hakkında fikir verir. Sünek kırılma ile bir çatlak yavaş hareket eder ve buna çatlak ucunun çevresinde büyük miktarda plastik deformasyon eşlik eder. Sünek bir çatlak, artan bir stres uygulanmadıkça genellikle yayılmaz ve genellikle yükleme kaldırıldığında yayılmayı durdurur. Sünek bir malzemede, bir çatlak, gerilmelerin biraz daha düşük olduğu ve çatlak ucundaki plastik deformasyonların körelme etkisi nedeniyle durduğu malzemenin bir bölümüne ilerleyebilir. Öte yandan, gevrek kırılma ile, çatlaklar çok az plastik deformasyonla veya hiç plastik deformasyon olmadan çok hızlı yayılır. Gevrek bir malzemede yayılan çatlaklar, bir kez başlatıldıktan sonra büyümeye devam edecektir.

Çatlak yayılımı, mikroskobik düzeyde çatlak özelliklerine göre de sınıflandırılır. Malzeme içindeki tanelerden geçen bir çatlak, taneler arası kırılmaya uğramaktadır. Tane sınırları boyunca yayılan bir çatlak, taneler arası bir kırılma olarak adlandırılır. Tipik olarak, malzeme taneleri arasındaki bağlar, oda sıcaklığında malzemenin kendisinden daha güçlüdür, bu nedenle taneler arası kırılma meydana gelme olasılığı daha yüksektir. Sıcaklıklar tane bağlarını zayıflatacak kadar arttığında, taneler arası kırılma daha yaygın olan kırılma modudur.

Kırılma testi

Malzemelerdeki kırılma, çeşitli şekillerde incelenir ve nicelenir. Kırılma büyük ölçüde kırılma tokluğu ( ) tarafından belirlenir , bu nedenle bunu belirlemek için genellikle kırılma testi yapılır. Kırılma tokluğunu belirlemek için en yaygın olarak kullanılan iki teknik, Üç noktalı eğilme testi ve kompakt çekme testidir.

Kompakt çekme ve üç noktalı eğilme testleri gerçekleştirilerek, aşağıdaki denklem aracılığıyla kırılma tokluğu belirlenebilir:

Nereye:-

test numunesi geometrisini yakalamak için ampirik olarak türetilmiş bir denklemdir
kırılma stresidir ve
çatlak uzunluğudur.

Doğru bir şekilde elde etmek için , değeri tam olarak ölçülmelidir. Bu, gerçek dünya malzemelerinde bulunan bir çatlak ucunu daha iyi taklit etmek için test parçasının imal edilmiş uzunluk çentiği ile alınması ve bu çentiğin keskinleştirilmesiyle yapılır . Döngüsel ön gerilim Numune daha sonra bir neden olabilir yorulma çatlağı ait imal edilmiş çentik uzunluğu çatlak uzanır için . Bu değer , belirlemek için yukarıdaki denklemlerde kullanılır .

Bu testi takiben, numune daha sonra bir yükün (F) daha fazla yüklenmesi bu çatlağı genişletecek şekilde yeniden yönlendirilebilir ve böylece bir yüke karşı numune sapma eğrisi elde edilebilir. Bu eğri ile malzemenin kompliyansının tersi olan lineer kısmın eğimi elde edilebilir. Bu daha sonra denklemde yukarıda tanımlandığı gibi f(c/a)'yı türetmek için kullanılır. Tüm bu değişkenlerin bilgisi ile daha sonra hesaplanabilir.

Belirli malzemelerin başarısızlığı

Seramiklerin ve inorganik camların gevrek kırılması

Seramikler ve inorganik camlar, metalik malzemelerinkinden farklı olan kırılma davranışına sahiptir. Seramikler yüksek dayanıma sahiptir ve malzeme dayanımının sıcaklıktan bağımsız olması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda iyi performans gösterir. Seramikler, bir çekme yükü altında test edilerek belirlendiği üzere düşük tokluğa sahiptir; genellikle seramikler , metallerde bulunan değerlerin ~%5'i kadar değerlere sahiptir. Bununla birlikte, seramikler günlük kullanımda genellikle basınçla yüklenir, bu nedenle basınç mukavemeti genellikle mukavemet olarak adlandırılır; bu güç çoğu zaman çoğu metalin gücünü aşabilir. Bununla birlikte, seramikler kırılgandır ve bu nedenle yapılan işlerin çoğu, kırılgan kırılmayı önlemeye yöneliktir. Seramiklerin üretilme ve işlenme şekli nedeniyle, malzemede genellikle önceden var olan kusurlar vardır ve bu da Mod I kırılgan kırılmada yüksek derecede değişkenlik sağlar. Bu nedenle seramik tasarımında hesaba katılması gereken olasılıksal bir doğa vardır. Weibull dağılımı bir çekme gerilimi sigma hayatta belli bir miktarda numune bir kısmını çalışmaya devam edebilirlik olasılığının tahmin eder ve genellikle daha iyi kırılma önlenmesinde bir seramik başarısını değerlendirmek için kullanılır.

lif demetleri

Fiber demetinin kırılmasını modellemek için, Fiber Bundle Modeli, 1926'da Thomas Pierce tarafından kompozit malzemelerin mukavemetini anlamak için bir model olarak tanıtıldı. Demet, aynı uzunlukta ve her biri aynı yay sabitlerine sahip çok sayıda paralel Hookean yayından oluşur. Ancak farklı kırılma gerilmelerine sahiptirler. Tüm bu yaylar sert bir yatay platformdan asılır. Yük, yayların alt uçlarına bağlı yatay bir platforma bağlanır. Bu alt platform kesinlikle rijit olduğunda, herhangi bir zaman noktasındaki yük, hayatta kalan tüm lifler tarafından (kaç tane lif veya yayın kırıldığına ve nerede kırıldığına bakılmaksızın) eşit olarak paylaşılır. Bu yük paylaşımı moduna Eşit Yük Paylaşımı modu denir. Alt platformun da sonlu rijitliğe sahip olduğu varsayılabilir, böylece yayların başarısız olduğu her yerde platformun yerel deformasyonu meydana gelir ve hayatta kalan komşu lifler, arızalı fiberden aktarılanın daha büyük bir kısmını paylaşmak zorunda kalır. En uç durum, arızalı yayın veya fiberin yükünün hayatta kalan en yakın komşu fiberler tarafından (genellikle eşit olarak) paylaşıldığı yerel yük paylaşım modelidir.

Önemli kırılma başarısızlıkları

Gevrek kırılmanın neden olduğu arızalar, herhangi bir mühendislik yapısı kategorisiyle sınırlı değildir. Gevrek kırılma, diğer arıza türlerinden daha az yaygın olmasına rağmen, can ve mal üzerindeki etkiler daha şiddetli olabilir. Aşağıdaki dikkate değer tarihi başarısızlıklar gevrek kırılmaya atfedilmiştir:

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

  • Dieter, GE (1988) Mekanik Metalurji ISBN  0-07-100406-8
  • A. Garcimartin, A. Guarino, L. Bellon ve S. Cilberto (1997) "Kırılma Öncüllerinin İstatistiksel Özellikleri". Fiziksel İnceleme Mektupları, 79, 3202 (1997)
  • Callister, Jr., William D. (2002) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: Bir Giriş. ISBN  0-471-13576-3
  • Peter Rhys Lewis, Colin Gagg, Ken Reynolds, CRC Press (2004), Adli Malzeme Mühendisliği: Vaka Çalışmaları .

Dış bağlantılar