تئوری های شکست در مواد شکننده و شکل پذیر
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
«تئوری شکست» (Failure Theory)، دانشِ پیش‌بینی شرایط شکست جامدات در حین اعمال بارهای خارجی است. با توجه به شرایط موجود (دما، حالت تنش، نرخ بارگذاری)، رفتار مواد در هنگام شکست می‌تواند به صورت شکننده یا شکل‌پذیر باشد. از این‌رو، در اکثر مسائل کاربردی مواد به دو دسته کلی شکننده و شکل‌پذیر تقسیم می‌شوند. با وجود گذشت ۲۰۰ سال از شروع توسعه تئوری شکست. میزان مقبولیت آن در سال‌های اخیر و در حوزه مکانیک محیط‌های پیوسته در حال نزدیک شدن به سطح مطلوب است.
در ریاضیات، تئوری شکست در قالب معیارهای مختلفی بیان می‌شود که هر یک از آن‌ها برای مواد مشخصی اعتبار دارند. معیارهای شکست، توابعی در فضای تنش و کرنش هستند که حالت‌های «شکست» (Failed) و «عدم شکست» (Unfailed) را از یکدیگر متمایز می‌کنند. بیان یک تعریف فیزیکی دقیق برای حالت شکست با استفاده از اعداد و ارقام به سادگی امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل، تعاریف اجرایی متعددی در جوامع مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تقریباً در اغلب موارد، معیارهای تجربی مشابه ای برای پیش‌بینی شکست مواد شکننده و تسلیم مواد شکل‌پذیر به کار گرفته می‌شوند.
شکست مواد
در علم مواد، از بین رفتن ظرفیت باربری یک ماده به عنوان شکست آن ماده تعریف می‌شود. بر اساس این تعریف، شکست یک ماده در مقیاس‌های مختلفی (میکروسکوپی تا ماکروسکوپی) قابل ارزیابی است. در مسائل مرتبط با سازه‌ها، امکان عکس‌العمل سازه پس از شروع رفتار غیر خطی نیز وجود دارد. از این‌رو، شکست ماده نقش بسیار مهمی را در تعیین یکپارچگی و ایمنی سازه بازی می‌کند. از طرف دیگر، عدم وجود معیارهای گسیختگی مورد تأیید (برای تمام شرایط)، باعث اجرای تحقیقات بیشتری بر روی ارزیابی آسیب‌دیدگی سازه‌ها با توجه به موضوع شکست مواد شده است.
انواع شکست
شکست مواد را می‌توان با توجه به مقیاس ارزیابی آن‌ها به دو دسته کلی، شکست میکروسکوپی و ماکروسکوپی تقسیم‌بندی کرد. در ادامه، هر یک از این شکست‌ها را به طور مختصر توضیح می‌دهیم.
شکست میکروسکوپی
شکست میکروسکوپی مواد با توجه به شروع و رشد ترک‌های در درون آن‌ها تعریف می‌شود. بررسی این نوع شکست، روش مناسبی برای درک بهتر نحوه ایجاد ترک در نمونه‌های آزمایشگاهی و سازه‌هایی است که تحت توزیع بارگذاری‌های سراسری معین قرار دارند. معیارهای شکست در این حالت، به گسیختگی میکروسکوپی ماده مربوط می‌شوند. مدل‌های شکست میکرو مکانیکی، محبوب‌ترین مدل‌های شکست در مقیاس میکروسکوپی هستند. مدل‌های میکرو مکانیکی از مزایای دو حوزه مکانیک محیط‌های پیوسته و مکانیک شکست کلاسیک بهره می‌برند.
فرآیند شکست میکروسکوپی به این ترتیب است که در ابتدا، شروع تغییر شکل پلاستیک باعث ایجاد ریز حفره‌ها و گسترش آن‌ها درون ماده می‌شود. این فرآیند تا تشکیل یک ناحیه باریک شدگی پلاستیک یا گسیختگی فضای بین حفره‌ها ادامه می‌یابد. در نهایت، حفره‌های مجاور به یکدیگر متصل می‌شوند. مبنای توسعه مدل‌های میکرو مکانیکی همین فرآیند است.
یکی از مدل‌های میکرو مکانیکی، توسط «گرسن» (Gurson) ارائه و توسط «تروگارد» (Tvergaard) و «نیدلمن» (Needleman) تعمیم داده شد. این مدل با عنوان «GTN» شناخته می‌شود. یکی دیگر از این مدل‌ها، توسط «روسلیِر» (Rousselier) و بر اساس «مکانیک آسیب محیط‌های پیوسته» (Continuum Damage Mechanics) و ترمودینامیک توسعه یافت. هر دوی مدل‌ها، فرم اصلاح شده‌ای از «پتانسیل تسلیم فون میزز» (von Mises Yield Potential) را با معرفی یک کمیت آسیب اسکالر ارائه کردند. این کمیت اسکالر، نسبت حجم فضای خالی حفره‌ها به حجم ماده یا همان تخلخل را نشان می‌دهد.
شکست ماکروسکوپی
شکست ماکروسکوپی مواد با توجه به ظرفیت باربری یا ظرفیت ذخیره انرژی آن‌ها تعریف می‌شود. معیارهای شکست ماکروسکوپی در یکی از چهار گروه زیر قرار می‌گیرند:
- شکست تنش یا کرنش
- شکست انرژی (معیار T، معیار S)
- شکست آسیب
- شکست تجربی
به طور کلی، پنج سطح مختلف برای تعریف شکست و تغییر شکل وجود دارد. این سطوح عبارت‌اند از:
- مقیاس اجزاء تشکیل‌دهنده سازه
- مقیاس ماکروسکوپی (تعریف تنش و کرنش)
- مقیاس میانی یا مزوسکوپی (یک فضای خالی)
- مقیاس میکروسکوپی
- مقیاس اتمی
رفتار مواد در هر یک از این سطوح به صورت مجموعه‌ای از رفتار سطح زیرین آن در نظر گرفته می‌شود. معیارهای شکست و تغییر شکل کارآمد، با تمامی این سطوح سازگاری دارند.
در پست بعدی درباره معیارهای شکست مواد صحبت میکنیم. پس با ما همراه باشید.
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
منبع متن: فرادرس