مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

روش مکانیک شکست

مکانیک شکست ما را قادر می سازد تا یک جدایش ماده را مورد تحلیل قرار دهیم. آزمون های ضربه ی استاندارد با نمونه های شکاف دار، آزمون های کیفی هستند و موجب می شوند تا تنها راهنمایی در زمینه ی انتخاب مواد، برای ما مهیا گردد. طراحی مواد به منظور جلوگیری از انتشار ترک در مواد، نیازمند تعیین تافنس شکست می باشد. تافنس شکست در حقیقت یک ویژگی ازماده است که نشاندهنده ی احتمال بروز یک شکست ناگهانی در اثر یک ترک خاص، می باشد. پارامتر تافنس شکست (K_c) نشاندهنده ی ماکزیمم مقدار شدت تنشی است که می تواند موجب شود تا یک ماده حاوی ترکی با تیزی معین، بشکند. رهایش پاسخ داده شده که در حقیقت در جواب انرژی ذخیره شده، حاصل شده است (G_c) با استفاده از معادله های مکانیک شکست در مواد ایزوتروپ، بدست می آید:
K_c=(EG_c )^(1/2)=Yσ_f a^(1/2)
که در اینجا، K_c تافنس شکست (بر حسب مگاپاسکال بر جذر متر مربع)، E مدول الاستیک (بر حسب گیگاپاسکال)، G_c نرخ رهایش انرژی بحرانی (بر حسب کیلوژول بر متر مربع) می باشد. σ_f نیز تنش اعمال شده ی اسمی (بر حسب مگاپاسکال) می باشد و a نیز طول ترک و Y فاکتور کالیبراسیون بدون بعد می باشد که با توجه به هندسه ی نمونه تعیین می شود. W در اینجا عرض و یا عمق نمونه است. مقادیر مربوط به فاکتور کالیبراسیون Y برای هندسه های مختلف نمونه و حالت های بارگذاری مختلف، وجود دارد.
روش آزمون استادارد ASTM D5045-99 برای تافنس شکست کرنش صفحه ای و نرخ رهایش انرژی کرنشی مواد پلاستیکی، اطلاعات مناسبی در مورد تافنس پلاستیک ها، ارائه می دهد. این داده ها، بر اساس میزان K_c بدست می آیند. دو هندسه ی آزمون بوسیله ی این آزمون ها، تحت پوشش قرار می گیرند: خمش با شکاف تک لبه (SENB) و آزمون ضربه (CT). رفتار الاستیک خطی برای نمونه های ترک دار، فرض شده است بنابراین، محدودیت های خاصی باید بر خطی بودن دیاگرام بار- جابجایی، اعمال شود. یک کرنش صفحه ای در نوک ترک در این حالت مورد نیاز است. ضخامت نمونه باید به اندازه ی کافی باشد تا بدین صورت اطمینان حاصل شود که شرایط تنشی حفظ گردد. علاوه بر این، ترک باید به اندازه ی کافی تیز باشد تا بدین صورت از میزان مینیمم تافنس بدست آمده، اطمینان حاصل شود.
اطلاعات دیگر در مورد آزمون و تعیین پارامترهای مکانیک شکست و همچنین اطلاعات مربوط به تافنس انواع پلیمرها و کامپوزیت های زمینه ی پلیمری در مقاله های متعددی از جمله مقاله ی Akey (1999) قابلیت رویت می باشد. یکی از فاکتورهای مهم در رفتار مواد تحت بارگذاری مکانیکی در تنش های باقیماده ای نهفته است که در داخل ماده، ذخیره شده است. برخی پلیمرها مانند پلی کربنات، حساسیت بالایی به تنش های باقیمانده دارند و رفتار شکست آنها، تابع این فاکتور می باشد (شکل 1). در حقیقت این تنش ها، موجب ایجاد مقادیر استحکام ضربه ی مختلف برای این مواد شود.

وجود تنش های فشاری در سطح نمونه های شکاف دار، موجب می شود تا استحکام ضربه بوسیله ی افزایش احتمال شکست تنشی- صفحه ای، افزایش یابد. نمونه هایی که تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند، رفتار ترد از خود نشان می دهند که این مسئله با خطی بودن نمودار و مسطح بودن سطح شکست مشخص می گردد (شکل 1).
به هر حال، یک مطالعه ی مشابه بر روی ABS نیز نشاندهنده ی تغییر قابل توجه میان خواص ضربه ای نمونه های آنیل شده و آنیل نشده، می باشد.

استحکام تکیه گاهی

استحکام تکیه گاهی به طور خاص مربوط به اتصال های پیچ و مهره ای می باشد. استفاده ی صحیح از اتصال های پیچ و مهره ای و پرچی به دانستن صحیح میزان استحکام تکیه گاهی (bearing strength) وابسته می باشد. این فاکتور یکی از موارد مهم در مورد استفاده از این اتصال ها می باشد، مخصوصاً در کاربردهای خاص مانند ساختار فضاپیماها. حادثه های جدی در مورد هواپیماهای جت ایرباس 300 که در سال 2001 و در طی یک سفر از نیویورک به سانتو دومینگوی کشور دمنیکن، اتفاق افتاده است. این ادعا وجود دارد که در طی این حادثه، 260 نفر در هواپیما و 5 نفر بر روی زمین کشته شدند. حادثه مربوط به این مسئله است که تحت گردش شیارها، دم هواپیما کنده شد. بخش دم هواپیما از کامپوزیت پلیمر- الیاف کربن ساخته شده بود و بوسیله ی پرچ به بخش بدنه متصل بود. در این حالت، اتصال پرچ مشکل پیدا کرده بود و این مشکل موجب سقوط هواپیما شد (شکل 2).

اتصال های پیچ و پرچی متحمل شکست های تکیه گاهی هستند. در این بخش ها، شکست ها به صورت پیچیده ای ایجاد می شوند. و این شکست ها، به فاکتورهای مختلفی مانند ساختار و خواص ماده اتصال یافته، اندازه و هندسه ی اتصال، وابسته می باشد مثلا قطر سوراخ مورد استفاده، ضخامت و عرض سوراخ، میزان نیروی اعمال شده به اتصال در زمان کارکرد. شکل همچنین نشاندهنده ی اثر نیروی شکننده بر روی بخش مونتاژ شده با پیچ و پرچ می باشد.
شکل 3 نشاندهنده ی بخش مونتاژ شده ی دو است که در اتصال پیچ و پرچ، جدا شده است. به هر حال، بدون یک بررسی نزدیک تر، امکان نتیجه گیری در مورد این مسئله که علت ایجاد شکست تضعیف ذاتی در خود کامپوزیت و یا اتصال بوده، وجود ندارد.

یک آزمون استاندارد برای بررسی استحکام تکیه گاهی مربوط به پلاستیک ها، در استاندارد ASTM D953-10 آورده شده است. همچنین آزمون CRAG برای کامپوزیت های زمینه پلیمری، پیشنهاد شده است. این آزمون به طور نرمال، در حالت کششی انجام می شود و از یک دستگاه مشابه شکل 4 در آن، استفاده می شود. در این آزمون، نمودارهای بار- جابجایی (شکل 5) بدست می آید. در حقیقت تنش ماکزیمم قابل تحمل نمونه، استحکام تکیه گاهی محسوب می شود. در این تنش، نمونه شروع به شکست می کند.

ترک خوردن تنش محیطی

ترک خوردن تنشی محیطی (ESC) در حقیقت به نام های ترک خوردن حلالی و یا ترک خوردن خوردگی- تنشی نیز معروف است. در واقع این ترک خوردن به دلیل اثر محیط خورنده و اعمال بار، ایجاد می شود. میزان تنش مورد نیاز برای تولید ترک و یا شکست کمتر از حالت بدون مایع می باشد. تنش باقیمانده در حالت یخ زدگی در حضور تنش های اعمالی اضافی، ممکن است به اندازه ای باشد که موجب ترک خوردن می شود. مقاومت مواد پلیمری در برای ESC مقاومت ESC نامیده می شود.
این پدیده مسئول بسیاری از شکست های مواد و محصولات کامپوزیتی- پلیمری در زمان سرویس دهی می باشد. یک مثال کلاسیک از این پدیده، می تواند در زمانی مشاهده شود که تاریخچه ی توسعه ی بطری های PET امروزی، مورد بررسی قرار می گیرد. این بطری ها در اصل از شیشه ساخته می شدند و شیشه های مورد استفاده دارای شعاع کوچک میان بدنه و بطری و کفی مسطح بوده اند. این طراحی به گونه ای است که در صورت ساخته شده این ظرف از PET، مشکل ESC ایجاد می کرد. این مسئله گاهی اوقات موجب ترکیدن ظرف نوشیدنی در دست مشتری می شود. برای حل این مشکل، طراحی بطری به گونه ای تغییر کرد که بطری دارای کفی کروی بود (شکل 6). در سال 1990، طراحی کنونی مربوط به بطری ها، معرفی شد. این طراحی دارای کفی گلبرگی بود تا بدین صورت از ایجاد لبه های تیز تمرکز تنش، جلوگیری شود.

پیشرفت های ایجاد شده در زمینه ی طراحی بطری های PET برای نوشابه های گازدار دارای نتایج زیادی بود. این نتیجه، موجب کاهش وزن بطری ها و همچنین افزایش مقاومت ESC در این بطری ها شد.
آزمون های مختلفی وجود دارد که بوسیله ی آنها، می توان مقاومت مواد ترموپلاست در برای ESC را اندازه گیری کرد. در این روش ها، بار یا کرنش ثابت بر روی نمونه اعمال می شود و سپس شروع ترک خوردن و میزان انتشار ترک موجود، بررسی می شود. روش های بر پایه ی کرنش ثابت، ارزان قیمت تر و ساده تر هستند.
تعیین مقاومت به ترک خوردن تنشی- محیطی مربوط به پلاستیک ها بوسیله ی آزمون کرنش ثابت شامل روش بیان شده در استاندارد BS EN ISO 4599:1997 می باشد. در این آزمون، قطعه ی آزمون پیش از وارد شدن به یک مایع، در داخل یک بخش، محدود می شود. مقادیر مختلفی از کرنش بوسیله ی شعاع مختلف قطعه ی محدود کننده، ایجاد می شود. یک روش جایگزین برای تعیین ESC، استفاده از آزمون کرنش ثابت و یا روش غوطه وری پینی است (بر پایه ی استاندارد BS EN ISO 4600: 1998). این آزمون از یک پین یا گلوله استفاده می کند. این آزمون برای محصول نهایی و نمونه های آزمون، مناسب است.
یکی دیگر از روش های کرنش ثابت بوسیله ی آزمایشگاه Bell در آمریکا، توسعه یافته است. از این روش برای بررسی میزان کارایی ESCR پلی اتیلن استفاده می شود و بنابراین آزمون بیان شده در بالا، در استاندارد ASTM D1693-10 آورده شده است. ادوات موجود سپس در داخل محلول شیمیایی خاص وارد می شود (شکل 7). تیوب آزمایش آب بندی می شود و در داخل یک حمام بخار دما ثابت قرار داده می شود. نمونه ها، به صورت دوره ای مورد بررسی قرار می گیرد و میزان ترک خوردن مورد بررسی قرار می گیرد. ترک ها معمولاً به صورت عمود بر شکاف موجود در نمونه ایجاد می شود و به صورت شبکه ای گسترش می یابد. واحدهای شکسته شده و نفوذ ترک، ادامه می یابد.

استاندارد BS EN ISO 6252: 1998 یک روش کششی- تنشی ثابت برای تعیین ESC مواد پلاستیکی است. یک نمونه ی دمبلی شکل در داخل یک ماده ی شیمیایی خاص وارد می شود و بار کششی بر روی واحد اعمال می شود. زمان شکست در این روش، اندازه گیری می شود.

خستگی و سایش

این خواص نشاندهنده ی پاسخ ماده در برابر بارگذاری دینامیکی است. خستگی در واقع بیانی از تضعیف شدن پیشرونده و در نهایت شکست ماده به دلیل نوسانات مکانیکی می باشد. تقریباٌ تمام بخش های متحرک، می تواند از این نوع از شکست، رنج ببرند. برای مثال، تایرها، بلبرینگ ها، دنده ها، ملخ هلی کوپتر، موتورها، نوار نقاله، وسایل ورزشی و بخش های دیگر.

خستگی

آزمون خستگی که در واقع آزمونی متفاوت نسبت به روش آزمون حرارتی- مکانیکی در حالت دینامیکی است، برای تعیین خستگی یک بخش و تعیین عمر مفید آن استفاده می شود.
آزمون خستگی می تواند تحت هر حالت بارگذاری انجام شود و همچنین در یک فرکانس معین بین یک گروه از تنش ها و یا کرنش ها، انجام می شود. این آزمون ها به طور نرمال با اعمال همزمان سیکل های دینامیکی و استاتیکی بر روی نمونه انجام می شود. حالت بارگذاری ممکن است به صورت کششی- کششی و یا فشاری- فشاری انجام شود. آزمون در یک محیط خاص انجام می شود و تحت شرایط آزمایشگاهی استاندارد می باشد. البته در بخش های صنعتی خاص مخصوصاً زمانی که دغدغه های ایمنی وجود دارد، قطعات پایانی و نهایی نیز تحت آزمون خستگی قرار می گیرند. شکل 8 نشاندهنده ی آزمون خستگی یک صندلی است.

در مقایسه با فلزات، پلاستیک ها دارای خاصیت ویسکوالاستیک هستند و دارای رسانایی گرمایی کمتری می باشند. بنابراین، پلاستیک ها مستعد گرم شدن های ناگهانی در طی آزمون می باشند. ب توجه به این مسئله، این آزمون ها برای پلاستیک ها در فرکانس های پایین انجام می شود. حرارت تولید شده در نمونه موجب کاهش مقاومت به خستگی می شود. این مسئله در صورتی بروز می کند که دما، به دمای T_g نزدیک شود.
برخی روش های آزمون استاندارد برای خستگی وجود دارد مثلا استاندارد ASTM E1823-10a و استاندارد BS 3518-1: 1993. کرنش دامنه ای ثابت تحت خستگی محوری کنترل می شود. روش آزمون برای مواد فلزی طراحی شده است. تنها روش مورد استفاده برای مواد پلیمری، استاندارد ASTM D671-93 است. یک مشکل که در اینجا ایجاد می شود.
آزمون خستگی به طور نرمال، در سیستم هیدرولیکی انجام می شود که دارای انعطاف پذیری بالا در انتخاب پارامتر می باشد. در آزمون واقعی که برای مثال، در حالت با دامنه ی بار کنترل شده، انجام می شود، یک تنش ماکزیمم (S_max) و تنش مینیمم (S_min) انتخاب می شود و نسبت تنش ها با تقسیم تنش مینیمم بر تنش ماکزیمم، بدست می آید. نمونه تحت فرکانس معین تحت آزمایش قرار می گیرد تا بشکند و تعداد سیکل خستگی (N) بدست می آید (شکل 9). توجه کنید که نقطه ی داده ی اولیه بر روی نمودار S-N باید تنش شکست استاتیک باشد که به صورت تنش نرمال بیان می شود (یعنی میزان آن نسبت به تنش نهایی (UTS)).

سایر نتایج ممکنه در آزمون خستگی، شامل نمودار زوال مدول است که داده های خوبی در مورد مدول به ما می دهد. آزمون عمر مفید خستگی نمونه را به ما می دهد و به صورت نمودار S-N می باشد.
سایش
سایش یک ویژگی اساسی مواد می باشد. در حقیقت، سایش با چسبندگی محلی، خستگی و فاکتورهای دیگری همراه است که در واقع به نوع ماده وابسته می باشد. داده های بدست آمده برای آزمون خستگی، عمدتاً برای مقایسه ی مواد مختلف، مناسب است. آزمون سایش عمدتاً میزانی از اتلاف وزن نمونه است که به صورت اتلاف حجمی بیان می شود. برخی اوقات، این سایش با کاهش در ضخامت و یا میزان شفافیت و یا شیشه ای بودن پوشش، تعریف و اندازه گیری می شود.
روش استاندارد اصلی برای اندازه گیری مقاومت به سایش مواد پلیمری آزمون سایش Taber است که با توجه به استاندارد ISO 9352: 1995 یا ASTM D1044-08 تدوین می شود. در آزمون ISO 9352: 1995، دو غلطک که با کاغذ سنباده پوشانده شده است، بر روی سطح می چرخد و میزان سایش و تعداد سیکل ها تحت بار معین، اندازه گیری می شود (شکل 10). دامنه ی سایش به میزان و گرید محیط ساینده و نیروی اعمالی بر روی چرخ ها، وابسته می باشد. نتیجه نیز به صورت میزان اتلاف بر حسب میلی گرم بر هر سیکل، بیان می شود. آزمون استاندارد ASTM D1044-08 تغییر در ناصافی نمونه را به عنوان مقاومت به سایش، بیان می کند.

در واقع اصطکاک، می تواند همچنین به عنوان مقاومت در برابر حرکت در زمانی تعریف شود که دو زیرلایه بر روی هم می لغزند. این سایش در حقیقت با نیروی نرمال فشاری میان سطوح، تعریف می شود و خاصیت مربوط به ضریب اصطکاک به عنوان نسبت نیروی سایشی در حالت نیروی نرمال، تعریف می شود. یکی از روش های آزمون استاندارد، در استاندارد BS EN ISO 8295:2004 بیان شده است. سایر آزمون ها نیز وجود دارد که برای کاربردهای خاص، استفاده می شوند. برای مثال، برای کف، که در واقع خاصیت ضد لغزندگی مهم است، یک روش پاندولی، استفاده می شود (شکل 11).