فهم الهشاشة في المواد

تخيل إسقاط القدح القهوة المفضل لديك على أرضية المطبخ - يحطم إلى قطع حادة. الآن تصور شاشة الهاتف الذكي SpiderWebbing بعد السقوط ، أو جدار خرساني غير معروف أثناء الزلزال. هذه الأمثلة اليومية تسلط الضوء على الهشاشة ، وهي خاصية مادية يمكن أن تؤدي إلى كسر مفاجئ دون سابق إنذار. الهشاشة مهمة للسلامة والموثوقية: يمكن أن يفشل مكون هش في مبنى أو جسر أو منتج كارثيًا إذا لم يتم حسابه. يقدم History تذكيرات صارخة - على ما يرام RMS Titanic ، الذي أصبح الفولاذ هشًا في مياه المحيط الأطلسي الباردة وتصدع على التأثير بدلاً من الانحناء ، والمساهمة في الكارثة. يهتم المهندسون والمصممون بالاهتمام بشكل وثيق لأنه ، على عكس مواد الدكتايل التي تنحني أو تمتد ، تميل تلك الهشة إلى التقاط الإجهاد.

يستكشف هذا المنشور ماهية الهشاشة وكيف يختلف عن الصلابة والصلابة. وهذا ما يفسر أيضًا سبب كون المواد مثل الزجاج أو الحديد الزهر هشًا ، وكيف نختبر وتخفيف الهشاشة في التصميم الهندسي.

ما هو هشاشة؟

يشير الكريمة في علوم المواد إلى ميل المادة إلى كسر مع تشوه بلاستيكي ضئيل أو معدوم مسبقًا. ببساطة ، لا تنحني المواد الهشة أو تمتد كثيرًا - إنها تنكسر. إذا حاولت ثني كائن هش ، فسوف يصطدم أو يلتقط على الفور تقريبًا بدلاً من الخضوع للتشوه البلاستيكي. هذا هو عكسليونة، قدرة المادة على الحفاظ على تشوه كبير من البلاستيك (على سبيل المثال ، يتم رسمها في سلك أو عازمة) قبل الفشل. يمكن ثني المعادن الشديدة الدكتايل (مثل النحاس أو الذهب) ، أو تمتد ، أو يتم رسمها بشكل كبير ، في حين أن المواد الهشة (مثل الزجاج أو السيراميك) بعد سلالة مرنة صغيرة فقط.

الهشاشة مقابل ليونة ، صلابة ، صلابة

إن مقارنة الهشاشة والليونة تعود إلى مقدار ما يمكن أن تشوه المادة بشكل بلفيس قبل الكسر. المادة الهشة لها ليونة منخفضة للغاية وتصل إلى نقطة الانهيار عند سلالة صغيرة ؛ يمكن للمرء أن يحافظ على تشوه بلاستيكي كبير. في المعادن ، هناك قاعدة مشتركة تتمثل في أن الاستطالة عند الاستراحة ≲ ~ ~ 5 ٪ تسمىهش، في حين يعتبر ≳ ~ 5 ٪الدكتايل(تعتمد على المواد والاختبار ؛ السيراميك والزجاج عادة ما يكونون أقل بكثير من 1 ٪). من الناحية العملية ، تعطي المواد الهشة القليل من التحذير - فهي لا تنحني بشكل واضح أو الرقبة قبل التقاط. على أمنحنى الإجهاد -، تُظهر مواد الدكتايل العائد ومنطقة بلاستيكية طويلة ، في حين أن المواد الهشة تقريبًا مرنة تصل إلى كسر مفاجئ مع الحد الأدنى من اللدونة.

صلابةيصف الطاقة التي تمتصها المادة قبل التكسير (فكر: المنطقة تحت منحنى الإجهاد والضغط). يزداد عادة عندما تجمع المادة بين القوة العالية والليونة الجيدة ؛ إنها ليست "عكس" الهشاشة الصارمة. الإطارات المطاطية صعبة لأنه يشوه ويمتص التأثير ؛ الزجاج الصلب هش لأنه لا يمكن أن يشوه بشكل بلوبي ، لذلك يمكن أن تجعل ضربة حادة.

صلابةهو مفهوم مختلف - إنه مقاومة الخدش والمسافة البادئة المحلية. يمكن أن تكون المواد صعبة للغاية ولكنها هشة. Diamond ، على سبيل المثال ، يقاوم الخدش ، ولكن ، التي تفتقر إلى اللدونة ، يمكن أن ترقص أو تلتصق تحت ضربة حادة. على العكس من ذلك ، يمكن لشيء ناعم نسبيًا (مثل المطاط) أن يقاوم التكسير على التأثير لأنه يمكن أن يشوه. باختصار ، تتعلق الصلابة بمقاومة التشوه الموضعي ، في حين أن الهشاشة تصف سلوك الكسر.

أمثلة على المواد الهشة وكيف تفشل

العديد من المواد اليومية والصناعية تظهر سلوك هش. فيما يلي بعض الأمثلة وكيف تفشل تحت الضغط:

زجاج:الزجاج العادي (مثل زجاج النافذة أو كوب الشرب) هو مادة هشة كلاسيكية. إنه صعب للغاية وقوي في الضغط ، ولكن تحت إجهاد الشد أو التأثير ، لا يمكن أن يشوه بشكل بلوبي. أسقط كوبًا على أرضية صلبة ويكسر عادةً إلى شظايا كبيرة حادة. الفشل هو عن طريق انتشار الكراك: بمجرد أن تبدأ عيب صغير أو نقطة تأثير في صدع ، يتسابق عبر الزجاج دون تشوه البلاستيك تقريبًا. تأتي هذه الهشاشة من هيكلها: شبكة السيليكا جامدة وغير متبلورة ، وعلى عكس المعادن ، لا توجد خلعات متنقلة لتخفيف التوتر. ومن المثير للاهتمام ، أن العلاجات الخاصة يمكن أن تغير كيف تنهار الزجاج-على سبيل المثال ، الزجاج المقسى ، الذي ينتج عن المعالجة بالحرارة لإدخال ضغوط الضغط السطحية ، لا تزال هشة ولكنها تميل إلى اقتحام قطع صغيرة تشبه الزهر (وبالتالي "زجاج الأمان"). الزجاج المغطى ، المستخدمة في الزجاج الأمامي ، يربط بين الزجاج اثنين من الطبقة البينية البلاستيكية (عادةً PVB) ، لذلك عندما تشكل الشقوق ، يمسك الطبقة البينية بالقطع معًا. تخفف هذه العلاجات من وضع الفشل ، ولكن الفشل في الأساس يفشل عن طريق التكسير ، وليس الانحناء.

السيراميك:السيراميك هشة بالمثل. ضرب مزهرية من السيراميك من الرف وسوف تتوقف أو تحطيم بدلاً من دنت. من الناحية الهيكلية ، تكون السيراميك مرتبطًا بأيونيًا و/أو تساهميًا وغالبًا ما تكون متعددة الكريستالات (تحتوي الخزف أيضًا على مرحلة زجاجية). في لوحة الخزف ، على سبيل المثال ، الشبكة الذرية جامدة ؛ عندما تتوتر ، لا يمكن للطائرات الذرية أن تنزلق بسهولة. في المواد الصلبة الأيونية ، يجلب تحول صغير للأيونات المشحونة جنبًا إلى جنب ، ويبدها بقوة ، ويبدأ الكراك. نظرًا لأن حركة الخلع محدودة والروابط اتجاهية ، فإن السيراميك لها صلابة عالية وقوة ضغط ولكنها تميل إلى التخلص من التوتر أو الانحناء. عندما تفشل ، تكون أسطح الكسر نظيفة وعادة ما تكون على طول الطائرات البلورية (الانقسام). يتطور بلاط السيراميك الذي تم تحميله خارج قدرته على تشققات تنتشر عبر الجسم وتتكسر بكسر نظيف يشبه الزجاج ، مع عدم وجود عائد مرئي تقريبًا.

الحديد الزهر (وخاصة الحديد الزهر الرمادي):الحديد الزهر هو معدن ، لكن بعض الدرجات هشة. إذا كنت قد شاهدت من أي وقت مضى كتلة محرك من الحديد المصبوب أو صدع أنابيب من الحديد المصبوب ، فقد شهدت كسرًا هشًا. يحتوي الحديد الزهر الرمادي (المسمى باللون الرمادي لسطح الكسر) على محتوى كربون مرتفع نسبيًا ؛ يشكل الكربون رقائق الجرافيت الموزعة في جميع أنحاء مصفوفة الحديد. تتصرف هذه الرقائق مثل الشقوق الداخلية ومركبات الإجهاد القوية ، بحيث لا يمكن للمعدن أن يمتد كثيرًا قبل أن ينكسر. نتيجة لذلك ، يكون الحديد الزهر قويًا جدًا في الضغط (عند دعمه بالتساوي) ولكن يمكن أن يفشل فجأة في التوتر أو تحت التأثير. في المقابل ، فإن الحديد (العقدي) هو الحديد الزهر المعدل الذي يتم فيه تحفيز الجرافيت لتشكيل العقيدات الكروية (عادةً عبر معالجة المغنيسيوم) ؛ إنه أقل هشًا وسوف يتشوه تحت التأثير بدلاً من التحطيم. سنناقش ذلك بشكل أكبر في قسم التصميم.

أسمنت:قد تبدو الخرسانة صلبة وتشبه الصخور (وهي) ، لكنها مثال آخر على مادة هشة. تحت الضغط ، تكون الخرسانة قوية جدًا ويمكن أن تحمل أحمالًا كبيرة جدًا. ومع ذلك ، تحت التوتر (السحب أو الانحناء) ، تشققات خرسانية عادي بسهولة. يشكل مزيج من عجينة الأسمنت والكليث المعدني الصلب مصفوفة صلبة مع قدرة محدودة للغاية على التدفق البلاستيكي ، لذا فإن سلالات الشد الصغيرة تفتح microcracks التي تتجمع بسرعة. لهذا السبب تعتبر الخرسانة المسلحة شائعة جدًا: حديد التسليح الصلب مضمن لحمل التوتر وإضافة ليونة (والصلابة). يمكن أن ينتج عن الصلب ويمتد ، ويجمع القسم معًا ويوفر تحذيرًا - تشكل الكلبات ويتوسع تدريجياً - من الانهيار الهش المفاجئ.

مواد هشة أخرى:هناك العديد من الأمثلة الأخرى. يمكن أن يكون فولاذ الأدوات العالي الكربون أو الصلبة هشًا إذا لم يخفف. قد ينطلق ملف أو شفرة سكين صلبة للغاية عندما ينحني لأن أعلى الكربون والصلابة يقللان من ليونة. الجرافيت ، كما هو الحال في قلم رصاص "Lead" ، هش: يتيح هيكله الطبقات الطائرات لترك علامة ، ومع ذلك فإن العصا تنكسر بسهولة تحت قوة متواضعة. بعض البوليمرات هشة للغاية. يميل البوليسترين (البلاستيك الصلب المستخدم في أدوات المائدة المتاح وحالات الأقراص المضغوطة القديمة) إلى التقاط بدلاً من الانحناء.

لماذا بعض المواد هشة؟

لفهم الهشاشة ، فإنه يساعد على النظر إلى ما يحدث داخل مادة على المقاييس الدقيقة والذرية. تختلف المواد في روابطها الذرية والبنى المجهرية ، وتحدد هذه الاختلافات كيفية استجابةها للإجهاد.

في المعادن البلورية ، عادة ما تتيح الترابط المعدني المقلوب وخلع الأجهزة المحمولة تدفق البلاستيك. عندما يكون الانزلاق سهلاً ، يتم إعادة توزيع الإجهاد وينفجر نصائح الكراك. عندما يكون الترابط اتجاهيًا للغاية أو يوفر البلورة أنظمة الانزلاق القابلة للتشغيل ، يتم تقييد اللدونة ؛ يركز الإجهاد حتى ينوي الكراك وينتشر.

ثم تقرر البنية المجهرية كيف ينمو هذا الكراك. تعمل الادراج الحادة ، والمراحل الثانية الصلبة ، أو المسام ، أو الواجهات الضعيفة كمواقع إطلاق ومسارات للشقوق. درجة الحرارة والضغط مهم أيضًا: انخفاض درجات الحرارة أو ارتفاع معدلات الإجهاد في الحدود ، مما يدفع السلوك نحو كسر هش. يمكن للبيئة أن ترفع التوازن-يسرع الهيدروجين المميت التكسير ، في حين أن التدهور الحدود للحبوب (على سبيل المثال ، التآكل بين الخلايا أو فصل الشوائب) يقلل من التماسك على طول الحدود.

ببساطة ، تظهر الهشاشة عندما تكون الإقامة البلاستيكية نادرة وتسيطر على قوى القيادة. إذا لم تتمكن المادة من تحريك الاضطرابات بحرية أو تبدد الطاقة عند طرف الكراك ، فإن الفشل مفاجئ ولا يعطي تحذيرًا ضئيلًا.

كيفية قياس أو اختبار هشاشة؟

نظرًا لأن الهشاشة تدور حول سلوك المادة تحت الضغط (التكسير مع القليل من التشوه) ، لا يوجد "رقم هشاشة" واحد يمكنك البحث عنه مثل الكثافة أو نقطة الانصهار ؛ بدلاً من ذلك ، يميز المهندسون بشكل غير مباشر اختبارات ليونة ، وقوة الكسر ، وتأثير الطاقة.

واحدة من الطرق القياسية لقياس السلوك الهش هو اختبار الشد. يتم سحب عينة عظم الكلاب بينما يتم تسجيل الإجهاد والضغط لتوليد منحنى الإجهاد والضغط. الاستجابة الهشة هي مسار خطي مرن تقريبًا لكسر مفاجئ ، مع منطقة محنة ضئيلة أو معدومة. هناك مؤشران سريعان - التراجع عند كسر المنطقة وتقليلها - هي مقاييس ليونة (وتشير عكسيا إلى هشاشة). ستظهر مادة هشية استطالة منخفضة والحد الأدنى من المساحة (القليل أو معدومة). بالنسبة للمعادن ، قم بإعداد اختبار وإعداد التقارير ، اتبع ASTM E8.

في اختبار التأثير من فئة V-charpy ، يتم ضرب الشريط المسحوق بواسطة البندول المتأرجح ويتم تسجيل الخسارة في طاقة البندول (من التغيير في ارتفاع الأرجوحة) كطاقة ممتصة في joules (J). انخفاض الطاقة الممتصة تشير إلى استجابة هشة. الطاقة العالية تشير إلى الصلابة. نظرًا لأن النتيجة تعتمد على حجم العينة وهندسة الشق ، فمن الأفضل استخدام طاقة charpy للمقارنات ودراسات درجة الحرارة ، وليس بمثابة ثابت مادة أساسية. يقوم إجراء الاختبار في درجات حرارة متعددة بتعيين انتقال الدكتتيل إلى البطيء. يقرأ المهندسون أيضًا سطح الكسر: تشير ميزات ساطعة ووجه/انشقاق إلى كسر هش ، في حين يشير المظهر الليفي الباهت إلى استراحة الدكتايل.

التدبير الرئيسي الآخر هو صلابة الكسر في خطوط الطائرة (ك_IC) ، معلمة ميكانيكا الكسر التي تحدد مقاومة المادة لنمو الكراك. يتم تحديده من الاختبارات الدقيقة على العينات المسبقة مسبقًا ويمثل عامل شدة الإجهاد الحاسم الذي يبدأ فيه الصدع في التمدد. مواد هشة منخفضة k_ICوبالتالي سوء تحمل العيوب - يمكن أن تسبب الشقوق الصغيرة الفشل في الإجهاد المنخفض نسبيًا ، في حين أن مواد الدكتايل الصعبة لها K عالية_ICويمكن أن تشققات صريحة أو اعتقال. يستخدم المهندسون بيانات كسر الكسر لوضع أحجام العيوب المسموح بها وتصميمها ضد الكسر المفاجئ في الخدمة.

كيفية منع الفشل الهش في التصميم الخاص بك

نظرًا لأن الهشاشة يمكن أن تؤدي إلى إخفاقات مفاجئة وكارثية ، فقد طور المهندسون استراتيجيات للتعامل معها - إما عن طريق اختيار مواد مختلفة أو عن طريق تعديل المواد والتصميمات لجعل السلوك الهش أقل خطورة.

• اختيار المواد والعلاج

إن أبسط طريقة لتجنب الإخفاقات الهشة هي اختيار مادة أكثر دقة للأجزاء في التوتر أو الانحناء أو التأثير. غالبًا ما يفضل المصممون الهيكليون الفولاذ أو سبائك الألومنيوم التي ستنتج وتنحني قبل الانهيار. عندما تكون هناك حاجة إلى خصائص مثل الصلابة العالية ، أو القدرة على درجة الحرارة العالية ، أو السلوك الكهربائي المحدد-مما يدل على خيارات هشة بطبيعتها (على سبيل المثال ، السيراميك الفني ، الزجاج المعروض)-تعمل هندسة على تحسين الصلابة من خلال المعالجة. في الفولاذ ، فإن الهياكل المجهرية ذات الكربون العالية الصلبة صعبة للغاية ولكنها هشة ؛ تتداول تقع قليلاً صلابة لتحقيق مكاسب كبيرة في المتانة. يقدم الحديد الزهر علبة أخرى: الحديد الرمادي هش بسبب فليك الجرافيت ؛ إضافة كميات صغيرة من Mg أو CE تنتج الحديد (عقدي) مع الجرافيت الكروي ، مما يقلل من تركيزات الإجهاد وتحسين ليونة ومقاومة التأثير بشكل ملحوظ.

• المواد المركبة

الجمع بين مصفوفة هشية مع مرحلة أكثر الدكتايل يثير الصلابة. الأزواج الخرسانية المسلحة الملموسة (هش) مع حديد التسليح الصلب (الدكتايل) بحيث يمكن أن يحمل القسم التوتر وتجنب الانهيار المفاجئ. وبالمثل ، قامت البوليمرات التي تعزز الألياف ومركبات المصفوفة السيراميكية بتضمين الألياف الزجاجية أو الكربون أو الأراميد التي تشققات الجسور ، ومسارات الانحراف ، والانسحاب ، وزيادة الطاقة المطلوبة لنمو الكراك (صلابة الكسر الأعلى).

• تصميم هندسة وعوامل السلامة

تقليل مُحوِّنات التوتر عن طريق تجنب الزوايا والحواف الحادة ؛ استخدام شرائح سخية. يُضاف السماكة أو الأضلاع التي تكون فيها الأحمال أعلى - ورقة زجاجية رقيقة تكسر بسهولة أكبر بكثير من جزء سميك. بالنسبة للسيراميك والزجاج ، فإن إحداث ضغط السطح (على سبيل المثال ، التهدئة) يعزز الصلابة الواضحة من خلال طلب الضغط الشد العالي لبدء صدع. نظرًا لأن الأجزاء الهشة تعطي القليل من التحذير ، فإن المصممين يستخدمون أيضًا عوامل أمان أعلى وجدولة عمليات التفتيش العادية ؛ في الفضاء ، على سبيل المثال ، يتم فحص المكونات التي يمكن أن تتصرف بطريقة هشة بالأشعة السينية أو الموجات فوق الصوتية للشقوق الداخلية.

• الرقابة البيئية

درجة الحرارة والبيئة تحول كيف تشوه المواد والكسر. إذا أصبحت سبيكة هشة في درجات حرارة منخفضة ، فقم بتعيين درجة حرارة الخدمة الحد الأدنى أو حدد درجة مع درجة حرارة انتقالية منخفضة إلى الانتقال للمناخات الباردة. وبالمثل ، إذا كان التقاط الهيدروجين عبارة عن خطر (تحتضن الهيدروجين في الفولاذ عالي القوة) ، استخدم الطلاءات والعمليات الوقائية التي تقلل من الشحن ، وأداء الخبز (إلغاء التغلب الحراري) لدفع الهيدروجين الممتص.

• الفشل في التكرار

في التطبيقات الهامة ، افترض أن الشقوق يمكن أن تشكل وتصميم مسارات تحميل زائدة وميزات آمنة من الفشل. تستخدم الزجاج الأمامي المصفوفة طبقة داخلية بلاستيكية (على سبيل المثال ، PVB) بحيث إذا كانت الشقوق الزجاجية ، تظل شظايا مرتبطة بدلاً من أن تصبح شظايا خطرة. قد تتضمن أوعية الضغط وخطوط الأنابيب مملوكات الكراك أو البناء المغطى بالطبقة/المجزأة ، وبالتالي فإن الصدع السريع يفقد القوة الدافعة ويتوقف. الهدف بسيط: منع صدع هش واحد من التتابع إلى فشل كارثي.

خاتمة

لقد رأينا أن الهشاشة هي في الأساس عدم وجود ليونة وصباقة: يمكن أن تتحمل مواد مثل الزجاج والسيراميك والخرسانة والحديد الزهر إلى حد ما ، ثم تفشل فجأة. يستمر المهندسون والعلماء في رفع عتبات الفشل الهش-في تطوير سبائك ومركبات أكثر صرامة ، وتحسين ليونة من خلال المعالجة ، وتصميم الهياكل التي تقاوم الفشل المفرد.

إذا كنت تعمل على تصميم يستخدم مواد هشة ، فقد وصلت إلى المكان الصحيح. في Chiggo ، يعمل خبراء التصنيع لدينا عبر مجموعة واسعة من المواد والعرضتصنيع CNC، الطباعة ثلاثية الأبعاد ، صب الحقن ، وورقة تصنيع المعادن. ستحصل على الأجزاء عالية الجودة التي تحتاجها-السريع.قم بتحميل التصميم الخاص بك اليوم!

التعليمات

هل الهشاشة ملكية مادية؟

نعم. الهشاشة هي خاصية ميكانيكية (مجموعة فرعية من الخصائص الفيزيائية): يصف ميل المادة إلى كسر مع القليل من التشوه البلاستيكي تحت الضغط. إنه ليس رقمًا جوهريًا ؛ يعتمد تعبيره على درجة الحرارة ، ومعدل الإجهاد ، والبنية المجهرية ، والعيوب ، ويتم تقييمه بشكل غير مباشر (على سبيل المثال ، الاستطالة عند الاستراحة ، التأثير على الطاقة ، صلابة الكسر).

ما هو الفرق بين "هش" و "هش؟"

الهشة هي صفة عامة على مستوى الكائن: شيء ما تضرر بسهولة أو مكسور في التعامل أو الخدمة ، غالبًا لأنه رفيع أو مدعوم بشكل سيء أو تدهور. إنه مستقل عن الصلابة والتصلب.