رشد ترک زیربحرانی

What is the difference between subcritical crack growth and stable crack propagation?

Hi! If you are looking for differences between subcritical crack growth and stable crack growth, don’t hesitate to contact me; admin [at] mfakouri.ir. I will translate this text for you. Regards, Masood

رشد آهسته ترک[۱] قبل از شکست ناگهانی[۲]

در مواد ترد یا با رفتار مومسان محدود، هنگامی‌که فاکتور شدت تنش[۳] (K_I) در رأس ترک به مقدار بحرانی[۴] (K_IC) برسد، انتظار آن است که ترک به صورت ناگهانی رشد کند و شکست اتفاق افتد. به این نوع پیش‌روی ترک، رشد ترک ناپایدار[۵] گفته می‌شود که تا زمان شکست کامل قطعه متوقف نمی‌شود. به‌طور معمول مقدار K_IC به‌عنوان یک خاصیت ماده مستقل از شرایط بارگذاری و طول ترک است، و مقدار K_I نیز با افزایش تنش اعمالی و/یا طول ترک افزایش یابد. در آزمون‌های مکانیکی با بارگذاری یکنواخت و یا با تنش ثابت، انتظار آن است که ترک در یکی از دو حالت ذیل باشد.

• K_I < K_IC و رشد نمی‌کند.
• مقدار K_I به K_IC می‌رسد و باعث شکست ناگهانی می‌شود.

اما همیشه این‌گونه نیست. به‌عبارتی، همیشه شروع رشد ترک موجب تخریب یا شکست قطعه نمی‌شود، و ترک می‌تواند برای مدتی به‌صورت آهسته رشد کند. رشد آهسته ترک در یکی از سه دسته ذیل قرار می‌گیرد [۲۸۳].

الف- رشد ترک زیربحرانی[۶] (SCG)

در این حالت اگرچه K_I < K_IC، اما ترک رشد می‌کند. این ترک به رشد آهسته خود ادامه می‌دهد و به‌محض رسیدن به طول بحرانی، قطعه را دچار شکست می‌کند. به این نوع شکست، تخریب با تأخیر[۷] گفته می‌شود. در قطعاتی که در معرض یک ماده خورنده تحت تنش قرار می‌گیرند معمولاً SCG رخ می‌دهد. در واقع خوردگی تحت تنش (SCC[8]) در رأس ترک موجب رشد آن می‌شود. رشد ترکِ خستگی نیز نوعی رشد ترک زیربحرانی (SCG) است. در آزمون فروبری[۹] گاه مشاهده‌می‌شود که ترک‌ها بعد از باربرداریِ کامل نیز به رشد خود ادامه می‌دهند. تنش‌های باقی‌مانده از آزمون فروبری باعث افزایش طول ترک‌های زیربحرانی حتی تا چند روز بعد از آزمون می‌شود [۲۸۶].

هرچه میزان بار یا نرخ بارگذاری بیش‌تر باشد، زمان تا شکست کاهش پیدا می‌کند. در صورت وجود SCG، نرخ بارگذاری بر استحکام اندازه‌گیری‌شده تأثیر می‌گذارد. در واقع با افزایش نرخ بارگذاری، K_I سریع‌تر به K_IC ماده خواهد رسید و ترکِ زیربحرانی فرصت کم‌تری برای رشد پیدا خواهد کرد. در نتیجه، با توجه به K_IC ثابت ماده و طولِ کوتاه‌تر ترک، ماده در تنش‌های بالاتری خواهد شکست.

ب- رشد ترک پایدار[۱۰]

در این حالت، مطابق با نظریه گریفیث[۱۱]، هنگامی‌که K_I به K_IC برسد ترک رشد می‌کند. تفاوت در آن است که بعد از شروع رشد ترک، نه‌تنها شکست ناگهانی رخ نمی‌دهد بلکه سرعت رشد ترک به‌تدریج کم نیز می‌شود. این نوع رشد ترک به یکی از دو شرط ذیل اتفاق می‌افتد.

• شرایط تنش و طرح نمونه به گونه‌ای باشد که با افزایش طول ترک مقدار K_I کاهش یابد. ایجاد ترک در آزمون فروبری نوعی رشد ترک پایدار است. با پایین آمدن نوک فرورونده، کرنش مشخصی در گوشه‌های اثر ایجاد می‌شود. با رشد ترک و افزایش بازشدگی آن، کرنش ایجادشده به‌تدریج دفع می‌شود. درنتیجه نیرومحرکه رشد ترک یا همان K_I به‌تدریج کاهش می‌یابد و ترک متوقف می‌شود. باید توجه داشت که ادامه رشد ترک بعد از خروج نوک فرورونده، نوعی رشد ترک زیربحرانی است.
• مقدار K_IC ثابت نباشد و سریع‌تر از K_I افزایش یابد. این همان رفتار R-Curve است، یعنی ماده با افزایش طول ترک مقاومت بیش‌تری در برابر رشد آن نشان می‌دهد، یا به اصطلاح چقرمه‌تر می‌شود. مکانیزم‌های استحاله فازی[۱۲]، ایجاد ریزترک‌ها[۱۳]، پل زدن در عقبه ترک[۱۴]، انحراف ترک[۱۵] و چندشاخه‌شدن رأس ترک[۱۶] و یا کور کردن رأس آن[۱۷] از عمده عوامل پدیده R-Curve در سرامیک‌های کامپوزیتی یا چندفازی است.

ج- رشد ترک خنثی[۱۸]

با افزایش طول ترک، مقدار K_I در حالت‌های رشد ترک پایدار و ناپایدار به‌ترتیب کاهش و افزایش می‌یاید. در حالتی خاص مقدار K_I مستقل از طول ترک و وابسته به شرایط اعمال تنش است که به آن رشد ترک خنثی گفته‌می‌شود. برای مثال در آزمون تیر یک‌سرگیردار دولبه (DCB) با تغییر گشتاور اعمالی می‌توان سرعت رشد ترک را کنترل کرد. به‌همین دلیل یکی از روش‌های مناسب برای بررسی رشد آهسته ترک، آزمون DCB است.

[۱] . Slow crack growth

[۲] . Catastrophic failure

[۳] . Stress intensity factor of mode I

[۴] . Mode I critical stress intensity (fracture toughness)

[۵] . Unstable crack growth

[۶] . Subcritical Crack Growth

[۷] . Delayed failure

[۸] . Stress Corrosion Cracking

[۹] . Indentation test

[۱۰] . Stable crack propagation or growth

[۱۱] . Griffith theory

[۱۲] . Phase transformation

[۱۳] . Microcracking

[۱۴] . Crack-face bridging

[۱۵] . Crack deflection

[۱۶] . Crack branching

[۱۷] . Crack tip blinding or blunting

[۱۸] . Neutral crack growth

توجه: هر گونه کپی برداری یا اقتباس از مطالب فوق بدون ذکر منبع (سایت شریف+)، شرعی و اخلاقی مجاز نیست.

منبع: مسعود فکوری حسن آبادی، «رساله دکتری؛ بررسی خواص مکانیکی آب‌بند شیشه-سرامیکی برای پیل سوختی/برق‌کافت اکسید جامد»، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران، ۱۳۹۷.

M. Fakouri Hasanabadi, “Investigation of Mechanical Properties of Glass- Ceramic sealant for Solid Oxide fuel/electrolysis Cells,” Sharif University of Technology, Tehran, Iran, 2018, DOI: 10.13140/RG.2.2.15805.72161/3.