شکنندگی Brittleness

شکنندگی (Brittleness) به عنوان یکی از خواص مکانیکی مواد، مفهومی پیچیده است که در آن ماده تمایل به شکست سریع و ناگهانی بدون تغییر شکل پلاستیک محسوس از خود نشان می‌دهد. این نوع شکست به نام شکست شکننده (Brittle Fracture) شناخته می‌شود و اغلب با ایجاد ترک‌های سریع و بدون هشدار همراه است. این پدیده، ناشی از تعامل بین خواص میکروساختاری، مکانیکی و ترمودینامیکی ماده است و به چگونگی پاسخ ماده به تنش‌های اعمال‌شده مربوط می‌شود.

این پدیده معمولاً در موادی مشاهده می‌شود که استحکام کششی بالایی دارند اما شکل‌پذیری Ductility پایینی از خود نشان می‌دهند. این پدیده در فلزات، به‌ویژه در آهن و فولاد، می‌تواند تأثیرات مخرب زیادی ایجاد کند. برای درک بهتر تئوری شکنندگی، نیاز به بررسی چند جنبه از این پدیده در علم مواد و متالورژی داریم.

شکنندگی چیست؟

شکنندگی را می‌توان به این صورت تعریف کرد:

“خاصیتی از مواد که در آن، شکست در نتیجه تمرکز تنش‌های موضعی و بدون تغییر شکل پلاستیک قابل توجه رخ داده و انرژی ذخیره‌شده در ماده به صورت ناگهانی آزاد می‌شود. این شکست به‌طور معمول در اثر عبور ترک‌ها از میان ساختار بلوری ماده (شکست درون‌بلوری) یا در امتداد مرز دانه‌ها (شکست میان‌بلوری) اتفاق می‌افتد.”

ماهیت شکنندگی

الف) ارتباط بین تنش و کرنش در مواد شکننده

• مواد شکننده معمولاً دارای یک ناحیه الاستیک خطی هستند و پیش از رسیدن به نقطه تسلیم پلاستیک دچار شکست می‌شوند. نمودار تنش-کرنش آن‌ها معمولاً به‌صورت یک خط مستقیم است که ناگهان در نقطه شکست پایان می‌یابد.
• انرژی جذب‌شده توسط ماده پیش از شکست بسیار کم است و این انرژی عمدتاً به شکست سریع ترک‌ها اختصاص می‌یابد.
• در مواد شکننده، نسبت تنش به کرنش بالا بوده و ماده پیش از شکست تغییر شکل زیادی نشان نمی‌دهد.

ب) رفتار انرژی سطحی در شکست شکننده

• بر اساس تئوری گریفیت، شکست در مواد شکننده زمانی رخ می‌دهد که انرژی ذخیره‌شده در ماده بر اثر تنش از انرژی موردنیاز برای گسترش ترک بیشتر شود.
  • انرژی آزاد الاستیک (U_e​) به گسترش سطح ترک (U_s​) تبدیل می‌شود: ΔU=U_e−U_s​
  • در مواد شکننده، به دلیل ناتوانی در جذب انرژی از طریق تغییر شکل پلاستیک، انرژی الاستیک به‌سرعت صرف گسترش ترک می‌شود.
  • مدل گریفیت رابطه بین اندازه ترک، انرژی سطحی و تنش بحرانی برای شکست در مواد شکننده را توصیف می‌کند:
    • $$\sigma_c=\sqrt{\frac{2\gamma E}{\pi a}}$$
      • که در آن:
        • σ_c​: تنش بحرانی برای گسترش ترک.
        • γ: انرژی سطحی ترک.
        • E: مدول الاستیک.
        • a: نیمه‌طول ترک.

ج) تمرکز تنش و مکانیزم شکست

• تمرکز تنش در نوک ترک با رابطه زیر قابل محاسبه است:
  • $$\sigma_t=\sigma(1+2\sqrt{\frac ar})\$$
• در این رابطه:
  • σ_t​: تنش در نوک ترک
  • σ: تنش اعمال‌شده
  • a: طول ترک
  • r: شعاع نوک ترک

تمرکز بالای تنش در نوک ترک یکی از عوامل اصلی شکست شکننده است.

رفتار شکنندگی در ساختارهای فلزی

الف) ساختار کریستالی فلزات

1. ساختار BCC (Body-Centered Cubic):
   • در فلزات BCC (مانند آهن و فولاد ساده کربنی)، به دلیل کم بودن تعداد صفحات لغزش، حرکت نابجایی‌ها محدود است.
   • این ساختار در دماهای پایین رفتار شکننده‌تری نشان می‌دهد.
2. ساختار FCC (Face-Centered Cubic):
   • در فلزات FCC (مانند آلومینیوم یا فولاد آستنیتی)، تعداد صفحات لغزش بیشتر است و ماده معمولاً رفتار چقرمه‌تری دارد.
   • این ساختار کمتر مستعد شکنندگی است، حتی در دماهای پایین.
3. ساختار HCP (Hexagonal Close-Packed):
   • فلزات HCP مانند منیزیم نیز معمولاً رفتار شکننده‌ای دارند، زیرا تعداد صفحات لغزش در این ساختار بسیار محدود است.

ب) میکروساختارها و تأثیر فازها در فولاد

1. مارتنزیت:
   • مارتنزیت ساختاری بسیار سخت و شکننده است. به دلیل وجود تنش‌های داخلی و کم بودن توانایی تغییر شکل پلاستیک، فولاد مارتنزیتی مستعد شکست شکننده است.
2. پرلیت:
   • پرلیت چقرمگی بیشتری دارد، اما در صورت وجود ساختارهای درشت، می‌تواند ترک‌های شکننده را تقویت کند.
3. آستنیت:
   • حضور آستنیت پایدار می‌تواند چقرمگی را افزایش داده و از انتشار ترک جلوگیری کند.
4. فریت:
   • فریت به دلیل قابلیت تغییر شکل بالاتر، رفتار چقرمه‌تری نسبت به مارتنزیت دارد.

مکانیسم‌ های فیزیکی شکنندگی

شکنندگی نتیجه دو مکانیسم اصلی است:

الف) تشکیل ترک و رشد آن

• مواد شکننده معمولاً حاوی نقص‌ها یا ناپیوستگی‌هایی در ساختار خود هستند، مانند ترک‌های میکروسکوپی یا عیوب بلوری.
• این عیوب به عنوان تمرکز تنش عمل می‌کنند، و تحت بارگذاری، ترک‌ها به سرعت رشد کرده و منجر به شکست می‌شوند.

ب) کمبود لغزش در ساختار کریستالی

• در مواد فلزی، تغییر شکل پلاستیک از طریق لغزش (Slip) در شبکه کریستالی رخ می‌دهد.
• در مواد شکننده، لغزش به دلیل ساختار بلوری سخت یا وجود پیوندهای قوی‌تر (مانند پیوندهای یونی یا کووالانسی در سرامیک‌ها) محدود است. این امر باعث کاهش توانایی ماده برای تغییر شکل قبل از شکست می‌شود.

تست هایی برای تحلیل شکنندگی

1. تست ضربه چارپی (Charpy Impact Test)

• ارزیابی انرژی جذب‌شده توسط ماده هنگام شکست.
• تعیین دمای انتقال شکنندگی.
• روش:
  • نمونه‌ها مطابق استاندارد ASTM E23 با شیار V شکل آماده شدند.
  • نمونه‌ها در دستگاه چارپی قرار گرفتند و پاندول با انرژی مشخص به آن‌ها ضربه وارد کرد.
  • انرژی جذب‌شده در لحظه شکست ثبت شد.

2. تست کشش Tensile Test

• بررسی رفتار تنش-کرنش و تعیین تنش شکست.

3. تست شکست مکانیکی (Fracture Toughness Test)

• تعیین پارامترهای K_IC​ و G_c​ برای ارزیابی مقاومت ماده در برابر رشد ترک.
• روش
  • نمونه‌ها با شیار مشخص مطابق استاندارد ASTM E399 آماده شدند.
  • تنش به‌صورت یکنواخت به نمونه‌ها اعمال شد تا شکست رخ دهد.
  • رفتار شکست با استفاده از میکروسکوپ بررسی شد.

4. مطالعات شکست‌نگاری (Fractography)

• تحلیل سطح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای شناسایی مکانیزم شکست (مانند میان‌دانه‌ای یا درون‌دانه‌ای).

5. شبیه‌سازی‌های عددی

• استفاده از روش المان محدود (FEM) برای مدل‌سازی گسترش ترک و پیش‌بینی رفتار شکنندگی.

نتایج

داده‌های شکنندگی مواد:

تحلیل ریزساختار:

• فولاد AISI 1095 دارای ساختار پرلیتی و مقدار زیادی کاربید آهن است که شکنندگی را افزایش داده است.
• چدن سفید به دلیل حضور کاربیدهای آهن و فازهای سخت، رفتار بسیار شکننده‌ای از خود نشان داد.
• سرامیک آلومینا فاقد هرگونه تغییر شکل پلاستیک بوده و شکست به‌صورت ناگهانی و در مسیرهای از پیش تعیین‌شده رخ داد.

بحث و تحلیل

رفتار مواد:

1. فولاد AISI 1095:
   مناسب برای ابزارهای برشی و قطعات مقاوم به سایش، اما شکنندگی آن محدودیت‌هایی ایجاد می‌کند.
2. چدن سفید:
   مقاومت بالا به سایش و حرارت، اما به دلیل شکنندگی، برای قطعات تحت بار ضربه‌ای مناسب نیست.
3. سرامیک آلومینا:
   کاربرد گسترده در محیط‌های با دمای بالا، اما شکنندگی آن نیازمند طراحی‌های ویژه برای کاهش خطر شکست است.

تأثیر دما:

در فولادهای کم‌آلیاژ، با کاهش دما، رفتار شکننده‌تر شده و انرژی جذب‌شده در تست ضربه کاهش می‌یابد.

عوامل مؤثر بر شکنندگی

الف) دمای محیط

• در بسیاری از فلزات، با کاهش دما، شکنندگی افزایش می‌یابد.
• این رفتار در پدیده‌ای به نام شکنندگی انتقالی دما (Ductile-to-Brittle Transition Temperature) مشاهده می‌شود، به ویژه در فولادهای کم‌آلیاژ.

ب) سرعت بارگذاری

• با افزایش سرعت بارگذاری، مواد زمان کمتری برای تغییر شکل پلاستیک دارند و احتمال شکست شکننده بیشتر می‌شود.

ج) ساختار و ترکیب ماده

• موادی با ساختار بلوری سخت‌تر یا با پیوندهای قوی‌تر (مانند سرامیک‌ها) تمایل به شکنندگی بیشتری دارند.

د) وجود ناخالصی‌ها

• ناخالصی‌ها یا عیوب می‌توانند تمرکز تنش ایجاد کنند و باعث رشد ترک شوند.

روش های کاهش شکنندگی در آهن و فولاد

الف) عملیات حرارتی

1. بازپخت (Annealing):
   • کاهش تنش‌های داخلی و افزایش چقرمگی.
2. تمپرینگ (Tempering):
   • کاهش شکنندگی فولادهای مارتنزیتی با اصلاح ساختار میکروسکوپی.
3. نرمال‌سازی (Normalizing):
   • اصلاح ریزساختار و کاهش تمرکز تنش.

ب) بهبود ساختار متالورژیکی

1. ریزکردن دانه‌ها:
   • از طریق کنترل دمای فرآیندهای حرارتی یا افزودن عناصر آلیاژی خاص.
2. کنترل فازها:
   • اطمینان از وجود فازهای چقرمه مانند آستنیت پایدار.

ج) مهار هیدروژن و خوردگی

• استفاده از پوشش‌های محافظ برای کاهش نفوذ هیدروژن.
• افزودن عناصر مقاوم به خوردگی مانند کروم و نیکل.

د) کنترل ترکیب شیمیایی

افزودن عناصری مانند سیلیسیم و نیکل برای بهبود چقرمگی.

کاهش گوگرد و فسفر، که در مرزدانه‌ها تمرکز کرده و رفتار شکننده را تقویت می‌کنند.

مزایا و محدودیت‌های خاصیت شکنندگی

شکنندگی یکی از خواص کلیدی در انتخاب مواد برای کاربردهای مهندسی است. مواد شکننده مانند فولادهای پرکربن، چدن سفید و سرامیک‌های صنعتی معمولاً برای کاربردهای مقاوم به سایش یا دما استفاده می‌شوند، اما در شرایطی که تحمل بارهای ضربه‌ای یا دینامیکی موردنیاز باشد، انتخاب مناسبی نیستند.

مزایا:

• مقاومت بالا در برابر سایش و حرارت.
• پایداری ابعادی در شرایط کاری شدید.

محدودیت‌ها:

• خطر شکست ناگهانی.
• عدم توانایی در تحمل بارهای ضربه‌ای یا دینامیکی.

مثال‌های صنعتی و مطالعات موردی

الف) خرابی پل‌های فولادی:

• شکست ناگهانی پل‌ها مانند پل Silver Bridge ناشی از رشد ترک‌های میان‌دانه‌ای.

ب) مخازن تحت فشار:

• شکست مخازن فولادی در اثر نفوذ هیدروژن یا تنش‌های ناشی از جوشکاری.

ج) سازه‌های دریایی:

• فولادهای مورد استفاده در کشتی‌ها و سکوهای نفتی در معرض شکنندگی ناشی از دماهای پایین و هیدروژن.

جمع بندی خاصیت شکنندگی

شکنندگی به‌عنوان یک خاصیت مکانیکی مهم مواد، به‌ویژه در مواد با استحکام بالا و شکل‌پذیری کم، تأثیرات گسترده‌ای بر طراحی و عملکرد سازه‌های مهندسی دارد. این خاصیت که با شکست ناگهانی و بدون تغییر شکل پلاستیک همراه است، نتیجه تعامل پیچیده‌ای از عوامل میکروساختاری، مکانیکی و ترمودینامیکی است.

بررسی رفتار شکنندگی در مواد مختلف، از جمله فلزات و سرامیک‌ها، نشان می‌دهد که عواملی مانند ساختار بلوری، ریزساختار، دما، و سرعت بارگذاری می‌توانند نقش تعیین‌کننده‌ای در ایجاد یا کاهش این پدیده داشته باشند. با به‌کارگیری تکنیک‌های مختلف، از عملیات حرارتی و اصلاح ترکیب شیمیایی تا کنترل میکروساختار و استفاده از پوشش‌های محافظ، می‌توان شکنندگی را مدیریت کرد. شناخت عمیق‌تر این خاصیت و روش‌های مهار آن، نه‌تنها امکان استفاده بهینه از مواد را فراهم می‌کند، بلکه از وقوع شکست‌های ناگهانی و مخرب در سازه‌های حیاتی جلوگیری می‌کند.