Mikromechanizmy nagłego pękania

Jeśli materiał zawierający pęknięcie znajdzie się pod działaniem dostatecznie dużych naprężeń, pęknięcie staje się niestabilne i zaczyna rosnąc z szybkością zbliżoną do szybkości dźwięku w materiale, doprowadzając katastroficznie do nagłego pękania przy naprężeniu niższym od granicy plastyczności.

Mechanizmy rozwoju pęknięć, 1:plastyczne rozerwanie

W przypadku metali plastycznych otrzymujemy dużą chropowatość powierzchni przełomu. Świadczy to o istotnym odkształceniem plastycznym. Analiza matematyczna zjawiska pokazuje, że w materiale sprężystym lokalne naprężenie przed czołem pęknięcia wynosi:
\sigma_{lokalne}=\sigma+\sigma \sqrt{\frac{a}{2r}}

Lokalne naprężenia rosną zatem w miarę zbliżania się do krawędzi pęknięcia aż do pewnej odległości r_{y}, przy której osiągają wartość odpowiadającą naprężeniu płynięcia plastycznego i następuje odkształcenie materiału.
Strefa uplastycznienia maleje istotnie przy wzroście granicy plastyczności. Pęknięciom w miękkich metalach towarzyszy duża strefa uplastycznienia, pęknięcia w twardych ceramikach tworzą bardzo małą strefę lub nie wytwarzają jej w ogóle.

Istotną cechą wzrostu pęknięcia poprzez plastyczne rozrywanie materiału jest pochłanianie dużej ilości energii związanej z odkształceniem plastycznym. Jest to wytłumaczenie dużej wiązkości plastycznych metali.

Mechanizmy rozwoju pęknięć, 2: łupliwość

Przełom powstały w ceramice lub w szkole jest całkiem inny. Zamiast szorstkiej powierzchni świadczącej o intensywnym odkształceniu plastycznym, stwierdzamy powstanie płaskiej powierzchni pozbawionej charakterystycznych cech geometrycznych, która wskazuje na brak lub bardzo ograniczone odkształcenie plastyczne.

Ceramiki i szkła wykazują duże wartości naprężenia uplastyczniającego powodujące, że odkształcenia plastyczne przy czole pęknięcia jest znikomo małe. Energia wymagana do rozerwania wiązań między atomami jest znacznie mniejsza od energii pochłanianej podczas plastycznego rozrywania materiału odpornego na pękanie, dlatego materiały takie jak ceramika i szkło są kruche.

W niskich temperaturach metale o sieci RPC i HZ stają się kruche i pękają w sposób łupliwy, nawet jeżeli wykazują dużą wiązkość w temp. pokojowej. W metalach o sieci RSC ruch dyslokacji jest wspomagany termiczną aktywacją atomów. W niskiej temperaturze aktywacja ta jest mniej intensywna, więc dyslokacje tak łatwo nie mogą się ślizgać.   Zjawisko to jest nazywane progiem kruchości. Takie konstrukcje stalowe, jak statki, mosty są zatem bardziej narażone na ryzyko awarii zimą niż latem.

Kompozyty, w tym drewno

Kompozyty mają większą odporność na pękanie niż zwykłe polimery. Włókna działają jak hamulce rozwoju pęknięcia. W miarę zbliżania się pęknięcia do włókna narasta naprężenie przed jego czołem, powodując lokalne oddzielenie się osnowy od włókna, co oznacza stępienie się pęknięcia i chwilowe zatrzymanie ruchu. Ale to  zjawisko jest anizotropowe.

Oczywiście istnieją także inne sposoby poprawiania wiązkości polimerów. Jednym z nich jest dodatek różnego rodzaju małych cząstek (wypełniacza), modyfikujących właściwości polimerów.

Unikanie kruchości stopów

Powróćmy na koniec do problemu wiązkości metali i stopów, które stanowią zasadniczą grupę materiałów stosowanych w konstrukcjach przenoszących duże obciążenia.
Należy podkreślić, że obróbka cieplna takich stopów, jak stopy żelaza może prowadzić do powstanie różnych struktur krystalicznych o dużej twardości, a co za tym idzie do o dużej kruchości.

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s

%d blogerów lubi to: