הבנת מקורות המיקרו של Brittle Fracture ב Metals

מתכת יוצרים את עמוד השדרה של תשתיות מודרניות, מגשרים ומשחקים ועד כלי טיס ולחץ. המוניטין שלהם לכוח ודוכסיות הפכו אותם הכרחיים, אבל אפילו המתכת הקשה ביותר יכולה להיכשל באופן קטסטרופלי בתנאים הנכונים.שבר בריטל - קידוד פתאומי ומהיר עם מעט לשבר חומרים לא מפלסטיק - נשאר אחד מתופעות הלוואי המסוכנות ביותר בהנדסת דריסה, שלא ניתן לראות את השבר או למנוע פגיעה משמעותית בחיים, ללא לחץ חיצוני, לעתים קרובות, ללא חשוף עמוק יותר, או זעזועים, ללא זעזועים, או זעזועים קשים יותר, או זעזועים, אשר עלולים קשים יותר, מבלי לגרום לשבר עמוק יותר, מבלי לגרום לשבר עמוק יותר, או לשבר עמוק יותר, ללא זעזועים קשים יותר, או לשבר עמוק יותר, ללא זעזועים קשים יותר, או לשבר עמוק יותר, ללא זעזועים קשים, ללא זעזועים קשים, ללא זעזועים קשים יותר, ללא זעזועים קשים יותר, ללא זעזועים קשים, ללא זעזועים קשים יותר, או זעזועים קשים יותר, ללא זעזועים קשים, ללא זעזועים קשים, או זעזועים קשים יותר, או זעזועים קשים, ללא זעזועים קשים יותר, או זעזוע

ההתנהגות של מתכת תחת עומס היא לא רק פונקציה של ההרכב הגדול שלה; זה מושפע עמוקות מהאדריכלות הפנימית שלה בקנה מידה מיקרומטר וננומטר. גבולות גרנין, חלקיקים דו-phase, הכללות, פירוקים, ו מדגיש השוכן כל לשחק תפקידים קריטיים בקביעת אם חומר לא יצליח באופן דורקטיבי או מתפתל.

מה זה Brittle Fracture?

שבר בריטל מאופיין על ידי קידוד מהיר עם עיוות פלסטיק קטן מאוד.בשבר מתפתל, הסדקים נע במהירות דרך החומר, לעתים קרובות לאורך מטוסים גבישיים ספציפיים (cleavage) או לאורך גבולות דגנים (שבר אינטגרלי) משטח השביר הוא בדרך כלל שטוח ומבנץ, עם מראה חינני או מחוספס, ואין ראיות מקרוסקופיות של הפחתת או באזור מתיחה.

לעומת זאת, שבר דוקטרילי כרוך בעיוות פלסטי משמעותי לפני הכישלון.החומר מתמתח, צווארים, ובסופו של דבר דמעות, סופג כמות גדולה של אנרגיה בתהליך.משטח השבעה של כשל דוקטריל הוא פיברוס ומפודל.הההבדל המרכזי הוא ביכולת של החומר להפיץ מחדש את הלחץ באמצעות זרימת הפלסטיק. כאשר חומר לא יכול לפענוח באופן מפלסטיק, לחץ מקומי או לא יכול לעלות לרמה קריטית לפצח.

(ב) שבר ברטל מסוכן במיוחד משום שהוא יכול להתרחש בלחצים מתחת לחוזק התשואות, והוא אינו נותן התראה על הכישלון הקטסטרופלי של ה-FLT:0Liberty Shipssph 1 במהלך מלחמת העולם השנייה הוא דוגמה קלאסית: מאות אוניות שבורות במזג אוויר קר, לעתים קרובות פיצול בחצי בזמן חרוטאות, גילה כי פלדה עם תוכן LTfur גבוה ו זרחן, בגודל גדול של 3.

גורמים חשמליים שמקדמים את ה-Berryttle Fracture

המיקרו של מתכת נקבע על ידי הרכב שלה, היסטוריה עיבוד, וטיפול חום. כמה תכונות מיקרו-מבנה ידוע לקדם שבר מתפתל או על ידי הפעלת אינקוויטורים סדק או על ידי מתן הקלה סדקים.

גודל גרלין ומורופיזיולוגיה

גודל גרנין הוא אחד הפרמטרים המיקרו-מבנה המשפיעים ביותר.על פי מערכת היחסים של הול-פטר, גרגרי דקן להגדיל את הכוח ואת הקשידות על ידי מתן יותר גבולות דגנים אשר מעכבים את תנועת פירוק הפירוק.עם זאת, בהקשר של שבר בירות, גרגרי קורקאז יכולים להיות מזיקים. דגנים גדולים להפחית את שטח הגבול הכולל של דגנים, מה שהופך אותו קל יותר עבור סדק כדי להפיץ על פני גרגר ללא חשיפה של חומרים דלימים (קריפטים) בדרך כלל, בדרך כלל, הם הופכים להיות מטמפרטורה דלה יותר חם יותר, 000).

צורת גרנין גם משנה.דגנים מזוהים הם בדרך כלל העדיפו על דגנים מוארכים.בכמה מסלולי עיבוד, כגון מתגלגל או זיוף, גרגרי להיות מוארים בכיוון העיוות, יצירת anisotropy בקשידות שבורה. A סדק propaging perpendicular to the elongated גרגר עשוי להיתקל יותר התנגדות, אבל אחד propagating מקבילים זה יכול בקלות לרוץ.

חלקיקים ו- Inclusions

חלקיקים קשים ושבריריים שנייה מוטבעים במריצה דוקטרטרית יכול לפעול כמו concentrators הלחץ. Common דוגמאות כוללות carbides בפלדות, intermetallics בסגסוגת אלומיניום, ו sulfides או oxides כמו הכללות.תחת עומס Tenile, חלקיקים אלה לא יכולים לפענוח פלסטיק עם הממטריקס.

ההכללות הן בעייתיות במיוחד משום שהן לעתים קרובות לא-מטאליות, חלשות קשורות למטריקס, והן יכולות להיות גדלים גדולים.כללות Sulfide (למשל, MnS) בפלדה ידועים להפחית את הקשידות ההשפעה, במיוחד כאשר הן קיימות בצורת מיתר לאחר גלגול של Oxide הכללות (למשל, Al2O3) הן קשות וניתן לשבר תחת לחץ מתמשך של שליטה נקייה באמצעות תרגולים.

גרלין ברדיאה

גבולות גרלין הם אזורים של אנרגיה גבוהה ולעתים קרובות מכילים זיהומים נפרדים.אלמנטים כגון זרחן, sulfur, אנטיmony, ו tin יכול להתפצל לגבולות דגנים במהלך טיפול חום, מחליש את האג"ח האטומי.תופעה זו, המכונה brittlement, מקדם שבר intergranular.

הידרוגן מגלם הוא תופעה הקשורה לדגנים.אטומי מימן מתפוגגים לתוך המתכת ומצטברים בגבולות דגנים, צמצום כוח כפייתי.תחת לחץ רבילי, סדק מונע מימן יכול להתרחש, לעתים קרובות מוביל שבר ביןגרנראלי.זה הוא דאגה עיקרית בפלדות גבוהות, ⁇ טיטניום, ומתכות אחרות חשופים מימן או פלטפורמה אלקטרו-plating במהלך סביבות אלקטרו-מנטליות.

אזורים ללא תשלום ושלבים רכים

בסגסוגת מובנת הגיל, אזורי הייבוש הקשים נמצאים לעתים קרובות נעדרים באזורים צרים הסמוכים לגבולות דגנים (אזורים ללא הריון, PFZs) אזורים אלה הם רכים יותר מאשר פנים דגנים ויכולים לפורז בקלות רבה יותר, אבל הם גם מתרכזים במתח. בתנאים מסוימים, סדקים יכולים להתחיל ב PFZs ו propagate לאורך גבולות דגנים.זה נצפה כמה אלומיניום וסגסוגת Superoys.

מכניזם של מיקרו-מבנה-מחדש

המעבר מדוכסות להתנהגות מתפתלת תלוי בתחרות בין עיוות פלסטי לבין קידוד פצח. כאשר עוצמת הלחץ המקומית בקצה סדק עולה על ההתנגדות של החומר לשברים (ראה:0KIRFLT:1ICFLT:2FLT 3:2FLT 3:2FLT 3:, השבירה), פריחת מעגל.

קלבב Fracture

קלבאז הוא הפרדה של גביש לאורך מטוסים גבישיים ספציפיים (בדרך כלל המטוסים של ה- {100} במכות מעוקבות ממוקדות גוף (BCC) וכמה מתכות צמודות hexagonal (HCP)) זה קורה כאשר הלחץ ה-Rile רגיל למטוס הניקוי מגיע ערך קריטי כי מתגבר על חוזקו הטמון של פעילות הפירוק האטומית הוא מינימלי; סדקים על ידי אגרות חוב שבורה.

קלבאז הוא הנפוץ ביותר במכות BCC, כגון פלדות ferritic, בטמפרטורות נמוכות או שיעורי מתח גבוהים.נוכחות של גרגרי קורקזה, נגרמים גדולים, והכללות מקלות על ריצוף כי הם מספקים אתרי ניקוי קל דקדק קל.הסדקים בחלקיק או הכללה, ואז מתפשט לתוך המחץ שמסביב.

« « ריבועים

שבר בין-גרנרי מתרחש כאשר סדקים propagate לאורך גבולות דגנים במקום דרך הגרגרים.מצב זה אופייני כאשר גבולות דגנים נחלשו על ידי הפרדה בלתי-מוסרית, משקעים דו-פזיזים, או התקפה סביבתית (למשל, סדקים קורטוזיון מתח) הנתיב השבויים עוקב אחר רשת גבול דגנים, אשר יכול להיות קדחתני, אבל המהירות עדיין גבוהה אם רבים הם גבולות מתפוררים.

גרסה חשובה היא שבר intergranular מושרה מימן.אטומי הידרוגן מורידים את האנרגיה השיתופית של גבולות דגנים, מה שהופך אותם רגישים לסדקים תחת עומסים מתמשכת.מנגנון זה הוא גורם מוביל לכישלון בבריכה גבוהה, צינורות, ורכיבי אוויר.

תפקידם של Dislocations and פלסטית Deformation

למרות שבר פעוט כרוך מעט מפלסטיקה מאקרוסקופית, עיוות פלסטיק מקומי לעתים קרובות precedes סדק סדקים. Dislocations ערער על מכשולים כמו גבולות דגנים, הכללות, או precipitates. ריכוז הלחץ מן הערימה יכול להיות מספיק כדי לנקות סדק, או על ידי fracturing את המכשול או על ידי decohesion.

זה בין ניידות פירוק וניקוי סדק מסביר מדוע מתכות BCC מציגות טמפרטורת מעבר דוקטרילית-לברי (DBTT) מתחת ל- DBTT, תנועת פירוק מונעת על ידי מחסום הפייזרס, והעלאת לחץ זרימת לחץ במהירות. עיוות פלסטי לא יכול לעמוד עם הלחץ, המוביל לשבר.

הנדסה מתקרבת ל Mitigate Brittle Fracture

חמוש בהבנה של מקורות מיקרו-תרבותיים, מהנדסים פיתחו מגוון אסטרטגיות כדי להפחית את הסיכון של שבר מתפתל.גישות אלה מאריך את בחירת החומר, בקרת עיבוד ושיטות עיצוב.

גרסטין מסרב

סירוב לגודל הדגנים הוא אחד הדרכים היעילות ביותר לשפר את העוצמה והקשה.דגנים קטנים מספקים יותר גבולות דגנים, אשר פועלים כמכשולים לפצח propagation.הם גם להפיץ עיוות פלסטי אחיד יותר, צמצום ריכוזי הלחץ.טכניקות לזיקוקציה כוללים עיבוד תרמומי מבוקר (למשל, תיקון מתגלגל, עיוות פלסטי חמור), מיקרו-צדדיות כמו אלמנטים של ניקודיום או עיוות מהיר.

ניהול פלדה נקי ובקרת תפוצה

הפחתת מספר וגודל של הכללות לא-מטאליות היא קריטית. תהליכי ייצור פלדה מודרניים כגון ואקום degassing, טיפול סידן, ו הליהוק מתמשך עם הנעה אלקטרומגנטית מצמצם את תחמוצת ה- חמצני ואת ה- sulfide הכללה נמוכה רמות sulfur ו-phosulfphorus (למשל, <0.01 S ו- P) משפרות את הקשיות קריטיות כמו מפלדה, מבנים נמוכים מאוד.

ביטול יסודות

אלמנטים אי-ציות כי חתירה לגבולות דגנים חייב להיות ממזער.עבור פלדה, שליטה זרחן, tin, אנטימונוי, ואסרניק חיוני כדי למנוע התגלמות מזג אוויר.שימוש מתכות בסיס גבוה ומיני אלמנטים שאריות תוך סגסוגת הם שיטות סטנדרטיות. בסגסוגת ניקל-בסיס, שליטה על sulfur ורמות חמצן למנוע דגנים נחלשים.

אופטימיזציה לטיפול

קונצ'ינג ומזג, נורמליזציה, ו annealing יכול לחדד מיקרו-מבנה ולהקל על מתחים שאריות.פיתוי של פלדות מרטיניות הופך את מרטן מתפתל לתוך מנטה ממוזג עם קשיחות משופרת.הבחירה של טמפרטורה מזג וזמן היא קריטית כדי להימנע מחלונות גילוח (למשל, 350-550 מעלות צלזיוס עבור כמה פלדה).

עבודה מתחת לטמפרטורת המעבר של דואטילי-לבריטל

עבור מתכות BCC, חיוני כדי להבטיח כי טמפרטורת השירות היא מעל DBTT. זה מוגדר בקודים עבור כלי לחץ, גשרים וספינות (למשל, ASME Boiler ו-Vssel Code) עבור יישומים ארקטיים, פלדה עם DTT נמוך - חרד על ידי גודל דגנים דק, תוכן פחמן נמוך, ותוספות ניקל - משמש בדיקות Charpy הוא לקבוע את השירות הנמוך ביותר צפוי.

עיצוב להפחית ריכוזי מתח

אפילו החומר הקשה ביותר יכול להיכשל אם ריכוזי הלחץ חמורים.עקרונות עיצוב כוללים הימנעות פינות חדות, צניחה, שינויים פתאומיים בפרשת צלב.מלאט קורני צריך להיות נדיב, ו Welds צריך להיות חלק עם לא תחת לחץ.במרכיבים המשפיעים או הלם תרמי, ניתוח זהיר של העלאת מתח מבוצע באמצעות שיטות אלמנט סופיות מכניקה.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

מנגנוני Fracture מספקים מסגרת כמותית להערכת גודל הסדקים הקריטי שחומר יכול לסבול לפני שבר לא יציב.זה בא לידי ביטוי במונחים של גורם אינטנסיביות הלחץ FLT:0KigFLT:1ICFLT:2 ib 3FLT או J-integral. Nondestructive Testing טכניקות כגון בדיקות קוליות, רדיוגרפיה, פיקוח חלקיקים מגנטיים משמשים לזיהוי פגמים כי ניתן להחליף אותם כמו סדקים גדולים יותר מאשר אתרי .

סיכום

שבר בריטל במכות מקורם מתכונות מיקרו-תרבותיות שמרכזות מתח או מחלישות אטומיות. דגנים קוארזה, שלב שני, מטבול, מיתרים, גבולות דגנים מחוסנים, והצטברות מימן תורמים לכל הגישות של חומר לכדי התקדמות פתאומית, קטסטרופלית יותר, מנגנוני חישוביים של ריצוף ובקרה משולבת יותר ממולקולות, הן גורמות לצמצום של מחלות חום ופתרונות יעילים יותר ויותר.

עוד ועוד קריאה

  • (ב) ⁇ :0) ,ASM InternationaligFLT:1 - מקורות נרחבים על מנגנוני שבר ומיקרו-מבנה.
  • חומרים נורמטיביים ו- Structural Systems DivisionsFLT:1 - מחקר על בדיקות קשיחות שבורות ומודלים.
  • (FLT:0)Wikipedia: טמפרטורות מעבר בין-בריפלים 1FLT:1 - סקירה של מושג DBTT עבור מתכות BCC.
  • (ב) [החוק]: בריטל פלאומב"ד: [ה] – מאמרים טכניים המכסים היבטים מיקרו-הוראהיים.