كسر عبر الحبيبات

في ميكانيكا الكسور ، يُعدّ الكسر عبر الحبيبات نوعًا من الكسور التي تحدث عبر الحبيبات البلورية للمادة . وعلى عكس الكسور بين الحبيبات ، التي تحدث عندما يتبع الكسر حدود الحبيبات ، فإن هذا النوع من الكسور يخترق البنية المجهرية للمادة مباشرةً عبر الحبيبات الفردية. وينتج هذا النوع من الكسور عادةً عن مزيج من الإجهادات العالية وعيوب المادة ، مثل الفراغات أو الشوائب ، التي تُهيئ مسارًا لانتشار الشقوق عبر الحبيبات. ويمكن أن تتعرض مجموعة واسعة من المواد المطيلية أو الهشة ، بما في ذلك المعادن والسيراميك والبوليمرات ، للكسر عبر الحبيبات. وعند فحص هذا النوع من الكسور باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح ، تظهر عليه درجات انفلاق، وأنماط نهرية، وعلامات ريشية، ونقرات، وألسنة. ^{[ 1 ]} وقد يُغير الكسر اتجاهه قليلًا عند دخوله حبة جديدة ليتبع اتجاه الشبكة البلورية الجديدة لتلك الحبة، ولكن هذا التغيير في الاتجاه أقل حدةً من التغيير المطلوب لاتباع حدود الحبيبات. ينتج عن ذلك كسر ذو مظهر ناعم نسبيًا، ذو حواف أقل حدة من الكسر الذي يتبع حدود الألياف. ^{[ 2 ]} يمكن تخيل ذلك كأحجية تركيبية مقطوعة من لوح خشبي واحد، حيث تظهر ألياف الخشب. يتبع الكسر العابر للألياف ألياف الخشب، وليس حواف قطع الأحجية. وهذا على عكس الكسر بين الألياف، الذي يتبع، في هذا التشبيه، حواف الأحجية، وليس ألياف الخشب.

قد تختلف آلية الكسر عبر الحبيبات تبعًا للمادة والظروف المحيطة التي يحدث فيها الكسر. ^{[ 3 ]} ومع ذلك، تتضمن عملية الكسر عبر الحبيبات عادةً بعض الخطوات العامة:

• بدء التصدع: الخطوة الأولى في الكسر عبر الحبيبات هي بدء تصدع داخل المادة. يمكن أن يحدث هذا نتيجة لمجموعة من العوامل، مثل عيوب التصنيع، أو عيوب السطح، أو التعرض لظروف إجهاد عالية.
• انتشار الشقوق: بمجرد أن يبدأ الشق، قد ينتشر في جميع أنحاء المادة نتيجة لتركيزات الإجهاد وعوامل أخرى.
• التشوه اللدن: مع انتشار الشق، تتعرض المادة القريبة منه لتشوه لدن كبير نتيجة لتركيز الإجهاد الموضعي . قد يؤدي هذا التشوه إلى ظهور فراغات أو عيوب صغيرة داخل المادة، مما يزيد من انتشار الشق.
• اندماج الفراغات: مع انتشار الشق، قد تنمو هذه الفراغات الصغيرة وتندمج، مُشكّلةً فراغات أو تجاويف أكبر داخل المادة. هذه الفراغات قد تُضعف المادة أكثر وتُعزز انتشار الشق.
• التمزق النهائي: في نهاية المطاف، يمكن أن تؤدي التأثيرات المشتركة لانتشار الشقوق والتشوه اللدن وتجمع الفراغات إلى الكسر النهائي للمادة، مما يؤدي إلى كسر عبر الحبيبات.

في المعادن المطيلية، يمكن أن يكون التشوه البلاستيكي للمادة عاملاً حاسماً في عملية الكسر عبر الحبيبات، بينما في المواد الهشة مثل السيراميك، يمكن أن يتأثر تكوين الشقوق ونموها بعوامل مثل حجم الحبيبات والمسامية ووجود الشوائب أو العيوب الأخرى.

• درجة الحرارة: يمكن أن تؤثر درجة الحرارة التي يتم عندها تحميل المادة على حدوث وخصائص الكسور عبر الحبيبات. في بعض المواد، قد يزداد حدوث الكسور عبر الحبيبات عند درجات حرارة منخفضة بسبب زيادة الهشاشة أو انخفاض المطيلية . ^{[ 4 ]}
• وجود العيوب أو الشوائب: كما ذُكر سابقاً، فإن وجود الفراغات أو الشوائب داخل المادة يُمكن أن يُؤدي إلى تكوين مناطق موضعية لتركيز الإجهاد وإضعاف المادة، مما يجعلها أكثر عرضةً للكسر عبر الحبيبات. يُمكن أن يُؤثر حجم هذه العيوب وشكلها واتجاهها على احتمالية حدوث الكسر وشدته. ^{[ 5 ]}
• العوامل البيئية: يمكن أن يؤثر وجود بعض الغازات أو السوائل أو غيرها من العوامل البيئية على احتمالية حدوث الكسر عبر الحبيبات. على سبيل المثال، يمكن أن يتسبب التقصف الهيدروجيني في حدوث كسور عبر الحبيبات في بعض المواد عن طريق إضعاف المادة على المستوى المجهري. ^{[ 6 ]}
• حالة السطح: يمكن أن تؤثر حالة سطح المادة، بما في ذلك وجود الخدوش أو الشقوق أو العيوب الأخرى، على حدوث مسار الكسر عبر الحبيبات. ^{[ 7 ]}
• ظروف التحميل: يمكن أن تؤدي تركيزات الإجهاد العالية، ومعدلات التحميل السريعة، والتحميل الدوري إلى زيادة احتمالية حدوث كسور عبر الحبيبات. كما يمكن أن يؤثر اتجاه الإجهاد المطبق على اتجاه ومسار انتشار الشقوق. ^{[ 8 ]}

يمكن تغيير سلوك التصدع للمواد بشكل ملحوظ باستخدام تصميم حدود الحبيبات القائم على الترسيب. على سبيل المثال، قام ميندلهومر وآخرون ^{[ 9 ]} بإنتاج غشاء رقيق من AlCrN يحتوي على توزيع محدد من الرواسب داخل حدود الحبيبات باستخدام تصميم حدود الحبيبات القائم على الترسيب. عملت الرواسب كحاجز أمام انتشار الشقوق، مما زاد من مقاومة المادة للتصدع بين الحبيبات. بالإضافة إلى ذلك، غيّرت الرواسب توزيع الإجهاد داخل المادة، مما عزز انتشار الشقوق عبر الحبيبات. علاوة على ذلك، ثبت أن الرواسب الأصغر حجمًا ذات التوزيع الأكثر تجانسًا أكثر فعالية في تعزيز التصدع عبر الحبيبات.