בפרק על מאמצים ועיוותים ראינו שכל מדגם, בסופו של דבר, נשבר. כעת נתבונן מקרוב בשבר עצמו — כיצד הוא מתרחש, ומדוע לעיתים הוא קורה גם תחת מאמצים נמוכים בהרבה מן הצפוי. זהו אחד הפרקים החשובים ביותר מבחינה הנדסית, שכן כשל של רכיב עלול לעלות בחיי אדם.
שבר פריך ושבר משיך
ניתן לחלק כל שבר לשני טיפוסים עקרוניים, הנבדלים בכמות העיוות הפלסטי שקדם להם:
שבר משיך (ductile fracture) — שבר שקדם לו עיוות פלסטי ניכר. החומר “מתריע” מראש: הוא נמתח, מצטמצם מקומית (necking), ורק אז נקרע. משטח השבר עמום וסיבי, ולעיתים מקבל צורת “כוס וחרוט”. משיכות היא תכונה רצויה: היא נותנת התראה ומאפשרת התערבות לפני הקטסטרופה.
שבר פריך (brittle fracture) — שבר כמעט ללא עיוות פלסטי. הסדק מתפשט במהירות עצומה, לעיתים קרובה למהירות הקול בחומר, וללא כל אזהרה מוקדמת. משטח השבר חלק או גבישי ומבריק. השבר הפריך מסוכן במיוחד דווקא משום פתאומיותו — הרכיב נראה תקין עד לרגע הכשל.
מנגנוני שבר
ברמה המיקרוסקופית, שני סוגי השבר מתרחשים באופן שונה.
בשבר משיך נוצרים תחילה חללים זעירים (microvoids) סביב פגמים ותכלילים בתוך החומר. תחת המשך העומס החללים גדלים, מתמזגים זה עם זה, והסדק מתקדם לאיטו תוך עיוות פלסטי מתמשך. בליעת האנרגיה בתהליך זה היא רבה.
בשבר פריך הסדק מתפשט על ידי בקיעה (cleavage) — ניתוק ישיר של קשרים אטומיים לאורך מישורים גבישיים מסוימים, כמעט ללא עיוות. כאן נכנס לתמונה עיקרון מרכזי: ריכוז מאמצים (stress concentration). בקצה של סדק חד, המאמץ המקומי גבוה בהרבה מן המאמץ הממוצע ברכיב — הסדק “מחדד” את המאמץ אל קצהו. לכן סדק קטן יכול להתחיל להתפשט תחת עומס ממוצע נמוך לכאורה, ומשם להאיץ ולהוביל לכשל מלא. זו הסיבה שפינות חדות, חורים ושריטות הם “מוקשים” בתכן הנדסי, ומעדיפים תמיד פינות מעוגלות.
מעבר ductile-to-brittle
עובדה מטרידה: אותו חומר עצמו יכול להיות משיך בתנאים מסוימים ופריך באחרים. הגורם המשפיע ביותר הוא הטמפרטורה. חומרים רבים — ובמיוחד פלדות בעלות מבנה BCC — עוברים מעבר ממשיך לפריך (ductile-to-brittle transition) ככל שהטמפרטורה יורדת: בטמפרטורה גבוהה הם משיכים ובטוחים, ומתחת לטמפרטורת מעבר מסוימת (DBTT) הם נעשים פריכים ומסוכנים.
לתופעה זו היו השלכות היסטוריות דרמטיות. הדוגמה הקלאסית היא ספינות הליברטי במלחמת העולם השנייה: כמה מהן נסדקו ואף נשברו לשניים במימי הצפון הקרים, משום שפלדת גופן הפכה פריכה בטמפרטורות הנמוכות. אסון זה היה זרז מרכזי לפיתוח מדע מכניקת השבר. שימו לב שמתכות בעלות מבנה FCC (כגון אלומיניום ונחושת) אינן מציגות מעבר חד כזה ונשארות משיכות גם בקור — שיקול חשוב בבחירת חומרים ליישומים קריוגניים.
מבחן שארפי (Charpy)
כיצד מודדים את נטיית החומר לשבר פריך, ואת טמפרטורת המעבר? הכלי המקובל הוא מבחן שארפי (Charpy impact test). במבחן זה, מטוטלת כבדה משוחררת מגובה ידוע ופוגעת במדגם מחורץ (עם חתך-V מלאכותי המדמה סדק). מודדים כמה אנרגיה נבלעה בשבירת המדגם — לפי הגובה שאליו ממשיכה המטוטלת לאחר הפגיעה.
ערך אנרגיה גבוה → שבר משיך (החומר בלע אנרגיה רבה, כלומר הוא קשוח). ערך נמוך → שבר פריך. על ידי חזרה על המבחן בטמפרטורות שונות, מקבלים עקומה המראה בבירור את ירידת הקשיחות-לשבירה עם הקירור, ואת טמפרטורת המעבר שבה החומר עובר ממשיך לפריך. כך מבחן שארפי קושר ישירות בין הקשיחות (השטח שמתחת לעקומת המאמץ–עיוות, שהזכרנו) לבין בטיחות בתנאי שירות.
עייפות חומרים
עד כה דיברנו על כשל תחת עומס בודד וגובר. אך חלק גדול מאוד מכשלי הרכיבים בעולם האמיתי — לפי הערכות, מעל מחצית — נובעים מתופעה שונה: עייפות (fatigue).
עייפות היא כשל המתרחש תחת עומס מחזורי חוזר ונשנה, גם כאשר כל מחזור בודד נמוך בהרבה ממאמץ הכניעה. רכיב המחזיק מעמד ללא בעיה תחת עומס קבוע, עלול להישבר לאחר אלפי או מיליוני מחזורים של אותו עומס בדיוק. זהו “בלאי סמוי”: הרכיב נראה תקין, אך נזק מצטבר בתוכו עד הכשל הפתאומי. צירים מסתובבים, כנפי מטוסים וגשרים נתונים כולם לעומסים מחזוריים.
עקומות S–N. הכלי המרכזי לאפיון עייפות הוא עקומת S–N (מאמץ מול מספר מחזורים). מפעילים על מדגמים מאמץ מחזורי ברמות שונות (S), וסופרים כמה מחזורים (N) עד הכשל. ככל שהמאמץ נמוך יותר, כך נדרשים יותר מחזורים עד השבר. הציר האופקי (N) מצויר בדרך כלל בסולם לוגריתמי, שכן מדובר במיליוני מחזורים ויותר.
גבול העייפות (fatigue limit). עבור חומרים מסוימים — בעיקר פלדות — עקומת ה-S–N מתיישרת לקו אופקי מתחת למאמץ מסוים. משמעות הדבר: קיים סף מאמץ שמתחתיו הרכיב יחזיק מעמד אינסוף מחזורים ללא כשל עייפות. סף זה נקרא גבול העייפות, והוא פרמטר תכן יקר ערך. חשוב לדעת שלא כל החומרים מתנהגים כך — לאלומיניום, למשל, אין גבול עייפות אמיתי, והוא ייכשל בסופו של דבר בכל רמת מאמץ אם רק יינתנו די מחזורים (ולכן מגדירים עבורו “חוזק עייפות” למספר מחזורים נתון).
ייזום והתפשטות סדקי עייפות. כשל העייפות מתפתח בשלושה שלבים. ראשית, ייזום (initiation) — סדק זעיר נולד בנקודת ריכוז מאמצים (שריטה, פגם, פינה חדה), בדרך כלל על פני השטח. שנית, התפשטות (propagation) — בכל מחזור עומס הסדק מתקדם מעט, ומותיר על משטח השבר “סימני חוף” (beach marks) אופייניים. שלישית, שבר סופי — כאשר הסדק גדל דיו, החתך הנותר אינו יכול עוד לשאת את העומס, והרכיב נשבר בבת אחת.
גורמים המשפיעים על עייפות
הבנת הגורמים המחמירים או המקלים את העייפות היא בעלת ערך הנדסי ישיר, שכן רבים מהם ניתנים לשליטה:
מצב פני השטח. מכיוון שסדקי עייפות נולדים כמעט תמיד על פני השטח, איכותו קריטית. שריטות, סימני עיבוד וחספוס מאיצים את הייזום. ליטוש פני השטח משפר מאוד את עמידות העייפות.
ריכוזי מאמצים גאומטריים. חורים, חריצים, פינות חדות ושינויי חתך פתאומיים הם נקודות מועדות לייזום סדקים. תכן נכון מעגל פינות ומחליק מעברים כדי לפזר את המאמץ.
מאמצי שטח שיוריים. הכנסת מאמץ לחיצה שיורי אל שכבת השטח (למשל בתהליך shot peening — הקשת חרוזים זעירים על פני השטח) מקשה על פתיחת סדקים ומשפרת מאוד את עמידות העייפות. זהו עקרון נפוץ בחיזוק רכיבים מסתובבים.
סביבה וקורוזיה. סביבה משתכת מאיצה מאוד את העייפות (תופעה הנקראת “עייפות-קורוזיה”), שכן הקורוזיה יוצרת ריכוזי מאמצים נוספים ומסייעת לייזום סדקים.
טמפרטורה. טמפרטורות גבוהות, וכן עומס מחזורי בשילוב טמפרטורה, משפיעים אף הם על קצב התקדמות הנזק.
