چقرمگی شکست شبکه های هشت خرپایی

[rkiahoseyni]

چقرمگی شکست شبکه های هشت خرپایی

مقدمه:
مواد برای کاربردهای تحمل بار معمولاً باید سفت، محکم و سخت باشند و برای بسیاری از کاربردها نیز باید سبک وزن باشند. جدا از آلیاژهای مبتنی بر آلیاژهای بریلیم (سمی) و آلیاژهای منیزیم (مستعد به خوردگی) که چگالی آنها بسیار حائز اهمیت است، بسیاری از آلیاژهای فلزی ترکیبی از استحکام تسلیم بالا (100-2000 مگاپاسکال) و چقرمگی شکست (10-500 مگاپاسکال در متر مربع) را ارائه می دهند. همه آنها بسیار بالاتر از 2000 کیلوگرم بر مترمکعب هستند و زیر 1000 کیلوگرم بر مترمکعب، مواد سلولی مختلف ساخته شده از فلزات، پلیمرها و مواد طبیعی به وفور یافت می شوند، اما اگر بارها به موازات آن اعمال شود، چوب بهترین ترکیب از خواص ساختاری را ارائه می دهد. با این حال جهت دانه چوب‌های طبیعی از ناهمسانگردی قابل‌توجهی رنج می‌برند و برای استفاده در سناریوهای بارگذاری چند محوری که مقاومت در برابر شکست در جهت دانه‌های طولی می‌تواند بسیار کم باشد، مشکل‌سازتر است. 

 

طراحی سلولی:
روشی برای طراحی مواد سلولی با استحکام بالا (یعنی مقیاس‌شده با چگالی) با آرایش استراتژیک خرپاها در یک آرایه تناوبی توسعه داده شده است، بنابراین یک ماده شبکه سلولی ایجاد می‌کند. بسیاری از ساختارهای سلول واحد مورد بررسی قرار گرفته‌اند، اما آن‌هایی که از سلول‌های واحد تحت سلطه کشش تشکیل شده‌اند، مانند خرپای هشت‌گانه (2D) مثلثی یا (3D) سفت‌تر و قوی‌تر از خمش (اتصال گره کم) هستند. علاوه بر این، این دو سلول واحد تحت سلطه کشش تقریباً همسانگرد بوده و شبکه های هشت گانه سبک وزن ساخته شده از آلیاژهای تیتانیوم می توانند به مقاومت فشاری 60 مگاپاسکال در تراکم 720 کیلوگرم بر مترمکعب برسند. با این حال، اطلاعات کمی در مورد چقرمگی شکست مواد شبکه سه بعدی وجود دارد.

شبکه سه بعدی:
شبکه خرپایی هشت‌بعدی شامل آرایش سه‌بعدی از شبکه‌های فرعی چهار وجهی است، که در آن گره‌ها یک ساختار مکعبی متمرکز روی صورت را تشکیل می‌دهند. ساخت شبکه‌های خرپایی هشت‌گانه در مقیاس میلی‌متری با استفاده از روش اتصال محکم یک تکنیک مونتاژ معکوس به عنوان یک رویکرد ریخته گری سرمایه گذاری انجام شده است. ساخت سازه های زیر میلی متری با استفاده از استریو لیتوگرافی همراه با آبکاری نیکل الکترولیز یا رسوب بخار با تکنیک های ترکیبی که شامل دو تکنیک می شود، آغاز شده است. لیتوگرافی فوتونی (TLP)، نوشتن لیزر مستقیم (DLW)، رسوب لایه اتمی (ALD) و اچ پلاسما ساخت شبکه های نانومقیاس (فرامواد) نیز با استفاده از روش های نوشتن مستقیم نیز در حال رشد و پیشرفت هستند.

شبکه دوبعدی:
برای شبکه های دوبعدی، مطالعات متعددی توسط روش اجزای محدود انجام شده است. مقیاس KIc، به صورت زیر است:
بررسی ها نشان می دهد دو عامل هندسی کنترل کننده چقرمگی شکست هستند:
1) چگالی نسبی، که مقدار مواد موجود برای مقاومت در برابر رشد ترک را تعیین می کند.
2) طول خرپا، که مقیاس طولی است که بر "بلانت شدن" نوک ترک حاکم است.
به طور کلی، مقدار برای کشش سلول های واحد تحت سلطه (برای یک ساختار مثلثی، d=1) نسبت به سلول های واحد تحت سلطه خمش (برای یک ساختار شش ضلعی، d=2) کوچکتر است که نشان دهنده مقدار قابل توجهی است. به طور کل استفاده از سازه های تحت سلطه کشش مانند خرپای هشت، بیشتر برای سازه های با چگالی نسبی کم سودمند است. برای فوم ها (ساختارهای تحت سلطه خمش سه بعدی)، مطالعات تحلیلی و تجربی d=3/2 را نشان داده اند. مقاومت در برابر شکست فوم‌ها معمولاً با طول ترک افزایش می‌یابد (یعنی رفتار منحنی R افزایش می‌یابد). جایی که تصادفی بودن یک فوم به دیواره‌های سلولی اجازه می‌دهد در پشت قسمت جلوی ترک زنده بمانند و سطح ترک‌ها را پل بزنند. با این وجود، چقرمگی شکست آنها بسیار کم است. روش "snap-fit" که توسط Dong  و هماکارانش پیشنهاد شد، یک روش مناسب برای ساخت شبکه های هشتگانه برای مطالعه شکست ارائه می دهد. در این روش، لایه‌های خرپاهای هرمی خارج از صفحه با ورق‌های صفحه باز از خرپای هشت‌گانه مسطح ترکیب می‌شوند و این فرآیند برای ایجاد نمونه‌هایی با ابعاد دلخواه تکرار می‌شود. مطالعه گزارش شده بیشتر از صفحات آلیاژی نازک Ti-6Al-4V برای ساخت ردیف های خرپاهای خارج از صفحه و لایه های خرپایی استفاده می کند. این آلیاژ صنعت هوافضا دارای نسبت استحکام به وزن تقریباً دو برابر آلیاژهای آلومینیوم است. حداکثر دمای سرویس به طور قابل توجهی بالاتر از آلومینیوم یا منیزیم و دارای مقاومت در برابر خوردگی عالی است. چگالی نمونه ها با دستکاری مقادیر l و t تغییر کرده و بین 300 تا 850 کیلوگرم مترمکعب طراحی شده است. منحنی‌های مقاومت حالت I با استفاده از طرح نمونه خمشی تک لبه (SENB) اندازه‌گیری می‌شوند و چقرمگی به عنوان تابعی از چگالی نسبی نمونه و طول خرپا اندازه‌گیری می‌گردد. سپس از نتایج برای ارزیابی مقیاس‌بندی چقرمگی شکاف استفاده می‌شود، زیرا اندازه سلول یک شبکه در رژیم نانوسکوپی کاهش می‌یابد.

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی