ความแข็งแรงของสปอลล์ ถูกกำหนดให้เป็น ความเค้นดึงสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ภายใต้สภาวะการรับแรงแบบไดนามิกก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวภายในเนื่องจากการเกิดสปอลล์การเกิดสปอลล์เป็นปรากฏการณ์การแตกหักในอัตราสูงซึ่งวัสดุจะประสบกับการก่อตัว การเติบโต และการรวมตัวของช่องว่างอย่างรวดเร็วเนื่องจากการปลดปล่อยคลื่นกระแทก แบบอัด และการก่อตัวของคลื่นแรงดึงในภายหลัง แตกต่างจากความแข็งแรงดึง แบบดั้งเดิม ความแข็งแรงของสปอลล์จะวัดภายใต้สภาวะที่เกี่ยวข้องกับ การรับแรง กระแทกทำให้ ขึ้นอยู่กับ อัตราความเครียด สูง ความสำคัญอย่างยิ่งของความแข็งแรงของสปอลล์ครอบคลุมฟิสิกส์พลังงานสูงวิศวกรรมการบินและอวกาศและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ซึ่งวัสดุมักจะสัมผัสกับความเค้นแบบไดนามิกที่รุนแรง^{[ 1 ]}${\displaystyle (\sigma _{sp})}$

ในทางคณิตศาสตร์ ความแข็งแรงของการแตกร้าวสามารถแสดงได้โดยใช้ความสัมพันธ์ดังนี้:

${\displaystyle \sigma _{sp}={\frac {1}{2}}\rho _{0}c_{B}(\Delta u+\delta )}$

โดยที่คือความหนาแน่นเริ่มต้นของวัสดุคือความเร็วเสียงโดยรวมคือความเร็วการดึงกลับ (การลดลงของความเร็วพื้นผิวอิสระที่สังเกตได้เนื่องจากการแตกตัว) และคือปัจจัยการแก้ไขที่คำนึงถึงผลกระทบของวัสดุและการลดทอนของคลื่น^{[ 2 ]}${\displaystyle \rho _{0}}$${\displaystyle c_{B}}$${\displaystyle \Delta u}$${\displaystyle \delta }$

จุดเริ่มต้นของการศึกษาความแข็งแรงของการแตกตัวนั้นย้อนกลับไปถึง การทดลอง ขีปนาวิถีและการระเบิดในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เอกสารเบื้องต้นเกี่ยวกับการแตกหักแบบไดนามิกสามารถสืบย้อนไปถึง การทดลอง ของ Hopkinson ใน ปี 1914 ^{[ 3 ]}ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2การวิจัยอย่างกว้างขวางที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamosภายใต้การนำของJ. Robert Oppenheimerและเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบความล้มเหลวที่เกิดจากแรงกระแทกในวัสดุนิวเคลียร์ [ ^{4 ] [ 5 ] ความ}พยายามเหล่านี้ได้วางรากฐานสำหรับแบบจำลองการแตกตัวและการตั้งค่าการทดลองในปัจจุบันการทดสอบการยุบตัวของ RaLa (แลนทานัมกัมมันตรังสี)มีส่วนช่วยให้เข้าใจ พลวัตของ การเจือจางและการแตกหักภายในในแกนอาวุธ^{[ 5 ]}การพัฒนาวิธีการกระทบแผ่นในทศวรรษ 1960 รวมถึงปืนแก๊สเบาและต่อมาคือเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์ ทำให้สามารถศึกษาความแข็งแรงของการแตกตัวได้อย่างควบคุมในโลหะและเซรามิกหลากหลายชนิด^{[ 1 ]}วิธีการเหล่านี้ได้พัฒนาไปเป็นเครื่องมือที่แม่นยำซึ่งใช้ทั้งในด้านการป้องกันประเทศและการใช้งานทางวิทยาศาสตร์

การแตกตัวเริ่มต้นขึ้นเมื่อคลื่นกระแทกแบบอัดเคลื่อนที่ผ่านของแข็งและปลดปล่อยที่พื้นผิวอิสระหรือส่วนต่อประสานกับวัสดุที่มีความต้านทานต่ำกว่า ทำให้เกิดคลื่นการคลายตัวแบบดึง หากความเค้นดึงเกินกว่าความแข็งแรงดึงแบบไดนามิกของวัสดุ การแตกตัวก็จะเกิดขึ้น^{[ 1 ]}สถานะความเค้นที่เกิดจากการปลดปล่อยคลื่นกระแทกนั้นอยู่ภายใต้เงื่อนไขของ Rankine–Hugoniotซึ่งอธิบายถึงการอนุรักษ์มวล โมเมนตัม และพลังงานข้ามหน้าคลื่นกระแทก สำหรับคลื่นกระแทกแบบระนาบ:

${\displaystyle P=\rho _{0}u_{s}u_{p}}$

โดยที่คือความดันกระแทกคือความเร็วกระแทก และคือความเร็วของ^{อนุภาค} [ ^{1 ]}${\displaystyle P}$${\displaystyle u_{s}}$${\displaystyle u_{p}}$

เมื่อความเค้นดึงถึงจุดสูงสุด การเคลื่อนที่ ของดิสโลเคชันจะกลายเป็น กลไก การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ที่เด่นชัด ที่อัตราความเครียดสูงมาก ( ) ความหนาแน่นของดิสโลเคชันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้ ความเค้นไหลของวัสดุเพิ่มขึ้นตามสมการ: ${\displaystyle >10^{6}\,{\text{s}}^{-1}}$

${\displaystyle \Delta \tau =\alpha Gb{\sqrt {\rho _{d}}}}$

โดยที่เป็นค่าคงที่ของวัสดุเป็นโมดูลัสเฉือนเป็นเวกเตอร์เบอร์เกอร์สและเป็นความหนาแน่นของดิสโลเคชัน^{[ 1 ]}${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle G}$${\displaystyle b}$${\displaystyle \rho _{d}}$

การแตกตัวเกิดขึ้นเมื่อช่องว่างขนาดเล็กก่อตัวขึ้นที่จุดรวมความเค้น เช่น สิ่งเจือปน ขอบเกรน หรืออนุภาคเฟสที่สอง เมื่อช่องว่างขยายใหญ่ขึ้น ความเค้นจะกระจุกตัวจนกระทั่งเอ็นยึดระหว่างช่องว่างล้มเหลว ทำให้เกิดการรวมตัวกัน อย่าง รุนแรง^{[ 6 ]}

กระบวนการนี้ได้รับอิทธิพลเพิ่มเติมจากผลกระทบความเฉื่อยระดับไมโครที่อัตราความเครียดสูงมาก ซึ่งทำให้การเติบโตของช่องว่างล่าช้าลง และส่งผลให้ความแข็งแรงของการแตกร้าวที่ปรากฏเพิ่มขึ้น แบบจำลองขั้นสูงจะรวมเงื่อนไขความเฉื่อยเหล่านี้ไว้เพื่อให้สามารถจับความขึ้นอยู่กับอัตราที่สังเกตได้ดียิ่งขึ้น^{[ 7 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งแรงในการแตกของวัสดุจะวัดโดยใช้การทดลองอัตราความเครียดสูงที่เกี่ยวข้องกับการโหลดแรงกระแทกที่เกิดจากการกระแทก วิธีที่แพร่หลายที่สุดคือการทดลองการกระแทกแผ่น โดยแผ่นบินจะถูกเร่งความเร็ว—ไม่ว่าจะโดยการขยายตัวของแก๊สหรือเลนส์ระเบิด —ไปยังชิ้นงานเป้าหมายที่อยู่กับที่^{[ 1 ]}การกระแทกจะสร้างคลื่นกระแทกแบบระนาบที่เดินทางผ่านวัสดุและปล่อยออกมาที่พื้นผิวอิสระเพื่อสร้างพัลส์แรงดึงที่จำเป็นสำหรับการแตก

ในการทดลองเหล่านี้ โปรไฟล์เวลาของความเร็วพื้นผิวอิสระจะถูกบันทึกโดยใช้การวินิจฉัยความเร็วสูง เช่นระบบวัดความเร็วแบบอินเตอร์เฟอโรเมตรสำหรับตัวสะท้อนใดๆ (VISAR) ^{[ 8 ]}หรือโฟตอนดอปเปลอร์เวโลซิเมตรี (PDV) ^{[ 9 ]}อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบใช้เลเซอร์เหล่านี้ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความเร็ว ทำให้สามารถระบุสัญญาณดึงกลับที่บ่งชี้ถึงการแตกตัวได้

สมการพื้นฐานที่ได้มาจากกฎการอนุรักษ์และกลศาสตร์คลื่นที่ใช้ในการวิเคราะห์ดังกล่าวคือ:

${\displaystyle \sigma _{sp}={\frac {1}{2}}\rho _{0}c_{B}\Delta u}$

โดยวัดโดยตรงจากคุณลักษณะการดึงกลับของร่องรอยความเร็ว^{[ 1 ]}${\displaystyle \Delta u}$

การตั้งค่าการกระแทกแผ่นขั้นสูงประกอบด้วยปืนแก๊สเบาแบบขั้นตอนเดียวและสองขั้นตอน ปืนสองขั้นตอนสามารถสร้างความเร็วของแผ่นได้เกิน 7 กม./วินาที ทำให้เกิดอัตราความเครียดเกินกว่า[ ^{10 ] หรือ}อีกทางหนึ่ง แผ่นที่ขับเคลื่อนด้วยเลเซอร์หรือ วิธี การระเหย โดยตรง ถูกใช้เพื่อตรวจสอบระบอบอัตราความเครียดที่สูงมาก ( ) การทดลองเหล่านี้อาศัยเลเซอร์พัลส์พลังงานสูง เช่น ระบบ Nd:YAGหรือTi:sapphireเพื่อสร้างแรงดันกระแทกที่เกิน 100 GPa ^{[ 11 ] [ 12 ]}${\displaystyle 10^{6}\,{\text{s}}^{-1}}$${\displaystyle >10^{7}\,{\text{s}}^{-1}}$

การ วิเคราะห์ลักษณะหลังการกระแทกมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบความเสียหายจากการแตกร้าวการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) และไมโครโทโมกราฟีด้วยรังสีเอกซ์ช่วยให้เห็นภาพช่องว่าง รอยแตกขนาดเล็ก และรูปแบบการเสียรูปพลาสติก การวิเคราะห์ภาคตัดขวางของตัวอย่างที่กู้คืนได้เผยให้เห็นตำแหน่งของระนาบการแตกร้าวและช่วยให้สามารถเชื่อมโยงลักษณะโครงสร้างจุลภาคกับพฤติกรรมการแตกหักแบบไดนามิกได้^{[ 1 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

ความแข็งแรงในการแตกเป็นฟังก์ชันที่ซับซ้อนของพารามิเตอร์ภายในและภายนอกหลายประการ รวมถึงอัตราความเครียด อุณหภูมิ โครงสร้างจุลภาค และความบริสุทธิ์ของวัสดุ^{[ 1 ]}ซึ่งบางทีสิ่งที่สำคัญที่สุดคืออัตราความเครียดโดยทั่วไปแล้ววัสดุที่มีอัตราความเครียดเพิ่มขึ้นจะแสดงความต้านทานต่อการแตกที่สูงขึ้นเนื่องจากการยับยั้งจลนศาสตร์การเติบโตของช่องว่าง^{[ 6 ]}ในทางปฏิบัติ ความแข็งแรงในการแตกมักเป็นไปตามความสัมพันธ์แบบกำลังของอัตราความเครียด: ${\displaystyle {\dot {\varepsilon }}}$

${\displaystyle \sigma _{sp}\propto {\dot {\varepsilon }}^{n}}$

โดยมีค่าตั้งแต่ 0.05 ถึง 0.15 ขึ้นอยู่กับวัสดุ^{[ 1 ]}${\displaystyle n}$

ลักษณะโครงสร้างจุลภาค เช่น ขนาดเกรน การกระจายเฟส และความหนาแน่นของข้อบกพร่อง ล้วนมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง^{[ 16 ]}โดยทั่วไปแล้ว วัสดุที่มีเกรนละเอียดจะแสดงความแข็งแรงในการแตกตัวที่สูงกว่า เนื่องจากมีอุปสรรคต่อการเติบโตของช่องว่างและการแพร่กระจายของรอยแตกมากขึ้น พฤติกรรมนี้สอดคล้องกับความสัมพันธ์ของ Hall–Petch :

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+kd^{-1/2}}$

โดยที่คือความแข็งแรงครากคือความเค้นเสียดทานคือค่าคงที่ของวัสดุ และคือขนาดเกรนเฉลี่ย^{[ 17 ]}${\displaystyle \sigma _{y}}$${\displaystyle \sigma _{0}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle d}$

อุณหภูมินำมาซึ่งความซับซ้อนอีกระดับหนึ่ง ที่อุณหภูมิสูงขึ้น การเคลื่อนที่ของอะตอมที่เพิ่มขึ้นจะเร่งการเติบโตของช่องว่างและลดความแข็งแรงในการแตกตัวที่มีประสิทธิภาพ^{[ 1 ] [ 18 ]}ในทางกลับกัน สภาวะเยือกแข็งจะชะลอกระบวนการเหล่านี้ ส่งผลให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น^{[ 1 ] [ 19 ]}แบบจำลองที่กระตุ้นด้วยความร้อนจะรวมการพึ่งพาอุณหภูมิผ่านความสัมพันธ์แบบ Arrheniusในจลนศาสตร์การเติบโตของช่องว่าง:

${\displaystyle {\dot {f}}\propto \exp \left(-{\frac {Q}{RT}}\right)}$

โดยที่คือพลังงานกระตุ้นสำหรับการแพร่คือค่าคงที่ของแก๊สและคืออุณหภูมิสัมบูรณ์^{[ 1 ]}${\displaystyle Q}$${\displaystyle R}$${\displaystyle T}$

ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันและความไม่สม่ำเสมอของวัสดุสามารถส่งผลต่อพฤติกรรมการแตกตัวได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น โลหะที่ผลิตด้วยวิธีการเพิ่มเนื้อวัสดุมักจะมีรูพรุนความเครียดตกค้างและเนื้อสัมผัสที่ลดความแข็งแรงในการแตกตัว^{[ 20 ] [ 9 ]}โลหะผสมเอนโทรปีสูงและโลหะอสัณฐานซึ่งมีโครงสร้างจุลภาคที่ซับซ้อนและทนต่อข้อบกพร่องสูง แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพภายใต้การรับน้ำหนักที่รุนแรง^{[ 21 ] [ 22 ]}ดังนั้น การทำนายความแข็งแรงในการแตกตัวอย่างแม่นยำจึงต้องอาศัยความเข้าใจอย่างละเอียดทั้งคุณสมบัติภายในของวัสดุและสภาวะการรับน้ำหนักภายนอก

ความแข็งแรงในการแตกตัวแตกต่างกันอย่างมากระหว่างวัสดุแต่ละประเภทเนื่องจากความแตกต่างในการยึดติด โครงสร้างจุลภาค และกลไกการเสียรูป โดยทั่วไปค่าตัวแทนจะรายงานเป็นกิกะปาสคาล (GPa) สำหรับโลหะและเซรา มิก และเมกะปาสคาล (MPa) สำหรับพอลิเมอร์ตัวอย่างเช่นทองแดง บริสุทธิ์สูง แสดงความแข็งแรงในการแตกตัวประมาณ 1.2–1.6 GPa ที่อัตราความเครียดปานกลาง^{[ 23 ]}ในขณะที่แทนทาลัมและทังสเตนสามารถเข้าถึง 3–5 GPa ภายใต้เงื่อนไขที่คล้ายกัน^{[ 14 ] [ 24 ]}เซรามิก เช่นอลูมินาและซิลิคอนคาร์ไบด์มักแสดงพฤติกรรมการแตกตัวแบบเปราะด้วยค่าที่อยู่ในช่วง 0.5–2.0 GPa ^{[ 25 ] [ 26 ]}พอลิเมอร์เช่นPMMAและโพลีคาร์บอเนตมีความแข็งแรงในการแตกตัวต่ำกว่ามาก โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 20–100 MPa ^{[ 27 ]}

ค่าเหล่านี้มีความอ่อนไหวต่ออัตราความเครียด ความบริสุทธิ์ของชิ้นงาน และการกำหนดค่าการทดลอง ในทางปฏิบัติ ชุดข้อมูลที่รวบรวมจากตารางซึ่งได้จากการทดลองหรือการจำลองแบบควบคุม จะถูกนำมาใช้เพื่อเป็นเกณฑ์มาตรฐานและปรับเทียบแบบจำลองการแตกร้าว

ความแข็งแรงจากการแตกตัวมีแอปพลิเคชันที่หลากหลายในสาขาที่วัสดุต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมแบบไดนามิกที่มีอัตราสูง ในวิศวกรรมการบินและอวกาศ วัสดุที่มีความต้านทานต่อการแตกตัวสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเกราะป้องกันการกระแทก ยานพาหนะ ที่กลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ และ การป้องกันเศษ ซาก ความเร็วสูง^{[ 28 ]}ภาคการป้องกันประเทศประเมินความแข็งแรงจากการแตกตัวอย่างกว้างขวางสำหรับระบบเกราะและ ปลอก หัวรบเพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานต่อการแตกตัวที่เกิดจากแรงกระแทก^{[ 29 ]}ในวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ การแตกตัวช่วยให้เราเข้าใจ กระบวนการ เกิดหลุมอุกกาบาตและการพุ่งของอุกกาบาต ซึ่งความล้มเหลวจากการดึงในหินและโลหะมีบทบาทสำคัญในพลศาสตร์ของการพุ่ง^{[ 30 ]}นอกจากนี้ การศึกษาการแตกตัวยังมีความเกี่ยวข้องกับการหลอมรวมนิวเคลียร์แบบกักเก็บด้วยแรงเฉื่อย (ICF) และการใช้งานเลเซอร์พลังงานสูง ซึ่งวัสดุแคปซูลและส่วนประกอบทางแสงต้องทนต่อแรงกระแทกอย่างรุนแรงโดยไม่เสียหาย^{[ 31 ]}

การวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับความแข็งแรงของการแตกกระจายมุ่งเน้นไปที่วัสดุขั้นสูงและเทคนิคการกำหนดลักษณะเฉพาะที่ได้รับ การปรับปรุง การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุได้นำมาซึ่งความท้าทายและโอกาสใหม่ๆ นักวิจัยมุ่งหวังที่จะทำความเข้าใจว่าการสร้างแบบทีละชั้น ความเครียดตกค้าง และความพรุนมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมการแตกกระจายอย่างไร^{[ 13 ] [ 32 ]} การสร้างแบบจำลองเชิง คำนวณกำลังกลายเป็นแบบหลายระดับมากขึ้น โดยเชื่อมโยง การจำลองอะตอม กับกลศาสตร์ต่อเนื่องเพื่อทำนายการเริ่มต้นและการวิวัฒนาการของการแตกกระจาย^{[ 33 ]}การวินิจฉัยในสถานที่ เช่น การถ่ายภาพเอกซเรย์ความเร็วสูงพิเศษที่ซินโครตรอนหรือXFELให้การสังเกตแบบเรียลไทม์ของพลวัตของช่องว่างระหว่างเหตุการณ์การแตกกระจาย^{[ 34 ] [ 35 ]}การทดลองเหล่านี้กำลังช่วยปรับปรุงแบบจำลองเชิงโครงสร้างและเกณฑ์ความเสียหาย

นักวิจัยยังสำรวจระบบวัสดุใหม่ๆ รวมถึงโลหะผสมเอนโทรปีสูงโลหะแก้วและวัสดุคอมโพสิตที่ได้ รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงแบบไดนามิก^{[ 21 ] [ 22 ] [ 36 ]}การบูรณาการการเรียนรู้ของเครื่องจักรเข้ากับเวิร์กโฟลว์การออกแบบวัสดุถูกนำมาใช้เพื่อทำนายประสิทธิภาพการแตกกระจายในพื้นที่องค์ประกอบและการประมวลผล^{[ 37 ]}ด้วยเหตุนี้ การวิจัยความแข็งแรงของการแตกกระจายจึงยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ณ จุดตัดของวิทยาศาสตร์วัสดุกลศาสตร์ และวิศวกรรมที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล