0540.6440      מכניקת כשל של חומרים וחומרים עם מבנה פנימי

Mechanics of failure of materials and materials with internal structure

קורסי קדם: מכניקת המוצקים 1, תורת האלסטיות.

סילבוס: הקורס מכוון לסגור את הפער בין מהנדסים מכניים וההנדסה והמדע של כשל של חומרים הנדסיים וכאלו עם מבנה פנימי עד לסקאלות נמוכות. בתחילה ילמד החוזק התיאורטי של חומרים ותוסבר השפעת הנפח על החוזק. תילמד המכניקה הבסיסית של שני המנגנונים העקריים הקשורים לכשל של חומרים: נקעים לחומרים משיכים וסדקים לחומרים פריכים, וכן ילמד השווה והשונה בין שני מנגנונים עיקריים אלו. יוסבר איך נכשלים חומרים משיכים ופריכים מונוליטיים. לאחר מכן ילמד איך נכשלים חומרים דו פאזיים, ובעיקר מכניקת כשל על שכבת הביניים בין שני חומרים שונים וכן כשל בין סיב ומטריצה בחומרים מרוכבים. בהמשך ילמד כשל של חומרים בעלי מבנה פנימי: כשל של ליווחים במתיחה וכפיפה, אספקטים שונים של כשל בחומרים ביולוגיים כמו שיניים ועצמות. הקורס יסתיים בתיאוריה הסטטיסטית לחוזק של Weibull.

The course is aiming at bridging the gap between mechanical engineers and the science and engineering of the way monolithic materials and materials with internal structure fail. At first, it will concentrate on introducing the two basic mechanical aspects of failure mechanisms of materials: dislocation and fracture. The basics of the mechanics of a (single) dislocation and the basics of brittle fracture will be presented, and the similarities between the two will be studied. The theoretical strength of materials will be a reference of the upper bound strength of materials, and the size effect on strength of materials discussed. We then move to failure of various materials and materials hierarchy. At first, failure of conventional monolithic ductile and brittle materials, and then multiphase materials: failure initiation along the interface of bimaterials, failure initiation in composites (fiber end and matrix), laminated systems, and finally, biological/hierarchal systems. The statistical nature of materials failure via Weibull Statistics will end the course. The course will give phenomenological descriptions as well as mathematical/mechanical formulations of the phenomena.

Pre requisite courses: Mechanical Behavior of Materials, Solid Mechanics, Elasticity.

Course plane by hours: 

1. The theoretical strength under shear and tension, strength and size effect - 1 meeting (3 hours)
2. Ductile materials - Basics of Dislocation Theory - 1 meeting (3 hours)
3. Brittle materials - Basics of Fracture Mechanics – 1 meeting (4 hours)
4. Similar aspects of dislocations and fracture – comparison – 1 meeting (2 hours)
5. Failure of metallic materials by dislocations - 1 meeting (3 hours)
6. Failure of brittle materials by crack initiation - 1 meeting (3 hours)   
7. Stress distribution along bimaterials interface - 1 meeting (3 hours)
8. Failure initiation in composite materials - 1 meeting (3 hours)
9. Failure in natural/manmade laminated systems – 2 meetings (6 hours)
10. Failure in biological/hierarchal systems – 2 meetings (6 hours)
11. Statistical strength on materials – 1 meeting (3 hours)

Books:

1. Jack A. Collins: Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention.
2. Richard M Christensen: The Theory of Materials Failure.
3. L.B. Freund and S. Suresh: Thin Film Materials: Stress, Defect Formation and Surface Evolution.
4. ‏A. Alavudeen, N. Venkateshwaran‏, J.T Winowlin-Jappes: A Textbook of Engineering Materials and Metallurgy.
5. Editors: Abdel Makhlouf, Mahmood Aliofkhazraei: Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Aerospace and Automotive Industries

Grading:

30% Homework assignments

60% Final project and presentation

10% Active participation in final presentations day