خزش (تغییر شکل) : تعریف، نحوه عملکرد، اهمیت و نمودار


مقدمه

خزش (Deformation) یک نوع تغییر شکل مکانیکی آهسته است که زمانی رخ می دهد که ماده ای برای مدت طولانی در معرض سطوح بالای تنش قرار گیرد. خزش وابسته به زمان است. تغییر شکل با سرعت نسبتاً آهسته ای رخ می دهد که می تواند باعث شود ماده در زیر نقطه تسلیم (yield point) خود از بین برود. سرعت خزش می تواند تحت تأثیر خواص مواد، سطح تنش و دما باشد. موادی مانند فولاد فقط در دماهایی که به دمای ذوب آنها نزدیک می شوند، سطوح قابل توجهی از خزش را تجربه می کنند. پارگی خزش اصطلاحی است که برای زمانی استفاده می شود که ماده ای به دلیل بار خزش از بین رفته باشد.

خزش در علم مواد چیست؟

از دیدگاه علم مواد، خزش یک حالت شکست پیچیده است که نحوه تغییر شکل مواد در مقیاس اتمی را در هنگام قرار گرفتن در معرض تنش و یا دمای ثابت توصیف می کند. این تغییر شکل ها معمولاً به شکل جابجایی ها (Dislocations) است که در آن حفره ها به دلیل تنش اعمال شده در مرز دانه یا در داخل ساختار کریستالی دانه ایجاد می شوند. این حفره ها یا جابجایی ها سپس در طول عمر قطعه در سراسر ماده حرکت می کنند و منجر به تغییر شکل دائمی به نام خزش می شوند. این تغییر شکل ها می تواند به مراتب پایین تر از نقطه تسلیم ماده رخ دهد. خزش معمولاً در سه مرحله به نام های اولیه، ثانویه و خزش ثالث خود را نشان می دهد.

خزش در بتن چیست؟

تغییر شکل خزش در بتن می تواند باعث شود سازه ها با گذشت زمان به طور دائمی تغییر شکل دهند. مکانیزم خزش در بتن با مکانیزم موجود در فلزات و پلیمرها بسیار متفاوت است. یک تفاوت مهم این است که خزش در بتن می تواند در هر سطح تنشی رخ دهد. سطح سنگدانه در مخلوط می تواند به کاهش سرعت خزش کمک کند.

خزش در فولاد چیست؟

تغییر شکل خزش در فولاد فقط زمانی مشکل تلقی می شود که دمای کار آن برای مدت طولانی به 40 درصد دمای ذوب آن برسد. بسته به شرایط بارگذاری و نوع ماده، مکانیزم های خزش مختلفی می تواند خود را نشان دهد.

خزش چگونه کار می کند؟

تغییر شکل خزش با ایجاد جابجایی های موضعی در داخل ساختار دانه فلز یا روی مرز دانه ها کار می کند. برای پلیمرها، خزش با لغزش زنجیره های مولکولی در کنار یکدیگر کار می کند. تغییر شکل خزش به شدت به تنش اعمال شده و دمای کار بستگی دارد.

خزش در چاپ سه بعدی چگونه کار می کند؟

تغییر شکل خزش در چاپ سه بعدی به عوامل زیادی بستگی دارد، مانند فناوری مورد استفاده برای چاپ قطعه، ماده مورد استفاده و تکنیک های پس پردازشی که دنبال می شود. هنگام چاپ سه بعدی پلاستیک با استفاده از FFF (Fused Filament Fabrication) ، رفتار ویسکوالاستیک معمولی پلیمرها اعمال می شود. این بدان معناست که اگر قطعه در معرض تنش ثابت قرار گیرد، زنجیره های مولکولی داخل ماده از کنار یکدیگر عبور می کنند و منجر به خزش می شوند. این به ویژه مشکلی است زیرا پلاستیک های چاپ سه بعدی به طور کلی دمای ذوب پایین تری دارند و بنابراین بیشتر تحت تأثیر دمای محیط قرار می گیرند که می تواند سرعت خزش را تسریع کند.

تست خزش (Deformation) چرا مهم است؟

تست خزش (Deformation) مهم است زیرا به مهندسان اجازه می دهد تا قطعات را در حالی که رابطه بین تنش، دما و سرعت خزش را درک می کنند طراحی کنند تا اطمینان حاصل شود که قطعه در بارهای زیر مقاومت تسلیم خود در دمای بالا از بین نمی رود. برای فلزات، یک تست تغییر شکل خزش با اعمال بار کششی ثابت و دما بر روی نمونه برای رسم کرنش ایجاد شده به عنوان تابعی از زمان انجام می شود.

برای مواد شکننده، تست های خزش فشاری برای توسعه رفتار ماده در زیر بارهای طولانی مدت و دمای افزایش یافته استفاده می شود. تست های خزش با تعریف سرعت خزش ثانویه که برای طراحی اجزاء برای عمر مفید چند دهه و همچنین زمان پارگی که برای طراحی اجزاء کوتاه مدت مانند پره های توربین استفاده می شود، بینش ارائه می دهد.

نمودار خزش (Deformation) را چگونه بخوانیم؟

منحنی تغییر شکل خزش را می توان به سه بخش تقسیم کرد: خزش اولیه، ثانویه و ثالثیه(دوره سوم در نمودار). برای فلزات، این موارد به سه رفتار متمایز روی منحنی اشاره دارد که در شکل 1 زیر نشان داده شده است:

[شکل 1]

  • بخش اول منحنی به ناحیه الاستیکی اشاره دارد که زمانی ایجاد می شود که ماده برای اولین بار در معرض بار قرار می گیرد و شروع به کرنش و سخت شدن در طول زمان می کند.
  • دومین ناحیه خطی به تغییر شکل حالت پایدار اشاره دارد که در طی آن سرعت خزش ثابت است.
  • بخش نهایی به ناحیه شکست اشاره دارد که در آن سرعت خزش ماده به سرعت افزایش می یابد تا به نقطه پارگی برسد.

روش رایج‌تر برای نشان دادن رفتار خزش یک فلز، رسم سرعت کرنش ماده در دماهای مختلف است، همانطور که در شکل 2 زیر نشان داده شده است:

[شکل 2]

این نمودار، نمای کلی گسترده ای از رفتار ماده را در رابطه با طیف وسیعی از دماهای مختلف ارائه می دهد. همانطور که مشاهده می شود، افزایش دما منجر به سرعت کرنش بالاتر و زمان کمتر برای پارگی می شود.

معادله کلی خزش چیست؟

خزش را می توان به صورت تغییر کرنش بر حسب زمان نشان داد، همانطور که در معادله زیر مشاهده می شود:

[معادله خزش]

در این معادله:

  • C – ثابتی است که بسته به مکانیزم خزش و ماده تغییر می کند.
  • σ – تنش اعمال شده به ماده
  • m, b – توان هایی هستند که به مکانیزم خزش خاص بستگی دارند
  • d – اندازه دانه متوسط مواد
  • Q – انرژی فعال سازی تغییر شکل
  • k – ثابت بولتزمن
  • T – دمای مطلق

سه مرحله خزش (Deformation) چیست؟

خزش را می توان به سه مرحله طبقه بندی کرد که در زیر لیست شده اند:

1. خزش اولیه (Primary Creep)

همچنین به عنوان خزش گذرا شناخته می شود، این اولین مرحله از خزش است و در زمان اعمال بار به صورت آنی رخ می دهد. این یک ناحیه الاستیک است که در آن سرعت خزش به دلیل سخت شدن کرنش در ماده به عنوان تابعی از زمان به آرامی کاهش می یابد. این کند شدن سرعت خزش را می توان با کاهش شیب منحنی در شکل 3 زیر مشاهده کرد:

[شکل 3]

این بدان معنی است که ماده در این ناحیه مقاومت خزشی بیشتری را تجربه می کند.

2. خزش ثانویه (Secondary Creep)

همچنین به عنوان خزش حالت پایدار شناخته می شود، این مرحله با سرعت خزش ثابت مشخص می شود که توسط یک منحنی خطی (شکل 3 بالا) تعریف می شود و طولانی ترین مدت را در طول تغییر شکل خزش دارد. در حالی که هنوز سطحی از سخت شدن کرنش وجود دارد، این امر با ماده ای که مرحله بازیابی را پشت سر می گذارد و باعث نرم شدن ماده و امکان تغییر شکل می شود، جبران می شود. این سرعت خزش ثانویه همان چیزی است که توسط مهندسان به عنوان پارامتری برای اطلاع رسانی به طرح های آنها استفاده می شود.

3. خزش ثالثیه (Tertiary Creep)

این مرحله نهایی تغییر شکل خزش است و در نهایت منجر به پارگی نهایی ماده می شود. مکانیزم شکست معمولاً به صورت ایجاد میکروترک ها، حفره های داخلی و جداسازی مرز دانه آشکار می شود. این شکست ها در نهایت منجر به کاهش سطح مقطع مؤثر می شوند که سپس منجر به افزایش تنش می شود که سرعت شکست را تسریع می کند. مرحله سوم خزش منجر به افزایش سرعت خزش می شود که با افزایش شیب منحنی در شکل 3 بالا مشاهده می شود.

مکانیسم‌های مختلف خزش (Deformation) چیست؟

مکانیزم‌های مختلفی که تغییر شکل در سطح اتمی رخ می‌دهد، در زیر با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است:

1. خزش نابارو-هرینگ (Nabarro-Herring Creep)

خزش نابارو-هرینگ را می‌توان به طور کلی به عنوان خزش نفوذی طبقه‌بندی کرد. این مکانیزم خزش عمدتاً در تنش کم و دمای بالا رخ می‌دهد. این نوع خزش زمانی رخ می دهد که اتم ها به دلیل حفره هایی که با افزایش دما تشکیل می شوند، در شبکه کریستالی دانه نفوذ می کنند. این حفره‌ها در جایی تشکیل می‌شوند که مرز دانه در تنش کششی قرار دارد، یعنی همراستا با تنش اعمال شده. مرزهای دانه عمود بر تنش اعمال شده تحت فشار خواهند بود. هرچه اندازه دانه بزرگتر باشد، سرعت خزش کندتر می شود.

2. خزش پلیمرها (Creep of Polymers)

پلیمرها همچنین می توانند در معرض تنش ثابت و دمای بالا دچار خزش شوند، با این حال، در برخی موارد خزش می تواند در دمای اتاق رخ دهد. مکانیسم اصلی خزش در پلیمرها، لغزش زنجیره های منفرد نسبت به یکدیگر است. خزش در پلیمرها با پلیمرهای آمورف به جای پلیمرهای کریستالی محتمل‌تر است زیرا زنجیره‌های مولکولی پلیمرهای آمورف می‌توانند به راحتی نسبت به یکدیگر بلغزند.

3. خزش ن dislocation (Dislocation Creep)

همچنین به عنوان خزش توانی (power law creep) شناخته می شود، خزش dislocation مکانیزمی است که در آن خزش به دلیل جابجایی های اتمی رخ می دهد. سرعت کرنش توسط حرکت حفره‌هایی که می‌توانند به صورت لغزش یا صعود disloction باشند، تعیین می‌شود. لغزش زمانی است که جابجایی‌ها موازی با صفحه لغزش آنها حرکت می‌کنند و صعود زمانی است که جابجایی‌ها عمود بر صفحه لغزش آنها حرکت می‌کنند.

4. خزش Coble (Coble Creep)

خزش Coble نوعی خزش نفوذی است. این مکانیزم خزش عمدتاً در دماهای پایین‌تر تشکیل می‌شود زیرا وقوع حفره‌ها در مرز دانه نسبت به داخل خود دانه آسان‌تر است. برخلاف خزش نابارو-هرینگ، خزش Coble جایی رخ می‌دهد که حفره‌ها از مرز دانه عمود بر تنش اعمال شده به سمت مرزهای دانه موازی با تنش اعمال شده به جای خود دانه حرکت کنند.

5. خزش سولوت-درگ (Solute-Drag Creep)

این مکانیزم خزش به طور معمول در عناصر آلیاژی مشاهده می شود که در آن املاح موجود در آلیاژ مانع از تشکیل جابجایی ها در شبکه کریستالی ماده می شوند. این در نهایت مقاومت خزشی ماده را در دماهای بالا افزایش می دهد. از این آلیاژها اغلب در کاربردهای هوافضا استفاده می شود، Inconel® نمونه ای از موارد استفاده معمولی است.

6. خزش Harper-Dorn (Harper-Dorn Creep)

خزش Harper-Dorn نوعی خزش dislocation است. برای خزش Harper-Dorn، اندازه دانه هیچ تاثیری بر سرعت کرنش ندارد. با این حال، برای اینکه این شکل خزش در یک ماده ظاهر شود، اندازه دانه باید بزرگ باشد (مثلاً 0.5 تا 3.3 میلی‌متر)، ماده باید دارای خلوص بالایی (99.95%) باشد و چگالی اولیه جابجایی کم باشد. خزش Harper-Dorn معمولاً از 0.35 تا 0.6 برابر نقطه ذوب ماده با تنش های نسبتاً کم رخ می دهد.

7. تف جوشی (Sintering)

در حین تف جوشی، ذرات فلز در دمای بالا گرم می شوند. حفره های موجود بین این ذرات شروع به کوچک شدن می کنند. با این حال، در یک سطح تنش خاص، این انقباض حفره می تواند متوقف شود. این تنش تنش حد تف جوشی نامیده می شود. در حین تف جوشی، چگالی ماده با گذشت زمان افزایش می یابد – که اساساً نوعی خزش است. این فرآیند تحت تأثیر دما، سرعت کرنش و چگالی قرار دارد.

چه نوع موادی در معرض خزش (Deformation) قرار می گیرند؟

رایج ترین مواد که دچار خزش می شوند عبارتند از فلزات و پلیمرها. با این حال، خزش به شدت به تنش اعمال شده و دمای کار بستگی دارد. به همین ترتیب، برخی از فلزات ممکن است در اکثر شرایط معمول هرگز دچار خزش نشوند. به عنوان مثال، فولادهای سازه ای فقط در دماهایی بسیار بالاتر از شرایط کاری معمولی دچار خزش می شوند. هنگامی که نیاز است مواد در معرض تنش طولانی مدت در دماهای بالا قرار گیرند، سوپر آلیاژهای مقاوم در برابر خزش ترجیح داده می شوند زیرا مقاومت بالایی در برابر خزش دارند.

در چه دمایی خزش اهمیت پیدا می کند؟

دمایی که در آن خزش اهمیت پیدا می کند به طور کامل به ماده بستگی دارد. برای مثال، برخی از پلیمرها می توانند در دمای اتاق دچار خزش شوند، در حالی که فلزات به طور کلی فقط از حدود 40 درصد دمای ذوب خود دچار خزش می شوند.

شکست خزشی چیست؟

شکست خزشی یک تغییر شکل پلاستیکی وابسته به زمان در ماده ای است که در معرض تنش ثابت قرار گرفته است، با افزایش دما احتمال شکست خزشی افزایش می یابد. شکست خزشی در مرحله خزش ثالث رخ می دهد. این پدیده به طور معمول پس از یک مرحله طولانی از خزش حالت پایدار رخ می دهد. شکست در مقایسه با فاز حالت پایدار نسبتاً سریع رخ می دهد و با تشکیل حفره های داخلی، جداشدن مرز دانه و میکروترک ها همراه است.

چگونه می توان از خزش (Deformation) جلوگیری کرد؟

به طور کلی، تغییر شکل خزش را می توان با انتخاب مواد با نقاط ذوب بالا و مقاومت خزشی بالا کنترل کرد. ماده ای با مقاومت بسیار بالا در برابر خزش مانند Inconel® در کاربردهای با عملکرد بالا رایج است. مکانیزم های دقیق پیشگیری از خزش با جزئیات بیشتر در زیر توضیح داده شده است.

چه عواملی می توانند از خزش (Deformation) جلوگیری کنند؟

تغییر شکل خزش را می توان به راحتی با رعایت سه روش پیشنهادی زیر برطرف کرد:

1. مراحل خزش (Stages of Creep)

خزش در سه مرحله رخ می دهد: اولیه، ثانویه و ثالثیه. در اکثر موارد، از مرحله دوم خزش برای تعیین اینکه آیا ماده با ترکیب خاصی از تنش و دما سازگار است یا خیر استفاده می شود. این مرحله دوم بیشترین زمان را می برد و با داشتن سرعت کرنش ثابت تعریف می شود. ماده برای جلوگیری از خزش باید در طول شرایط کارکرد معمولی در این مرحله دوم باقی بماند.

2. انتخاب مواد (Materials Selection)

تغییر شکل خزش را می توان با انتخاب مواد مناسب برای کاربرد موردنظر کاهش داد یا از بین برد. موادی با دانه های بزرگ در برابر انواع خاصی از خزش، به ویژه خزش نفوذی، مقاوم تر هستند. مواد بدون هیچ دانه ای می توانند مقاومت بسیار بالایی در برابر خزش داشته باشند. فلزی بدون دانه می تواند با ریخته گری جهتی یک قطعه تولید شود تا اطمینان حاصل شود که از یک تک کریستال همگن ساخته شده است. برخی از آلیاژهای آهن را می توان با رسوب خاصی مقاوم در برابر خزش کرد. به عنوان مثال، کاربید تمایل به جمع شدن در مرزهای دانه دارد تا آنها را تثبیت کند و از این رو از ایجاد جابجایی در این نقاط جلوگیری کند. انتخاب مواد که تحت تقویت پراکندگی قرار گرفته اند – جایی که عناصر آلیاژی برای ایجاد فاز دوم در داخل ماده اضافه شده اند – به جلوگیری از تشکیل جابجایی ها کمک می کند.

3. شرایط کاری مختلف (Various Working Conditions)

خزش به زمان و دما نیاز دارد. ساده ترین راه برای جلوگیری از تغییر شکل خزش این است که اطمینان حاصل شود دمای کار تا حد امکان پایین باشد. اگر این امکان پذیر نیست، قطعه را با عمر مفید کمتر طراحی کنید تا در حالی که سطوح تغییر شکل خزش هنوز پایین است، قابل تعویض باشد. همچنین می توان مواد با نقاط ذوب بالاتر را انتخاب کرد.

آیا هنوز هم می توان خزش (Deformation) را برطرف کرد؟

تغییر شکل خزش دائمی است و قابل برگشت نیست زیرا ماده به صورت پلاستیکی تغییر شکل داده است. تنها راه برای رفع تغییر شکل خزش، تعویض قطعه یا استفاده از ماده ای است که در شرایط کارکرد معمولی دچار خزش نشود.

تفاوت بین خزش و شکست ترد چیست؟

تفاوت بین خزش (Creep) و شکست ترد (Brittle Fracture):

خزش (creep) و شکست ترد (brittle fracture) هر دو مکانیزم شکست در مواد هستند، اما با چند تفاوت کلیدی از هم متمایز می شوند:

  • سرعت شکست: خزش یک فرآیند شکست آهسته و وابسته به زمان است که در طول یک دوره زمانی طولانی رخ می دهد. از طرف دیگر، شکست ترد یک فرآیند ناگهانی و سریع است که اغلب بدون هیچ هشدار اولیه ای رخ می دهد.
  • تنش اعمال شده: خزش معمولاً در سطوح تنش پایین تا متوسط ​​رخ می دهد، در حالی که شکست ترد بیشتر در سطوح بالاتر تنش رخ می دهد.
  • دما: خزش بیشتر در دماهای بالا که نزدیک به نقطه ذوب ماده است، رخ می دهد. در مقابل، شکست ترد می تواند در دماهای پایین تر رخ دهد، به خصوص اگر ماده دارای نقص یا ناخالصی باشد که بر استحکام آن تأثیر می گذارد.
  • مکانیزم شکست: خزش با تغییر شکل پلاستیکی تدریجی مواد در سطح اتمی در طول زمان همراه است. در مقابل، شکست ترد با انتشار سریع ترک در سراسر ماده مشخص می شود. این ترک ها معمولاً در مرزهای دانه یا در عیوب موجود در ماده آغاز می شوند.

برای درک بهتر این تمایز، می توانید به موارد زیر توجه کنید:

  • مثال خزش: لوله های بخار در نیروگاه های انرژی در معرض دمای بالا و فشار مداوم قرار دارند. با گذشت زمان، این لوله ها ممکن است دچار خزش شوند که منجر به نازک شدن تدریجی دیواره لوله شود.
  • مثال شکست ترد: در زمستان بسیار سرد، لوله کشی آب در خانه ای بدون عایق ممکن است ترکیده شود. این یک نمونه از شکست ترد است که در آن دمای پایین باعث کاهش چقرمگی ماده و ایجاد ترک ناگهانی در لوله می شود.

جدول مقایسه خزش و شکست ترد:

ویژگیخزش (Creep)شکست ترد (Brittle Fracture)
سرعت شکستآهسته و وابسته به زمانناگهانی و سریع
تنش اعمال شدهپایین تا متوسطبالا
دمابالا (نزدیک نقطه ذوب)پایین (مخصوصا با وجود نقص)
مکانیزم شکستتغییر شکل پلاستیکی تدریجیانتشار سریع ترک

امیدوارم این توضیح کامل در مورد خزش، انواع آن، عوامل موثر و مقایسه آن با شکست ترد مفید باشد!

نتیجه گیری

خزش (Creep) یک پدیده مهم در علم مواد است که مهندسان باید در هنگام طراحی قطعاتی که در معرض تنش های طولانی مدت در دماهای بالا قرار می گیرند، در نظر بگیرند. درک ماهیت خزش به مهندسان اجازه می دهد تا مواد و پیکربندی های مناسب را برای بهینه سازی عملکرد و اطمینان از ایمنی در طول عمر مفید قطعه انتخاب کنند.

زمینه های کاربردی خزش (Deformation)

درک خزش در طیف وسیعی از صنایع از جمله موارد زیر بسیار مهم است:

  • صنایع هوافضا: توربین های گازی، نازل های موشک و بدنه هواپیما در معرض دماهای بالا قرار دارند که در آن خزش می تواند منجر به تغییر شکل و کاهش عملکرد شود.
  • صنایع نیرو: دیگ بخار، لوله های بخار و سایر اجزای نیروگاه در معرض فشار و دمای بالا قرار دارند که در صورت عدم کنترل خزش می تواند منجر به خرابی شود.
  • صنایع خودروسازی: قطعات موتور مانند سرسیلندر و بلوک موتور در معرض دماهای بالا قرار دارند و خزش می تواند بر عملکرد و طول عمر آنها تأثیر بگذارد.
  • صنایع ساخت و ساز: در برخی موارد، پل ها و سایر سازه های باربر در معرض دماهای بالا قرار می گیرند و درک خزش برای اطمینان از ایمنی سازه حیاتی است.

تحقیقات در حال انجام در مورد خزش (Deformation)

تحقیقات در حال انجام در زمینه خزش بر توسعه مواد جدید با مقاومت خزشی بالاتر و درک بهتر مکانیزم های خزش در سطح اتمی تمرکز دارد. این تحقیقات منجر به توسعه قطعات با دوام‌تر و قابل اعتمادتر در صنایع مختلف خواهد شد.

+منبع ترجمه:الکامهرکیمیا

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *