هنگامی که یک ماده در یک زمان معین تحت فشار شدید لحظه ای یا تنش ثابت قرار می گیرد، رفتار متفاوتی دارد. هنگامی که تحت تنش مکانیکی مداوم است، یک ماده تمایل دارد به تدریج حرکت کند یا به صورت دائمی تغییر شکل دهد. این گرایش طبیعی نامیده می شود خزیدن. عوامل متعددی در شروع و پیشرفت خزش در یک ماده نقش دارند، از جمله دما، زمان، تنش و ترکیب آلیاژ. میزان تغییر شکل ناشی از خزش نامیده می شود سرعت خزش.
مطالعه خزش در کاربردهای مهندسی مختلف، به ویژه مواردی که دما و تنش بالا در آن دخیل هستند، بسیار مهم است. دیسک‌ها و پره‌ها در توربین‌ها، بدنه‌های سفینه فضایی و خطوط بخار نمونه‌هایی از مکان‌هایی هستند که ممکن است اثرات خزشی رخ دهد. [1].
قدرت خزش، همچنین به عنوان شناخته شده است حد خزش، اندازه گیری مقاومت یک ماده در برابر خزش است. همچنین به عنوان تنش در شرایط محیطی خاص که نرخ خزش ثابتی ایجاد می کند، توصیف می شود [2]. به عبارت دیگر، استحکام خزشی حداکثر تنشی است که یک ماده برای یک دوره زمانی خاص بدون تغییر شکل شدید تحمل می کند.
خزش چیست؟
خزش به عنوان تغییر شکل مواد وابسته به زمان تحت تنش مداوم زیر قدرت تسلیم ماده تعریف می شود. معمولاً مشاهده می شود که تحت دماهای بالا کاملاً تأثیرگذار است، به ویژه در مورد فلزات. با این حال، هنوز هم می تواند در دمای اتاق، مانند شیشه و سرب، با سرعت بسیار کمتری انجام شود.
نام های دیگر خزش عبارتند از خزش مواد و جریان سرد.
هنگامی که مواد در یک دوره طولانی در معرض سطوح فزاینده تنش قرار می گیرند، خزش می تواند شدید شود. این امر به ویژه در مورد موادی صدق می کند که اغلب در معرض حرارت زیاد قرار می گیرند و حتی می توانند با رسیدن دما به نقطه ذوب برای همیشه تغییر شکل دهند. بدون فراتر رفتن از قدرت تسلیم ماده، خزش می تواند منجر به کرنش پلاستیک شود که جنبه منحصر به فرد این پدیده است، زیرا تغییر شکل پلاستیک معمولاً زمانی اتفاق می افتد که از مقاومت تسلیم فراتر رود.
با وجود پیچیدگی مکانیک آن، خزش را می توان در 3 مرحله متوالی توصیف کرد، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1: یک منحنی خزش معمولی که مراحل مختلف تغییر شکل خزش را نشان می دهد.
1. خزش اولیه
این مرحله اولیه زمانی است که تغییر شکل الاستیک شروع به رخ دادن می کند. پس از آن، تغییر شکل پلاستیک فراتر می رود، زیرا خزش از سرعت سریع اولیه خود به دلیل فرآیندی به نام سخت شدن کرنش (یا سخت شدن کار)، که در آن ماده با تغییر شکل پلاستیک تقویت می شود، کاهش می یابد.
2. خزش ثانویه
به این مرحله نیز می گویند خزش حالت ثابت. زمانی اتفاق می افتد که نرخ کرنش شروع به ته نشین شدن در یک حالت ثابت می کند. کرنش نسبتاً آهسته است، زیرا آسیب ریزساختاری هنوز حاصل نشده است.
3. خزش سوم
این آخرین مرحله در تغییر شکل خزشی یک ماده است که در آن خرابی در ریزساختار ماده رخ می دهد. این آسیب مداوم باعث افزایش سرعت کرنش می شود و بدتر می شود تا زمانی که فضای خالی کافی در ریزساختار ایجاد شود و در نتیجه ماده در شکستگی از بین می رود.
انواع تغییر شکل خزشی
انواع مختلفی از تغییر شکل خزشی وجود دارد، از جمله خزش نابجایی، خزش انتشار (انتشار توده ای یا انتشار مرز دانه)، خزش صعود-سرخوردن نابجایی، و خزش سر خوردن فعال شده با حرارت. همه این مکانیسم‌های مختلف خزش به دمایی که تغییر شکل در آن رخ می‌دهد، سطح تنش که توسط ماده تجربه می‌شود، و ریزساختار و ترکیب مواد بستگی دارد. اثر دما و تنش را می توان در شکل 2 مشاهده کرد.
شکل 2: نموداری که اثرات دما و تنش را بر تغییر شکل خزش نشان می دهد.
به عنوان مثال، در یک مسیر راه آهن، ریل جوش داده شده پیوسته که در آفتاب مستقیم گرم می شود، می تواند کمانش کند. این ناشی از افزایش تنش در فولاد و خزش ناشی از آن است. بتن ممکن است تحت سطوح خزش متوسط ترک بخورد، اما گاهی اوقات این امر مطلوب است زیرا می تواند تنش های کششی در سازه را کاهش دهد. پلیمرها هنگامی که در معرض تنش ثابت قرار می گیرند، تحت یک رشد کرنش وابسته به زمان قرار می گیرند که معمولاً به عنوان خزش ویسکوالاستیک شناخته می شود.
قدرت خزش در آلیاژها
قدرت خزش معمولاً همراه با استفاده می شود قدرت پارگی، که تنشی است که در آن گسیختگی در شرایط محیطی خاص و برای مدت زمان مشخص ایجاد می شود [2]. قدرت خزشی که اساساً معیاری برای مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل خزش است، از توانایی ماده در مقاومت در برابر حرکت نابجایی ریزساختاری استنتاج می‌شود. به همین دلیل به آن نیز گفته می شود مقاومت در برابر خزش یا حد خزش. برای مثال در فولادها، مقاومت خزشی تنها در دماهای بالا قابل توجه است. آلیاژها، به ویژه آلیاژهای آلومینیوم، به دلیل نقطه ذوب پایین، مستعد خستگی و شکستگی هستند. با این حال، عوامل دیگری نیز وجود دارد که بر استحکام خزشی آلیاژها تأثیر می گذارد، به شرح زیر:
ترکیب زیرسازی
یک زیرسازی پایدار که دارای نابجایی های یکنواخت است، در برابر خزش-خستگی مقاومت می کند. با این حال، زیرسازی که تحت کرنش درشت می شود منجر به کاهش قدرت خزش می شود. آلیاژهای مبتنی بر نیکل نمونه خوبی از این پدیده هستند. اندازه دانه ریز در ساختار همچنین می تواند استحکام خزش را افزایش دهد و بالعکس، زیرا اندازه دانه های کوچکتر با خواص مواد قوی تر همراه است.
حرارت درمانی
عملیات حرارتی منجر به ایجاد آستنیت می شود. برخی از اینها مانند بینیت به افزایش قدرت خزش کمک می کند.
تقویت محلول جامد
این حرکت و تغییر شکل را از طریق ساختار شبکه کاهش می دهد، به عنوان مثال مولیبدن قدرت خزش را به طور قابل توجهی افزایش می دهد.
کمیت و پراکندگی رسوب سخت
کاربیدها و مواد بین فلزی مانند VC (کاربید وانادیوم)، هنگامی که به صورت ریز و یکنواخت در یک آلیاژ پراکنده می شوند، حرکت و خزش را کاهش می دهند.
بنابراین، استحکام خزش ذاتی در یک آلیاژ بسته به ترکیب شیمیایی، فاصله ذرات در ماده، و درمان یا تقویت فلز به طور قابل توجهی متفاوت است.
در اینجا لیستی از مواد با قدرت خزش مربوطه آنها وجود دارد. توجه داشته باشید که چگونه هر یک دارای دمای نسبی است که در آن قدرت خزش اندازه گیری می شود.
اندازه گیری قدرت خزش
قدرت خزش با استفاده از دستگاه تست خزش اندازه گیری می شود. دستگاهی که اعوجاج یک ماده را در سطوح مختلف تنش اندازه گیری می کند. می توان از آن برای ترسیم مقدار تنش و کرنش یک ماده، با دما یا بارگذاری به عنوان متغیر استفاده کرد. نمودار به دست آمده 3 مرحله متمایز خزش، خزش اولیه، خزش حالت پایدار و خزش سوم را نشان می دهد.
نمودار را می توان برای مشخص کردن دما و فاصله زمانی برای مراحل مختلف خزش ارزیابی کرد. بنابراین قدرت خزش یا حد خزش را می توان از مرحله خزش سوم نمودار مشخص کرد.
کنترل دمای محفظه ای که تست خزش در آن انجام می شود بسیار مهم است تا اثرات انبساط حرارتی به حداقل برسد.
چگونه می توان تغییر شکل خزشی را به حداقل رساند یا از آن جلوگیری کرد
اکنون واضح است که تغییر شکل خزشی به طور کلی یک پدیده نامطلوب است. برای کاهش اثر آن یا جلوگیری از وقوع آن، می توان ملاحظات طراحی خاصی را در نظر گرفت که برخی از آنها عبارتند از:
- لغزش مرز دانه را با استفاده از مواد تک کریستالی با دانه های درشت به حداقل برسانید و جای خالی ریزساختاری را با افزودن محلول های جامد حذف کنید.
- از مواد با نقطه ذوب بالا استفاده کنید
- با استفاده از فلزات مکعبی محور (FCC) به جای فلزات مکعبی (BCC) به دلیل ضرایب انتشار کمتر، انتشار را به حداقل برسانید.
- از موادی با مدول برشی بالا استفاده کنید یا از آلیاژهای راحت استفاده کنید
- کاهش دمای کاری که در آن از مواد استفاده می شود (ویژه برنامه)
- هنگام انتخاب مواد به داده‌های تست خزش از منابع معتبر مانند Matmatch مراجعه کنید
در این مقاله درباره مقاومت در برابر خزش و مزایای خزش بیشتر بدانید: «چرا مهندسان طراح باید مقاومت خزشی مواد را در نظر بگیرند».