خزش (مواد)

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
پره توربین سالم

خزش عبارتست از تغییر شکل آهسته و پیوسته جامد تحت تنش ثابت با زمان که تنها در دماهای بالا رخ می‌دهد، یعنی T>۰٫4Tm، که Tm نقطه ذوب به کلوین می‌باشد. بطور کلی خزش تابعی پیچیده از تنش، زمان، دما، اندازه و شکل دانه، ریزساختار، کسر حجمی و ویسکوزیته فاز شیشه‌ای در مرز دانه‌ها، تحرک نابجایی‌ها و … می‌باشد.[۱]

پرهٔ توربین آسیب دیده تحت اثر خزش

شرایط ترمودینامیکی و مشخصه‌های سینتیکی تأثیر بسیار زیادی بر روی ریزساختار ماده دارند، به عنوان مثال پدیدهٔ نفوذ رابطهٔ مستقیمی با دما دارد و این خود تأثیراتی روی خواص مکانیکی مواد و پدیده خزش می‌گذارد.

پدیده خزش در سرامیک‌ها بسیار مهم‌تر از فلزات است، چرا که کاربردهای دما بالا در سرامیک‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. نقش مکانیزم‌های نفوذی خزش در سرامیک‌ها بسیار پیچیده‌تر از فلزات می‌باشد، چون عمدتاً پدیدهٔ نفوذ در سرامیک‌ها پیچیده‌تر است. نیاز به خنثی بودن بار نفوذی مختلف برای کاتیون‌ها و آنیون‌ها در این پیچیدگی سهیم‌اند.[۲]

خارج شدن اتم‌ها از مناطقی که تحت فشار هستند و قرارگیری آن‌ها در مناطقی که تحت کشش می‌باشند، انرژی آزاد اتم‌ها را تقریباً به مقدار ۲Ωσ می‌کاهد بطوریکه در آن σ تنش اعمالی و Ω حجم اتمی می‌باشد. این کاهش انرژی نیروی محرکه خزش در ماده می‌باشد.[۳]

به طور کلی تأثیر دما بر روی ساختار مواد را می‌توان به صورت زیر تقسیم‌بندی کرد:

تأثیر دمای بالا بر روی مواد[ویرایش]

بالا رفتن سرعت نفوذ[ویرایش]

با بالا رفتن دما، تعداد عیوب تهیجایی (Vacancy) بالا می‌رود. با بالا رفتن تعداد جاهای خالی در داخل شبکه کریستالی مواد، سرعت نفوذ افزایش می‌یابد که این خود موجب تغییر در شبکه کریستالی ماده می‌گردد.

انبساط گرمایی[ویرایش]

با افزایش دما معمولاً حجم مواد افزایش می‌یابد. این اتفاق در مورد موادی که دارای ناخالصی نیز هستند رخ می‌دهد. به دلیل تفاوت ضریب انبساط گرمایی مادهٔ حل شونده یا رسوب موجود با فاز زمینه، ذرات حل شونده تغییر شکل می‌دهند و این موضوع باعث ایجاد تنش در شبکهٔ کریستالی ماده می‌شود؛ بنابراین عملاً مکانیزم‌های استحکام بخشی که مبتنی بر انحلال جامد یا رسوب هستند در دماهای بالا کاربرد ندارند.

پدیده‌های مرتبط با اندازه دانه[ویرایش]

معمولاً با تغییر دما شاهد تغییر در اندازه دانه هستیم. به طور کلی با افزایش دما، ممکن است اندازه دانه تغییر کند یا ممکن است مرزهای دانه تضعیف شوند و در نتیجه در صفحات لغزش مناسبی، در دماهای بالا نابجایی‌ها رفتار دانه‌ها روی هم بلغزند یا شبکه کریستالی دچار تبلور مجدد شود و اندازه دانه افزایش یابد.

پره‌های موتور جت به دلیل قرار گرفتن در دمای بالا و نزدیک به ذوب، تحت اثر تنش‌هایی به مراتب کمتر از تنش تسلیم دجار تخریب می‌شوند .

پدیده‌های مرتبط با نابجایی‌ها[ویرایش]

در دماهای بالا نابجایی‌ها از خود رفتارهای عجیبی بروز می‌دهند، که این رفتارها به هیچ وجه در دماهای پایین قابلیت بروز و ظهور ندارند. در دماهای بالا نابجایی‌ها ممکن از صعود یا نزول کنند و سیستم لغزش خود را تغییر دهند یا سیستم لغزش جدیدی در دماهای بالا فعال شود، حتی ممکن است چگالی نابجایی‌ها دچار کاهش شود. همهٔ این اتفاقات موجب تغییر در خواص مکانیکی ماده مورد نظر می‌شود.

پدیده‌های مرتبط با تغییر فاز ماده[ویرایش]

با افزایش دما امکان تغییر فاز ماده وجود دارد، ممکن است با تغییر فاز ماده شبکه کریستالی ماده تغییر شکا بدهد که این موجب ایجاد تنش درونی در ساختار کریستالی می‌گردد. همچنینی ممکن است با افزایش دما رسوبات موجود در فاز زمینه در فتز زمینه حل شود؛ و همین امر باغث می‌شود رسوب مورد نظر که به عنوان مثال برای افزایش استحکام مادهٔ مورد نظر و با اندازهٔ رسوب خاصی اضافه شده است، دیگر کاربردی برای افزایش استحکام ماده نداشته باشد. این امر حتی می‌تواند با تغییر اندازه رسوب موجب کاهش استحکام ماده مورد نظر نیز گردد.[۴]

سوپرپلاستیسیته[ویرایش]

سوپر پلاستیسیته و خزش از نظر آنچه بر روی ماده رخ می‌دهد یکسان اند و مفاهیمی بسیار نزدیک به هم اند با این تفاوت که سوپر پلاستیسیته یک میکانیزم خودخواسته و مطلوب است، اما خزش مکانیزمی مخرب است.

به کمک سوپرپلاستیسیته می‌توانیم تغییر شکل بسیار زیادی را بر روی جسم اعمال کنیم. کاری که در دماهای پایین، اتفاق نمی‌افتد و موجب شکست و پارگی جسم می‌گردد. سوپرپلاستیسیته در همان شرایطی که خزش رخ می‌دهد به وقوع می‌پیوندد، یعنی در تنش کم، دمای بالا و زمان طولانی.

این روش یکی از روش‌های تغییر شکل متداول برای موادی است که به راحتی تغییر شکل نمی‌دهند، به عنوان مثال برای افزایش طول ورق‌های تیتانیومی از سوپرپلاستیسیته استفاده می‌شود و می‌توان تغییر طول زیادی را بر روی آن ایجاد کرد.[۵]

آزمون‌های خزش[ویرایش]

به طور کلی دو روش معمول برای اندازه‌گیری خزش وجود دارد. که نتایج این آزمایش‌ها به صورت نمودارهای کرنش برحسب زمان در میزان تنش ثابت بیان می‌گردد. دو روش معمول، روش‌های تنش ثابت و بار ثابت است. در روش بار ثابت (Contant Load) میزان نیروی وارده به جسم عددی ثابت است و بنابراین با کاهش سطح مقطع جسم، میزان تنش در مقطع جسم افزایش می‌یابد. در روش تنش ثابت میزان نیروی وارده طوری تغییر می‌کند که همواره در مقطع جسم حتی با کاهش سطح مقطع تنش ثابت بماند.

تست‌های خزش به دلیل زمان گیر بودن، ممکن است تا ماه‌ها به طول انجامد.

نتایج آزمون خزش به صورت نمودارهای کرنش زمان بیان می‌شود. بر اساس این نمودارها مراحل خزش را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

مراحل خزش[ویرایش]

نمودار کرنش-زمان یک جسم تحت تأثیر خزش و مراحل خزش. این تست با روش بار ثابت (Constant Load) انجام پذیرفته است.

خزش به طور معمول دارای سه مرحله است:

مرحله ۱: در مرحلهٔ اول ابتدا شیب زیاد است و سپس کم می‌شود. یعنی نرخ کرنش با گذشت زمان کاهش پیدا می‌کند. در این مرحله اثر کارسختی بیشتر از کار نرمی است.

مرحله ۲: در مرحلهٔ دوم نرخ کرنش ثابت می‌شود و نمودار به صورت تقزیبا خطی می‌شود. در این مرحله کار سختی و کار نرمی تقریباً به تعادل می‌رسند و موجب ثابت شدن نرخ کرنش می‌گردند.

مرحله ۳: در مرحلهٔ سوم نیز به دلیل کاهش چشمگیر سطح مقطع جسم و گلویی شدن، تنش در مقطع جسم به طرز قابل توجهی افزایش یافته و در نتیجه نرخ کرنش (شیب نمودار) افزایش می‌یابد تا این که جسم پاره می‌گردد.

در آزمون خزش با روش تنش ثابت مرحلهٔ سوم وجود ندارد و نمودار آن شامل مرحلهٔ ۱ و ۲ تا زمان شکست کامل است.[۶]

کمترین مقدار نرخ کرنش که در منطقه دوم دوم رخ می‌دهد را می‌توان از رابطهٔ زیر بدست آورد:

در این رابطه C ثابت مربوز به نوع ماده، σ تنش اعمالی، d اندازه دانه، Q انرژی فعالسازی برای خزش، b و m ثابت و R ثابت بولتزمان است.

مکانیزم‌های خزش[ویرایش]

مکانیزم‌های خزش سه نوع اند: ۱- مبتنی بر نابجایی‌ها ۲- مبتنی بر نفوذ ۳- مبتنی بر حرکت مرزهای دانه

بر اساس شرایط محیطی اعمال شده روی ماده از قبیل دما هر کدام از این مکانیزم‌ها قابلیت بروز و ظهور دارند.

مبتنی بر نابجایی‌ها[ویرایش]

نابجایی‌ها بسته به اینکه ماده در محدودهٔ پایین از دماهای بالا باشد یا در محدودهٔ بالای دماهای بالا باشند دو نوع رفتار از خود بروز می‌دهند:

مکانیزم خزش مبتنی بر نفوذ مکانیزم نابارو - هیرینگ (Nabarro - Herring creep) جای خالی‌ها از داخل شبکه عبور می‌کنند.

تغییر سطح لغزش نابجایی[ویرایش]

در محدودهٔ پایین دماهای بالا نابجایی که در حال حرکت روی سطح لغزش خود است پس رسیدن به یک نابجایی دیگر، با تغییر سطح لغزش از نابجایی دیگر عبور کرده و سپس به مسیر خود ادامه می‌دهد.

صعود نابجایی[ویرایش]

درمحدودهٔ بالای دماهای بالا، نابجایی پس از رسیدن به رسوب، با ایجاد جای خالی در اطراف رسوب، از رسوب صعود کرده و با پشت سر گذاشتن رسوب به مسیر ادامه می‌دهد.

مبتنی بر نفوذ[ویرایش]

در حالتی که جسم تحت تأثیر تنش باشد، قسمتهایی از جسم در حال کشیده تر شدن و قسمتهای دیگر در حال فشرده شدن هستند. قسمت‌هایی که در حال کشیده شدن هستند به جای عیوب تهی جایی (جای خالی یا Vacancy) بیشتری نیاز دارند بنابراین، جای خالی‌ها از مرزهای فشاری به مرزهای کششی تغییر مکان می‌دهند. بسته به اینکه این نابجایی‌ها از کدام مسیر عبور کنند این مکانیزم به دو نوع می‌شود.

خزش نابارو - هرینگ (Nabarro - Herring creep)[ویرایش]

در این مکانیزم که در محدودهٔ بالای دماهای بالا رخ می‌دهد، جای خالی‌ها از طریق داخل شبکهٔ کریستالی عبور می‌کنند و از مرزهای فشاری به مرزهای کششی می‌روند.

خزش کوبل (Coble creep)[ویرایش]

در این مکانیزم که در محدودهٔ پایین دماهای بالا رخ می‌دهد، جای خالی‌ها از طریق مرزهای دانه عبور می‌کنند و از مرزهای فشاری به مرزهای کششی می‌روند.

مبتنی بر لغزش مرزهای دانه[ویرایش]

در دماهای پایین مرزهای دانه مستحکم اند. با افزایش دما، مرزهای دانه شروع به ذوب شدن کرده و حالت نرم پیدا می‌کنند. به دلیل وجود تنش برشی اعمالی بر روی جسم و نرم شدن مرزهای دانه، مرزهای دانه در کنار هم می‌لغزند و موجب تغییر شکل در ساختار کریستالی ماده می‌گردند.[۷]

منابع[ویرایش]

  1. Jump up ^ McCrum, N.G, Buckley, C.P; Bucknall, C.B (2003). Principles of Polymer Engineering. Oxford Science Publications.نام خانوادگی=. 
  2. "Rheology of Ice". Archived from the original on 2007-06-17. Retrieved 2008-10-16.. 
  3. Barsoum, M. W. , Fundamentals of Ceramics ,McGraw-Hill Companies, Inc. , 2000
  4. Mohamed, F. A. ; Murty, K. L. ; Morris, J. W. (April 1973). "Harper-dorn creep in al, pb, and sn". Metallurgical Transactions. 4 (4): 935–940. doi:10.1007/BF02645593.. 
  5. Mechanical behavior of materials. Cambridge University Press، 2009-01-01. شابک ‎۹۷۸۰۵۲۱۸۶۶۷۵۰. 
  6. Kassner, M.E; Pérez-Prado, M. -T (January 2000). "Five-power-law creep in single phase metals and alloys". Progress in Materials Science. 45 (1): 1–102. doi:10.1016/S0079-6425(99)00006-7.. 
  7. «"Ceiling Collapse in the Interstate 90 Connector Tunnel". National Transportation Safety Board. Washington, D.C. :». www.ntsb.gov. NTSB. July 10, 2007. Retrieved 2 December 2016. 

جستارهای وابسته[ویرایش]