خزش چیست + کاربرد و اهمیت خزش فولاد

خزش فرآیندی است که شامل تغییر شکل تدریجی پلاستیک یک ماده در طول زمان است.  نکته قابل توجه در مورد خزش این است که تغییر شکل پلاستیک در سطوح تنش کمتر از قدرت تسلیم ماده رخ می دهد. به عبارت دیگر، خزش باعث می شود که یک ماده به صورت پلاستیکی تغییر شکل داده و در طول زمان زمانی که تحت یک بار الاستیک قرار می گیرد، شکل دائمی آن تغییر کند. این در تضاد با این مفهوم است که تغییر شکل پلاستیک تنها زمانی رخ می دهد که تنش اعمال شده از قدرت تسلیم ماده بیشتر شود.

هنگامی مواد، از جمله آلیاژهای فلزی و کامپوزیت های مورد استفاده در سازه هواپیما به صورت الاستیک بارگذاری می شوند میزان تغییر شکل ایجاد شده با گذشت زمان تغییر نمی کند. با این حال، این تنها زمانی صادق است که دما نسبتاً پایین باشد و بار الاستیک برای مدت کوتاهی روی مواد اعمال شود.

هنگامی که دما افزایش می یابد، بارهای الاستیک، که هیچ تغییر شکل دائمی در دمای اتاق ایجاد نمی کنند، می توانند باعث تغییر شکل پلاستیکی مواد از طریق خزش شوند. (خزش مواد در دمای اتاق اتفاق می افتد، اما سرعت تغییر شکل پلاستیک معمولاً بسیار آهسته است و تغییر شکل دائمی قابل توجه نیست.) بیشتر فلزات در دماهای بالاتر از 30 تا 40 درصد دمای ذوب مطلق خود (در کلوین) خزش می کنند.

خزش پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری در دماهای پایین تری نسبت به فلزات رخ می دهد و در برخی مواد تنها در دمای 50 تا 75 درجه سانتی گراد قابل توجه است. تغییر شکل خزشی فلزات، پلیمرها و کامپوزیت ها می تواند تحت بارگذاری الاستیک بدون وقفه ادامه یابد تا در نهایت شکستگی از طریق فرآیندی به نام گسیختگی تنشی رخ دهد.

خزش در صنایع هوافضا

خزش مواد کاربردی در صنایع هوافضا زمانی که نیاز به تحمل بارهای الاستیک بالا و دماهای بالا برای مدت طولانی داشته باشند می تواند یک مشکل جدی باشد. فلزات هوافضا باید مقاومت بالایی در برابر خزش و گسیختگی تنش داشته باشند، در غیر این صورت ممکن است جزء هواپیما آسیب ببیند. به عنوان مثال، بدون مقاومت در برابر خزش بالا، مواد مورد استفاده در موتورهای جت هواپیما، مانند پره‌ های توربین، دیسک‌ها و قطعات کمپرسور، به دلیل تنش و دمای عملیاتی بالا دچار اعوجاج می‌شوند. تلورانس های نزدیک در موتورهای جت بسیار مهم است و حتی مقدار کمی تغییر شکل پلاستیکی ناشی از خزش می تواند باعث گرفتگی موتور شود.

مقاومت عالی در برابر خزش همچنین برای مواد ساختاری مورد استفاده در پوست بدن هواپیماهای مافوق صوت، مخروط‌های دماغه موشک و فضاپیماهایی مانند شاتل فضایی ضروری است. دماهای بالا با گرمایش اصطکاکی از مولکول‌های موجود در اتمسفر ایجاد می‌شوند، و این می‌تواند باعث شود که مواد پوست زمانی که مقاومت کافی در برابر خزش ندارند، به‌طور دائم تغییر شکل داده و تاب بخورند. مثال‌های بسیار دیگری وجود دارد که برای مواد مورد استفاده در هواپیما مانند اجزای موتور و فضاپیماها مانند نازل موشک، مقاومت بالا در برابر خزش و پارگی استرس مورد نیاز است. برای ایمنی هواپیما ضروری است که مهندسان هوافضا رفتار خزشی مواد ساختاری را درک کنند

رفتار خزشی مواد

هنگامی که یک ماده برای یک دوره زمانی تحت یک تنش ثابت نگه داشته می شود، فرآیند خزش را می توان به سه مرحله توسعه تقسیم کرد:

خزش اولیه زمانی که فرآیند با سرعت شروع می شود

خزش ثانویه هنگام فرآیند. با سرعت ثابت پیش می رود، و در نهایت

خزش سوم که به سرعت رخ می دهد و در نهایت منجر به شکست (یا پارگی) می شود. این سه مرحله در منحنی خزش یک ماده مشاهده می شود که نمودار افزایش کرنش در برابر زمان تحت بار است.

• خزش اولیه

کرنش اولیه که توسط eo نشان داده می شود زمانی اتفاق می افتد که بار برای اولین بار به ماده اعمال می شود و نتیجه تغییر شکل الاستیک است، در حالی که کرنش های بالاتر به دلیل تغییر شکل پلاستیک وابسته به زمان به دلیل خزش ایجاد می شوند. سرعت خزش در ابتدا در اولین دوره مرحله اولیه بسیار سریع است، اما با گذشت زمان کاهش می یابد زیرا ماده در برابر تغییر شکل توسط سخت شدن کرنش مقاومت می کند.

• خزش ثانویه

مرحله دوم خزش که “خزش حالت پایدار” نامیده می شود، دوره ای از سرعت خزش تقریبا ثابت است که توسط شیب de/dt تعریف می شود. سرعت خزش ثابت است زیرا 22.1 ترک خوردگی (دایره شده) تیغه توربین ناشی از خزش است.

• خزش سوم

مرحله خزش سوم زمانی اتفاق می‌افتد که عمر خزش تقریباً تمام شده باشد و نمونه ماده شروع به گردن زدن یا ایجاد حفره‌های داخلی می‌کند که ظرفیت بار را کاهش می‌دهد. سرعت خزش در مرحله سوم تسریع می‌شود، زیرا ظرفیت بار کاهش می‌یابد به دلیل افزایش رشد گردن یا فضای خالی تا در نهایت نمونه از کار می‌افتد. با نگه داشتن نمونه در یک سطح تنش و دمای ثابت تا زمان شکست، می توان عمر گسیختگی تنش را اندازه گیری کرد.

خزش حالت پایدار یک ویژگی مهم که از منحنی خزش تعیین می شود، نرخ خزش حالت پایدار است که در مرحله دوم رخ می دهد. از آنجایی که این مرحله بیشتر طول عمر خزش را ادامه می دهد، نرخ خزش حالت پایدار برای محاسبه تغییر شکل یک ماده در بیشتر طول عمر عملیاتی استفاده می شود. نرخ خزش با استفاده از رابطه آرنیوس محاسبه می شود.

خزش فولاد

خزش فولاد از عمل دو فرآیند تغییر شکل پلاستیکی رخ می دهد: لغزش نابجایی و لغزش مرز دانه. اغلب فرض بر این است که وقتی تنش وارده بر فلز کمتر از تنش تسلیم آن باشد، نابجایی ها حرکت نمی کنند. به طور دقیق، این فرض تنها زمانی درست است که دما صفر مطلق (-273 درجه سانتیگراد) باشد. بالاتر از این دما، اتم های فلز دارای تحرک کافی برای حرکت دررفتگی ها هستند. در دمای اتاق، تحرک اتمی کم است و بنابراین حرکت نابجایی ها بسیار آهسته است و یک دوره فوق العاده طولانی باید بگذرد تا تغییر شکل پلاستیک قابل توجه باشد.

به همین دلیل، در دمای اتاق فرض می شود که تغییر شکل یک فلز زمانی که تنش اعمال شده کمتر از حد الاستیک باشد، کاملاً الاستیک است. تحرک اتمی با افزایش دما افزایش می‌یابد و با زمان کافی می‌تواند به جابجایی‌ها در حرکت در ساختار کریستالی کمک کند و در نتیجه باعث تغییر شکل پلاستیک شود.

فرآیند دررفتگی

فرآیند دررفتگی در حین خزش توسط دو فرآیند رخ می دهد: لغزش دررفتگی و بالا رفتن نابجایی. فرآیند اول شامل حرکت نابجایی ها در امتداد صفحات لغزش شبکه کریستالی است در حالی که فرآیند دوم حرکت (یا صعود) نابجایی عمود بر صفحات لغزش است. لغزش نابجایی در تمام دماهای بالاتر از صفر مطلق زمانی رخ می دهد که تنش اعمال شده به اندازه کافی زیاد باشد.

فرآیند صعود نابجایی به اتم ها نیاز دارد تا با انتشار شامل یک فضای خالی شبکه، به یا از خط نابجایی حرکت کنند. این عمل به نابجایی‌ها اجازه می‌دهد تا از اطراف موانعی که جریان پلاستیک را مختل می‌کنند، مانند ذرات رسوبی یا خوشه‌هایی از اتم‌های املاح (مثلاً مناطق GP) «بالا روند» و در نتیجه باعث تغییر شکل خزشی حتی در سطوح تنش کم می‌شوند. حرکت دررفتگی با لغزش یا بالا رفتن به سرعت با دما افزایش می یابد، همانطور که با افزایش سرعت خزش مشاهده می شود.

در دماهای بالا، سیستم‌ های لغزش جدید در شبکه کریستالی برخی فلزات فعال می‌شوند، بنابراین به حرکت دررفتگی کمک می‌کنند و در نتیجه سرعت خزش را افزایش می‌دهند. فرآیند تغییر شکل مهم دیگری که سرعت خزش فلزات را کنترل می کند، لغزش مرزهای دانه است.

در دمای بالا، دانه های فلزات پلی کریستالی می توانند با جریان پلاستیک در مرز دانه ها نسبت به یکدیگر حرکت کنند. لغزش بین دانه‌ها با افزایش دما افزایش می‌یابد که در نتیجه سرعت خزش را افزایش می‌دهد. لغزش مرز دانه فرآیند خزش غالب در اکثر فلزات زمانی است که تنش اعمال شده و دما پایین است. حرکت دررفتگی با لغزش و صعود مکانیسم‌های خزش غالب در تنش و دمای بالا هستند. لغزش نابجایی و به ویژه لغزش مرز دانه باعث ایجاد حفره های کوچک در مرزهای دانه می شود.

حفره ها از مرزهای دانه شروع می شوند که به صورت عرضی نسبت به جهت بار خزشی اعمال شده قرار دارند. حفره ها در شروع مرحله سوم زندگی خزش ایجاد می شوند و سپس در این مرحله تعداد و اندازه آنها افزایش می یابد تا در نهایت فلز با شکست بین دانه ای از بین می رود. زمان لازم برای شکست فلز در یک تنش و دمای ثابت برای تعیین عمر گسیختگی تنش استفاده می شود

یک مشکل بالقوه در استفاده از پلیمرها در اجزای هواپیما خزش ویسکوالاستیک است که می تواند باعث اعوجاج و آسیب دائمی شود. این ترکیب از تغییر شکل های چسبناک و الاستیک، ویسکوالاستیسیته نامیده می شود. هنگامی که یک پلیمر تحت بار است، یک پاسخ الاستیک فوری وجود دارد. این امر به دلیل کشش الاستیک پیوندها در امتداد زنجیره های پلیمری و صاف شدن جزئی بخش های پیچ خورده زنجیره ها ایجاد می شود. هنگامی که بار برداشته می شود، زنجیرها به موقعیت اصلی خود باز می گردند، و این جزء الاستیک ویسکوالاستیسیته است.

با این حال، هنگامی که یک پلیمر برای مدت زمانی تحت بار قرار می گیرد، فرآیند تغییر شکل دوم به نام خزش چسبناک رخ می دهد که وابسته به زمان است. زنجیرها زمان باز شدن و لغزش نسبت به یکدیگر را دارند، زمانی که بار برای مدت کافی اعمال شود. این جریان چسبناک یا خزشی یک فرآیند وابسته به زمان است که با افزایش زمان کاهش می‌یابد تا زمانی که زنجیره‌های تا شده اولیه به یک پیکربندی تعادلی جدید می‌رسند، به حالت پایدار می‌رسد. هنگامی که پلیمر تخلیه می شود، یک بازیابی فوری (کرنش الاستیک) و به دنبال آن بازیابی وابسته به زمان وجود دارد. با این حال، یک تغییر شکل دائمی باقی می ماند.

اثر ویسکوالاستیک در پلیمرها به بارگذاری و شرایط محیطی بستگی دارد. هنگامی که نرخ بارگذاری (یا کرنش) کاهش می یابد، تغییر شکل دائمی ناشی از جریان ویسکوز افزایش می یابد. هنگامی که بار به سرعت اعمال می شود، زنجیره های پلیمری زمان کافی برای باز شدن و لغزش ندارند و بنابراین، اثر خزش می تواند بسیار کم باشد و پلیمر به صورت شکننده رفتار می کند.

اهمیت خزش

اهمیت خزش این است که تغییر شکل دائمی قطعات پلاستیکی بارگذاری شده هواپیما (از جمله اتصالات متصل) با نرخ بارگذاری و دمای عملیاتی افزایش می‌یابد. خزش ممکن است در برخی از پلیمرها در دمای اتاق رخ دهد و باید از این مواد در هواپیما اجتناب کرد. پلیمرها فقط باید در مواقعی استفاده شوند که خزش امکان پذیر نباشد، مانند قطعاتی که بارگذاری کمی دارند. اگرچه خزش در همه پلیمرها رخ می دهد، اما سرعت خزش را می توان توسط ساختارهای مولکولی کنترل کرد.

خزش با هر فرآیندی که در برابر باز شدن و لغزش زنجیره‌ها مقاومت می‌کند، کاهش می‌یابد، مانند افزایش درجه بلورینگی در ترموپلاستیک‌ها یا میزان اتصال عرضی در ترموست. پلیمرهایی که دارای گروه های جانبی بزرگ در طول زنجیره هستند نیز مقاومت بیشتری در برابر خزش دارند.

مواد مقاوم در برابر خزش

روش‌های مختلفی برای بهبود مقاومت در برابر خزش و افزایش عمر پارگی تنش مواد هوافضا استفاده می‌شود. مهمترین روش انتخاب ماده ای با دمای ذوب (یا نرم شدن) بالا است. به عنوان یک قاعده کلی، خزش زمانی اتفاق می افتد که فلزات باید در دمای بالاتر از 30 تا 40 درصد نقطه ذوب مطلق خود عمل کنند. خزش سریع پلیمرها در 30 تا 40 درصد دمای انتقال شیشه ای آنها رخ می دهد، در حالی که خزش مواد سرامیکی مقاوم در برابر حرارت بالاتر از 40 تا 50 درصد دمای ذوب آنها (در کلوین) شروع می شود.

جدول 22.1 دمای ذوب یا نرم شدن مواد مختلف هوافضا را نشان می دهد. اکثر پلیمرها و کامپوزیت های پلیمری دمای نرم شدن پایینی دارند (معمولاً زیر 150 تا 180 درجه سانتیگراد) و بنابراین برای سرویس در دمای بالا مناسب نیستند. آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم دمای ذوب نسبتاً پایینی دارند و برای اجزای هواپیما که لازم است برای مدت طولانی در دماهای بالاتر از حدود 150 درجه سانتیگراد کار کنند مناسب نیستند.

سوپرآلیاژهای نیکل، آهن نیکل و کبالت دمای ذوب بالایی دارند که آنها را برای موتورهای توربین گاز و سایر اجزای با دمای بالا مناسب می‌سازد. مواد سرامیکی دمای نرم کنندگی بسیار بالایی دارند که آنها را برای کاربردهای دمایی بسیار مفید مانند مخروط دماغه موشک و کاشی های عایق حرارتی در شاتل فضایی مفید می کند.