خزش

مفهوم خزش

خزش (Creep) تغییر فرم دائم با گذشت زمان در یک ماده که تحت تنش یا نیروی ثابت قرار دارد، می باشد و این امر در دمای بالا (بیش از دمای تبلور مجدد) اهمیت بیشتری دارد. برای تعیین منحنی خزش مهندسی یک فلز، نیروی ثابتی را به یک نمونه کششی در دمای ثابت اعمال می کنند و کرنش نمونه بر حسب تابعی از زمان تعیین می گردد. در شکل روبرو شماتیک منحنی خزش نشان داده شده است.

همانگونه که در منحنی خزش مشاهده می شود، این منحنی از سه ناحیه مشخص تشکیل شده که عبارت است از:

ناحیه I : خزش اولیه - Primary creep

ناحیه II : خزش ثانویه یا خزش حالت پایدار - Secondary creep

ناحیه III : خزش ثالث - Tertiary creep

اگر شیب منحنی خزش بر حسب کرنش رسم شود، یک منحنی آهنگ خزش بر حسب کرنش کل بدست می آید که در شکل روبرو نشان داده شده است.

اولین مرحله خزش که خزش اولیه نام دارد، ناحیه ای است که کم شدن آهنگ خزش را نشان می دهد.

مرحله دوم خزش موسوم به خزش ثانویه دوره ای با آهنگ خزش ثقریباً ثابت است که از ایجاد تعادل مابین فرآیند های کارسختی و بازیابی نتیجه می شود.

مرحله سوم یا خزش ثالث عموتاً در آزمایش های خزش با نیروی ثابت و تنش های زیاد در دما های بالا رخ می دهد. خزش ثالث هنگامی رخ می دهد که کاهش موثر در سطح مقطع به علت گلویی شدن یا تشکیل حفره ها به وجود می آید. خزش ثالث اغلب با تغییرات متالورژیکی مانند درشت شدن ذرات یا تغییرات نفوذی در فاز های موجود همراه است.

creep curve

نمودارهای شکل زیر، اثر تنش اعمالی و دما را بر منحنی خزش نشان می دهد. مشخص است که منحنی خزش با سه مرحله کاملاً متمایز فقط برای ترکیبات ویژه ای از تنش و دما به دست می آید. برای خزش در تش ثابت و دماهای مختلف، مشاهده می شود که هر چه دما بیشتر شود، آهنگ خزش بیشتر می گردد.

مکانیزم های خزش

تغییر شکل ایجاد شده در خزش به چند مکانیزم بستگی دارد. این مکانیزم ها به مقدار تنش، درجه حرارت، ساختارهای متالورژیکی و غیره وابسته است. به طور کلی می توان این مکانیزم ها را به دو دسته تقسیم کرد:

1- مکانیزم های نفوذی شامل نفوذ از داخل دانه (مکانیزم نابارو) و نفوذ از مرزدانه (مکانیزم کبل)

2- مکانیزم های بازیابی

مکانیزم کنترل کننده خزش در درجه حرارت بالا و تنش کم، اغلب نفوذ است. به طور کلی می توان گفت که در خزش نفوذی، نفوذ جاهای خالی اتمی بدین گونه اتفاق می افتد که تنش موجود در قطعه باعث تغییر پتانسیل شیمیایی اتم ها در سطوح دامنه ها می شود. این عمل منجر به افزایش تعداد جاهای خالی اتمی در مرزدانه های کششی و کاهش تعداد جاهای خالی اتمی در مرزدانه های فشاری می گردد. نهایتاً با ایجاد یک شیب از جاهای خالی اتمی یا از طریق دانه ها، جاهای خالی اتمی شروع به حرکت می کنند و یا از طریق مرزدانه ها با حرکت جاهای خالی، حرکت اتم ها در جهت عکس حرکت جاهای خالی اتفاق می افتد که منجر به کشیدگی دانه در جهت حرکت اتم ها می گردد.

اثر دما در خزش

از آنجا که خزش به فرآیندهایی که با گرما فعال می شوند بستگی دارد، بررسی تأثیر دما بر مکانیزم های خزش بسیار مهم است. ساده ترین فرض این است که خزش یک فرآیند منحصراً فعال شده گرمایی است و می توان آن را توسط معادله آرنیوس تشریح کرد:

با استفاده از تغییر دما حین آزمایش، می توان به فرمول جدیدی رسید:

که برای هر دو حالت تنش ثابت است.

پیش بینی خواص طولانی مدت مواد

پیش بینی رفتار خزشی و یا در واقع استحکام مواد در دمای بالا از جمله مواردیست که استفاده وسیعی در طراحی بسیاری از سازه های مورد کاربرد در دمای بالا دارد. به عنوان مثال مخازن نفتی موجود در پالایشگاه بایستی به گونه ای طراحی شد که استحکام مناسب را در برابر تنش اعمالی از طرف سیال در دمای بالا و در مدت طولانی داشته باشد. یک روش مناسب برای این پیش بینی، برون یابی داده های گسیختگی ناشی از تنش و خزش است. بدین منظور پارامترهایی در طراحی مواد در دمای بالا استفاده می شود که مهمترین آن ها عبارتند از:

1- پارامتر لارسون- میلر: پارامتر لارسون میلر به صورت زیر فرموله شده است: