اثر دما بر خواص جریان
اثر دما بر خواص جریان (Effect Of Temperature On Flow Properties) و منحنی تنش - کرنش که از تست کشش به دست می آید به طور کلی به این شکل است که با بالا رفتن دما، استحکام کم شده و شکل پذیری زیاد می شود. با این حال ممکن است تغییرات ساختاری مانند رسوب کردن، پیر سختی یا تبلور مجدد در محدوده دمایی ویژه ای رخ دهد که موجب تغییر این رفتار کلی شود. فرآیند های فعال شده توسط گرما به تغییر شکل کمک کرده و در دما های بالا استحکام را کاهش می دهند. در دما های بالا و یا زمان طولانی، تغییرات ساختاری ناشی از تغییر شکل مرتبط به زمان یا خزش رخ می دهد.
تغییر منحنی تنش - کرنش فولاد نرم با دما به طور شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل زیر تغییرات استحکام تسلیم را با دما برای تانتال، تنگستن، مولیبدن و آهن با ساختار مکعبی مرکز پر و نیکل با ساختار مکعبی با وجوه مرکز پر نشان می دهد. تنش تسلیم فلزات bcc به سرعت با کاهش دما زیاد می شود، در صورتی که برای نیکل (و سایر فلزات fcc) تنش تسلیم فقط کمی به دما بستگی دارد.
شکل زیر تغییرات کاهش سطح را در این فلزات مشابه بر حسب دما نشان می دهد. تنگستن در 100 و آهن در -255 درجه سانتی گراد ترد هستند، حال آن که شکل پذیری نیکل در سراسر محدوده دمایی کاهش کمی نشان می دهد.
در فلزات fcc تنش جریان چندان به دما بستگی ندارد، ولی توان کارسختی به شدت با زیاد شدن دما کم می شود. این عامل باعث می شود تا منحنی تنش - کرنش با زیاد شدن دما صاف شده و استحکام کششی بیش از استحکام تسلیم به دما بستگی داشته باشد. تغییر شکل کششی در دمای بالا با تشکیل بیش از یک گلویی در نمونه، شکل پیچیده‌ای پیدا می کند.
بهترین راه مقایسه خواص مکانیکی مواد مختلف در دما های متفاوت، درنظر گرفتن نسبت دمای آزمایش به نقطه ذوب آن ها بر حسب درجه کلوین است. این نسبت اغلب به دمای همسانی (homologous temprature) موسوم است. برای مقایسه تنش جریان دو ماده در یک دمای همسانی برابر، توصیه می‌شود که تأثیر دما بر مدول الاستیک، به جای نسبت های ساده تنش جریان، با مقایسه نسبت های σ/E تصحیح شود.
رابطه تنش جریان با دما در کرنش و آهنگ کرنش ثابت معمولاً با معادله زیر نشان داده می شود:
که
Q= انرژی فعال سازی جریان پلاستیک cal/g . mole
R= ثابت گازها cal/deg . mole 1.987
T= دمای آزمایش، K°
با استفاده از توضیح فوق با رسم منحنی lnσ برحسب 1/T خط مستقیمی با شیب Q/R به دست می آید. مقدار تنش جریان به ساختار نابجایی موجود در زمان اندازه‌گیری تنش جریان بستگی دارد. ساختار نابجایی با دما، آهنگ کرنش و کرنش تغییر می کند. یک روش برای جدا کردن این آثار، تعیین Q توسط آزمایش تغییر دماست. منحنی تنش- کرنش در آهنگ کرنش ثابت به دست آمده و دما در مقدار کرنش پلاستیک معینی از T2 به T1 تغییر می کند. پس از رسیدن دما به تعادل، انرژی فعال سازی از رابطه زیر به دست می آید:
بیش از 90 درصد انرژی به دست آمده در تغییر شکل پلاستیک به حرارت تبدیل می شود. در بسیاری از کار های فلز کاری و به دلیل ناهمگن بودن جریان، تغییر شکل موضعی است و دما درون ناحیه موضعی زیاد می شود. چون تنش جریان با دما افت می کند، ترجیحا تغییر شکل بیشتر در این ناحیه متمرکز می شود و ممکن است فرآیند تا وقوع شکست ادامه یابد. در آهنگ های تغییر شکل زیاد، زمان برای وقوع جریان حرارتی به مقدار زیاد کافی نیست، و شرایط نزدیک به فرآیند بی‌دررو (آدیاباتیک) می‌شود. این نوع شکست موضعی، شکست برشی بی‌دررو (Adiabatic Shear Fracture) نام دارد. این شکست گاهی در مراحل آخر تست کشش مشاهده می شود، آن هم عمدتا در آزمایش های در دمای کم. غالباً در آزمایش های در دمای کم، گرمای بی‌دررو به صورت یک افت آشکار، در منحنی جریان و نیز منحنی های تنش- کرنش دندانه دار ظاهر می شود. تحلیل شرایط برای ایجاد ناپایداری در منحنی جریان توسط برش بی‌دررو از سوی بکوفن انجام شده است. در ابتدا از آزمایش با یک نمونه تحت بارگذاری یک‌بعدی داریم:
و چون
و
برای گرمای بی‌دررو dT/dε=σ/Cp است که در آن C گرمای ویژه و ρ چگالی است. برای تغییر شکل در دمای کم از ارتباط منحنی جریان با آهنگ کرنش صرف نظر می‌شود و ناپایداری (افت بار) در منحنی جریان هنگامی رخ می‌دهد که
معادله فوق توضیح می‌دهد که چرا افت بار به علت گرمای بی‌دررو در دماهای کم مشخص تر است: گرمای ویژه در دماهای کم، کم شده و نیز وابستگی تنش جریان به دما در فلزات bcc زیاد است.
منابع و پیوندها
گرد آوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
جورج دیتر ، ترجمه ی شهره شهیدی ، متالورژی مکانیکی ، مرکز نشر دانشگاهی ، 1369.
برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است
