خزش و مکانیزم های آن – Creep and Mechanisms

خزش و مکانیزم های آن

مقدمه ای بر خزش و مکانیزم های آن – Introduction of Creep and Mechanisms

خزش ، تغییر شکل مومسان (Plasticity) وابسنه به زمان مواد، در دماهایی بالاتر از نصف نقطه ذوب و در محدوده تنش هایی زیر حد الاستیک ماده، می باشد. در عمل خواص کششی اغلب فلزات در دمای اتاق، تقریبا مستقل از زمان می باشد اما در دمای بالا، وابستگی استحکام به سرعت بارگزاری و زمان، مشاهده می شود و ماده ای که تحت بارگزاری کششی در دمای بالا قرار دارد، دچار خزش می شود. دمایی که در آن خزش اتفاق می افتد به جنس ماده وابسته است، به گونه ای که دمایی که برای یک ماده بالاست، ممکن است برای ماده دیگر بالا نباشد، تا خزشی صورت گیرد. این دما در مجموع به نقطه ذوب ماده بستگی دارد. معمولا خزش در دماهای بالاتر از نصف نقطه ذوب، رخ می دهد.

شکل ۱ منحنی خزش را تحت شرایط تنش ثابت نشان می دهد. سه ناحیه در این منحنی مشخص شده است : ناحیه یک، یا خزش اولیه (Primary)، ناحیه ای است که با گذشت زمان نرخ کرنش خزشی کاهش می یابد. ناحیه دو خزش ثانویه یا خزش پایا(Steadystate)، نامیده می شود که در آن نرخ خزش ثابت است و نتیجه تعادل بین فرایندهای کارسختی (Workhardening) و بازیابی (Recovery)، است. در ناحیه سوم خزشی (Tertiary creep)، با تشکیل حفره ها، ترک و ناپایداری ریزساختاری، نرخ کرنش افزایش یافته و نهایتا به شکست نمونه منجر می گردد. برخی اوقات مرحله یک مستقیما به مرحله سه منجر شده و نوعی خمیدگی در آن مشاهده می شود.

فنر

شکل۱٫ نمودار رفتار خزشی در حالت تنش ثابت.

در شکل ۲، نیز تغییر شکل مومسان تحت شرایط کرنش ثابت مشاهده می شود. در ناحیه I، تحت شرایط نرخ کرنش ثابت، فلز سخت می شود و لذا به افزایش تنش سیلان می انجامد. اغلب، در فلزات خالص، تنش و نرخ کرنش به ترتیب، تا مقداری که در گستره ای از کرنش ثابت است، افزایش و کاهش می یابند (مرحله II)، که این مرحله همان خزش ثانویه یا حالت پایا است. در مرحله III، تشکیل حفرات، ترکها و ناپایداری های ریز ساختاری، منجر به افزایش نرخ کرنشظاهری و نهایتا شکست نمونه می شوند.

شکل ۲ نمودار رفتار خزشی در حالت کرنش ثابت.

مکانیزم های خزش – Creep Mechanisms

  1. خزش ناشی از نفوذ-Diffusion creep

تنش خارجی می تواند حرکت و نفوذ جای خالی اتمی (Vacancy) را از طریق شبکه ی بلوری یا از طریق مرزدانه کنترل کند و باعث تغییرشکل مومسان شود. بنابراین، دو نوع خزش نفوذی وجود دارد: خزش نفوذی از طریق دانه ها یا خزش نابارو-هرینگ (Nabarro-Herring) و خزش نفوذی از طریق مرزدانه ها یا خزش کوبل (Coble). در خزش کششی بر اثر نفوذ جای خالی اتمی و حرکت هم زمان اتم ها در جهت مخالف، دانه ها در امتداد تنش به طولشان افزوده می شود و در امتداد عمود بر تنش از طولشان کاسته می شود. در خزش نفوذی مرزدانه ای یا خزش کوبل، مهاجرت جاهای خالی اتمی از مرزدانه های تحت کشش به مرزدانههای تحت فشار، از طریق مرزدانه ها انجام می شود.

  1. لغزش مرزدانه ای – Grain- boundary sliding

لغزش مرزدانه ای یک فرآیند برشی است که در امتداد مرزدانه ها اتفاق می افتد و با افزایش دما و کاهش نرخ کرنش افزایش می یابد. در دماهای بالا، دانه های فلزات پربلور (Poly crystal)، می توانند نسبت به یکدیگر حرکت کنند لغزش مرزدانه ای اغلب در اثر فعالیت هم زمان مکانیزم هایی مانند کوبل و نابارو-هرینگ اتفاق می افتد و در طی این اتفاق شکل دانه حفظ می شود. از ویژگی های لغزش مرزدانه ای این است که هم به خزش نفوذی و هم به خزش نابجایی (Dislocation creep)، مربوط می شود.

  1. خزش نابجایی- Dislocation creep

خزش نابجایی، ایجاد تغییر شکل خزشی توسط نابجایی در اثر نفوذ جای خالی اتمی و یا برش، می باشد. خزش نابجایی را خزش قانون توانی (Power law creep) نیز می گویند. یکی از مکانیزم های خزش نابجایی، صعود نابجایی است (Dislocation climb) که با نفوذ جای خالی انجام می شود. در دمای بالا، اگر یک نابجایی لبه ای (Edge dislocation) متحرک، به وسیله ی یک مانع متوقف شود، صعود نابجایی می تواند باعث عبور آن از مانع با تغییر صفحه لغزش شود. مکانیزم لغزش نابجایی تقریبا همه ی کرنش را باعث می شود، اما صعود نابجایی سرعت تغییرات کرنش را کنترل می کند. مکانیزم دیگر در عبور از موانع، لغزش متقاطع (Cross slip)، نابجایی پیچی (Screw dislocation) است. نوع دیگر خزش نابجایی، برش است که توسط مکانیزم نقص چیدمان (Stacking fault)، انجام می شود. وقتی یک نابجایی به یک رسوب می رسد می تواند آن را ببرد و از آن عبور کند. این نابجایی خود به دو نابجایی ناقص (Partial dislocation) تجریه می شود و چون با تجزیه شدن مقدار کل انرژی نابجایی کاهش می یابد، بنابراین این کار به سهولت انجام می شود.

  1. خزش لغزش چسبنده – Viscous glide creep

در خزش لغزش چسبنده، مکانیزم تغییر شکل، لغزش چسبنده نابجایی ها می باشد.نابجایی ها به چند طریق با اتم های حل شونده (Solute) برهم کنش دارند و همین امر از حرکت آنها جلوگیری می کند. در گستره تنشی این رفتار، دو مکانیزم رقابتی وجود دارند: صعود و لغزش نابجایی، و از آنجا که لغزش نابجایی آهسته تر صورت می گیرد، بنابراین کنترل کننده سرعت است. رابطه ی ۱، معادله خزش لغزش چسبنده را نشان می دهد :

در این رابطه،A یک پارامتر برهم کنش است که نوع فرآیند کشش چسبنده لغزش نابجایی را مشخص می کند. مطالعات  نشان داده اند که چند فرآیند محتمل برای کشش چسبنده توسط اتم محلول وجود دارند : فرآیند کشیدن (Dragging)، می تواند به علت جدایش اتمسفر اتم حل شونده به سمت نابجایی های متحرک باشد که سرعت نابجایی توسط نرخ مهاجرت اتم های حل شونده محدود می شود. همچنین،در آلیاژهای محلول جامد با نظم کوتاه برد (Short-range-ordered alloys)، حرکت نابجایی ها نظم را برهم می زند و یک فصل مشترک ایجاد می کند و از آنجا که منظم شدن موضعی، ناشی از تنشاتم های حل شونده، مانع حرکت نابجایی است، لذا منظم شدن ناحیه اطراف یک نابجایی، انرژی بلور را کاهش می دهد. حرکت یک نابجایی در آلیاژهای با نظم بلند برد (Long-rang-ordered alloys)نیز محدود است، زیرا گسترش مرز ضد فازی (Anti-phase boundary)، منجر به افزایش انرژی می گردد. بنابراین، ثابت A در معادله ۱ مجموع برهم کنش های متفاوت احتمالی نابجایی ها با اتم های حل شونده می باشد.

  1. شکست قانون توانی-Power-law Breakdown

در تنش های پایین، رابطه توانی بین نرخ کرنش و تنش مشاهده می شود، ولی خزش در تنش های بالا اغلب منجر به کرنش هایی می شود که از رابطه قانون توانی پیروی نمی کنند. در تنش های بالا، نرخ های کرنشی که مشاهده می شوند، به مراتب از آنچه قانون توانی پیش بینی می کند، بالاتر هستند. این پدیده به عنوانشکست قانون توانی عنوان شده است.مطالعات مرتبط با مکانیزم خزش در تنش های بالا، برای شکست قانون توانی دو عامل پیشنهاد می کند : نقض قانون توانی یک مکانیزم تغییر شکل ذاتی است یا اینکه مکانیزم خزش به علت افزایش تنش تغییر می کند. بارت و نیکس و ورتمن نظریه هایی را بیان کردند که نقض قانون توانی یک مکانیزم تغییرشکل ذاتی است و رابطه بین تنش و نرخ کرنش شامل یک عبارت سینوس هایپربولیک است. مدل بارت و نیکس، معادلات نرخ کرنش حالت پایا را بر مبنای حرکت کنترل شده با نفوذ نابجایی های پیچی جاگ دار بیان می کند. فرض شده است که جاگ ها، یک نیروی کششی ایجاد می کنند که منجر به ایجاد یک رابطه سینوس هایپربولیک بین نرخ کرنش و تنش می شود . مدل ورتمن خزش نابجایی، کنترلشده با صعود را مفروض دانسته که حالت پایا به واسطه صعود و از بین رفتن نابجایی ها حاصل می شود.مطالعاتی که شکست قانون توانی را یک تغییر در مکانیزم تغییرشکل می داند، مشخص کرده اند که در تنش های کمتر، رفتار قانون توانی مشاهده می شود. در این خصوص، مکانیزم پذیرفته شده صعود نابجایی کنترل شده با نفوذ است که نابجایی برای عبور از موانع صعود می کند یا توسط نابجایی با علامت مخالف حذف می شود.در تنش های بالا که رفتار نمایی مشاهده می شود، چندین مکانیزم شامل این موارد پذیرفته شده است : انتقال از صعود به لغزش، اندرکنش شیمیایی جاگ ها با جاهای خالی فوق اشباع، حرکت جاگ ها و مهاجرت جاگ و صعود نابجایی هایلبه ای.

منابع و مراجع :

  1. س.ع. سجادی،سوپر آلیاژهای پایه نیکل. مشهد : دانشگاه فردوسی، ۱۳۹۲٫
  2. کاسنر، ام. ای. (۱۳۹۱)، مبانی خزش فلزات و آلیاژها، ترجمه سید عبدالکریم سجادی، چاپ اول، نشر مشهد.

-D.R. Lesuer, C.K. Syn, O.D. Sherby,” Evaluation of power law breakdown in metals, alloys and dispersion hardened materials and compounds”, Materials Science and Engineering, 2000.

-C.R. Barrett and W.D. Nix, “A model for steady state creep based on the motionof jogged screw dislocations”, Acta Materialia, 13, 1247-1258, 1965.

-J. Weertman, “Steady-state creep through dislocation climb”, J. Applied Physics, 28, 362-364, 1957.

لینک کوتاه مطلب

متالورژي حسین مهرآبادی دوشنبه ۳۰ بهمن ۱۳۹۶ 1144 بازدید
رمز کلیه فایل های فشرده : (باحروف کوچک تایپ شود)

دیدگاه کاربران ۱دیدگاه

  • موادیپنج شنبه ۲۸ تیر ۱۳۹۷ در ساعت ۱۸:۴۶:۰۹

    لطفا تعریف دقیق خوردگی داغ رو بگید.

    پاسخ

دیدگاه خود را بنویسید