جدیدتاثیر عجیب خوردگی بر شکل پذیری و استحکام کششی مواد!
انواع مختلف خوردگی می تواند تأثیرات متفاوتی بر روی مواد ساختمانی فلزی بگذارند. امروزه تمامی مهندسان می دانند که هنگام طراحی، ساخت و نگهداری سازه های مستعد خوردگی مراقبت بسیاری لازم است. مصالح ساختمانی مدرن، دارای یک سری خواص مکانیکی کاملاً مشخص هستند.
این خواص دربارۀ ویژگی های رفتاری مصالح هنگام استفاده و عملکرد در ساختمان چیزهای زیادی به ما می گویند. با این حال، مواد تازه تولید شده ای در بازار یافت می شوند که رفتار آنها هنوز ناشناخته است.
البته روز به روز، ما مکانیزم های آسیب جدیدی را نیز کشف می کنیم. این آسیب ها به همراه کاربردهای پیشرفته تر و محیط های جدیدتر، گاهی پژوهش و پیش بینی در حوزه خوردگی را دشوار می کنند.
بیشتر خصوصیات مکانیکی، در سطح میکروسکوپی توضیح داده می شوند. اما ماهیت واقعی آن ها از طریق آزمایش های مکانیکی متعدد در سطح ماکروسکوپی قابل درک است.
این آزمایشات معمولاً با استفاده از نمونه های آزمایشی استاندارد شده و تجهیزات آزمایشی انجام می شوند که تخمین دقیقی از خصوصیات مختلف ماده به ما می دهند. خصوصیاتی مانند استحکام مواد، چقرمگی، سختی، انعطاف پذیری، شکل پذیری و…
7
دقیــقه مطالعه
آزمون های مخرب (DT )
بازرسی یکی از مراحل بسیار مهم در هر فرایند صنعتی محسوب می شود. شاید بتوان اساسی ...
همۀ این خصوصیات به یکدیگر وابسته اند و به صورت جداگانه و مستقل عمل نمی کنند. البته باید توجه داشته باشیم که با ورود مواد مرکب به عرصۀ مصالح ساختمانی، داستان ما پیچیده تر خواهد شد.
استحکام کششی
یکی از قدیمی ترین خصوصیات مکانیکی که برای مواد تعریف شده است، استحکام (Strength) ماده است که معمولا به دو نوع تقسیم می شود: استحکام فشاری (Compressive) و کششی (Tensile).
امروزه استحکام کششی یکی از مهمترین خصوصیات مکانیکی در هر نوع ساخت و ساز مدرن به شمار می رود. چرا که حد شکست ماده با در نظر گرفتن تنش کششی تعریف می شود. بدیهی است که بدون داشتن آگاهی دقیق از این مقدار، ما حتی نمی توانیم آرزوی طراحی سازه ای را داشته باشیم که ایمنی و قابلیت اطمینان مورد انتظار ما را داشته باشد.
برای تعیین چگونگی تأثیر خوردگی بر استحکام کششی، باید دو جنبۀ اساسی ماده را مد نظر قرار دهیم:
- ماهیت و طبیعت خواص مکانیکی
- تأثیر خوردگی بر خصوصیات گفته شده
طبیعت خصوصیات مکانیکی فلزات
در ابتدا باید بگوییم که ممکن است تمام خصوصیات تعریف شده در فولادها، آلیاژهای آلومینیوم و سایر فلزاتی که معمولاً در عمران و مهندسی استفاده می شوند، مشاهده نشوند. به همین دلیل، ساده ترین توضیح این مکانیسم ها و تعامل آنها با یکدیگر را می توان در مثالی معمولی مانند فولاد ساختمانی یافت.
به طور کلی دو سطح از مقیاس وجود دارد که در اینجا نقش مهمی دارند:
- مقیاس شبکه کریستالی یک فلز؛ متشکل از تعدادی اتم مرتب شده در یک الگو
- مقیاس دانه؛ یک ساختار بلوری تشکیل شده از تعداد زیادی شبکه مستقل (این دانه ها می توانند اندازه دانه های متفاوتی داشته باشند که اغلب تا سطح میکروسکوپی پایین می آیند).
لازم نیست در اینجا زمان زیادی را صرف بحث در مورد سطوح پایۀ اتمی کنیم. کافی است بگوییم که این شبکه ها کامل نیستند. بعضی اوقات اتم ها گم شده اند یا با اتم های دیگر جایگزین شده (نقص جانشینی) و یا ممکن است اتم هایی در داخل شبکه گیر افتاده باشند (نقص بین نشینی). مشخص است که تمامی این موارد تأثیرات مختلف و قابل توجهی بر خصوصیات فلز خواهند داشت.
در واقع، این نقص ها همان مواردی هستند که به ما این امکان را می دهند تا با استفاده از آلیاژسازی و پردازش مکانیکی و حرارتی روی مشخصات فلز تاثیرگذار باشیم. نقص های ذکر شده به اصطلاح نقایص نقطه ای نام دارند. در حالی که نقوص دیگری مانند نقص خطی، صفحه ای یا بالک نیز همواره به اندازه های مختلف در مواد فلزی وجود دارند.
ریزساختار ماده (حتی در سطح میکروسکوپی) غیر همگن است. این نقایص کریستالی اند و می توانند جریان را در مواد فراهم کنند یا ترک ها را به دام بیندازند و مانعی در برابر انتشار و تغییر شکل ترک محسوب شوند و یا مسئول تنش های پسماند و داخلی باشند.
علاوه بر ترکیب شیمیایی یک ماده، این شبکه های ناهمگن و ساختارهای دانه ای هستند که مسئول تنوع گسترده ای از خواص اند که ما از برخی مواد به دست می آوریم.
عملاً غیرممکن است که تک تک شبکه ها را در یک فلز مطالعه و ثبت کرد یا به دنبال آن سعی کرد خصوصیات ماده را بر اساس آن ها تعیین کرد. به همین دلیل، مشاهدۀ ریزساختار در مقیاس دانه ای خردمندانه تر است. این دانه ها چند وجهی هستند. دانه هایی با اشکال مختلف و همچنین ساختار داخلی و اندازه های متفاوت. همۀ این دانه ها به طریقی خاص بر ویژگی های مکانیکی مواد تأثیر می گذارند. به طور کلی، هرچه دانه ها کوچکتر باشند، خصوصیات مکانیکی ماده مطلوب تر است. به همین دلیل است که به عنوان یک قاعده، فولادهای با استحکام بالا دارای ساختار بسیار ریزدانه هستند. شکل زیر مقایسه ای میان استحکام فولادهای دانه درشت و فولادهای ریز دانه انجام داده است.
طبق تعریف، استحکام کششی عبارت است از مقاومت مواد در برابر شکستن تحت کشش. از نظر مکانیکی، استحکام کششی مقدار تنشی است که یک ماده می تواند قبل از شکستن تحمل کند. حالت های مختلف شکستن مواد وجود دارد.
بسته به نوع ماده، شکست می تواند داکتیل (Ductile) باشد. یعنی ابتدا ماده تغییر شکل پلاستیک انجام داده و سپس می شکند یا شکست ممکن است به صورت ترد (Brittle) انجام گیرد و ماده بدون تغییر شکل قبلی بشکند. در سطح اتمی، استحکام کششی همان استحکام نیروهای جاذبه بین اتم ها و شبکه ها است.
7
دقیــقه مطالعه
آزمون کشش (Tensile test)
مروری بر آزمون کشش مواد مقدمه آزمون های مکانیکی نقش مهمی در ارزیابی، توسعه و کنت...
تأثیر خوردگی بر روی ساختار مواد
خوردگی تخریب شیمیایی یا الکتروشیمیایی مواد است که در اثر فعل و انفعال مواد با محیط ایجاد می شود. در مورد فولادها، این پدیده معمولاً از وجود اکسیژن و الکترولیتی مانند آب یا آب نمک ناشی می شود که نوعی اتفاق اجتناب ناپذیر در یک محیط دریایی یا خطوط لوله آب است.
از نظر تئوری، پوشش های محافظتی، آندهای فداشونده و پسیوشدن (Passivation) عواملی هستند که می توانند خوردگی را کاهش دهند یا به طور کامل از آن جلوگیری کنند. اما در شرایط عملی عوامل متعددی مانند دما، تنش های متغیر، لرزش و فعالیت های میکروبی تأثیر این روش های محافظتی را تا حدود زیادی کاهش می دهند. از طرف دیگر، اثرات خوردگی بر انتشار ترک نیز قابل توجه و مهم است.
تاثیر خوردگی بر روی خواص مکانیکی بیشتر در خوردگی یکنواخت و خوردگی حفره ای مشاهده می شود. خوردگی یکنواخت (همانطور که از نام آن پیداست) به طور یکنواخت در کل سطح قطعۀ مورد نظر پخش می شود. اما در مقابل، خوردگی حفره ای به صورت موضعی اتفاق می افتد. در این نوع خوردگی، شکستن لایۀ محافظ منجر به ایجاد حفره ای می شود که در آن خوردگی گالوانیک موضعی از طریق یک مکانیزم خوردگی بسیار پیچیده رخ می دهد.
در مورد خوردگی یکنواخت، ارزیابی تأثیر آن بر استحکام ساختاری ماده بسیار ساده است. باید کاهش ضخامت و کاهش وزن صفحه یا تیر فولادی مورد نظر را تعیین کرد. سپس تنش را با در نظر گرفتن یک بار (Load) معین برای مقطع جدید و کاهش یافته محاسبه کرد.
این موضوع برای خوردگی موضعی، جایی که میدان های تنش موضعی نقش بسیار پررنگ تری داشته و مستقیماً استحکام کششی خود ماده را تحت تأثیر قرار می دهند، پیچیده تر است. برای بهتر نشان دادن این موضوع، یک مطالعۀ موردی که توسط ناکای، ماتسوشیتا و یاماموتو روی قاب نگهدارندۀ فولادی 14 ساله انجام شد، نشان میدهد که:
- کاهش استحکام کششی اسمی و کشیدگی کلی (Total Elongation) تابعی از ضخامت (عمق حفره ها) در لایۀ خورده شده است. با از دست دادن ضخامت در اثر خوردگی، استحکام کششی به تدریج کاهش می یابد. در حالی که حداکثر کشیدگی با شیب تندتری کاهش می یابد.
- باید توجه شود که استحکام کششی اسمی با استحکام نهایی (UTS) یکسان نیست. چرا که اولی خاصیت یک سازه است، اما دومی خاصیت یک ماده است. در این حالت، استحکام اسمی به حداکثر بار در سطح مقطع اصلی اشاره دارد (که مشخصا به دلیل خوردگی کاهش می یابد).
- این کاهش در حداکثر ظرفیت حمل بار، در یک عضو سازه با خوردگی حفره ای، 2.5 برابر بیشتر از یک عضو با خوردگی یکنواخت مشاهده شد.
- هنگام بررسی نمونه های کوچک، می توان با استفاده از استحکام نهایی ماده (حاصل ضرب سطح مقطع در استحکام کششی نهایی) حداکثر بار کششی مجاز را پیش بینی کرد.
- هنگامی که از نمونه های گسترده (مثلا صفحه ای شکل) استفاده شود، تمرکز تنش باعث تغییر شکل پلاستیک موضعی و شروع شکستگی موضعی در مجاورت حفرات بزرگتر می شود. این بدان معنی است که آستانۀ تنش برای شروع ترک برای نمونه های صفحه ای کمتر از نمونه های کوچک است.
- علاوه بر اثرات مذکور بر استحکام کششی، خوردگی حفره ای تأثیر منفی بیشتری بر استحکام کمانش (Buckling Strength) سازه نسبت به خوردگی یکنواخت داشته است.
اثر خوردگی در میلگردهای فولادی
از طرف دیگر، بررسی خوردگی در میله های فولادی تقویت شده کاهش قابل توجهی را در شکل پذیری نشان داد. به این صورت که نمونه های خورده شده، 12.6 درصد رفتار شکننده تری در مقایسه با نمونه های شاهد نشان دادند.
علاوه بر این، این میله های خورده شده کشیدگی کمتری را نیز از خود نشان دادند. پس از یک نقطۀ خاص (وقتی که بیش از 40 درصد مواد خورده شدند)، این میله ها نوعی خوردگی ترجیحی را نشان می دهند. این کاهش ضخامت میلگرد به طور قابل توجهی ظرفیت حمل بار آن را کاهش می دهد. در حالی که رخداد شکست ترد به دلیل انتشار سریعتر ترک ها در چنین ماده ای، وضعیت را بسیار خطرناک تر می کند.
استحکام کششی، شکل پذیری و تردی
میان خوردگی و کاهش شکل پذیری و افزایش شکنندگی (تردی) ماده، همبستگی شدیدی وجود دارد. این همبستگی به نوبۀ خود می تواند حالت شکست را از داکتیل به حالت خطرناک ترد تغییر دهد. سطح مقطع کاهش یافته و تمرکز تنش ناشی از خوردگی، می تواند تا حد زیادی بر ظرفیت حمل بار سازه های خاص و ساختار کلی ماده تأثیرگذار باشد.
نتیجه گیری
انواع مختلف خوردگی می تواند به طور قابل توجهی اثرات متفاوتی بر روی یک عضو سازه بگذارد. متأسفانه ما فقط می توانیم این اثرات را مورد به مورد بررسی کنیم. به این معنی که دستیابی به یک درک کلی از مشکلات موجود، به طور قابل توجهی کند پیش خواهد رفت. خطرات مهمی در نتیجه خوردگی های حتی به ظاهر معمولی وجود دارد. بنابراین باید هنگام طراحی، ساخت و نگهداری سازه های مستعد خوردگی، دقت زیادی به پارامترهای موثر و کنترل آن ها شود.
منابع
دیدگاه کاربران