آزمون خزش Creep Test

  • ۱۳۹۸/۰۴/۱۳
  • 75 بازدید
  • ادمین کل

آزمون خزش

Creep Test



چکیده

خزش (creep) عبارت است از تغییر شکل پلاستیک یک ماده جامد تحت تنش ثابت (کمتر از حد تسلیم) که با گذشت زمان و در دمای بالا رخ می­‌دهد. به عبارت دیگر، در ماده تغییر شکل پلاستیک (دائمی) رخ می‌­دهد در حالی که تنش اعمالی در محدوده الاستیک است که ناشی از دمای کاری بالاست. به طور کلی، برای تعیین منحنی خزش مهندسی یک فلز، نیروی ثابتی را به یک نمونه در دمای ثابت اعمال می­‌کنند و کرنش نمونه بر حسب تابعی از زمان تعیین می‌گردد. اگر شیب منحنی خزش برحسب کرنش رسم شود، یک منحنی آهنگ خزش برحسب کرنش به دست می‌­آید.

به‌طور کلی، دو روش معمول برای اندازه‌گیری خزش وجود دارد که نتایج آن­‌ها به صورت نمودارهای کرنش برحسب زمان در میزان تنش ثابت بیان می‌گردد. دو روش معمول، روش‌های تنش ثابت و بار ثابت هستند. در روش بار ثابت (constant load) میزان نیروی وارده به جسم عددی ثابت است؛ بنابراین با کاهش سطح مقطع جسم، میزان تنش در مقطع جسم افزایش می‌یابد. در روش تنش ثابت (constant tension)، میزان نیروی وارده طوری تغییر می‌کند که همواره در مقطع جسم حتی با کاهش سطح مقطع، تنش ثابت بماند. آزمون­‌های خزش به دلیل زمان­‌گیر بودن، ممکن است تا ماه‌ها به طول انجامد.

آزمون خزش وقتی به کار میرود که میزان کارایی و مقاومت یک ماده در دمای بالا مورد توجه باشد؛ بنابراین، نمودار نهایی، میزان فشار یا تنشی را که نمونه میتواند تحمل کند، مشخص مینماید. این دستگاه می‌تواند نرخ تنش، زمان و فشار را محاسبه کند.

تست خزش سه کاربرد اساسی در صنعت دارد:

1- کاربردهای جابجایی محدود: اندازه باید کاملاً دقیق باشد و امکان وجود خطا بسیار ناچیز باشد. این کاربرد معمولاً در توربینهای موتور جت مورد استفاده قرار میگیرد.

2- کاربردهای گسیختگی محدود: در این مورد، شکست نباید اتفاق بیفتد در حالی که تغییر ابعاد ناشی از خزش مشاهده خواهد شد. تیوبهای فشار بالا از این نوع هستند.

3- کاربردهای تنش زدایی محدود: تنش در ابتدای کار و هم چنین با گذشت زمان شروع به آزاد شدن میکند. کابلها و سیمها از این دسته محسوب میشوند.




مقدمه

به عنوان یک قانون کلی می­‌توان چنین گفت که رفتار مکانیکی مواد (عکس‌­العمل ماده به تحمل نیرو) با تغییرات دما تغییر می‌­کند. به عنوان مثال برخی از خواص مکانیکی مواد مانند مدول الاستیسیته (elastic modulus, Young's modulus, E) و استحکام مکانیکی (ultimate tensile strength, uts) با افزایش دما کاهش و برخی دیگر مثل چقرمگی (toughness) با افزایش دما افزایش می­یابند. از طرفی، مقدار حرکت و جابجایی اتم­ها در درون ساختار ماده که منجر به تغییر شکل ماده (plastic deformation) می­‌شود، به پدیده نفوذ (diffusion) بستگی دارد؛ بنابراین کنترل کردن پدیده نفوذ، تاثیر زیادی روی خواص مکانیکی مواد در دمای بالا دارد. به عنوان مثال صعود نابجایی­‌ها (dislocation climb)، تجمع عیوب ساختاری (structural defects)، سیستم‌­های جدید لغزش (slip system) و حرکت مرزدانه­‌ها (grain boundary movement) همگی از پدیده‌­های مرتبط با نفوذ است که باعث تغییر رفتار مکانیکی ماده در دمای بالا می‌­شود. علاوه بر موارد گفته شده، خوردگی یا مکانیسم اکسیداسیون نیز که جزئی از پدیده نفوذ هستند، عمر مواد را در دمای بالا تحت تاثیر قرار می­‌دهند [1].

تعریف خزش

اگر یک ماده جامد تحت یک نیرو (force) یا تنش کششی (tensile tension) قرار بگیرد، دچار افزایش طولی می­‌شود که با باربرداری از روی نمونه (در نیروی صفر) حتماً کم می­‌شود. اگر طول نمونه پس از باربرداری با طول اولیه برابر باشد (تغییر طول صفر)، ماده رفتار الاستیک (elastic) از خود نشان داده است. رفتار الاستیک به معنای آن است که ماده متناسب با نیرو دچار تغییر طول یا کرنش (strain) می­‌شود اما این تغییر طول موقت است و با باربرداری، تغییر طول، صفر خواهد شد. اگر تنش از مقدار معینی (تنش تسلیم، yield point) بیشتر شود، پس از باربرداری از نمونه، تغییر طول ثابتی (کرنش پلاستیک) در نمونه باقی خواهد ماند (رفتار پلاستیک). خط قرمز طراحی یک قطعه صنعتی برای تحمل تنش، همان تنش تسلیم است چرا که نمونه نباید حین سرویس، تغییر شکل دهد.

خزش (creep) عبارت است از تغییر شکل پلاستیک یک ماده جامد تحت تنش ثابت (کمتر از حد تسلیم) که با گذشت زمان و در دمای بالا رخ می‌­دهد. به عبارت دیگر، در ماده تغییر شکل پلاستیک (دائمی) رخ می­‌دهد در حالی که تنش اعمالی در محدوده الاستیک است که ناشی از دمای کاری بالاست. به طور کلی، برای تعیین منحنی خزش مهندسی یک فلز، نیروی ثابتی را به یک نمونه در دمای ثابت اعمال می­‌کنند و کرنش نمونه بر حسب تابعی از زمان تعیین می­‌گردد. آهنگ خزش برحسب کرنش با استفاده از رسم شبی منحنی خزش بر حسب کرنش به دست می‌­آید [1].

بر اساس شکل (1)، فرایند خزش به سه مرحله تقسیم بندی می­‌شود. اولین مرحله خزش، خزش اولیه (primary creep) نام دارد، که کم شدن نرخ خزش را نشان می­‌دهد. مرحله دومِ خزش موسوم به خزش ثانویه، دوره­ای با آهنگ خزش تقریباً ثابت است که از ایجاد تعادل بین کارسختی (work hardening) و بازیابی حاصل می­‌شود. مرحله سوم معمولاً در آزمایش‌­های خزش با نیروی ثابت و تنش‌­های زیاد در دماهای بالا رخ می‌­دهد. این مرحله هنگامی رخ می­‌دهد که کاهش مؤثر در سطح مقطع به علت گلویی شدن (necking) یا وجود حفره‌­ها ایجاد شود و معمولاً با تغییرات متالورژیکی مانند درشت شدن ذرات یا تغییرات نفوذی در فازهای موجود همراه است. بطور کلی خزش تابعی پیچیده از تنش، زمان، دما، اندازه و شکل دانه، ریزساختار، کسر حجمی و ویسکوزیته فاز شیشه‌ای در مرز دانه‌ها، تحرک نابجایی‌ها و... است. شرایط ترمودینامیکی و مشخصه‌های سینتیکی تأثیر بسیار زیادی بر روی ریزساختار ماده دارند. به عنوان مثال پدیده نفوذ رابطه مستقیمی با دما دارد و این خود تأثیراتی روی خواص مکانیکی مواد و همچنین پدیده خزش می‌گذارد [2].

پدیده خزش در سرامیک‌ها بسیار مهم‌تر از فلزات است، چرا که کاربردهای دمای بالا در سرامیک‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. نقش مکانیسم‌های نفوذی خزش در سرامیک‌ها بسیار پیچیده‌تر از فلزات است، چون عمدتاً پدیده نفوذ در سرامیک‌ها پیچیده‌تر است. نیاز به خنثی بودن بارِ نفوذیِ مختلف برای کاتیون‌ها و آنیون‌ها در این پیچیدگی سهیم‌اند [2].  

شکل 1. نمودار کرنش بر حسب زمان یک نمونه تحت خزش و مراحل خزش [2].

مکانیسم­‌های خزش

مکانیسم‌های خزش سه نوع‌اند:

۱- مبتنی بر نابجایی‌ها ۲- مبتنی بر نفوذ ۳- مبتنی بر حرکت مرزهای دانه.

بر اساس شرایط محیطی اعمال شده روی ماده از قبیل دما، هر کدام از این مکانیسم‌ها قابلیت بروز و ظهور دارند.

1- مبتنی بر نابجایی: نابجایی‌ها بسته به اینکه ماده در محدوده پایین یا بالای دمایی باشند دو نوع رفتار از خود بروز می‌دهند: تغییر صفحه لغزش نابجایی و صعود نابجایی [4-3].

2- مبتنی بر نفوذ: این مکانیسم شامل حرکت جاهای خالی، تحت تنش اعمالی در سرتاسر بلور است و معمولاً در سطوح تنشی پایین رخ می‌دهد [3]. در حالتی که جسم تحت تأثیر تنش باشد، قسمت‌هایی از جسم در حال کشیده شدن و قسمت‌هایی دیگر در حال فشرده شدن هستند. تنش اعمالی در یک ماده کریستالی موجب افزایش چگالی جاهای خالی در مرزدانه‌های تحت کشش می‌شود و متناظر با آن در مرزدانه‌هایی که تحت تنش فشاری قرار دارند، چگالی جاهای خالی کاهش می‌یابد [4]. جاهای خالی از مرزهای فشاری به مرزهای کششی تغییر مکان می‌دهند که این فرایند با نفوذ، کنترل می‌شود. رخ دادن حرکت جاهای خالی و یا اتم‌های بین­‌نشین به وسیله نفوذ در شبکه و یا مرزهای دانه منجر به خزش پلی­‌کریستال می‌شود. بسته به اینکه این نابجایی‌ها از کدام مسیر عبور کنند این مکانیسم به دو نوع خزش نابارو - هرینگ (Nabarro - Herring creep) و خزش کوبل (Coble creep) تقسیم می‌شود. این دو مسیر سیلان (نفوذ در شبکه و مرزدانه) هر یک به صورت مستقل در نرخ کرنش سهیم خواهند بود و موجب افزایش خطی نرخ کرنش با تنش می‌شوند [4].

3- مبتنی بر لغزش مرزدانه: در دماهای پایین، مرزهای دانه مستحکم‌اند. با افزایش دما، مرزهای دانه شروع به ذوب ­شدن کرده و نرم می­‌شوند. به دلیل وجود تنش برشی اعمالی بر روی جسم و نرم شدن مرزهای دانه، مرزهای دانه در کنار هم می‌لغزند و موجب تغییر شکل در ساختار کریستالی ماده می‌گردند [4-3].

آزمون خزش

اولین دستگاه خزش نخستین بار توسط بریتانیا و به منظور آزمایش فضاپیماها در ارتفاع، فشار و دمای بالا مورد استفاده قرار گرفت [5]. خزش در هر دمایی رخ می‌­دهد و مقدار آن به ماهیت ماده و مقدار تغییر شکل مجاز قطعه بستگی دارد. آزمون خزش در واقع آزمون کششی است که در تنش و دمای ثابت انجام می­‌گیرد. شکل هندسی نمونه تحت آزمون در شکل (2) آمده است. در این آزمون از یک ابزار اندازه‌­گیری دقیقِ طول و یک وسیله برای گرم کردن نمونه در شرایط کاملاً کنترل شده استفاده می­‌شود، (شکل (3)) [6].

به‌طور کلی دو روش معمول برای اندازه‌گیری خزش وجود دارد که نتایج آن‌­ها به صورت نمودارهای کرنش برحسب زمان در میزان تنش ثابت بیان می‌گردد. دو روش معمول، روش‌های تنش ثابت و بار ثابت است. در روش بار ثابت (constant load) میزان نیروی وارده به جسم عددی ثابت است و بنابراین با کاهش سطح مقطع جسم، میزان تنش در مقطع جسم افزایش می‌یابد. در روش تنش ثابت (constant tension) میزان نیروی وارده طوری تغییر می‌کند که همواره در مقطع جسم حتی با کاهش سطح مقطع تنش ثابت بماند. آزمون­های خزش به دلیل زمان‌­گیر بودن، ممکن است تا ماه‌­ها به طول انجامد [7].

شکل 2. هندسه نمونه‌های مختلف برای آزمون خزش [8].

شکل 3. هندسه نمونه های مختلف برای آزمون خزش [9].

ویژگی‌­های دستگاه آزمون به قرار زیر است:

  • قابلیت اعمال و حفظ نیروی کششی ثابت
  • وجود کوره‌­های مناسب برای حفظ دمای نمونه آزمایش در مقدار مورد نظر و در محدوده‌­ای بسیار نزدیک به آن
  • اندازه‌­گیری دقیق طول نمونه [10].

نتیجه آزمون خزش، رسم منحنی کرنش بر حسب زمان است. نتیجه آزمون  خزش می­‌تواند  اطلاعات مفیدی را ارائه دهد. این اطلاعات عبارتند از:

  • زمان لازم برای ایجاد مقدار معینی کرنش
  • کرنش خزشی ایجاد شده در مدت زمان معین
  • آهنگ کرنش در طول خزش پایدار
  • زمان شروع سومین مرحله خزش
  • زمان لازم برای ایجاد شکست در اثر خزش [10].

کاربردهای آزمون خزش

آزمون خزش وقتی به کار م‌ی­رود که میزان کارایی و مقاومت یک ماده در دمای بالا مورد توجه باشد؛ بنابراین، نمودار نهایی، میزان فشار یا تنشی را که نمونه می­‌تواند تحمل کند، مشخص می­‌نماید. این دستگاه می‌­تواند نرخ تنش، زمان و فشار را محاسبه کند [11].

تست خزش سه کاربرد اساسی در صنعت دارد:

1- کاربردهای جابجایی محدود: اندازه باید کاملاً دقیق باشد و امکان وجود خطا بسیار ناچیز باشد. این کاربرد معمولاً در توربین‌­های موتور جت مورد استفاده قرار می­‌گیرد.

2- کاربردهای گسیختگی محدود: در این مورد، شکست نباید اتفاق بیفتد در حالی­که تغییر ابعاد ناشی از خزش مشاهده خواهد شد. تیوب‌­های فشار بالا از این نوع هستند.

3- کاربردهای تنش‌­زدایی محدود: تنش در ابتدای کار و هم­چنین با گذشت زمان شروع به آزاد شدن می­‌کند. کابل­‌ها و سیم­‌ها از این دسته محسوب می‌­شوند [11].

مراجع

[1] N. G. McCrum, C. Buckley, C. B. Bucknall, and C. Bucknall, Principles of polymer engineering: Oxford University Press, USA, 1997.

[2] M. Kassner and M. Perez-Prado, "Five-power-law creep in single phase metals and alloys," Progress in Materials Science, vol. 45, pp. 1-102, 2000.

[3] محمدی مزرعه شاهی، ابراهیم، بررسی اثر سیلیسیم بر رفتار خزش فروروندگی آلیاژ AZ61منیزیم». دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی.

[4] زنده دل، ناهید، بررسی اثر منیزیم بر رفتار خزشی آلیاژ Al-2%Ni-2%Mn-(0-1-2)%Mg». دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی.

[5] A. I. Smith, D. Murray, M. F. Day, "Creep Testing Equipment-Design Features and Control"; Volume 180 Pt. 3A, 1965-66, pg.303-307.

[6] B. Grishaber,"A Novel Computer Controlled Constant Stress Lever Arm Creep Testing Machine", Review of Scientific Instruments; Jul97, Vol. 68 Issue 7, pg.2812

[7] John J. MOMOH, Department of Mechanical Engineering, Federal Polytechnic, Ado-Ekiti, "Modification and Performance Evaluation of a Low Cost Electro-Mechanically Operated Creep Testing Machine".

[8] Petr Dymáček, Milan Jarý, Ferdinand Dobeš, Luboš Kloc, “Tensile and Creep Testing of Sanicro 25 Using Miniature Specimens”, Materials 11, 2018.

[9] Levi de Oliveira Bueno, Vitor Luiz Sordi, Luiz Marino, “Constant load creep data in air and vacuum on 2.25Cr-1Mo steel from 600 °C to 700 °C”, Materials Research 8, 2005.

[10]https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%AE%D8%B2%D8%B4_(%D9%85%D9%88%D8%A7%D8%AF).

[11] Dr. Sabbah Ataya, "Creep Testing Machines", 2008, http://www.slideshare.net/ea2m/creep-testing-machines-presentation.

 

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی