خزش فلز چیست؟ علل ایجاد خزش فلزات
خزش فلز در واقع به تغییر شکل آهسته و پیوسته فلزات تحت تنش ثابت و پایین‌تر از مقاومت تسلیم فلز می گویند که در دماهای بالا رخ می دهد. اطلاع در مورد این موضوع هنگام انتخاب فلزات، می تواند از عواقب و آسیب های جدی ناشی از این پدیده جلوگیری کند.
مقدمه
خزش یکی از مهم‌ترین پدیده‌های فیزیکی در علم متالورژی و مهندسی مواد است که می‌تواند تأثیر مستقیمی بر انتخاب و عملکرد مواد در شرایط مختلف داشته باشد. این پدیده به تغییر شکل دائمی مواد تحت تأثیر تنش‌های مکانیکی در مدت زمان طولانی و در دماهای بالا اطلاق می‌شود. شناخت خزش و روش‌های مقابله با آن نقش کلیدی در افزایش عمر مفید قطعات صنعتی و جلوگیری از خرابی‌های ناگهانی دارد. در این مقاله، به بررسی خزش، آزمون‌های مرتبط با آن، مواد مقاوم در برابر این پدیده و روش‌های کنترل و کاهش اثرات آن پرداخته خواهد شد.این پدیده تمایل یک ماده جامد برای تغییر شکل دائمی که در صورت اعمال فشارهای مکانیکی مستمر ایجاد می‌شود را نشان می‌دهد. سرعت این تغییر شکل به عوامل مختلفی بستگی دارد. از جمله این عوامل می‌توان به خواص فلز، دما، زمان و فشار وارده بر فلز اشاره کرد.
خزش فلز در واقع به تغییر شکل آهسته و پیوسته فلزات تحت تنش ثابت و پایین‌تر از مقاومت تسلیم فلز در دماهای بالا رخ می دهد. اطلاع در مورد این موضوع هنگام انتخاب فلزات، می تواند از عواقب و آسیب های جدی ناشی از این پدیده جلوگیری کند.
مراحل خزش فلز چیست؟
خزش اولیه
خزش فلز در مسیر تغییر شکل فلز رخ می دهد. تغییر شکل الاستیکی از کشش پیوند اتمی پیس می آید و دائمی نیست. در مرحله ابتدایی خزش فلز تغییر شکل به یرعت اتفاق می افتد و سپس با گذشت زمان، آهسته پیش میرود. به دلیل سخت کاری سطح، سرعت خزش فلز در مراحل پایانی بسیار کم است.
خزش ثانویه
مرحله ثانویه خزش زمانی رخ می دهد که سرعت کرنش فلز کم می شود و تغییر شکل ظاهری فلزی آهسته رخ می دهد.
خزش نهایی
در این مرحله فلز تغییر سکل کلی یافته و به زیر ساختار های آن آسیب های جدی رخ داد و سرانجام فلز می شکند.
آزمون خزش
به‌منظور انتخاب مواد مناسب برای استفاده در صنایع حساس، آزمایش خزش انجام می‌شود. در این آزمایش، نمونه‌ای از ماده در دستگاه تست خزش قرار گرفته و تحت تأثیر بار ثابت و دمای بالا قرار می‌گیرد. مراحل این آزمون شامل آماده‌سازی نمونه، نصب آن در دستگاه، اعمال تنش، افزایش دما، اندازه‌گیری تغییر شکل، جمع‌آوری داده‌ها و تحلیل نتایج است. این آزمایش امکان پیش‌بینی عملکرد مواد را در شرایط واقعی فراهم می‌کند و از اهمیت بالایی برخوردار است.
نمونه هایی از خزش فلز
احتمال خزش در برخی مصارف از قبیل اجزای موتورها که در معرض رطوبت، دما و احتراق قرار دارند بیشتر رخ می دهد. از بارزترین نمونه های خزش عبارتند از:
- رشته های فلزی حرارت دیده
- اجزای موتور های صنعتی
- اجزا موتر جت، هواپیما
تاثیر دمای بالا بروی مواد
بالا رفتن سرعت نفوذ
با بالا رفتن دما فلزات ، عیوب هیجانی (Vacancy) بالا می رود لذا همچنین با بالا رفتن تعداد مکانهای خالی در داخل شبکه کریستالی مواد، سرعت نفوذ مواد افزایش می یاید که این خود موجب تغییر در شبکه کریستالی ماده می گردد.
انبساط گرمایی
با افزایش دما معمولا حجم مواد افزایش می یابد. این اتفاق در مورد موادی که دارای ناخالصی هستند نیز رخ می دهد. به دلیل تفاوت ضریب انبساط گرمایی ماده حل شونده یا رسوب موجود با فاز زمینه، ذرات حل شونده تغییر شکل می دهند و این موضوع باعث ایجاد تنش در شبکه های کریستالی ماده می شود.
پدیده ها مرتبط با اندازه دانه
معمولا با تغییر دما شاهد تغییر در اندازه های دانه هستیم. به طور معمول با افزایش دما، ممکن است اندازه دانه تغییر کند یا احتمال دارد مرزهای دانه تضعیف شوند. و در نتیجه صفحات لغزش نامناسبی در دمای بالا نابجایی ها رفتار دانه ها روی هم بلغزند یا شبکه کریستالی دچار تبلور مجدد شود و اندازه دانه افزایش یابد.
عوامل جلوگیری از وقوع خزش
با استفاده از چندین روش متفاوت می توان از وقوع خزش جلوگیری کرد:
- حذف حفره های خالی از زیر ساختارها
- افزودن عناصر آلیاژی خاص
- کاهش دمای عملیات فلزکاری
- افزودن عناصر آلیاژی خاص به فلزات
در واقع خزش باعث تغییر شکل برگشت‌ناپذیر فلزات، قبل از رسیدن به تنش تسلیم می شود. معمولا تنش و دمای بالا فلز موجب ایجاد خزش می شود و به نوعی با روش های مختلف باید فلز را از این دو نوع عوامل در امان نگه داشت.
روش‌های جلوگیری از خزش
با توجه به اثرات نامطلوب خزش، روش‌های مختلفی برای کاهش و کنترل آن پیشنهاد شده است:
انتخاب مواد مقاوم: استفاده از آلیاژهای مخصوص مانند سوپرآلیاژهای نیکل و کبالت.
کاهش دما: کاهش دما در سیستم‌های صنعتی برای کاهش سرعت خزش.
عملیات حرارتی: اصلاح ساختار ماده برای افزایش مقاومت در برابر خزش.
کنترل تنش: طراحی مهندسی قطعات به‌منظور کاهش تنش‌های اضافی.
بهبود ریزساختار ماده: با استفاده از روش‌هایی مانند آلیاژسازی و عملیات حرارتی.
استفاده از پوشش‌های مقاوم: ایجاد لایه‌های محافظتی بر روی فلزات برای کاهش نرخ نفوذ اتمی.
بازرسی و نگهداری منظم: پایش وضعیت قطعات صنعتی برای تشخیص به‌موقع علائم خزش
مواد مقاوم در برابر خزش
برخی از مواد به دلیل ترکیب و ساختار منحصر به فرد خود مقاومت بالایی در برابر خزش دارند. از جمله این مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
فولادهای مقاوم در برابر حرارت: مانند فولاد P91 و P92.
سوپرآلیاژهای نیکل: مانند اینکونل و Nimonic.
سوپرآلیاژهای کبالت: مانند آلیاژ هاینز.
آلیاژهای تیتانیوم: به دلیل چگالی کم و مقاومت بالا در برابر حرارت.
فلزات نسوز: مانند مولیبدن، تنگستن و نیوبیم.
آلیاژهای تقویت‌شده با پراکندگی اکسید: برای افزایش استحکام در دماهای بالا.
کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی: برای استفاده در صنایع هوافضا و توربین‌ها.
دستگاه تست خزش
این دستگاه شامل کوره‌ای استوانه‌ای و سیستم ایجاد کشش است که نمونه را تحت تأثیر دما و فشار ثابت قرار می‌دهد. یکنواخت بودن دما در کل نمونه از الزامات مهم این دستگاه است تا نتایج دقیق‌تری ارائه شود.
جمع‌بندی
خزش پدیده‌ای مهم در متالورژی است که می‌تواند تأثیرات جدی بر عملکرد مواد در طولانی‌مدت داشته باشد. آزمون‌های خزش و استفاده از مواد مقاوم به همراه راهکارهای کاهش اثرات آن، از مهم‌ترین اقداماتی هستند که برای افزایش عمر قطعات صنعتی انجام می‌شوند. انتخاب دقیق مواد، کنترل شرایط عملیاتی و انجام نظارت‌های منظم، می‌توانند نقش مؤثری در کاهش خطرات ناشی از خزش داشته باشند. با توجه به اهمیت این موضوع در صنایع مختلف، آگاهی از خزش و راهکارهای کنترل آن از الزامات اساسی در مهندسی مواد و طراحی صنعتی به شمار میرود.
