خزش (مواد)

خزش به تغییر شکل آهسته و پیوستهٔ یک ماده تحت تنش ثابت گفته می‌شود. این پدیده معمولاً در دماهای بالا (به‌ویژه در نزدیکی دمای ذوب ماده) اهمیت پیدا می‌کند و به عواملی همچون تنش، زمان، دما، اندازه و شکل دانه، ریزساختار، کسر حجمی فازها، ویژگی‌های مرزدانه‌ها و تحرک نابجایی‌ها وابسته است.
بندانگشتی|390x390px|پرهٔ توربین آسیب دیده تحت اثر خزش
شرایط ترمودینامیکی و ویژگی‌های سینتیکی تأثیر چشمگیری بر ریزساختار مواد دارند. برای نمونه، پدیدهٔ نفوذ وابستگی مستقیم به دما دارد و تغییر در نرخ نفوذ می‌تواند بر خواص مکانیکی مواد و رفتار خزشی آن‌ها اثرگذار باشد.

پدیدهٔ خزش در سرامیک‌ها در مقایسه با فلزات از اهمیت بیشتری برخوردار است، زیرا بسیاری از کاربردهای سرامیک‌ها در دماهای بالا انجام می‌شود. مکانیزم‌های نفوذی خزش در سرامیک‌ها معمولاً پیچیده‌تر از فلزات هستند، چرا که فرآیند نفوذ در این مواد پیچیدگی بیشتری دارد. ضرورت حفظ خنثی بودن بار در هنگام نفوذ کاتیون‌ها و آنیون‌ها از عوامل مؤثر در این پیچیدگی به‌شمار می‌رود.

در فرایند خزش، اتم‌ها از نواحی تحت فشار به سمت نواحی تحت کشش جابه‌جا می‌شوند. این جابه‌جایی موجب کاهش انرژی آزاد سیستم به میزان تقریبی ۲Ωσ می‌شود که در آن σ تنش اعمالی و Ω حجم اتمی است. این کاهش انرژی، نیروی محرکهٔ خزش در ماده را فراهم می‌کند.Barsoum, M. W. , Fundamentals of Ceramics ,McGraw-Hill Companies, Inc. , 2000

 تأثیر دمای بالا بر روی مواد 
 بالا رفتن سرعت نفوذ 
با افزایش دما، تعداد عیوب نقطه‌ای در شبکهٔ کریستالی افزایش می‌یابد. افزایش تعداد جای‌خالی‌ها موجب بالا رفتن نرخ نفوذ در ماده می‌شود و این موضوع می‌تواند باعث تغییر در ساختار شبکهٔ کریستالی گردد.

 انبساط گرمایی 
با افزایش دما، حجم مواد معمولاً افزایش می‌یابد. این پدیده به‌دلیل تفاوت در ضرایب انبساط فازهای مختلف رخ می‌دهد. در نتیجه ممکن است ذرات فاز دوم یا رسوبات موجود در زمینه دچار تغییر شکل شوند و این امر تنش‌هایی را در شبکهٔ کریستالی ایجاد کند. بنابراین برخی از مکانیزم‌های استحکام‌بخشی که مبتنی بر وجود رسوبات هستند، در دماهای بالا کارایی کمتری خواهند داشت.

 پدیده‌های مرتبط با اندازه دانه 
با افزایش دما، اندازهٔ دانه‌ها ممکن است تغییر کند. در بسیاری از مواد، رشد دانه در دماهای بالا رخ می‌دهد و این موضوع می‌تواند موجب کاهش استحکام ناشی از مرزدانه‌ها شود. همچنین در دماهای بالا امکان تبلور مجدد و بازآرایی ساختار شبکهٔ کریستالی وجود دارد که در نهایت به افزایش اندازهٔ دانه منجر می‌شود. بندانگشتی|750x750px|پره‌های موتور جت به دلیل قرار گرفتن در دمای بالا و نزدیک به ذوب، تحت اثر تنش‌هایی به مراتب کمتر از تنش تسلیم دجار تخریب می‌شوند .

 پدیده‌های مرتبط با نابجایی‌ها 
در دماهای بالا نابجایی‌ها می‌توانند رفتارهایی از خود نشان دهند که در دماهای پایین مشاهده نمی‌شود. برای نمونه، نابجایی‌ها ممکن است از صفحهٔ لغزش بالا بروند یا حرکت آن‌ها تحت تأثیر تغییرات دمایی قرار گیرد. این پدیده‌ها می‌توانند سبب کاهش استحکام و در نتیجه افت خواص مکانیکی ماده شوند.

 پدیده‌های مرتبط با تغییر فاز ماده 
با افزایش دما، امکان تغییر فاز در ماده وجود دارد. تغییر فاز می‌تواند سبب ایجاد تنش درون‌ساختاری شود و در برخی شرایط با حل شدن یا تشکیل فازهای جدید همراه است. در نتیجه ممکن است رسوب‌ها تغییر کنند یا از بین بروند و این موضوع می‌تواند بر خواص مکانیکی ماده اثر بگذارد. به‌عنوان مثال، رسوب‌هایی که برای افزایش استحکام ماده به کار می‌روند، در دماهای بالا ممکن است درشت‌تر شوند یا حل شوند و در نهایت باعث کاهش استحکام شوند.

 فوق موم‌سانی 
فوق‌مومسانی (سوپرپلاستیسیته) به حالتی گفته می‌شود که در آن یک ماده قادر است تغییر شکل‌های بسیار بزرگ را بدون ایجاد شکست تحمل کند. از نظر سازوکار، شباهت‌هایی میان فوق‌مومسانی و خزش وجود دارد، با این تفاوت که در فوق‌مومسانی تغییر شکل گسترده معمولاً به‌صورت کنترل‌شده و مطلوب رخ می‌دهد، در حالی‌که خزش غالباً پدیده‌ای ناخواسته و مخرب به‌شمار می‌رود.

در شرایط فوق‌مومسانی می‌توان به تغییر شکل‌های بسیار زیاد در قطعاتی مانند بدنه‌ها یا اجزای صنعتی دست یافت، بی‌آن‌که شکست ناگهانی رخ دهد. با این حال، اگر چنین تغییر شکلی خارج از کنترل باشد، می‌تواند مشابه خزش در دماهای بالا منجر به ناپایداری یا تخریب قطعه شود.

یکی از کاربردهای شناخته‌شدهٔ فوق‌مومسانی در شکل‌دهی فلزاتی است که در حالت عادی تغییر شکل‌پذیری محدودی دارند. برای مثال، در برخی آلیاژهای تیتانیوم از این ویژگی برای افزایش طول یا ایجاد تغییر شکل‌های بزرگ بدون ایجاد ترک استفاده می‌شود.

 آزمون‌های خزش 
برای اندازه‌گیری رفتار خزشی مواد، روش‌های مختلفی وجود دارد. نتایج این آزمون‌ها معمولاً به‌صورت نمودارهای کرنش بر حسب زمان ارائه می‌شود که در آن‌ها میزان تنش اعمالی ثابت یا کنترل‌شده است.

در روش بارگذاری ثابت (Constant Load)، نیروی اعمالی به نمونه در طول آزمایش ثابت نگه داشته می‌شود. با افزایش کرنش و کاهش سطح مقطع مؤثر نمونه، تنش واقعی در طول زمان تغییر می‌کند. در مقابل، در روش تنش ثابت، مقدار تنش اعمالی در طول آزمایش ثابت نگه داشته می‌شود، حتی اگر سطح مقطع نمونه کاهش یابد.

آزمون‌های خزش معمولاً زمان‌بر هستند و ممکن است اجرای آن‌ها از چند ساعت تا چند ماه به طول انجامد. نتایج این آزمون‌ها به‌صورت منحنی‌های خزش بر حسب زمان نمایش داده می‌شود و بر اساس این منحنی‌ها می‌توان مراحل مختلف خزش را طبقه‌بندی کرد.

 مراحل خزش 
بندانگشتی|508x508پیکسل|نمودار کرنش-زمان یک جسم تحت تأثیر خزش و مراحل خزش.
این تست با روش بار ثابت (Constant Load) انجام پذیرفته‌است.
خزش به‌طور معمول دارای سه مرحله است:

مرحلهٔ اول (خزش اولیه):

در این مرحله، نرخ خزش در ابتدا زیاد است اما به‌تدریج کاهش می‌یابد. با گذشت زمان، به‌دلیل وقوع کارسختی (سخت‌شدن کرنشی)، مقاومت ماده افزایش یافته و در نتیجه نرخ تغییر شکل کاهش پیدا می‌کند.

مرحلهٔ دوم (خزش ثانویه):

در این مرحله نرخ خزش تقریباً ثابت می‌شود و منحنی کرنش-زمان رفتار تقریباً خطی از خود نشان می‌دهد. در این ناحیه تعادلی میان کارسختی و فرآیندهای بازیابی حرارتی برقرار می‌شود، به‌گونه‌ای که نرخ خزش مقدار ثابتی پیدا می‌کند.

مرحلهٔ سوم (خزش ثالثیه):

در این مرحله، به‌دلیل کاهش سطح مقطع مؤثر، ایجاد حفره‌ها و رشد ریزترک‌ها، تنش واقعی در ماده افزایش می‌یابد. در نتیجه نرخ خزش به‌صورت فزاینده زیاد شده و در نهایت شکست رخ می‌دهد.

در آزمون خزش با روش تنش ثابت، هر سه مرحله قابل مشاهده است و نمودار تا زمان شکست کامل ادامه می‌یابد.

کمترین مقدار نرخ خزش که در ناحیهٔ دوم رخ می‌دهد، معمولاً از رابطهٔ زیر به‌دست می‌آید:

در این رابطه C ثابت مزبور به نوع ماده، σ تنش اعمالی، d اندازه دانه، Q انرژی فعالسازی برای خزش، b و m ثابت و R ثابت بولتزمان است.

 سازوکارهای خزش 
مکانیزم‌های خزش را می‌توان به‌طور کلی به سه گروه تقسیم کرد: (۱) خزش مبتنی بر نابجایی‌ها، (۲) خزش مبتنی بر نفوذ و (۳) خزش مبتنی بر حرکت مرزدانه‌ها. این‌که کدام سازوکار غالب باشد به دما، تنش اعمالی و ریزساختار ماده وابسته است.

 مبتنی بر نابجایی‌ها 
در خزش مبتنی بر نابجایی‌ها، نوع رفتار نابجایی‌ها با توجه به این‌که ماده در ناحیهٔ دمایی پایین یا بالا قرار دارد متفاوت است. بندانگشتی|496x496px|سازوکار خزش مبتنی بر نفوذ
سازوکار نابارو - هیرینگ (Nabarro - Herring creep)

جای خالی‌ها از داخل شبکه عبور می‌کنند.

 تغییر سطح لغزش نابجایی 
در محدودهٔ دمایی پایین، نابجایی‌ها هنگام حرکت روی سطح لغزش ممکن است به مانعی برسند؛ در این حالت می‌توانند به سطح لغزش دیگری منتقل شوند و سپس حرکت خود را ادامه دهند.

 صعود نابجایی 
در محدودهٔ دمایی بالا، نابجایی پس از رسیدن به مانع می‌تواند با کمک فرآیندهای نفوذی «صعود» کند، از مانع عبور دهد و سپس حرکت خود را در مسیر جدید ادامه دهد.

 مبتنی بر نفوذ 
این مکانیزم شامل حرکت جاهای خالی تحت تنش اعمالی در سرتاسر بلور است و معمولاً در سطوح تنشی پایین رخ می‌دهد. در حالتی که جسم تحت تأثیر تنش باشد، قسمت‌هایی از جسم در حال کشیده تر 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. جاهای خالی از مرزهای فشاری به مرزهای کششی تغییر مکان می‌دهند که این فرایند با نفوذ کنترل می‌شود. رخ دادان حرکت جاهای خالی و یا اتم‌های بین‌نشین به وسیلهٔ نفوذ در شبکه و یا مرزهای دانه منجر به خزش چندبلوری (پلی‌کریستال) می‌شود. بسته به اینکه این نابجایی‌ها از کدام مسیر عبور کنند این سازوکار به دو نوع خزش نابارو - هرینگ (Nabarro - Herring cree) 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. برای این دو مسیر نفوذ رابطه تلفیقی زیر، نشان دهنده ارتباط بین نرخ کرنش کششی و تنش کششی خواهد بود:

در این رابطه، Ω حجم اتمی، k ثابت بولتزمان، T دما، d اندازهٔ دانه و  Dv  و Db به‌ترتیب ضرایب نفوذ حجمی و نفوذ مرزدانه‌ای هستند.

وجود خزش نفوذی باید از ملاک‌های تجربی غیرمستقیم همچون راستی‌آزمایی معادله سرعت نابارو-هرینگ و کوبل، بررسی خط نشانه‌های مشاهده شده در نمونه‌هایی از سطح که موازی محور نیروی کششی هستند و مشاهدهٔ برخی تأثیرات ریزساختاری همچون نواحی عاری از رسوبات در شکل زیر

پیش‌بینی می‌شود که این نواحی در آلیاژهای ناهمگن-سخت شده در مجاور مرزهای دانه‌ای که عمود بر محور کشش هستند گسترش یابند.

نابارو اخیراً پیشنهاد داد که خزش نابارو-هرینگ ممکن است با سازوکارهای دیگری (مانند GBS و Harper-Dorn) نیز همراه شده باشد. Lifshitz قبلاً در سال ۱۹۶۳ به ضرورت لغزش مرزدانه‌ها برای برقراری چسبندگی و پیوستگی دانه‌ها در حین خزش نفوذی در مواد پلی کریستال اشاره کرد. مطالعات نظری جدیدتر نیز بر نقش ضروری لغزش مرزدانه‌ای جهت تداوم حالت پایای خزش نفوذی، تأکید داشته‌اند. مطالعات زیادی جهت برآورد کردن سهم جداگانهٔ خزش نفوذی و لغزش مرزدانه‌ای بر کرنش کل انجام گرفته‌است. برخی بر این باورند که هم خزش نفوذی وهم لغزش مرزدانه‌ای در کرنش کل سهیم هستند و می‌توانند تفکیک شوند. برخی نیز اعتقاد دارند که یکی از آن‌ها یک فرایند تطبیقی است. بسیاری از این مطالعات بر اساس ساده‌سازی‌هایی چون یکسان بودن اندازه همه دانه‌ها و نیز وقوع کرنش کل تنها در یک مرحله، انجام شده‌است. Sahay ادعا کرد هنگامی که پویایی خزش نفوذی (تغییر در اندازه دانه‌ها و… که در حین تغییر شکل اتفاق می‌افتد) مورد بررسی قرار می‌گیرد، سهم نفوذ و لغزش در کرنش کل، غیرقابل تفکیک است!

 خزش نابارو - هرینگ  
در صورتی که نفوذ درون شبکه غالب باشد، تغییر شکل به‌صورت خزش نابارو–هرینگ (Nabarro–Herring creep) شناخته می‌شود که معمولاً در دماهای بالا و در نزدیکی دمای ذوب ماده (T≈Tm) رخ می‌دهد.

پیوند=پرونده:Pictu3.png|بندانگشتی|طرح شماتیک خزش نفوذی نابارو-هرینگهمان‌گونه که در شکل مشاهده می‌شود، جای‌خالی‌ها از مرزدانه‌هایی که عمود بر جهت نیروی کششی قرار دارند، به سمت مرزدانه‌هایی که موازی با محور تنش هستند حرکت می‌کنند. در این شرایط، شار نفوذی میان مرزهای موازی و عمود بر محور تنش با مقدار تنش اعمالی و ضریب نفوذ شبکه DL ​ متناسب است و با فاصلهٔ نفوذ بین مبدأ و مقصد جابه‌جایی اتم‌ها رابطهٔ عکس دارد. نرخ خزش در سازوکار نابارو–هرینگ (H–N) از رابطهٔ زیر به‌دست می‌آید:

کهAL، ثابت معادله خواهد بود. وقوع خزش نابارو - هرینگ تا کنون در فلزات پلی کریستال و سرامیک‌ها گزارش شده‌است.

 خزش کوبل  
در صورتی که نفوذ مرزدانه‌ای سازوکار غالب باشد، تغییر شکل به‌صورت خزش کوبل (Coble creep) شناخته می‌شود. این نوع خزش معمولاً در دماهای پایین‌تر نسبت به خزش نابارو–هرینگ و به‌طور معمول در محدودهٔ T<0.7Tm​ رخ می‌دهد.پیوند=پرونده:Pictu4.png|بندانگشتی|طرح شماتیک خزش نفوذی کوبل

در این شرایط، سهم نفوذ در مرزدانه‌ها بیشتر از نفوذ درون شبکهٔ بلوری است؛ بنابراین حرکت جای‌خالی‌ها در امتداد مرزدانه‌ها عامل اصلی تغییر شکل خزشی محسوب می‌شود. از آن‌جا که مسیر نفوذ کوتاه‌تر اما تعداد مرزدانه‌ها بیشتر است، نرخ خزش به اندازهٔ دانه وابستگی قابل‌توجهی دارد و با افزایش اندازهٔ دانه کاهش می‌یابد. در این سازوکار، نرخ خزش با رابطهٔ زیر بیان می‌شود:

کهDgb، نفوذ در طول مرزدانه وAG، ثابت معادله می‌باشند.

وقوع خزش کوبل تا کنون در [Fe [257], MgO [258,259], βCo [242], αFe [240] Ni [255] ,Mg [251], Cu [254 و.. گزارش شده‌است.

 مقایسه خزش نابارو - هرینگ و خزش کوبل 
نسبت نفوذ در شبکه به نفوذ در مرزدانه‌ها با افزایش دما افزایش می‌یابد، زیرا انرژی فعال‌سازی نفوذ مرزدانه‌ای کمتر از نفوذ درون شبکه است. بنابراین، با افزایش دما سهم خزش نابارو–هرینگ نسبت به خزش کوبل بیشتر می‌شود و این سازوکار در دماهای بالاتر غالب خواهد بود.

در هر دو سازوکار، به‌ویژه در خزش نابارو–هرینگ، معمولاً تنش‌های اعمالی در محدوده‌های پایین قرار دارند (به‌طور تقریبی σ/G<10−3  این پدیده بیشتر در دانه‌های با اندازهٔ کوچک مشاهده می‌شود. همچنین باید توجه داشت که در برخی محدوده‌های تنش و دما، احتمال وقوع هم‌زمان بیش از یک سازوکار وجود دارد و هرچه دانه‌ها کوچک‌تر باشند، مقاومت در برابر تغییر شکل کاهش می‌یابد.

 مبتنی بر لغزش مرزهای دانه 
در دماهای بالا، مرزدانه‌ها ممکن است نرم‌تر شوند و رفتار شبه‌ویسکوز از خود نشان دهند. در این شرایط، تحت اثر تنش برشی، مرزدانه‌ها می‌توانند نسبت به یکدیگر لغزش پیدا کنند. این فرایند منجر به تغییر شکل در ساختار کریستالی ماده می‌شود و در بسیاری از مواد پلی‌کریستال در دماهای بالا مشاهده می‌گردد.

 منابع 

 جستارهای وابسته 
 خواص مکانیکی مواد
 تنش
 کرنش
 تغییر شکل پلاستیک
 عیوب نقطه‌ای
 ناکاملی بلوری
 خستگی
 کریستالوگرافی
 موم سانی
 نابجایی
 علم مواد

رده:پستی‌گرایی مواد
رده:خواص کشسانی
رده:کشسانی
رده:مهندسی مواد