پیرشدگی کرنشی دینامیکی

**پیرشدگی کرنشی دینامیکی** (به انگلیسی: **Dynamic Strain Aging**) پدیده‌ای است در علم مواد که به ناپایداری در جریان پلاستیک (تغییر شکل پلاستیک) مواد مربوط می‌شود، و ناشی از «تعامل بین نابجاییهای در حال حرکت و اتم‌های حل‌شونده (ناخالصی‌ها)» است. گاهی اصطلاح DSA با Portevin–Le Chatelier effect (یا serrated yielding / تسلیم موج‌دار) به‌جای یکدیگر استفاده می‌شود؛ اما DSA دقیقاً به «مکانیزم ریزساختاری» گفته می‌شود که منجر به آن اثر ماکروسکوپی می‌گردد. به‌عبارت دیگر، DSA یکی از مکانیزم‌های سخت‌شدن / تغییر شکل مواد است که در آن اتم‌های حل‌شونده در ساختار کریستالی — در هنگام کرنش/تغییر شکل — با نابجایی‌ها واکنش می‌دهند، نابجایی‌ها را موقتاً «پین» می‌کنند و این باعث می‌شود حرکت نابجایی نامنظم و «پله‌پله» یا نوسانی شود.

## شرح مکانیزم
در مواد، حرکت نابجایی‌ها یک فرایند پیوسته نیست، بلکه به‌صورت گسسته انجام می‌شود. هنگامی‌که نابجایی‌ها در حین تغییر شکل پلاستیک با موانعی مانند ذرات رسوبی یا نابجایی‌های جنگلی برخورد می‌کنند، برای مدتی متوقف می‌شوند. در این زمان، اتم‌های حل‌شونده — مانند اتم‌های بین‌نشینی یا ناخالصی‌های جانشینی — به‌واسطهٔ پدیدهٔ انتشار به اطراف نابجاییِ پین‌شده مهاجرت می‌کنند و چسبندگی مانع به نابجایی را تقویت می‌کنند.

در نهایت، زمانی‌که تنش کافی اعمال شود، نابجایی از مانع عبور می‌کند و به‌سرعت به سمت مانع بعدی حرکت می‌کند؛ جایی که دوباره متوقف می‌شود و این چرخه می‌تواند تکرار شود.

شناخته‌شده‌ترین جلوه‌های ماکروسکوپی این فرایند، **نوارهای لودرز** و **اثر پورتوین–لو شاتلیه** هستند. بااین‌حال، این مکانیزم می‌تواند در موادی نیز رخ دهد که چنین پدیده‌های قابل مشاهده‌ای در آن‌ها دیده نمی‌شود.

### مدل پیرشدگی کرنشی دینامیکی برای محلول‌های جامد جانشینی
در آلیاژهای فلزی که دارای اتم‌های حل‌شوندهٔ جانشینی هستند — مانند آلیاژهای آلومینیوم-منیزیم — پدیدهٔ پیرشدگی کرنشی دینامیکی موجب ایجاد حساسیت منفی نسبت به نرخ کرنش می‌شود؛ امری که ناپایداری در جریان پلاستیک را به‌دنبال دارد. انتشار اتم‌های حل‌شونده در اطراف یک نابجایی را می‌توان بر اساس انرژی لازم برای جابه‌جاکردن یک اتم حل‌شونده از میان صفحهٔ لغزشِ نابجایی مدل‌سازی کرد.
بندانگشتی|342x342پیکسل|میدان تنش اطراف هستهٔ یک نابجایی لبه‌ای، همراه با نمایش شماتیکی موقعیت اتم‌ها. دایره‌های پر نشان‌دهندهٔ ناخالصی‌های جانشینی بزرگ‌تر هستند که در طول پدیدهٔ پیرسختی دینامیکی (DSA) به‌سمت عبور از صفحهٔ لغزش رانده می‌شوند (مطابق فلش نشان داده شده).
یک نابجایی لبه‌ای میدان تنشی‌ای تولید می‌کند که در بالای صفحهٔ لغزش ماهیت فشاری دارد و در پایین آن کششی است.در آلیاژهای Al–Mg، اندازهٔ اتم Mg بزرگ‌تر از اتم Al است و در سمت کششیِ صفحهٔ لغزش انرژی کمتری دارد؛ بنابراین اتم‌های Mg که در مجاورت یک نابجایی لبه‌ای قرار دارند، به‌سمت انتشار از میان صفحهٔ لغزش رانده می‌شوند (به شکل مراجعه شود).

ناحیه‌ای با غلظت کمترِ اتم‌های حل‌شونده که در بالای صفحهٔ لغزش ایجاد می‌شود، ماده را در اطراف نابجاییِ پین‌شده تضعیف می‌کند؛ به‌گونه‌ای که وقتی نابجایی دوباره متحرک گردد، تنش لازم برای حرکت آن به‌طور موقت کاهش پیدا می‌کند. این اثر می‌تواند به‌صورت «پله‌پله شدن» منحنی تنش–کرنش (اثر پورتوین–لو شاتلیه) بروز پیدا کند.

از آنجا که انتشار اتم‌های حل‌شونده یک فرایند گرمافعّال است، افزایش دما می‌تواند نرخ و گسترهٔ انتشار را در ناحیهٔ اطراف هستهٔ نابجایی افزایش دهد. این موضوع می‌تواند به افت‌های تنشی شدیدتر منجر شود؛ افت‌هایی که معمولاً با گذار از دندانه‌های نوع A به دندانه‌های نوع C در منحنی تنش–کرنش مشخص می‌شوند.

## اثرات بر خواص ماده
اگرچه دندانه‌ها (serrations) در منحنی تنش–کرنش که ناشی از اثر پورتوین–لو شاتلیه هستند، آشکارترین نمودِ پیرشدگی کرنشی دینامیکی به‌شمار می‌آیند، اما حتی در شرایطی که این دندانه‌ها مشاهده نمی‌شوند نیز اثرات دیگری می‌توانند حضور داشته باشند.
بندانگشتی|آزمایش کشش روی یک آلیاژ Al-Mg-Si. نازک‌شدگی موضعی (necking) و سطح شکستِ فنجانی–مخروطی (cup and cone) از ویژگی‌های معمول فلزات چقرمه (داکتایل) هستند.
در بسیاری از موارد که جریان دندانه‌دار دیده نمی‌شود، پیرشدگی کرنشی دینامیکی با کاهش حساسیت ماده نسبت به نرخ کرنش مشخص می‌شود؛ حساسیتی که در ناحیهٔ مرتبط با اثر پورتوین–لو شاتلیه به مقدار منفی می‌رسد.

پیرشدگی کرنشی دینامیکی همچنین موجب ایجاد یک ناحیهٔ پُرتخت (plateau) در مقاومت، یک بیشینهٔ تنش جریان (flow stress peak)، یک بیشینه در نرخ کارسختی، یک بیشینه در ثابت هال–پچ، و کمینه‌ای در تغییرپذیری چقرمگی (یا شکل‌پذیری) با دما می‌شود.

از آنجا که پیرشدگی کرنشی دینامیکی یک پدیدهٔ سخت‌شوندگی است، به‌طور کلی منجر به افزایش استحکام ماده می‌گردد.

## تأثیر عناصر آلیاژی بر پیرسختی دینامیکی (DSA)
دو دسته رفتار را می‌توان بر اساس مسیر برهم‌کنش عناصر آلیاژی با نابجایی‌ها تشخیص داد. **دستهٔ اول** شامل عناصری مانند **کربن (C)** و **نیتروژن (N)** است که به‌طور مستقیم در ایجاد DSA نقش دارند؛ زیرا این عناصر **با سرعت کافی در شبکه پخش می‌شوند و خود را به هستهٔ نابجایی رسانده و آن را قفل می‌کنند**.

شدت این اثر توسط چند عامل تعیین می‌شود:
* بندانگشتی|395x395پیکسل|یک منحنی تنش–کرنش برای یک ماده، رابطهٔ میان فشار اعمال‌شده (تنش) و میزان تغییر شکل ایجادشده (کُرنش) را نشان می‌دهد.**حلالیت عنصر** در شبکه،
* **ضریب نفوذ آن**،
* **انرژی برهم‌کنش بین عنصر و نابجایی**؛ یعنی میزان تمایل عنصر برای قفل‌کردن نابجایی و شدت «گیر افتادن» یا *locking* نابجایی.

## انواع دندانه‌ها (Serrations) در پدیدهٔ پیرسختی دینامیکی (DSA)
در اثر DSA، منحنی تنش–کرنش ممکن است دچار ناپیوستگی‌هایی به‌صورت «دندانه» یا **Serration** شود. این دندانه‌ها را می‌توان بر اساس **الگوی افت تنش و شکل ناپایداری** به چند نوع مختلف تقسیم کرد. هر نوع نشان‌دهندهٔ یک مکانیزم خاص از برهم‌کنش بین نابجایی‌ها و اتم‌های محلول است.

به‌طور کلی، این دندانه‌ها به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

### نوع A
دندانه‌های پیوسته و با دامنهٔ کم که معمولاً در نرخ کرنش‌های بالا دیده می‌شوند.

### نوع B
دندانه‌های ناپیوسته‌تر با دامنهٔ متوسط که رفتار گذار بین نوع A و C را نشان می‌دهند.

### نوع C
دندانه‌های بزرگ، نامنظم و با افت تنش شدید که اغلب در نرخ کرنش‌های پایین ظاهر می‌شوند.

هر نوع از این دندانه‌ها بیانگر شرایط متفاوتی از **نرخ نفوذ عناصر محلول**، **سرعت حرکت نابجایی‌ها** و **دمای تغییر شکل** است.

## نمونهٔ ویژهٔ یک ماده از پدیدهٔ پیرسختی دینامیکی(DSA)
نشان داده شده است که پدیدهٔ پیرسختی دینامیکی (Dynamic Strain Aging) با مجموعه‌ای از مشکلات اختصاصی در مواد مختلف ارتباط مستقیم دارد:
بندانگشتی|388x388پیکسل|تأثیر ضخامت نمونه بر چقرمگی شکست
* **کاهش مقاومت به شکست در آلیاژهای آلومینیوم–لیتیوم.**
* **کاهش عمر خستگی کم‌چرخه (LCF)** در فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی و سوپرآلیاژها، تحت شرایط آزمونی که مشابه شرایط کاری آن‌ها در راکتورهای سریع زاینده با خنک‌کاری فلز مذاب است؛ محیطی که این مواد در آن مورد استفاده قرار می‌گیرند.
* **کاهش ۳۰ تا ۴۰ درصدی [[چقرمگی شکست]] و کوتاه‌شدن عمر خستگی در هوا** برای فولادهای RPC، و همچنین **کاهش مقاومت به ترک‌خوردگی** این فولادها در محیط‌های خورنده. حساسیت فولادهای RPC به ترک‌زایی ناشی از محیط در آبِ دمای‌بالا، با رفتار DSA همزمان است.
* بروز مشکلات اختصاصی مربوط به اثر PLC، از جمله **شکنندگی آبی (Blue Brittleness)** در فولادها، **افت شکل‌پذیری**، و **کیفیت سطحی نامطلوب** در آلیاژهای آلومینیوم–منیزیم که تحت فرایند شکل‌دهی قرار می‌گیرند.

## جستارهای وابسته
* اثر پورتوین-لوشاتیه
* نوار لودر
* نابجایی
* سخت‌کاری کرنش

## منابع
* Mesarovic, Sinisa (1995)"Dynamic Strain Aging and Plastic Instabilities." **J. Mech. Phys. Solids 43**:671–701 No. 5
* Van Den Beukel, A. (1975)"Theory of the Effect of Dynamic Strain Aging on Mechanical Properties". **Phys. Stat. Sol. (a) 30 197**:
* Atkinson, JD and Yu, J.(1997) "The Role of Dynamic Strain-Aging in the Environment Assisted Cracking observed in Pressure Vessel Steels". **Fatigue Fracture Eng. Mater. Struct. Vol.20 No. 1**:1–12
* Aboulfadi, H. , Deges, J. , Choi, P. , Raabe, D. (2015) "Dynamic strain aging studied at the atomic scale," **Acta Materialia 86**:34-42
* Curtin, W.A. , Olmsted, D.L. , Hector Jr. , L.G. (2006) "A predictive mechanism for dynamic strain ageing in aluminium-magnesium alloys," **Nature Materials 5**:875-880
* Cai, W. , Nix, W.D. (2016) "Imperfections in Crystalline Solids," Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-12313-7
* Pink, E. , Grinberg, A. (1981) "Serrated flow in a ferritic stainless steel," **Materials Science and Engineering 51** iss. 1, p.1-8
* Hahner, Peter (1996)"On the physics of the Portevin- Le Chatelier effect part 1: the Statistics of dynamic strain aging" **Materials Science and Engineering A207**:
* Mannan, S.L.(1993) "Role of dynamic stain aging on low cycle fatigue". **Material Science vol 16 no 5**:561–582
* Samuel, K.G, Mannan, S.L, Rodriguez, P (1996) "Another Manifestation of Dynamic Strain Ageing" **Journal of Materials Science Letters 15**:1697-1699
* 2) Mannan, S.L. , "Role of dynamic stain aging on low cycle fatigue" Material Science vol 16 no 5 December 1993 p561-۵۸۲
* Atkinson, JD and Yu, J. "the Role of Dynamic Strain-Aging in the environmental assisted cracking observed in Pressure Vessel Steels" Fatigue Fractur Engeg. Materis Struct. Vol. 20 No. 1 pp1-12 1997
* Abbadi, M. , Hahner, P. , Zeghloul, A. , "On the characteristic of Portevin-Le Chatelier band in aluminum alloy 5182 under stress controlled and strain-controlled tensile testing" Materials Science and Engineering A337, 2002, p 194-201

رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:علم مواد
رده:مومسانی