خزش، تغییرشکل آهسته و پیوسته‌ای است که هنگام قرارگیری یک ماده در معرض تنش ثابت و در بازه زمانی طولانی به وجود می‌آید. تفاوت اصلی این پدیده با تغییرشکل الاستیک (برگشت‌پذیر) یا تغییرشکل پلاستیک (برگشت‌ناپذیر)، وابستگی زیاد آن به زمان است. تغییرشکل‌های الاستیک و پلاستیک، در بازه‌های زمانی نسبتا کوتاه رخ می‌دهند. در طرف مقابل، خزش، نیاز به زمان دارد و به طور آنی اتفاق نمی‌افتد. دیگر ویژگی مهم خزش، وابستگی آن به دما است. در بسیاری از مواد مهندسی مانند فلزات، تغییرشکل خزشی، در نزدیکی دمای ذوب فلز به وجود می‌آید. نادیده گرفتن اهمیت این پدیده و تغییرشکل‌های ناشی از آن، می‌تواند منجر به شکست سازه‌های مهندسی و اتفاقات ناگوار شود. به طور کلی، خزش، اهمیت زیادی در علم مواد و علوم مهندسی دارد. توربین‌های گازی، موتورهای جت، رآکتورهای هسته‌ای، سازه‌های فلزی و بتنی، از جمله سازه‌های مهندسی مستعد پدیده خزش هستند. در این مطلب از مجله فرادرس قصد داریم ببینیم خزش چیست و چگونه رخ می‌دهد.

در ادامه، ضمن ارائه تعریف پدیده خزش، فرآیندها و عوامل به وجود آورنده این پدیده را معرفی می‌کنیم. سپس، به بررسی مواد مستعد خزش و انواع مکانیزم‌های خزش می‌پردازیم. در نهایت، پس از معرفی ویژگی‌های آزمایش خزش و بهترین نرم‌افزارهای موجود برای تحلیل این پدیده، روش‌های پیشگیری از خزش و تفاوت این پدیده با پدیده‌های مشابه را شرح می‌دهیم.

پدیده خزش چیست؟

«خزش» (Creep)، تغییرشکل دائمی و برگشت‌ناپذیر ماده است که به دلیل قرارگیری آن در معرض بارهای مکانیکی و حرارتی مداوم به وجود می‌آید. این پدیده را می‌توان به عنوان تمایل مواد جامد به تغییرشکل، هنگام قرارگیری طولانی‌مدت در معرض تنش و دمای بالا نیز در نظر گرفت.

خزش، یک پدیده وابسته به زمان است. این پدیده، با یک نرخ نسبتا کند رخ می‌دهد و می‌تواند باعث شکست ماده در تنشی پایین‌تر از تنش تسلیم شود. مهم‌ترین پارامترهای موثر بر روی خزش، خصوصیات مکانیکی مواد، تنش و دما هستند. موادی مانند فولاد، تنها زمانی خزش قابل توجهی را تجربه می‌کنند که در دمایی نزدیک به دمای ذوب خود باشند.

گسیختگی خزشی چیست؟

«گسیختگی خزشی» (Creep Rupture)، اصطلاحی برای اشاره به شکست ناشی از پدیده خزش است. در علم مواد، خزش، به عنوان یک حالت شکست پیچیده در نظر گرفته می‌شود. این حالت شکست، نحوه تغییر ساختار اتمی ماده در هنگام مواجهه با تنش ثابت و یا افزایش دما را توصیف می‌کند. تغییرات ساختاری، نابجایی ذرات تشکیل‌دهنده ماده را در پی دارند.

با گذشت زمان، نابجایی‌ها در سراسر ماده گسترش می‌یابند و تغییرشکل‌های دائمی (خزش) را به وجود می‌آورند. تغییرشکل‌های ناشی از خزش، بسیار آرام و در مقیاس اتمی رخ می‌دهند. به همین دلیل، پس از گذشت زمان طولانی، شکست ماده بدون رسیدن به نقطه تسلیم اتفاق می‌افتد. البته شکست ناشی از خزش، سه مرحله اصلی دارد که در بخش‌های بعدی به توضیح در مورد آن‌ها خواهیم پرداخت.

اهمیت مطالعه پدیده خزش چیست؟

پدیده خزش، در حوزه‌های مختلف از جمله مهندسی و علم مواد مورد مطالعه قرار می‌گیرد. هدف اصلی از مطالعه این پدیده و در نظر گرفتن تاثیر آن بر روی رفتار مواد، طراحی و ساخت قطعات بادوام و مقاوم در برابر تنش و حرارت بالا است. عدم توجه به پارامتر خزش در طراحی قطعات و سازه‌ها، می‌تواند پیامدهای مخرب و جبران‌ناپذیری را در پی داشته باشد. به طور کلی، از اصلی‌ترین دلایل اهمیت مطالعه خزش در مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اطمینان از یکپارچگی قطعات و سازه‌ها
• افزایش طول عمر عملیاتی قطعات و سازه‌ها
• جلوگیری از شکست‌های ناگهانی و فاجعه‌بار
• یافتن مواد قابل استفاده در تکنولوژی‌های جدید و حوزه‌های حساس

مطالعه خزش، اطلاعات ارزشمندی را راجع به مکانیزم تغییرشکل و شکست مواد در اختیار ما می‌گذارد. این اطلاعات، ضمن فراهم کردن درک عمیق از خواص و ساختار میکروسکوپی مواد، دانشمندان را به سمت کشف مواد مقاوم در برابر خزش سوق می‌دهد. به این ترتیب، قطعات و سازه‌هایی ایمن با طول عمر بالا طراحی و ساخته می‌شوند.

فرآیند رخ دادن خزش چیست؟

فرآیند خزش طی سه مرحله شامل خزش اولیه، خزش ثانویه و خزش نهایی رخ می‌دهد. در ادامه، به معرفی این سه مرحله و نمایش آن‌ها بر روی منحنی خزش می‌پردازیم.

منحنی خزش چیست؟

منحنی خزش، نموداری است که تغییرات کرنش خزشی در گذر زمان را نمایش می‌دهد. در تصویر زیر، نمونه‌ای از منحنی خزش را مشاهده می‌کنید. در این منحنی، مراحل رخ دادن خزش قابل مشاهده هستند.

در ابتدای مرحله اول خزش (زمان ۰)، مقداری کرنش به طور آنی و ناگهانی در ماده به وجود می‌آید. این کرنش با عنوان تغییرشکل آنی یا تغییرشکل اولیه شناخته می‌شود. در انتهای مرحله سوم، منحنی خزش پایان می‌یابد. این نقطه، محل گسیختگی ماده است.

خزش اولیه یا گذرا: اولین مرحله در فرآیند خزش

«خزش اولیه» (Primary Creep) یا «خزش گذرا» (Transient Creep)، اولین مرحله در فرآیند خزش است که به محض اعمال بار بر روی ماده شروع می‌شود. به دلیل رفتار الاستیک مواد در ابتدای بارگذاری و سخت‌شوندگی کرنش در بازه تغییرشکل پلاستیک، نرخ خزش به مرور کاهش می‌یابد. این کاهش نرخ، در ابتدای منحنی خزش به خوبی قابل مشاهده است. در محدوده خزش اولیه، در برابر افزایش خزش مقاومت می‌کند.

خزش ثانویه یا پایا: دومین مرحله در فرآیند خزش

«خزش ثانویه» (Secondary Creep) یا «خزش حالت پایا» (Steady-State Creep)، مرحله‌ای است که در آن، کرنش خزش با نرخ ثابت افزایش می‌یابد. محدوده پایا، به صورت یک خط راست در منحنی خزش ظاهر می‌شود. این محدوده، بیشترین بازه زمانی را به خود اختصاص می‌دهد. با وجود باقی ماندن سخت‌شوندگی کرنش، ماده تحت بارگذاری نرم می‌شود. نرخ خزش ثانویه، پارامتری است که توسط مهندسان برای طراحی قطعات یا سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خزش سوم یا ناپایدار: سومین مرحله در فرآیند خزش

«خزش سوم» (Tertiary Creep) یا «خزش ناپایدار» (Unstable Creep)، آخرین مرحله در فرآیند خزش است که منجر به گسیختگی و شکست ماده می‌شود. مکانیزم شکست ماده، به پارامترهایی نظیر نحوه توسعه ریزترک‌ها، حفره‌های داخلی و جدایش مرزدانه‌ها بستگی دارد. با کاهش سطح مقطع موثر تحت بارگذاری به دلیل رخ دادن این مکانیزم‌ها، تنش و نرخ کرنش افزایش می‌یابد. به همین دلیل، شیب منحنی خزش با افزایش شیب همراه می‌شود.

چگونه در مورد خزش در مواد یاد بگیریم؟

خزش، یکی از مسائل مهم در حوزه مهندسی و بخصوص مهندسی مواد، مکانیک و عمران است. مطالعه بر روی پدیده خزش، امکان ارزیابی و پیش‌بینی رفتار مواد در شرایط بارگذاری مختلف را فراهم می‌کند. برای اینکه در مورد خزش و مباحث مرتبط با آن یاد بگیرید، ابتدا باید هدف خود را مشخص کنید. کارشناسان مهندسی مواد و متالورژی، معمولا با مسئله خزش در فلزات سر و کار دارند. دانشجویان این رشته، در درسی با عنوان «خواص مکانیکی مواد ۲» با خزش فلزات آشنا می‌شوند. به همین دلیل، برای کارشناسان و دانشجویان مهندسی مواد، مطالعه منابع مرتبط با این درس، گزینه بسیار خوبی است. فرادرس، یک فیلم آموزشی مفید و جامع را تهیه کرده است که می‌تواند به شما در یادگیری سریع و راحت درس خواص مکانیکی مواد ۲ کمک کند. لینک مشاهده این فیلم آموزشی در ادامه آورده شده است:

دانشجویان رشته مکانیک، مخصوصا گرایش ساخت و تولید نیز می‌توانند از آموزش بالا بهره ببرند. مهندسان عمران و سازه، معمولا با مسئله خزش در بتن مواجه می‌شوند. فرادرس، یک فیلم آموزشی کاربردی را در زمینه تکنولوژی بتن تهیه کرده است که در آن، به مسئله خزش و روش‌های مقابله با خزش می‌پردازد. لینک مشاهده این فیلم آموزشی در ادامه آورده شده است:

علاوه بر آموزش‌های بالا، فرادرس، یک فیلم آموزشی اختصاصی را در رابطه با خستگی و خزش برای دانشجویان و فارغ‌التحصیلان رشته‌های مهندسی تهیه کرده است که در آن، تمام جنبه‌های این پدیده‌های مهم را توضیح داده می‌شود. لینک مشاهده این فیلم آموزشی، در ادامه آورده شده است:

در مطلب «خستگی و رفتار مواد در بارگذاری‌های تکراری»، راجع به پدیده خستگی و عوامل موثر در رخ دادن آن صحبت کردیم. در ادامه این مطلب از مجله فرادرس، به معرفی عوامل به وجود آورنده خزش می‌پردازیم.

عامل به وجود آورنده پدیده خزش چیست؟

عوامل زیادی بر روی به وجود آمدن پدیده خزش و نرخ خزش تاثیر می‌گذارند. از مهم‌ترین این عوامل می‌توان به دما، تنش، جنس ماده و زمان اشاره کرد. در ادامه، تاثیر هر یک از این عوامل بر روی پدیده خزش را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

تاثیر دما بر روی خزش چیست؟

دما، یک عامل بحرانی در پدیده خزش است. افزایش دما، نرخ خزش ماده را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. رابطه بین نرخ خزش و دما، معمولا با استفاده از معادله آرنیوس نمایش داده می‌شود. این معادله عبارت است از:

$$dot { epsilon } propto e ^ { – Q _ c / R T}$$

در این معادله، داریم:

با افزایش دما، انرژی جنبشی اتم‌های ماده بیشتر می‌شود. افزایش تحرک اتم‌ها، کار را برای فعال‌سازی مکانیزم‌های خزش راحت‌تر می‌کند. به این ترتیب، نرخ خزش به میزان قابل توجهی بالا می‌رود. بر اساس معادله آرنیوس، رابطه بین نرخ خزش و دما به صورت نمایی است. به عبارت دیگر، حتی افزایش دما به میزان کم نیز می‌تواند منجر به تشدید فرآیند خزش شود.

دمای بحرانی برای خزش، به ماده مورد مطالعه بستگی دارد. به عنوان مثال، برخی از پلیمرها در دمای اتاق، خزش را تجربه می‌کنند اما اغلب فلزات، در دمایی معادل ۴۰ درصد دمای ذوب‌شان با تغییرشکل‌های ناشی از این پدیده مواجه می‌شوند. مطالعات صورت گرفته بر روی آجرها نشان می‌دهد که افزایش دما تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند باعث گسیختگی آجر در ۵۰ درصد مقاومت تسلیمش شود. این مثال‌ها، اهمیت توجه به دمای عملیاتی در طراحی قطعات و سازه‌ها برای جلوگیری از رخ دادن خزش را نمایش می‌دهند.

تاثیر تنش مکانیکی بر روی خزش چیست؟

دما، بیشترین تاثیر را بر روی پدیده خزش دارد اما تنش، عامل اصلی ایجاد این پدیده است. به طور کلی، هرچه تنش بالاتر باشد، نرخ کرنش بیشتر می‌شود. به عبارت دیگر، ماده‌ای که به طور مداوم تحت تنش‌های بالا قرار می‌گیرد، با سرعت بیشتری تغییرشکل می‌دهد.

رابطه بین تنش و نرخ خزش، پیچیدگی‌های خاص خود را دارد و خطی نیست. این رابطه از مکانیزم خزش، دمای عملیاتی و مدت زمان بارگذاری تاثیر می‌پذیرد. به عنوان مثال، در یکی از مکانیزم‌های خزش (نابجایی)، تاثیر تغییر تنش بر روی نرخ خزش می‌تواند تا ۵ برابر بیشتر از دیگر مکانیزم‌ها باشد. با این وجود، همواره یک تنش حداقلی برای بررسی خزش در نظر گرفته می‌شود. پایین‌تر از این تنش، خزش رخ نمی‌دهد یا میزان آن قابل اجتناب است. بالاتر از این تنش، پیامدهای خزش به مرور واضح‌تر می‌شوند.

افزایش تنش، مدت زمان مورد نیاز برای گسیختگی خزشی را کاهش می‌دهد. در یک آزمایش صورت گرفته بر روی یک ابرآلیاژ مبتنی بر ترکیب Ni₃Al، مشاهده شد که در صورت کاهش تنش اعمال شده بر روی این این ابرآلیاژ از ۱۴۰ مگاپاسکال به ۱۲۰ مگاپاسکال، عمر خزش از حدود ۷۹ ساعت به حدود ۲۴۴ ساعت افزایش می‌یابد.

تاثیر زمان بر روی خزش چیست؟

زمان، یکی از پارامترهای الزامی برای رخ دادن پدیده خزش است. در تمام تعریف‌های خزش، هنگام اشاره به شرایط بارگذاری، با عبارت‌هایی نظیر «پیوسته»، «مداوم» و غیره مواجه می‌شویم. این عبارت‌ها، به پیوستگی و تداوم شرایط بحرانی در گذر زمان اشاره می‌کنند. هرچه زمان قرارگیری ماده در معرض تنش و یا دمای بالا بیشتر باشد، گسترش خزش در آن افزایش می‌یابد.

تاثیر زمان بر نرخ خزش، به مرحله خزش بستگی دارد. در مرحله اول، نرخ خزش با گذشت زمان کمتر می‌شود (خزش گذرا). در مرحله دوم، نرخ خزش با گذشت زمان ثابت باقی می‌ماند (خزش پایدار). در مرحله آخر، هر چه زمان می‌گذرد، نرخ خزش با شیب بیشتری افزایش می‌یابد و ماده را به گسیختگی نزدیک‌تر می‌کند. رابطه بین زمان و خزش، یک رابطه خطی و مستقل نیست. این رابطه به پارامترهای دیگری نظیر دمای عملیاتی، تنش عملیاتی و خواص مکانیکی ماده نیز بستگی دارد. در بخش بعدی، راجع به تاثیر نوع ماده بر پدیده خزش صحبت می‌کنیم.

تاثیر تنش ساختار و ترکیب مواد بر روی خزش چیست؟

خواص مکانیکی مواد، یکی دیگر از عوامل مهم موثر بر پدیده خزش و نرخ آن است. ویژگی‌هایی نظیر ترکیب، ساختار میکروسکوپی و اندازه ذرات، نقش بزرگی را در تعیین رفتار ماده هنگام قرارگیری در معرض تنش و دمای بالا بازی می‌کنند. به عنوان مثال، مواد دارای دمای ذوب بالا، معمولا مقاومت بهتری در مقابل خزش از خود به نمایش می‌گذارند.

حضور عناصر آلیاژی در ترکیب مواد می‌تواند از حرکت ذرات در مقیاس اتمی جلوگیری کرده و مانع از رخ دادن خزش شود. به علاوه، مواد دارای ساختار میکروسکوپی ریز، عملکرد بهتری در برابر تغییرشکل‌های ناشی از خزش دارند. در مجموع، پارامترهای مختلفی بر روی نرخ خزش تاثیر می‌گذارند که مهم‌ترین آن‌ها، دما، تنش، زمان و خواص مکانیکی مواد است. هنگام طراحی قطعات و سازه‌های تحت بارگذاری مداوم و در شرایط دمایی متغیر یا شدید، باید تمام پارامترهای معرفی را شده را به دقت مورد ارزیابی قرار داد.

چه موادی تحت تاثیر خزش قرار می گیرند؟

فلزات و پلیمرها، متداول‌ترین موادی هستند که با تغییرشکل‌های ناشی از پدیده خزش رو به رو می‌شوند. البته به غیر از این مواد، امکان رخ دادن پدیده خزش در سرامیک‌ها، انواع خاک و بتن نیز وجود دارد. در ادامه، به بررسی نحوه رخ دادن خزش در هر یک از این مواد می‌پردازیم.

خزش فلزات چیست؟

خزش فلزات، تغییرشکل تدریجی و دائمی فلزات است که بر اثر قرارگیری این مواد در معرض دما و تنش بالا به وجود می‌آید. برخی از فلزات، هیچ‌گاه با تغییرشکل‌های ناشی از خزش مواجه نمی‌شوند. به عنوان مثال، پدیده خزش در فولاد ساختمانی، فقط با اعمال دمای بسیار بالا رخ می‌دهد.

دما را می‌توان به عنوان مهم‌ترین پارامتر موثر بر خزش فلزات در نظر گرفت. بسیاری از فلزات، با رسیدن به ۴۰ درصد از دمای ذوب‌شان، دچار خزش می‌شوند. اگر یک المان فلزی برای تحمل بار و دمای بالا در مدت زمان طولانی طراحی شده باشد، معمولا از ابرآلیاژهای مقاوم در برابر خزش در ترکیب آن‌ها استفاده می‌شود.

مطالعه بر روی خزش فلزات، هم برای مهندسان مکانیک و هم مهندسان مواد حائز اهمیت است. فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع و مفید را با عنوان «آموزش خواص مکانیکی مواد ۲» تهیه کرده است که می‌تواند شما را در یادگیری جنبه‌های مختلف خزش فلزات یاری کند. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

خزش بتن چیست؟

بتن، یک ماده کامپوزیت و از متداول‌ترین مصالح ساختمانی است که از ترکیب آب، سیمان و سنگدانه به وجود می‌آید. تیر، ستون، دال و دیگر عضوهای سازه‌‌های بتنی، همواره در معرض انواع بار از قبیل بارهای مرده، زنده، باد، برف، سیل، زلزله و غیره قرار دارند. بارهای مرده یا ثابت، با گذشت زمان می‌توانند باعث به وجود آمدن تغییرشکل‌های ناشی از پدیده خزش شوند.

امکان رخ دادن خزش بتن در هر مقدار تنشی وجود دارد. دلیل اصلی این پدیده، وجود کلسیم سیلیکات هیدرات در ترکیب ملات سیمانی است. هنگام قرارگیری عضوهای بتنی در معرض بارگذاری، آب موجود در کلسیم سیلیکات هیدرات به حرکت درمی‌آید و ساختار میکروسکوپی بتن را تغییر می‌دهد. تغییر ساختار میکروسکوپی و تغییرشکل بتن در طولانی مدت، یکپارچگی سازه را تهدید می‌کند.

نسبت آب به سیمان، رطوبت نسبی، دما، سن بتن، شدت تنش وارد شده و مقاومت فشاری بتن، از پارامترهای تاثیرگذار بر روی خزش بتن هستند. هرچه نسبت آب به سیمان بالاتر باشد، احتمال رخ دادن خزش و بزرگی تغییرشکل‌های ناشی از آن بیشتر می‌شود. رطوبت نسبی و دمای بالا نیز بر روی گسترش خزش تاثیر می‌گذارند. با این وجود، هرچه سن بتن بیشتر شود، احتمال رخ دادن خزش کاهش می‌یابد.

مطالعه خزش در بتن، از اهمیت بسیار بالایی در طراحی و اجرای سازه‌های بتنی برخوردار است. فرادرس، یک فیلم آموزشی مفید و کاربردی را با عنوان «آموزش تکنولوژی بتن و اختلاط آن» تهیه کرده است که در آن، مبحث خزش بتن و راه‌های مقابله با خزش توضیح داده می‌شود. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

خزش پلیمر چیست؟

خزش پلیمرها یا خزش ویسکوالاستیک، پدیده‌ای است که معمولا در انواع مواد پلیمری رخ می‌دهد و باعث تغییرشکل تدریجی آن‌ها می‌شود. اغلب پلیمرها، مقاومت پایینی در برابر خزش دارند. این مواد با قرارگیری مداوم در معرض تنش‌های پایین‌تر از تنش تسلیم، تغییرشکل می‌دهند. دلیل این امر، برخورداری همزمان پلیمرها از خواص الاستیسیته و ویسکوزیته است که ذرات آن‌ها را قادر به لغزش روی هم می‌کند. البته این خواص، مزیت‌هایی نیز دارند که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم.

با وجود مقاومت پایین پلیمرها در برابر خزش، تغییرشکل ناشی از این پدیده، می‌تواند برگشت‌پذیر باشد. این ویژگی، به نوع پلیمر و میزان الاستیسیته و ویسکوزیته آن بستگی دارد. پلیمرهای الاستیک، در صورت باربرداری، به میزان زیادی به شکل اولیه خود بازمی‌گردند. در طرف مقابل، پلیمرهای ویسکوز، اغلب با تغییرشکل‌های دائمی و غیرقابل بازگشت رو به رو می‌شوند.

مسئله تغییرشکل‌های ناشی از خزش، اهمیت بالایی در صنایع به کارگیرنده پلیمرها دارد. به همین علت، این مسئله در طراحی قطعات پلاستیکی/لاستیکی مورد توجه قرار می‌گیرید. مهندسان پلیمر، از جمله افرادی هستند که پدیده خزش را و تاثیر پارامترهای مختلف بر روی آن مورد مطالعه قرار می‌دهند. فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع و کاربردی را با عنوان «آموزش خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها» تهیه کرده است که در آن، به طور کامل به آزمایش و تحلیل خزش مواد پلیمری پرداخته می‌شود. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است:

خزش خاک چیست؟

خزش خاک، لغزش آهسته توده خاک در شیروانی‌ها است. به تغییرشکل‌های ناشی از اعمال فشار و بارهای پیوسته به محیط‌های خاکی نیز خزش خاک گفته می‌شود. این پدیده، معمولا بر اثر نیروی وزن توده‌های خاکی رخ می‌دهد. نیروی اصطکاک، در مقابل لغزش ذرات خاک بر روی یکدیگر مقاومت می‌کند. به این دلیل، چسبندگی و زاویه اصطکاک خاک را می‌توان به عنوان مهم‌ترین عامل مقاوم در برابر خزش در نظر گرفت.

پارامترهای زیادی بر روی ایجاد خزش در خاک تاثیر می‌گذارند که از اصلی‌ترین آن‌ها می‌توان به نیروی جاذبه، چرخه ذوب/انجماد، انبساط/انقباض ناشی از تغییر رطوبت (مخصوصا در خاک‌های رسی) و فعالیت‌های حیوانی (مانند حرکت کرم‌ها درون خاک) اشاره کرد. پیامدهای خزش خاک، به مرور زمان خود را نشان می‌دهند. مهندسان عمران، معدن، ژئوتکنیک و حتی زمین‌شناسان، از جمله افرادی هستند که به مطالعه پدیده خزش در خاک می‌پردازند.

همان‌طور که مشاهده کردید، پدیده خزش، اهمیت زیادی در انواع مواد دارد. به عنوان نکته پایانی، به خاطر داشته باشید که خزش بتن، بیشتر از هر چیزی به مدت زمان اعمال بار بستگی دارد. خزش فلزات، به دمای ذوب آن‌ها وابسته است. خزش پلیمرها، در تنش و دمای پایین‌تری نسبت به مواد دیگر رخ می‌دهد. خزش خاک‌ها نیز با توجه به شیب آن‌ها و نیروی جاذبه به وجود می‌آید.

انواع مکانیزم های خزش چیست؟

خزش نابجایی، خزش نفوذی و لغزش مرزدانه‌ای، سه مکانیزیم اصلی خزش هستند. در ادامه، این مکانیزم‌ها را به طور خلاصه معرفی می‌کنیم.

خزش نابجایی چیست؟

«خزش نابجایی» (Dislocation Creep)، یکی از انواع مکانیزم‌های خزش است که بر اثر اعمال دمای بالا و تنش ثابت به مواد دارای ساختار بلوری رخ می‌دهد. در این مکانیزم، عیب و نقص‌های خطی درون شبکه بلوری، به دلیل تداوم بارگذاری، در تمام ماده گسترش می‌یابند. نابجایی‌ها می‌توانند در راستای صفحات لغزش به آرامی حرکت کنند یا با پر کردن فضاهای خالی، در راستای عمود بر این صفحات جابجا شوند.

افزایش دما می‌تواند باعث افزایش تحرک نابجایی‌ها و تسریع فرآیند خزش شود. تنش زیاد می‌تواند علاوه بر افزایش تحرک نابجایی‌ها، باعث به وجود آمدن نابجایی‌های جدید شود. در خزش نابجایی، هرچه ذرات ریزتر باشند، نرخ تغییرشکل کاهش می‌یابد. به طور کلی، فلزات، آلیاژهای فلزی و مواد درشت‌دانه، مستعد خزش نابجایی هستند.

خزش نفوذی چیست؟

«خزش نفوذی» (Diffusion Creep)، یکی دیگر از انواع مکانیزم‌های اصلی خزش است که به دلیل تشکیل فضای خالی در مواد بلوری رخ می‌دهد. این مکانیزم، باعث به وجود آمدن تغییرشکل پلاستیک و شکست ترد در ماده می‌شود. خزش نابارو-هرینگ و خزش کوبل، از انواع اصلی خزش‌های نفوذی هستند. در ادامه، به تعریف این پدیده‌ها می‌پردازیم.

خزش نابارو-هرینگ چیست؟

«خزش نابارو-هرینگ» (Nabarro-Herring Creep)، خزشی است که معمولا در دمای بالا و تنش پایین رخ می‌دهد. افزایش دما، باعث فاصله گرفتن ذرات شبکه بلوری و ایجاد فضای خالی بین آن‌ها می‌شود. با نفوذ اتم‌های ماده در میان فضای خالی شبکه بلوری، خزش نابارو-هرینگ به وجود می‌آید. نواحی تحت کشش (نواحی قرار گرفته در محور اعمال تنش)، مستعد این نوع خزش هستند. هرچه ابعاد دانه‌های شبکه بلوری بیشتر باشد، نرخ خزش کمتر می‌شود.

خزش کوبل چیست؟

«خزش کوبِل» (Coble Creep)، یکی دیگر از انواع خزش است که معمولا در دماهای پایین رخ می‌دهد. برخلاف خزش نابارو-هرینگ، خزش کوبل در راستای عمود بر محور اعمال تنش به وجود می‌آید. به عبارت دیگر، راستای مرز بین دانه‌ها در این نوع خزش با راستای تنش، موازی است (تصویر زیر). در خزش کوبل، اتم‌ها به فضای خالی بین دانه‌ها نفوذ می‌کنند. به همین دلیل، این خزش به عنوان یکی از انواع خزش‌های نفوذی در نظر گرفته می‌شود.

لغزش مرزدانه ای چیست؟

«لغزش مرزدانه‌ای» (Grain-boundary Sliding)، یکی از مکانیزم‌های تغییرشکل خزشی است که بر اثر لغزش دانه‌ها بر روی یکدیگر رخ می‌دهد. هر ناحیه تماس بین دانه‌ها در شبکه بلوری بیشتر باشد، احتمال لغزش مرزدانه‌ای افزایش می‌یابد. این مکانیزم، معمولا در مواد دارای ساختار چندبلوری مشاهده می‌شود. از دیگر ویژگی‌های خزش ناشی از لغزش مرزدانه‌ای می‌توان به اعمال تنش خارجی، دمای بالا و نرخ کرنش پایین اشاره کرد.

معادله خزش چیست؟

پدیده خزش را می‌توان به عنوان نرخ تغییر کرنش در گذر زمان تعریف کرد. با توجه به این تعریف، معادله عمومی خزش به صورت زیر نوشته می‌شود:

$$frac { d epsilon } { d t } = dot { varepsilon } = frac { C sigma ^ m } { d ^ b } e ^ { frac { – Q } { k T } }$$

پارامترهای معادله بالا عبارت هستند از:

• C: ثابت عددی که به مکانیزم خزش و نوع ماده تحت خزش بستگی دارد.
• σ: تنش اعمال شده به ماده
• m و b: توان‌های وابسته به مکانیزم خزش
• d: ابعاد متوسط دانه‌بندی ذرات ماده
• Q: انرژی فعال‌سازی تغییرشکل
• k: ثابت بولتزمن
• T: دمای مطلق

آزمایش خزش چیست و چگونه انجام می شود؟

«آزمایش خزش» (Creep Test) یا «تست رهایش تنش» (Stress-relaxation Test)، روشی برای اندازه‌گیری میزان تغییرشکل‌های یک ماده در یک بازه زمانی نسبتا طولانی است. این آزمایش، معمولا به دو روش زیر اجرا می‌شود:

• آزمایش خزش در بار ثابت
• آزمایش خزش در تنش ثابت

نتایج حاصل از آزمایش‌های خزش، به منظور مطالعه بر روی رفتار مواد و طراحی قطعات یا سازه‌ها برای به کارگیری آن‌ها در شرایط بارگذاری و دمایی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آزمایش خزش با بار ثابت

«آزمایش خزش با بار ثابت» (Constant Load Creep Test)، با اعمال بار ثابت به نمونه و اندازه‌گیری تغییرات طول یا کرنش در طول زمان اجرا می‌شود. اعمال بار در این آزمایش، معمولا توسط یک بازوی اهرمی یا بار مرده صورت گرفته و اندازه‌گیری کرنش توسط یک اکستنسومتر یا گیج آنالوگ صورت می‌گیرد.

از مزایای اندازه‌گیری خزش به روش بار ثابت می‌توان به راحتی تنظیم دستگاه‌ها و سادگی اجرا اشاره کرد. در طرف مقابل، محدودیت اصلی این روش، پایین بودن دقت آن در شرایط تنش ثابت است؛ زیرا هنگام قرارگیری یک ماده در معرض بار ثابت، سطح مقطع آن به مرور زمان و به دلیل تغییرشکل‌های ناشی از خزش تغییر می‌کند. این موضوع، باعث تغییر تنش در داخل نمونه می‌شود.

آزمایش خزش با تنش ثابت

«آزمایش خزش با تنش ثابت» (Constant Stress Creep Test)، با ایجاد تنش ثابت در نمونه و اندازه‌گیری تغییرات طول یا کرنش در طول زمان اجرا می‌شود. در این آزمایش، اعمال بار توسط سیستم‌های هیدرولیکی یا پنوماتیکی صورت می‌گیرد. سیستم‌های مذکور، اعمال تنظیم بارگذاری برای ثابت نگه داشتن نسبت بار به سطح مقطع (ثابت نگه داشتن تنش) را فراهم می‌کنند.

از مزایای اندازه‌گیری خزش در تنش ثابت می‌توان به قابلیت بازسازی شرایط عملیاتی (واقعی) در شرایط تنش ثابت اشاره کرد. محدودیت این روش، پیچیدگی تجهیزات و نحوه کار با آن‌ها است. علاوه بر این، پارامترهایی نظیر تغییرات دمایی، اصطکاک و نشت بر روی صحت نتایج تاثیر می‌گذارند.

مقایسه بین آزمایش های خزش

انتخاب روش مناسب برای اجرای آزمایش خزش، به هدف، خواص ماده و تجهیزات دردسترس بستگی دارد. آزمایش خزش با بار ثابت، مناسب رده‌بندی مواد، بررسی تاثیر سطوح مختلف بارگذاری و دما بر روی تغییرشکل، تعیین حداقل نرخ کرنش و محاسبه زمان گسیختگی است. در طرف دیگر، آزمایش خزش با تنش ثابت، در تعیین رفتار مواد تحت شرایط عملیاتی، ارزیابی تاثیر سطوح مختلف بارگذاری و دما بر روی خزش و اندازه‌گیری کرنش خزشی و کرنش گسیختگی کاربرد دارد.

استانداردهای ملی آزمایش خزش

استانداردهای ملی متعددی برای تعیین خزش در مواد مورد استفاده در صنایع مختلف تدوین شده‌اند که پرکاربردترین آن‌ها عبارت هستند از:

• استاندارد 20301: آزمون خزش فشاری بتن
• استاندارد 17242: آزمون اندازه‌گیری خزش فشاری فرآورده‌های دیرگداز
• استاندارد 18629: آزمون تعیین خصوصیات خزشی برجای سنگ
• استاندارد 15478: تعيين خزش مغزه سنگ تحت تنش و دمای ثابت
• استاندارد 14204: آزمون خزش غیرمحوری در کشش مواد فلزی

بهترین نرم افزار برای تحلیل خزش چیست؟

روش‌های مختلفی برای تحلیل خزش در مواد وجود دارد. در صورت دسترسی به تجهیزات، اجرای آزمون‌های آزمایشگاهی و جمع‌آوری داده‌های کافی برای مطالعه رفتار مواد در شرایط بارگذاری مختلف، گزینه قابل اطمینانی خواهد بود. البته نرم‌افزارهای تحلیل عددی در کنار داده‌های آزمایشگاهی و تجربی، درک ما از پدیده خزش را گسترش می‌دهد.

نرم‌افزارهای عددی، امکان شبیه‌سازی خزش در قطعات و سازه‌ها را بر اساس مدل‌های رفتاری از پیش‌تعریف شده فراهم می‌کنند.

• «آباکوس» (ABAQUS): مجموعه نرم‌افزار تحلیل به روش المان محدود است که به معمولا توسط مهندسان عمران و ژئوتکنیک برای مطالعه بر روی رفتار سازه‌های ساختمانی و ژئوتکنیکی در شرایط بارگذاری مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• «انسیس» (Ansys): مجموعه‌ای جامع از نرم‌افزارهای مهندسی با قابلیت مدل‌سازی، شبیه‌سازی، تحلیل و طراحی سه‌بعدی است. نسخه انسیس مکانیکال، مدل‌های رفتاری متنوعی را برای تحلیل خزش در اختیار کاربران قرار می‌دهد.
• «سالیدورک» (SOLIDWORKS): نرم‌افزار طراحی به کمک کامپیوتر است که معمولا برای ترسیم، طراحی و مونتاژ مدل‌های سه‌بعدی از قطعات مکانیکی استفاده می‌شود. نسخه ویژه سالیدورک، از قابلیت مطالعه بر روی رفتار غیرخطی مواد و اثرات خزش بر روی قطعات بهره می‌برد.
• «کامسول» (COMSOL): یک نرم‌افزار شبیه‌سازی عمومی در حوزه مهندسی است که به منظور مدل‌سازی طرح‌ها، دستگاه‌ها و فرایندها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• «میداس» (MIDAS): مجموعه نرم‌افزاری پیشرفته با قابلیت‌های قدرتمند است که در طراحی و تحلیل ساختمان‌ها و سازه‌های عمومی کاربرد دارد. میداس، یکی از نرم‌افزارهای مهندسی عمران به شمار می‌رود که از تحلیل خزش مواد با تعریف مدل رفتاری وابسته به زمان و هندسه غیرخطی پشتیبانی می‌‌کند.

تسلط بر روی تحلیل خزش با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی حوزه فعالیت‌تان، مسیر شما برای پیشرفت شغلی و تحصیلی را هموار خواهد کرد. از این‌رو، توصیه می‌کنیم حتما به دنبال یادگیری این مهارت نرم‌افزاری ارزشمند باشید.

روش های پیشگیری از خزش چیست؟

با نظارت بر روی مراحل خزش، انتخاب ماده مناسب و کنترل شرایط عملیاتی، می‌توان پدیده خزش را کنترل و از پیامدهای نامطلوب آن جلوگیری کرد. در ادامه، به توضیح روش‌های پیشگیری از خزش می‌پردازیم.

توجه به مراحل خزش

پدیده خزش، در سه مرحله خزش گذرا، خزش پایدار و خزش ناپایدار رخ می‌دهد. در اغلب موارد، اطلاعات مربوط به مرحله دوم خزش، به منظور بررسی سازگاری ماده انتخابی با تنش و دمای عملیاتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مرحله ثانویه یا پایدار، طولانی‌ترین مرحله خزش است که با یک نرخ تنش ثابت بیان می‌شود. اگر ماده‌ای استحکام لازم برای تحمل این نرخ تنش و مقاومت در برابر رفتن به مرحله بعدی خزش را نداشته باشد، مناسب کاربری مورد نظر نخواهد بود. بنابراین، یکی از مهم‌ترین روش‌های پیشگیری از خزش، مطالعه نحوه رخ دادن مراحل مختلف این پدیده در ماده انتخابی است.

انتخاب ماده مناسب

اگر ماده انتخابی، به درستی برای کاربری مورد نظر انتخاب شده باشد، میزان خزش به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد یا به طور کامل حذف می‌شود. مواد متشکل از بلورهای درشت، مقاومت خوبی در برابر خزش نفوذی دارند. مواد همگن نیز مقاومت بالایی در برابر خزش از خود به نمایش می‌گذارند. به عنوان مثال، امکان ریخته‌گری فلزات با یک روش خاص برای دستیابی به ماده‌ای همگن و مقاوم در برابر خزش وجود دارد.

رسوب‌گذاری شیمیایی در برخی از آلیاژهای آهن، این مواد را به مواد مقاوم در برابر خزش تبدیل می‌کند. به عنوان مثال، کاربرد با تجمع در مرزدانه‌ها، باعث جلوگیری از جابجایی و پیشگیری از رخ دادن خزش در این نواحی می‌شود. فرآیند سخت‌گردانی (اضافه کردن عناصر آلیاژی به ماده و ایجاد یک فاز ثانویه درون آن) نیز مقاومت در برابر نابجایی را درپی دارد.

کنترل شرایط عملیاتی

پدیده خزش، به تنش، دما و گذر زمان وابسته است. بنابراین، برای جلوگیری از رخ دادن این پدیده، باید از پایین بودن تنش و دمای عملیاتی در بازه‌های زمانی مشخص اطمینان حاصل کرد. اگر امکان فراهم کردن شرایط عملیاتی مناسب وجود نداشته باشد، باید قطعات را با عمر سرویس‌دهی پایین‌تر طراحی کرده و پیش از رسیدن به مرحله نهایی خزش، قطعه را تعویض کرد. اطمینان از فراهم بودن شرایط عملیاتی مناسب، ساده‌ترین راه برای جلوگیری از خزش است. با این وجود، مطمئن‌ترین راه، انتخاب مواد دارای نقطه ذوب بالاست.

تفاوت خستگی و خزش چیست؟

«خستگی» (Fatigue)، تغییرشکل پلاستیک تدریجی و موضعی در مواد تحت بارگذاری متناوب است. برای درک خستگی، یک میله فلزی باریک را در نظر بگیرید که به طور مداوم در حال خم و راست شدن است.

خم شدن میله فلزی، شاید در ابتدا باعث شکست آن نشود. با این وجود، در بازگشت میله به حالت اول، مقداری تغییرشکل پلاستیک در آن باقی می‌ماند. تکرار این فرآیند، از بین رفتن مقاومت میله و گسیختگی آن را به همراه دارد.

از تفاوت‌های اصلی بین خستگی و خزش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خزش، تغییرشکل حاصل بارگذاری ثابت است اما خستگی، بر اثر بارگذاری متناوب و چرخه‌ای به وجود می‌آید.
• خزش، فرآیندی وابسته به زمان است اما خستگی، به تعداد چرخه‌های تکرار بارگذاری بستگی دارد.
• مکانیزم خزش، با تغییرشکل دائمی و شکست ماده همراه است اما خستگی، به دلیل ایجاد و گسترش ترک باعث شکست ماده می‌شود.
• خزش، بر روی تمام بخش‌های ماده تاثیر می‌گذارد اما خستگی، ماده را به صورت موضعی تحت تاثیر قرار می‌دهد.
• خزش و خستگی، به تغییرات دمایی واکنش نشان می‌دهند اما تاثیر دما بر روی خزش بسیار بیشتر است. تغییرات دمایی کم می‌توانند منجر به افزایش قابل‌توجه نرخ خزش شوند. رابطه بین خستگی دما، کمی پیچیده است و استثناهایی در این مورد وجود دارد.

به دلیل اهمیت بالای پدیده‌های خستگی و خزش در مسائل مهندسی، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع و مفید را با عنوان «آموزش خستگی و خزش مواد» تهیه کرده است که می‌تواند به شما در یادگیری مبانی این دو پدیده مهم کمک کند. لینک مشاهده این فیلم در ادامه آورده شده است.

در آخرین بخش این مطلب از مجله فرادرس، تفاوت بین خزش و جمع‌شدگی بتن را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

تفاوت جمع شدگی و خزش بتن چیست؟

«جمع‌شدگی بتن» (Concrete Shrinkage)، فرآیندی است که در آن، حجم بتن به دلیل از دست دادن رطوبت کاهش می‌یابد. جمع‌شدگی، باعث ایجاد ترک و دیگر مشکلات ساختاری در بتن می‌شود.

این فرآیند، معمولا در بازه زمانی ۲۴ تا ۷۲ ساعت اول پیش از بتن‌ریزی رخ می‌دهد. از عوامل موثر بر جمع‌شدگی بتن می‌توان به نسبت آب به سیمان، نوع سنگدانه، رطوبت محیط و پیکربندی عضو بتنی اشاره کرد.

خزش بتن، تغییرشکل ناشی از بارگذاری مداوم و طولانی‌‌مدت بر روی عضو بتنی است. برخی از مهم‌ترین تفاوت‌های اصلی جمع‌شدگی و خزش بتن عبارت هستند از:

• علت رخ دادن جمع‌شدگی، کاهش رطوبت است اما خزش، به دلیل بارگذاری مداوم در طول زمان رخ می‌دهد.
• بازه مواجهه با جمع‌شدگی، بین ۲۴ تا ۷۲ ساعت پس از بتن‌ریزی عضو است اما خزش، می‌تواند در تمام طول عمر بتن به وجود آید.
• پیامد اصلی جمع‌شدگی، ترک‌خوردگی است اما خزش، باعث افتادگی تیر، ترک‌خوردگی تیر و غیره می‌شود.