تحقیق مقاله بررسی آزمون خزش فرو رونده و خستگی

مقدمه :

آزمون خزش تغییر شکل مداوم در دماهای بالا را وقتی تنش کمتر از حد تسلیم است تعیین می کند .نتایج این آزمون در طراحی اجزای ماشینی که در دمای بالا قرار دارند اهمیت دارد.خزش خاصیت بسیار مهم مواد در کاربرد های دمای بالا است و می توان آن را به صورت ((جریان مداوم و آهسته ی مومسان تحت بار یا تنش ثابت ))تعریف کرد. به طور کلی خزش به آهنگ تغییر شکلی وابسته است که در دمای کارکرد فلز و تحت تنشهای پایینتراز تنش فلز ادامه یابد .خزش در هر دمایی رخ می دهد ولی اهمیت خزش به ماهیت ماده و مقدارتغییر شکل مجاز قطعه بستگی دارد .

آزمون خزش همان آزمون کششی است که در تنش و دمای ثابت انجام می شود . در این آزمون از یک وسیله بسیاردقیق اندازه گیری طول ویک وسیله گرم کردن نمونه در شرایط کاملا کنترل شده استفاده می شود . منحنی خزش کل یادرصد ازدیاد طول بر حسب زمان رسم می شود.

منحنی( الف) مرحله های مختلف خزش را نشان می دهد . در آغاز بار گذاری ازدیاد طول آنی کشسانی پدید می آید. سپس یک مرحله مقدماتی گذرا به وجود می آید که طی آن لغزش و کار سختی در اغلب دانه های دارای جهت مطلوب روی می دهد. آهنگ خزش(مماس بر منحنی)ابتدا بالاست و به تدریج تا حداقلی کاهش می یابد .پس از این به مرحله دوم یا خزش حالت پایا می رسیم که طی آن تغییر شکل با آهنگ تقریبا ثابت ادامه می یابد.در طی مرحله بین آهنگ کار سختی و آهنگ نرم شدن ناشی از باز یابی یا تجدید تبلور تعادل به وجود دارد. در بعضی موارد تحت تنشهای متوسط ممکن است آهنگ خزش بسیار آهسته کاهش یابد و مرحله ثانویه تا مدتی دراز ادامه پیدا کند(منحنی ب) ولی اگر تنش به مقدار کافی بالا باشد مرحله سومی نیز وجود دارد که در آن آهنگ خزش شتاب یابدتا شکست رخ دهد.

بین خواص مکانیکی ماده در دمای معمولی و خواص خزشی آن یا ارتباط اندک وجود دارد و یا هیچ ارتباطی وجود ندارد. به نظر می رسد که اندکی تغییر در ریز ساختار و مراحل ساخت بر خزش اثر شدید دارد. اندازه دانه ی فلز عامل مهمی در تعیین مشخصه های خزشی آن است در حالی که در دمای محیط استحکام تسلیم و استحکام نهایی مواد دانه ریز از مواد دانه درشت بیشتر است در دماهای بسیار بالا عکس مطلب فوق صادق است.این موضوع پذیرفته شده است که در دماهای بالا ممکن است مرز دانه ها به صورت مرکزهایی برای تولید نابجاییهایی که مایه ی خزش می شوند عمل کنند . حضور اتمهای ماده ی حل شده حتی به مقدار جزیی از طریق تداخل با حرکت نابجاییها در میان بلور سبب کندی خزش می شود . عامل موثرتر در کندی خزش وجود فاز دوم قوی و پایداری با پراکندگی خوب است.

برخی از خواص خزشی آلیاژهای گوناگون

فولادهای ساده کربنی و فولادهای کم آلیاژ به طور گستر ده ای در محیطهای با دمای متوسط به ویژه دماهای پایینتر از 480درجه سانتی گراد به کار می روند. در دماهای پایین به سبب لایه ای بودن کاربیدها افزایش مقدار کربناستحکام خزشی را بهبود می بخشد. در دماهای بالا به سبب کروی شدن کاربیدها عکس این مطلب صادق است و افزایش مقدار کربن موجب کاهش استحکام خزشی می شود.

ساختار مناسب فولادهای ساده کربنی برای کار در دمای بالا ساختار یکنواخت شده است . ساختار تابکاری شده پایداری کمتری دارد و مایل است به سرعت کروی در آید و در نتیجه استحکام خزشی را کاهش می دهد. استفاده از آلومینیوم به عنوان عامل اکسیژن زدا در فولاد سازی سبب دانه ریزی فولاد و کاهش استحکام خزشی می شود

در فولادهای کم آلیاژ که کمتر از 10درصد عنصر آلیاژی دارند. مولبیدن و وانادیم مؤثرترین عناصر در افزایش مقاومت خزشی اند مقدار کربن معمولا کمتر از15ر0 درصد نگه داشته می شود.فولاد با 5ر0 درصد مولبیدن برای لوله های حمل مواد نفتی و لوله های گرمکن تا 455درجه سانتی گراد به کار برده می شود بالاتر از این دما روند کروی و گرافیتی شدن قوت می گیرد که با کاهش در استحکام خزشی توام است.افزودن یک درصد کروم به این مقاومت در برابر گرافیتی شدن را افزایش می دهد و این فولاد برای لوله های حمل مواد نفتی و لوله های دیگ بخار تا دمای 540درجه به کار برده می شود

خزش عبارتست از تغییر شکل آهسته و پیوسته جامد با زمان که تنها در دماهای بالا رخ می‌دهد، یعنی T>۰٫۵Tm ، که Tm نقطه ذوب به کلوین می‌باشد. 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 ... می‌باشد.

پدیده خزش در سرامیک‌ها بسیار مهم‌تر از فلزات است، چرا که کاربردهای دما بالا در سرامیک‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. نقش مکانیزم‌های نفوذی خزش در سرامیک‌ها بسیار پیچیده‌تر از فلزات می‌باشد، چون عمدتاً پدیدهٔ نفوذ در سرامیک‌ها پیچیده‌تر است. نیاز به خنثی بودن بار نفوذی مختلف برای کاتیون‌ها و آنیون‌ها در این پیچیدگی سهیم‌اند.

خارج شدن اتم‌ها از مناطقی که تحت فشار هستند و قرارگیری آن‌ها در مناطقی که تحت کشش می‌باشند، انرژی آزاد اتم‌ها را تقریباً به مقدار ۲Ωσ می‌کاهد بطوریکه در آن σ تنش اعمالی و Ω حجم اتمی می‌باشد. این کاهش انرژی نیروی محرکه خزش در ماده می‌باشد.

آزمون‌های خزش

رویه آزمون‌های استاندارد خزش در استاندارد انجمن امریکایی آزمون و مواد ASTM E139 آورده شده‌است.

هدف :

هدف آزمایشگاه خواص مکانیکی آشنائی دانشجویان با انواع مهم و پرکاربرد تستهای مکانیکی مورد استفاده در صنعت و کارهای پژوهشی می‌باشد. شاید مهمترین آزمایش در این میان برای دانشجویان گروه مهندسی مواد, آزمایش کشش ساده باشد که تغییر شکل الاستیک و پلاستیک را در شرایط ساده تک محوری بررسی می‌نماید و اطلاعات بسیار مهمی را در اختیار پژوهشگر قرار می‌دهد.  به کمک آزمایش ساده کشش علاوه بر به دست آوردن مشخصات الاستیک و پلاستیک ماده همچون تنش تسلیم, استحکام کششی, ازدیاد طول و ... , پدیده نقطه تسلیم, کارسختی, پدیده گلوئی شدن, پیرسختی, نحوه شکست و اثر ترخ کرنش بر خواص کششی فولادها مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 آزمایش مهم دیگر که از نظر کاربرد در صنعت شاید رتبه اول را دارا باشد سختی‌سنجی است که ساده‌ترین و سریعترین تست جهت رسیدن به اطلاعات اولیه در خصوص خواص مکانیگی یک ماده است. آزمایش ضربه مقاومت ماده در مقابل تغییر شکل با سرعت کرنش بالا را بررسی می‌کند و به عبارتی مقاومت به ضربه که معیاری مقایسه‌ای برای چقرمگی شکست ماده می‌باشد را اندازه‌گیری می‌نماید. در آزمایش خستگی با یکی از روشهای ساده تست خستگی آشنا شده و منحنی S-N برای یک نمونه فولادی به روش تست دورانی خمشی به دست می‌آید. آزمایش خزش تغییر شکل در اثر گذشت زمان را بررسی کرده و منحنی e-t با توجه به دمای نسبتاً پایین فعال شدن مکانیزمهای خزش برای سرب رسم می‌شود. [1]

گزارش تمام آزمایشات باید شامل موارد زیر بوده و حد اکثر دو هفته بعد از آزمایش تحویل گردد.

1-

2-

3-

4-

5-

آزمایش  اول  -  کشش ساده (جلسات اول و دوم)

هدف: بررسی خواص کششی فلزات و آلیاژهای مختلف در آزمایش کشش ساده تک محوری و به دست آوردن منحنی تنش-کرنش.

وسایل کار : دستگاه کشش یونیورسال ، نمونه‌های استاندارد آزمایش کشش ( مطابق استانداردASTM-E8M  از جنس فولاد ساختمانی37 ST، مس ،آلومینیم, برنج زرد، کولیس و فیکسچرچوبی.  [2]

روش کار :

در بخش کاهش سطح مقطع یافته نمونه های آزمایش ، دو اثر به فاصله مشخص به عنوان طول سنج (gage length)  علامت بزنید. قطر میانگین این بخش از نمونه‌ها را با کولیس به دقت اندازه‌گیری کنید.

به کمک مسئول دستگاه، نمونه آزمایش را در فکها قرار داده و آن را محکم کنید.

آزمایش کشش را شروع کنید.

آزمایش را تا شکست نهایی ادامه داده و منحنی نیرو ازدیاد طول را به طور کامل به دست آورید.

پس از شکست نمونه، دو قسمت شکسته شده را درون فیکسچر چوبی قرار داده و آنها را به یکدیگر بچسانید.

طول نهایی سنجه، قطر میانگین بخش تغییر شکل یافته و قطر دهانه گلویی را به دقت اندازه گیری کنید.

خواسته‌های آزمایش کشش

ابعاد اولیه نمونه‌ها را در جدولی قرار دهید.

منحنی تنش کرنش مهندسی را برای نمونه‌های آزمایش شده رسم نمایید.

منحنی تنش کرنش حقیقی را برای دو نمونه (یک نمونه فولادی و یک نمونه انتخابی دیگر) محاسبه و رسم نمایید.

برای تمام نمونه‌ها تنش تسلیم، استحکام کششی، استحکام شکست (مهندسی و حقیقی) را به دست آورید.

برای تمام نمونه‌ها درصد ازدیاد طول، کرنش حقیقی کل، درصد کاهش سطح مقطع را به دست آورید.

با فرض s=ken و با استفاده از اطلاعات آزمایش، ضرائب k و n را برای دو نمونه (نمونه‌های استفاده شده در مورد 3) به دست آورید.

چقرمگی نمونه‌ها (مقدار کار انجام شده تا شکست) را محاسبه کرده با یکدیگر مقایسه کنید.

مدول الاستیسیته و برجهندگی نمونه‌ها را به دست آورده با یکدیگر مقایسه کنید.

موارد 4، 5، 6، 7  و 8 را در یک جدول گزارش نمایید.

به طور کلی در خصوص اختلاف خواص کششی فلزات آزمایشات شده و احیاناً اختلاف منحنی‌های به دست آمده با منحنی‌های گزارش شده در منابع اظهار نظر کنید. [3]

آزمایش  دوم  -  پدیده پیرکرنش (Strain Aging) (جلسه چهارم)

هدف: بررسی پدیده نقطه تسلیم در فولاد ساختمانی کم کربن، حذف آن با انجام تغییر شکل مومسان و پدید آمدن دوباره آن پس از تابکاری و افزایش استحکام مربوطه.

وسایل کار: دستگاه کشش یونیورسال، نمونه‌های استاندارد کششی ( مطابق استانداردASTM E-8M  ) از جنس فولاد ساختمانی کم کربن ST37، کولیس و کوره تابکاری. [4]

روش کار:

یک نمونه فولادی را مشابه آنچه در آزمایش کشش ذکر شد، تا شکست نهائی مورد آزمایش قرار دهید. منحنی کامل نیرو ازدیاد طول این نمونه را به عنوان شاهد حفظ کنید. (در آزمایش جلسه اول انجام شده است.)

یک نمونه فولادی را در میان فکهای دستگاه قرارداده و آزمایش کشش را شروع کنید. پس از پدیدار شدن پدیده نقطه تسلیم و تغییر شکل موسان کوچک، در نقطه تغییر شکل مومسان نیرو را حذف کنید. بلافاصله پس از حذف نیرو، دوباره نیروی کششی را اعمال کنید. به گونه ای که منحنی نیرو ازدیاد طول بقیه مسیر خود را طی کند. پس از بارگذاری دوباره و ایجاد تغییر شکل مختصر، بار دیگر نیرو را حذف کنید. با انتخاب دما و زمان تابکاری مناسب، نمونه فولادی مورد آزمایش را در کوره تابکاری کنید. دما و زمان تابکاری را به گونه ای انتخاب کنید که افزایش استحکام تسلیم لحظه‌ای در منحنی پس از بارگذاری دوباره قابل مشاهده باشد. نمونه تابکاری شده را دوباره تحت کشش قرار دهید به طوری که منحنی نیرو ازدیاد طول آن در ادامه منحنی ناقص قبل از تابکاری قرار بگیرد. آزمایش را تا شکست نهایی ادامه دهید.

یک نمونه فولادی دیگر را به روش مشابه ( بند 2 ) مورد آزمایش قراردهید، با این تفاوت که دمای تا بکاری بیشتر یا کمتر از دمای تابکاری مناسب انتخاب شده باشد. آزمایش را تا شکست نهایی ادامه دهید. [5]

خواسته‌های آزمایش پیرکرنشی

1.     منحنی تنش- کرنش مهندسی را برای نمونه‌های آزمایش شده رسم کنید.

2.     مشخصات به دست آمده در آزمایشها را با هم مقایسه کنید. (تنش تسلیم بالائی و پائینی، کرنش منطقه تسلیم، مدول‌الاستیسیته، استحکام نهائی و ...)

3.     در خصوص مشاهدات خود و نتایج آزمایش بحث کنید.

آزمایش سوم  -  فشار ساده  (جلسه سوم)

هدف : بررسی خواص فلزات و آلیاژ های مختلف در فشار ساده تک محوری و به دست آوردن منحنی تنش- کرنش آنها.

وسایل کار: دستگاه آزمایش کشش یونیورسال، کولیس، نمونه‌های استوانه‌ای آزمایش فشار از جنس فولاد ساختمانی ST37، مس آلومینیم، برنج زرد و چدن خاکستری و گریس. [6]

روش کار:

قطر و ارتفاع میانگین نمونه‌ها را با کولیس به دقت اندازه‌گیری کنید.

سطوح نمونه آزمایش ( در تماس با سطوح صفحات فک دستگاه ) را با گریس آغشته کنید.

نمونه آزمایش را در بین فکهای دستگاه و در مرکز آن قرار داده و آزمایش فشار را شروع کنید.

آزمایش را تا پیدایش قابل وضوع بشکه‌ای شدن نمونه ادامه داد و منحنی نیروکاهش ارتفاع را برای آن کامل کنید.

ارتفاع نهائی، بیشترین قطر در محل بشکه‌ای شدن و قطر در محل سطوح بالایی و پائینی نمونه را به دقت اندازه‌گیری کنید.

سایر نمونه‌های آزمایش را به روش مشابه مورد آزمایش قرار دهید.

یکی از نمونه‌های نرم را با احتیاط بسیار زیاد به کمک مسئول دستگاه تنها تا هنگام ایجاد ترکهای قابل مشاهده در محل بشکه‌ای شدن آن، تحت فشار قرار دهید.

[1] Aitchison, Leslie. 1960. A History of Metals. London: Macdonald & Evans Ltd

[2] Bayley, Justine; Butcher, Sarnia. 2004. Roman Brooches in Britain: A Technological and Typological Study based on the Richborough Collection. London: The Society of Antiquaries of London

[3] Craddock, Paul T. 1995. Early Metal Mining and Production. Edinburgh: Edinburgh University Press

[4] Craddock, Paul T. 1999. Paradigms of Metallurgical Innovation in Prehistoric Europe in Hauptmann, A., Ernst, P., Rehren, T., Yalcin, U. (eds). The Beginnings of Metallurgy: Proceedings of the International Conference “The Beginnings of etallurgy”, Bochum 1995. Hamburg

[5] Healy, J.F. 1978. Mining and Metallurgy in the Greek and Roman World. London: Thames and Hudson

[6] Hughes, M. J. 1980 The Analysis of Roman Tin and Pewter Ingots in Ody, W. A. (ed) Aspects of Early Metallurgy. Occasional Paper No 17. British Museum Occasional Papers