فرادرسخزش (Creep) و رفتار مواد پس از باربرداری – به زبان ساده
منحنی تنش-کرنش، رفتار مواد مهندسی در هنگام اعمال بارهای کششی یا فشاری را نمایش می‌دهد. در مقاله «نحوه تعیین خصوصیات رفتاری مواد — از صفر تا صد»، منحنی تنش-کرنش مواد مختلف در حین بارگذاری را به طور کامل مورد بررسی قرار دادیم. در این مقاله، رفتار مواد پس از فرآیند باربرداری و تاثیر این رفتار بر روی تغییرات منحنی تنش-کرنش را مورد ارزیابی قرار خواهیم داد و شما را با مفاهیم الاستیسیته، پلاستیسیته و خزش آشنا خواهیم کرد.
تغییر شکل الاستیک و پلاستیک
یک نمونه تحت کشش را در نظر بگیرید که منحنی تنش-کرنش آن از نقطه O به سمت نقطه A حرکت می‌کند (شکل زیر). اگر بار اعمال شده را در نقطه A حذف کنیم، مقادیر تنش و کرنش دقیقاً از روی همان مسیر قبلی (OA) به نقطه اولیه (O) بازمی‌گردند. این رفتار با عنوان «الاستیسیته» (Elasticity) شناخته می‌شود.
به موادی که دارای خاصیت الاستیسیته هستند، مواد «الاستیک» (Elastic) می‌گویند. توجه داشته باشید که برای الاستیک بودن یک ماده، ضرورتی در خطی بودن مسیر O تا A نیست (این مسیر می‌تواند همانند شکل زیر غیر خطی باشد).
اکنون فرض کنید که نمونه قبلی را دوباره تحت بارگذاری قرار داده و سطح بارگذاری را تا نقطه B ادامه دهیم (شکل زیر). با اجرای باربرداری در این نقطه، ماده مسیر BC را بر روی منحنی طی می‌کند. این مسیر باربرداری با بخش اولیه منحنی بارگذاری موازی است. در نقطه C، فرآیند باربرداری به انتهای خود می‌رسد. با این وجود، کرنشی موسوم به «کرنش باقیمانده» (Residual Strain) یا «کرنش دائمی» (Permanent Strain) به اندازه خط OC درون ماده باقی می‌ماند. در نتیجه، طول نمونه مورد آزمایش پس از باربرداری نسبت به طول آن پیش از بارگذاری بیشتر می‌شود. به این کشیدگی باقیمانده، «تغییر شکل دائم» (Permanent Set) می‌گویند. از میان کرنش کل به وجود آمده در حین بارگذاری (OD)، کرنشی معادل خط CD به صورت الاستیک بازیابی می‌شود و کرنش OC به طور دائمی در نمونه باقی می‌ماند. بنابراین، بخشی از تغییر شکل نمونه در حین باربرداری به حالت اول بازمی‌گردد. موادی که چنین رفتاری را از خود به نمایش می‌گذارند، «نیمه الاستیک» (Partially Elastic) نام دارند.
بین نقطه A و B بر روی منحنی تنش-کرنش، نقطه‌ای وجود دارد (E) که قبل از آن ماده به صورت الاستیک و بعد از آن به صورت نیمه الاستیک رفتار می‌کند. به منظور یافتن موقعیت این نقطه، چندین چرخه بارگذاری و باربرداری با در نظر گرفتن سطوح مختلف تنش صورت می‌گیرد. اگر هیچ تغییر شکل دائمی در ماده رخ ندهد، رفتار آن تا سطح مشخص شده برای تنش به صورت الاستیک کامل است.
فرآیند بارگذاری و باربرداری را می‌توان برای مقادیر بیشتر تنش تکرار کرد. در نهایت، تنشی حاصل خواهد شد که در آن، تمامی کرنش به وجود آمده پس از باربرداری بازیابی نمی‌شود. با استفاده از این فرآیند، حد بالایی ناحیه الاستیک قابل تعیین خواهد شد (نقطه E در شکل بالا). میزان تنش در این نقطه با عنوان «حد الاستیک» (Elastic Limit) شناخته می‌شود.
بسیاری از مواد، در ابتدای منحنی تنش-کرنش خود دارای یک ناحیه خطی هستند. میزان تنش در حد بالایی این ناحیه خطی، «حد تناسب» (Proportional Limit) نام دارد. حد الاستیک معمولاً با حد تناسب برابر یا کمی بالاتر از آن است. از این‌رو، این دو مقدار در بسیاری از مواد یکسان در نظر گرفته می‌شوند. برای فولاد نرم، تنش تسلیم در نزدیکی حد تناسب قرار دارد. به همین دلیل، در مسائل کاربردی معمولاً مقادیر تنش تسلیم، حد الاستیک و حد تناسب برای این فولاد برابر در نظر گرفته می‌شوند. باید توجه داشت که این موضوع برای تمامی مواد صادق نیست. به عنوان مثال، حد الاستیک مواد لاستیکی بسیار بیشتر از حد تناسب آن‌ها است.
رفتار ماده پس از حد الاستیک، با عنوان «پلاستیسیته» (Plasticity) شناخته می‌شود. در شکل بالا بعد از ناحیه الاستیک، یک ناحیه پلاستیک نیز وجود دارد. هنگام ایجاد تغییر شکل‌های بزرگ پلاستیک در یک ماده شکل‌پذیر، «جریان پلاستیک» (Plastic Flow) در ماده رخ می‌دهد.
بارگذاری مجدد
در صورتی که ماده‌ای در محدوده الاستیک خود قرار داشته باشد، انجام بارگذاری و باربرداری‌های مجدد تأثیر قابل توجهی بر روی رفتار آن نخواهد داشت. اگرچه، با ورود ماده به ناحیه پلاستیک، ساختار درونی و خصوصیات آن تغییر می‌کند. به عنوان مثال، در بخش قبلی مشاهده کردیم که پس از ورود به ناحیه پلاستیک و انجام باربرداری، مقداری تغییر شکل دائمی درون ماده باقی می‌ماند.
اکنون فرض کنید که پس از ورود ماده به ناحیه پلاستیک و انجام باربرداری، ماده تحت بارگذاری مجدد قرار گرفته است (شکل زیر). مسیر بارگذاری جدید از نقطه C آغاز می‌شود و تا محل شروع باربرداری قبلی (نقطه B) به سمت بالا حرکت می‌کند. سپس، مسیر خود را تا نقطه F بر روی منحنی ادامه می‌دهد. بنابراین، برای بارگذاری دوم می‌توان تصور کرد که یک منحنی تنش-کرنش جدید از مبدأ C رسم شده است.
در حین بارگذاری دوم، رفتار ماده از نقطه C تا B به صورت خطی و شیب خط CB موازی با شیب بخش خطی منحنی اول است. به علاوه، حد تناسب در منحنی جدید به نقطه‌ای با سطح تنش بالاتر (نقطه B) نسبت به حد الاستیک اولیه (نقطه E) تغییر مکان داده است. بنابراین، با ورود موادی نظیر فولاد و آلومینیوم به ناحیه پلاستیک، خصوصیات مکانیکی آن‌ها تغییر می‌کند. در این وضعیت، ناحیه الاستیک خطی، حد تناسب و حد الاستیک افزایش می‌یابد. اگرچه، به دلیل کوچک‌تر بودن ناحیه تسلیم در شرایط جدید (B تا F) نسبت به ناحیه تسلیم در شرایط قبلی (E تا F)، میزان شکل‌پذیری کمتر می‌شود.
خزش
منحنی‌های تنش-کرنش ارائه شده در بخش‌های قبلی از طریق آزمایش‌های کششی تحت بارگذاری و باربرداری استاتیک تعیین شدند. در این منحنی‌ها، تأثیر گذر زمان در نظر گرفته نشده است. هنگامی که یک ماده در طی مدت زمان طولانی تحت بارگذاری قرار می‌گیرد، مقداری کرنش اضافی در آن به وجود می‌آید. این پدیده با عنوان «خزش» (Creep) شناخته می‌شود.
پدیده خزش به صورت‌های مختلفی خود را به نمایش می‌گذارد. به عنوان مثال، میله عمودی زیر را در نظر بگیرید. این میله تحت بارگذاری نیروی P و کشیدگی δ0 قرار گرفته است. فرض کنید که بارگذاری و کشیدگی ناشی از آن در طی یک دوره زمانی t0 رخ داده باشد. میزان بارگذاری در مدت t0 هیچ تغییری نمی‌کند. با وجود ثابت بودن میزان بارگذاری، پدیده خزش با گذشت زمان باعث افزایش تدریجی طول میله می‌شود. این رفتار در بسیاری مواد قابل مشاهده است. اگرچه، در برخی از مواقع تغییر طول به قدری کوچک است که می‌توان از وجود آن صرف نظر کرد.
یک سیم کشیده شده را در نظر بگیرید که در بین دو تکیه‌گاه ثابت قرار دارد (شکل زیر). تنش کششی اولیه در این سیم با σ0 نمایش داده می‌شود. مدت زمانی که این سیم تحت کشیدگی اولیه قرار داشته t0 است.
با گذشت زمان، مقدار تنش درون سیم به تدریج کاهش می‌یابد و در نهایت بدون حرکت تکیه‌گاه‌ها به یک مقدار ثابت می‌رسد. به این فرآیند، «ریلکسیشن» (Relaxation) گفته می‌شود.
پدیده خزش در دماهای بالا اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. از این‌رو، در طراحی سازه‌هایی نظیر موتورها و کوره‌ها که برای مدت زمان‌های طولانی در دماهای بالا فعالیت می‌کنند، تأثیر خزش به عنوان یک پارامتر مهم در نظر گرفته می‌شود. با این وجود، پدیده خزش در موادی مانند فولاد، بتن و چوب حتی در دمای اتمسفر تاثیر کمی دارد. به عنوان مثال، خزشِ بتن در دوره‌های طولانی‌مدت می‌تواند باعث ایجاد اعوجاج عرشه‌های پل بر اثر شکم‌دادگی بین تکیه‌گاه‌ها شود. یکی از روش‌های موجود برای پیشگیری از رخ دادن این مشکل، ساخت عرشه‌هایی با قوس رو به بالا است.
^^
