آزمون خزش

آزمون خزش یکی از آزمون های مکانیکی برای آنالیز قطعات مختلف است و تغییر شکل مداوم در دماهای مختلف را وقتی تنش کمتر از حد تسلیم است نشان می دهد. برای توضیح آزمون خزش لازم است ابتدا تعریفی از خزش ارائه شود. خزش ، به صورت تغییر شکل مومسانی که وابسته به زمان بوده و در دمایی بالاتر از نصف نقطه ذوب و محدوده تنش زیر حد الاستیک رخ می دهد، تعریف می شود.  دمایی که خزش در آن رخ می دهد، وابسته به جنس بوده و به نقطه ذوب آن بستگی دارد. اهمیت ازمون خزش در صنایع مختلف و هم چنین ساختمان سازی به منظور طراحی و ساخت قطعات صنعتی مشخص می شود. برای مثال تنش ایجاد شده از سوی سیال دما بالا در مخازن نفتی که در مدت طولانی به مخازن اعمال می شود توسط آزمون خزش قابل تعیین و بررسی خواهد بود.

تجهیزات دستگاه تست خزش

آزمون خزش در واقع آزمون کشش است که در تنش و دمای ثابت انجام می شود. وسایل موردنیاز در ازمایش خزش شامل کرنش سنج و وسیله ای جهت گرم کردن نمونه در شرایط کاملا کنترل شده می باشد که کرنش سنج یک وسیله دقیق اندازه گیری طول محسوب می شود.

انواع آزمون خزش

به منظور اندازه گیری خزش دو نوع آزمون خزش وجود دارد و نتایج آن ها به صورت نمودارهای کرنش بر حسب زمان در تنش ثابت بیان می شود. این دو روش شامل ازمون خزش تنش ثابت و آزمون خزش بار ثابت می باشد.

در روش بار ثابت، مقدار نیروی وارده به قطعه ثابت بوده و با کاهش سطح مقطع آن میزان تنش افزایش می یابد. در مقابل، در روش تنش ثابت، میزان نیروی وارده به قطعه تغییر می کند و درنتیجه تنش ایجاد شده حتی با کاهش سطح مقطع نیز ثابت می ماند.

دستگاه تست خزش

دستگاه تست خزش دارای یک کوره استوانه ای برای گرم کردن قطعه است که روی قاب ماشین کشش نصب می گردد. این کوره استوانه ای در جهت قائم قابل جابجایی می باشد تا در مکان مناسبی قرار بگیرد. نمونه درون کوره و یا نزدیک آن قرار می گیرد.

کوره دستگاه آزمایش خزش

محل قرار گیری کوره باید بگونه ای باشد که، گذاشتن و برداشتن نمونه و تنظیم سیستم کرنش سنج امکان پذیر باشد. اندازه کوره باید بلندتر از نمونه باشد به طوری که امکان برقراری دمای یکنواخت در نمونه برقرار شود. معمولا در دو انتهای استوانه کوره، افت دما مشاهده می شود. برای حل این مشکل، در کوره ها چند ناحیه ایجاد می کنند که هر یک ازآن ها می تواند به صورت مستقل کنترل شود.

کرنش سنج هایی که در دستگاه تست خزش استفاده می شوند، به منظور اندازه گیری تغییر طول نمونه استفاده می شود و دارای امکانات انتخاب مبدا اندازه گیری نیز هستند. این کار امکان تغییر برد اندازه گیری را فراهم کرده و باعث می شود افزایش طول های بزرگتر را به صورت دقیق تر به دست آورد.  

نحوه انجام آزمون خزش

به طور کلی در مورد نحوه انجام این تست می توان گفت، نمونه در کوره دستگاه آزمون خزش حرارت داده شده و ازدیاد طول آن توسط کرنش سنج اندازه گیری می شود. نمونه باید به دستگاه متصل شود و بگونه ای باشد که در حین انجام ازمايش خزش ، محل آن تغییر نکند. از طرفی نمونه نباید محکم به گیره های دستگاه ازمون خزش متصل شود چرا که باعث ایجاد فرورفتگی در نمونه شده و باعث می شود رفتار خزشی نمونه دچار تغییر شده و نتایج آزمون را با خطا مواجه کند.

دستگاه آزمون خزش

برای اتصال کرنش سنج ها لازم است به قسمتی از نمونه وصل شود که خارج از محدوده اندازه گیری نمونه قرار دارد. اگر کرنش سنج نزدیک لبه های نمونه متصل شود، باعث می شود افزایش طول اندازه گیری شده در اثر خزش ، به صورت دقیقی متناظر با افزایش طول قسمت گیج نمونه باشد.

نتایج آزمایش خزش

نتایج آزمايش خزش در پیش بینی رفتار خزشی مواد و تشخیص استحکام آن ها در دمای بالا اطلاعات مفید و مهمی در اختیار شما خواهد گذاشت. برای این که بتوانید برای هر ترکیبی از تنش و دما، تصویر کاملی از مشخصات خزشی ماده مورد نظر به دست آورید، لازم است چندین آزمون را به همراه ثبت نتایج آن ها انجام دهید. اما با این کار، حتی اگر در دوره های 1000 یا 10000 ساعته بتوانید ترکیبی از ویژگی های خزشی ماده به دست آورید، پیش بینی رفتار خزشی آن ماده برای یک دوره طولانی مدت در شرایط عملیاتی بسیار دشوار است. به همین دلیل استفاده از نتایج آزمون خزش به شما کمک می کند این اطلاعات را با اطمینان کافی برای طراحی و ساخت قطعات صنعتی که در شرایط دما بالا کار می کنند، استفاده کنید. اما لزوم این اطمینان، ثابت بودن نسبی شرایط کار از لحاظ تنش و دما در دوره های طولانی کاری می باشد.

نمودار کرنش-زمان حاصل از آزمون خزش

نتایج آزمایش خزش به صورت نمودارهای کرنش-زمان ارائه می شوند. به منظور پیش بینی رفتار خزشی مواد از برون یابی داده های گسیختگی ناشی از خزش استفاده می شود. برای این کار از مدل های برون یابی کمک گرفته می شود.

کاربرد آزمون خزش

این تست برای طراحی و ساخت قطعات و سازه هایی که در شرایط عملیاتی دمابالا کار می کنند، کاربرد زیادی دارد. برای مثال در طراحی و ساخت اجزای قطعاتی مانند توربین های گازی، کوره ها، مخازن نفتی، ادوات نظامی، تاسیسات هسته ای و غیره می توان از نتایج آزمون خزش اطلاعات مفیدی به دست آورد. آزمون خزش هم برای فلزات و هم برای مواد غیر فلزی کاربرد دارد و می توان با استفاده از آن رفتار خزشی و تغییر حالت مواد را با گذشت زمان و تحت شرایط تنش و دما بررسی و پیش بینی کرد.

دستگاه تست خزش

آزمون خزش مواد فلزی

آزمایش خزش مواد فلزی طبق استاندارد ASTM E139 انجام می شود. در این تست، نمونه فلزی توسط کوره الکتریکی به دمای مورد نظر می رسد و تحت نیروی کششی قرار می گیرد. مقدار تغییر شکل نمونه فلزی به عنوان تابعی از زمان در این تست تعیین می شود.

آزمایش خزش پلاستیک ها

استاندارد مورد استفاده در این تست، ASTM D2990 می باشد. با کمک این روش می توان خزش کششی و فشاری پلاستیک ها را تحت شرایط محیطی مشخص کرد. پلاستیک ها هنگام قرارگیری تحت فشار مداوم و با گذشت زمان، در مقابل پدیده های تغییر شکل آهسته یا خزش ، تسلیم می شوند که به این پیامد، جریان سرد گفته می شود.

آزمون خزش مواد پلاستیکی

اثر عوامل مختلف روی آزمون خزش

عوامل مختلفی مانند دما، تنش و نوع آلیاژ روی آزمون خزش و نتایج آن تاثیر می گذارند که در ادامه به توضیح هر کدام پرداخته خواهد شد.

اثر دما و تنش

دو عامل تنش و دما رابطه مستقیم با خزش دارند. در مورد تاثیر دما می توان گفت، هر ماده ای در نزدیکی دمای ذوب خود خزش خواهد کرد. پلاستیک ها و فلزاتی که نقطه ذوب پایینی دارند، در دمای اتاق دچار خزش می شوند. پدیده خزش در فلزات در 30 درصد نقطه ذوب (برحسب کلوین) و برای غیر فلزات، در 40 تا 50 درصد نقطه ذوب آن ها اهمیت دارد.

تجهیزات مربوط به آزمایشگاه تست خزش

از دیگر عوامل مهم و موثر در رفتار خزشی مواد مختلف می توان به عناصر موجود در آلیاژ آن ها اشاره کرد. تغییر درصد عناصر موجود در آلیاژ منجر به تغییر مقاومت خزشی مواد می شود. در نتیجه برای تولید قطعه ای با کاربرد خاص، می توان با کمک نتایج آزمون خزش می توان عناصر آلیاژی را به گونه ای با هم ترکیب کرد که به قطعه با خاصیت مورد نظر رسید. در این راستا باید توجه داشت که، تغییر درصد عناصر آلیاژی، دمای ذوب را به مقدار زیادی کاهش ندهد چرا که کاهش دمای ذوب باعث افزایش خزش می شود.

هزینه تست خزش

در بررسی عوامل مختلف تاثیر گذار روی هزینه تست خزش عوامل مختلفی را می توان در نظر گرفت. همانطور که در قسمت های قبل به آن اشاره شد، آزمون خزش فرآیندی طولانی بوده و برای انجام آن نیاز به تجهیزات زیادی است، درنتیجه هزینه تست خزش بالا بوده و این آزمون پرهزینه می باشد. یک آزمایشگاه تست خزش ممکن است صدها دستگاه نیاز داشته باشد. به همین دلیل، هزینه تست خزش از نظر تامین دستگاه های موردنیاز بالا است.

تصویر دستگاه تست خزش

کوره های مورد استفاده در آزمایش خزش باید به دقت طراحی شوند و ترموکوپل که وظیفه کنترل دمای کوره را بر عهده دارد نیز باید دقیق باشد. هر چه حساسیت و دقت وسایل اندازه گیری دما در این تست بالاتر باشد، هزینه تست خزش نیز بالاتر خواهد رفت.  

خدمات آزمایش خزش

خدمات آزمایش خزش که شامل انتخاب ماده و تحویل نمونه مورد نظر، انجام آزمون خزش و تحویل نتایج آن می شود، در بسیاری از مراکز و موسسات مربوط به طراحی و ساخت قطعات صنعتی و آنالیز آن ها انجام می شود. بسیاری از صنایع برای طراحی اجزا و قطعات و هم چنین در ساختمان سازی و ساخت سازه های فولادی و فلزی می توان از خدمات آزمایش خزش استفاده کرد. به منظور تولید قطعات با دوام و پیش بینی رفتار خزشی و مقاومت آن ها در شرایط عملیاتی دما بالا، توصیه می شود قبل از ساخت قطعه از خدمات آزمایش خزش استفاده شود.