Sürünme (deformasyon) - Creep (deformation)

Bir buzuldaki buzun hareketi, katılarda sürünmeye bir örnektir.

İçinde madde bilimi , sürünme (bazen soğuk akış ) kalıcı mekanik etkisi altında yavaş veya deforme sürekli hareket ettirmek için, bir katı malzeme eğilimidir stresleri . Malzemenin akma dayanımının hala altında olan yüksek stres seviyelerine uzun süre maruz kalmanın bir sonucu olarak ortaya çıkabilir . Sünme, uzun süre ısıya maruz kalan malzemelerde daha şiddetlidir ve genellikle erime noktalarına yaklaştıkça artar.

Deformasyon hızı, malzemenin özelliklerinin, maruz kalma süresinin, maruz kalma sıcaklığının ve uygulanan yapısal yükün bir fonksiyonudur . Uygulanan stresin büyüklüğüne ve süresine bağlı olarak, deformasyon o kadar büyük olabilir ki, bir bileşen artık işlevini yerine getiremez - örneğin bir türbin kanadının kayması, kanadın mahfazaya temas etmesine neden olarak, arızaya neden olabilir. bıçak ağzı. Yüksek gerilimler veya yüksek sıcaklıklar altında çalışan bileşenleri değerlendirirken, sürünme genellikle mühendisler ve metalürji uzmanları için endişe kaynağıdır. Sürünme, bir arıza modu oluşturan veya oluşturmayan bir deformasyon mekanizmasıdır . Örneğin, betonda orta düzeyde sünme, aksi takdirde çatlamaya yol açabilecek çekme gerilimlerini hafiflettiği için bazen memnuniyetle karşılanır .

Gevrek kırılmadan farklı olarak , sünme deformasyonu, stres uygulanması üzerine aniden meydana gelmez. Bunun yerine, uzun süreli stresin bir sonucu olarak gerilim birikir. Bu nedenle, sürünme "zamana bağlı" bir deformasyondur.

Sıcaklık bağımlılığı

Sürünme deformasyonunun meydana gelebileceği sıcaklık aralığı çeşitli malzemelerde farklılık gösterir. Sürünme deformasyonu genellikle, bir malzeme erime noktasına yakın bir sıcaklıkta gerildiğinde meydana gelir. Tungsten, sürünme deformasyonu meydana gelmeden önce binlerce derecelik bir sıcaklık gerektirse de, kurşun oda sıcaklığında sürünebilir ve buz, 0 °C'nin (32 °F) altındaki sıcaklıklarda sürünür. Birçok lehim de dahil olmak üzere plastikler ve düşük erime sıcaklığındaki metaller, oda sıcaklığında sürünmeye başlayabilir. Buzul akışı, buzdaki sürünme süreçlerine bir örnektir. Sürünme deformasyonunun etkileri genellikle metaller için erime noktasının yaklaşık %35'inde ve seramikler için erime noktasının %45'inde fark edilir hale gelir.

Aşamalar

M Sınıfı bir malzeme için uzun bir süre boyunca sabit gerilimden kaynaklanan zamanın bir fonksiyonu olarak gerinim ( ε ).

Sürünme davranışı üç ana aşamaya ayrılabilir. Birincil veya geçici sürünmede, gerinim hızı zamanın bir fonksiyonudur. En saf malzemeleri içeren M Sınıfı malzemelerde zamanla gerinim hızı azalır. Bunun nedeni artan dislokasyon yoğunluğu veya gelişen tane boyutu olabilir . Büyük miktarlarda katı çözelti sertleşmesine sahip A sınıfı malzemelerde, dislokasyonlar hareket ettikçe çözünen sürüklenme atomlarının incelmesine bağlı olarak gerinim hızı zamanla artar.

İkincil veya kararlı durumda sürünme, dislokasyon yapısı ve tane boyutu dengeye ulaşmıştır ve bu nedenle gerinim hızı sabittir. Bir gerinim oranı veren denklemler, kararlı durum gerinim hızına atıfta bulunur. Bu hızın gerilime bağımlılığı, sürünme mekanizmasına bağlıdır.

Üçüncül sürünmede, gerinim hızı stresle katlanarak artar. Bunun nedeni , kesit alanını azaltan ve bölge üzerindeki gerçek gerilimi artıran, deformasyonu daha da hızlandıran ve kırılmaya yol açan boyunlanma olayları, iç çatlaklar veya boşluklar olabilir.

deformasyon mekanizmaları

Sıcaklık ve strese bağlı olarak farklı deformasyon mekanizmaları devreye girer. Genellikle her zaman aktif olan birçok deformasyon mekanizması olmasına rağmen, genellikle neredeyse tüm deformasyonlardan sorumlu olan bir mekanizma baskındır.

Çeşitli mekanizmalar şunlardır:

  • Toplu difüzyon ( Nabarro-Herring sürünmesi )
  • Tane sınırı difüzyonu ( Coble sürünmesi )
  • Kayma kontrollü çıkık sürünmesi : çıkıklar süzülme ve tırmanma yoluyla hareket eder ve süzülme hızı, gerinim oranı üzerinde baskın faktördür
  • Tırmanma kontrollü çıkık sürünmesi: çıkıklar süzülme ve tırmanma yoluyla hareket eder ve tırmanma hızı gerinim hızı üzerinde baskın faktördür
  • Harper-Dorn sünmesi: bazı saf malzemelerde düşük gerilimli sünme mekanizması

Düşük sıcaklıklarda ve düşük gerilimde sünme esasen mevcut değildir ve tüm gerinim elastiktir. Düşük sıcaklıklarda ve yüksek gerilimde, malzemeler sürünme yerine plastik deformasyona uğrar. Yüksek sıcaklıklarda ve düşük gerilimde, difüzyon sünmesi baskın olma eğilimi gösterirken, yüksek sıcaklıklarda ve yüksek gerilimde dislokasyon sünmesi baskın olma eğilimindedir.

Deformasyon mekanizması haritaları

Deformasyon mekanizması haritaları, baskın deformasyon mekanizmasını homolog sıcaklık , kesme modülüyle normalleştirilmiş gerilim ve gerinim hızının bir fonksiyonu olarak kategorize eden görsel bir araç sağlar . Genel olarak, bu üç özellikten ikisi (en yaygın olarak sıcaklık ve stres) haritanın eksenleridir, üçüncüsü ise harita üzerinde konturlar olarak çizilir .

Haritayı doldurmak için, her deformasyon mekanizması için kurucu denklemler bulunur. Bunlar, her bir deformasyon mekanizması arasındaki sınırların yanı sıra gerinim oranı konturlarını çözmek için kullanılır. Deformasyon mekanizması haritaları, farklı güçlendirme mekanizmalarını karşılaştırmak ve farklı malzeme türlerini karşılaştırmak için kullanılabilir.

genel denklem

burada ε sürünme suşudur, malzeme ve, özellikle sürünme mekanizması, bağımlı bir sabit m ve b sürünme mekanizması bağlıdır üsleridir, Q, sürünme mekanizması aktivasyon enerjisi, σ , uygulanan stres d olan malzemenin tane boyutu, k , Boltzmann sabitidir ve T , mutlak sıcaklıktır .

çıkık sürünmesi

Yüksek gerilimlerde ( kayma modülüne göre ), sünme, dislokasyonların hareketi ile kontrol edilir . Dislokasyon sürünmesi için, Q  =  Q (kendi kendine difüzyon), 4 ≤  m  ≤ 6 ve b  < 1. Bu nedenle, dislokasyon sürünmesi uygulanan gerilime ve içsel aktivasyon enerjisine güçlü bir bağımlılığa ve tane boyutuna daha zayıf bir bağımlılığa sahiptir. Tane boyutu küçüldükçe tane sınır alanı büyür, dolayısıyla dislokasyon hareketi engellenir.

Bazı alaşımlar çok büyük bir gerilim üssü sergiler ( m  > 10) ve bu tipik olarak altında sürünmenin ölçülemeyeceği bir "eşik gerilimi" σ th eklenerek açıklanmıştır . Değiştirilmiş güç yasası denklemi daha sonra şöyle olur:

burada A , Q, ve m, her alışılmış mekanizmalar ile açıklanabilir (3 ≤ böylece  m  ≤ 10) ve R, bir gaz sabiti . Sürünme, artan uygulanan stresle artar, çünkü uygulanan stres, dislokasyonu bariyerin ötesine sürmeye ve engeli geçtikten sonra dislokasyonun daha düşük bir enerji durumuna girmesine neden olur, bu da dislokasyonun engeli geçmeye meyilli olduğu anlamına gelir. Başka bir deyişle, bir engeli geçmenin enerji bariyerini aşmak için gereken işin bir kısmı uygulanan stres ve geri kalanı termal enerji ile sağlanır.

Nabarro-Herring sürüngen

Nabarro-Herring sürünmesi altında atomların ve boşlukların difüzyonunu gösteren bir diyagram.

Nabarro-Herring (NH) sürünmesi bir difüzyon sürünmesidir , dislokasyon kayma sürünmesi atomik difüzyonu içermez. Nabarro-Herring sürünmesi, yüksek sıcaklıklarda ve düşük gerilimlerde baskındır. Sağdaki şekilde gösterildiği gibi, kristalin yan tarafları çekme gerilimine, yatay kenarları ise basınç gerilimine maruz kalır. Atom hacmi uygulanan stres tarafından değiştirilir: Gerilim altındaki bölgelerde artar ve sıkıştırma altındaki bölgelerde azalır. Böylece boşluk oluşumu için aktivasyon enerjisi ± σΩ ile değiştirilir , burada Ω atom hacmidir, pozitif değer sıkıştırma bölgeleri için ve negatif değer gerilme bölgeleri içindir. Kesirli boşluk konsantrasyonu exp(− Q, f ± σΩ/RT) , Q f boşluk oluşum enerjisidir, boşluk konsantrasyonu çekme bölgelerinde basınç bölgelerinde olduğundan daha yüksektir, bu da sıkıştırma altındaki bölgelerden gerilim altındaki bölgelere net bir boşluk akışına yol açar ve bu net ters yönde atom difüzyonu, sürünme deformasyonuna neden olur: tane, çekme gerilmesi ekseninde uzar ve basınç gerilmesi ekseninde büzülür.

Nabarro-Herring sürünmesinde, k , atomların kafes boyunca difüzyon katsayısı, Q  =  Q (kendi kendine difüzyon), m  = 1 ve b  = 2 ile ilgilidir. tane boyutu arttıkça sürünme hızının azalmasıyla tane boyutu bağımlılığı.

Nabarro-Herring sürünmesi büyük ölçüde sıcaklığa bağlıdır. Bir malzemede atomların kafes difüzyonunun meydana gelmesi için, kristal yapıdaki komşu kafes sitelerinin veya ara yerlerin serbest olması gerekir. Belirli bir atom, mevcut konumundan (enerjisel olarak uygun bir potansiyel kuyusunda bulunur ) yakındaki boş alana (başka bir potansiyel kuyusu) hareket etmek için enerji bariyerini de aşmalıdır . Difüzyon denkleminin genel formu,

burada D 0 hem teşebbüs edilen atlama frekansına hem de en yakın komşu sitelerin sayısına ve sitelerin boş olma olasılığına bağlıdır. Böylece sıcaklığa çifte bağımlılık vardır. Daha yüksek sıcaklıklarda, denklemin doğrudan sıcaklığa bağımlılığı, Schottky kusur oluşumu yoluyla boşluklardaki artış ve malzemedeki atomların ortalama enerjisindeki artış nedeniyle yayılma artar . Nabarro-Herring sürünmesi, bir malzemenin erime sıcaklığına göre çok yüksek sıcaklıklarda baskındır.

Arnavut kaldırımı sürünmesi

Coble sünmesi, difüzyon kontrollü sünmenin ikinci şeklidir. Coble sürünmesinde atomlar, taneleri gerilme ekseni boyunca uzatmak için tane sınırları boyunca yayılır. Bu, Coble sünmesinin Nabarro-Herring sünmesine göre daha güçlü bir tane boyutu bağımlılığına sahip olmasına neden olur, bu nedenle Coble sünmesi çok ince tanelerden oluşan malzemelerde daha önemli olacaktır. Coble sürünmesi için k tane sınırı boyunca atomların difüzyon katsayısı ile ilgilidir, Q  =  Q (tane sınırı difüzyonu), m  = 1 ve b  = 3. Çünkü Q (tane sınırı difüzyonu) Q'dan (kendi kendine difüzyon) küçüktür. , Coble sünmesi, Nabarro-Herring sünmesine göre daha düşük sıcaklıklarda meydana gelir. Coble sünmesi, sıcaklık arttıkça, tane sınırı difüzyonu da arttığından, hala sıcaklığa bağlıdır. Bununla birlikte, tanelerin ara yüzü boyunca en yakın komşuların sayısı etkin bir şekilde sınırlı olduğundan ve sınırlar boyunca termal boşluk oluşumu daha az yaygın olduğundan, sıcaklık bağımlılığı Nabarro-Herring sürünmesi kadar güçlü değildir. Aynı zamanda, Nabarro-Herring sürünmesiyle aynı doğrusal bağımlılığı gösterir. Genel olarak, yayılma sürünme hızı, Nabarro-Herring sürünme hızı ile Coble sürünme hızının toplamı olmalıdır. Difüzyonel sürünme, tane sınırı ayrımına yol açar, yani taneler arasında boşluklar veya çatlaklar oluşur. Bunu iyileştirmek için tane sınırı kayması meydana gelir. Yayılma sürünme hızı ve tane sınırı kayma hızı, kalan boşluk veya çatlak yoksa dengelenmelidir. Tane sınırı kayması uyumsuzluğu karşılayamadığında, sünme kırılmasının başlamasıyla ilgili olarak tane sınırı boşlukları üretilir.

Çözünen sürükle sürünme

Çözünen sürükleme sünmesi, hem dislokasyon hem de difüzyon akışını içeren, güç kanunu sünmesi (PLC) için mekanizmalardan biridir. Bazı metalik alaşımlarda çözünen sürtünme sürünmesi gözlemlenir . Bu alaşımlarda, sürünme hızı, sabit durum değerine ulaşmadan önce sürünmenin ilk aşaması (Geçici sürünme) sırasında artar. Bu fenomen, katı-çözelti güçlendirme ile ilişkili bir model ile açıklanabilir. Düşük sıcaklıklarda, çözünen atomlar hareketsizdir ve dislokasyonları hareket ettirmek için gereken akış stresini arttırır. Bununla birlikte, daha yüksek sıcaklıklarda, çözünen atomlar daha hareketlidir ve dislokasyonları çevreleyen atmosferler ve bulutlar oluşturabilir. Bu, özellikle çözünen atomun matriste büyük bir uyumsuzluğa sahip olması durumunda olasıdır. Çözünenler, dislokasyon stres alanları tarafından çekilir ve mevcut dislokasyonların elastik stres alanlarını hafifletebilir. Böylece çözünenler dislokasyonlara bağlı hale gelir. Bir dislokasyondan r mesafesindeki çözünen madde konsantrasyonu, C , olarak tanımlanan Cottrell atmosferi tarafından verilir.

burada C 0 , r  = ∞'deki konsantrasyondur ve β , çözünen maddenin ayrışma derecesini tanımlayan bir sabittir. Bir çözünen atmosferle çevrelendiğinde, uygulanan bir stres altında kaymaya çalışan dislokasyonlar, çözünen atom bulutu tarafından üzerlerine uygulanan bir geri strese maruz kalır. Uygulanan stres yeterince yüksekse, dislokasyon sonunda atmosferden kopabilir ve dislokasyonun uygulanan stresin etkisi altında kaymaya devam etmesine izin verebilir. Çözünen atomların atmosferinin dislokasyon üzerine uygulayabileceği maksimum kuvvet (birim uzunluk başına), Cottrell ve Jaswon tarafından verilmiştir.

Çözünen atomların difüzyonu daha yüksek sıcaklıklarda aktive edildiğinde, dislokasyonlara uyumsuzluk tarafından "bağlı" olan çözünen atomlar, dislokasyon hareketi veya sürünme hızı değilse, hareketlerinde bir "sürükleme" olarak kenar dislokasyonları ile birlikte hareket edebilirler. çok yüksek. Çözünen atomlar tarafından dislokasyon üzerine uygulanan "sürükleme" miktarı, metaldeki çözünen atomların o sıcaklıktaki difüzyonu ile ilgilidir, daha yüksek bir difüzyon, daha düşük sürtünmeye yol açar ve bunun tersi de geçerlidir. Dislokasyonların kayma hızı, formun bir güç yasası ile yaklaşık olarak hesaplanabilir.

burada m, etkili bir stres üs, Q, bir gidiş belirgin aktivasyon enerjisi ve B 0 bir sabittir. Yukarıdaki denklemdeki B parametresi , çözünen atomlar ve dislokasyonlar arasındaki etkileşim için çözünen maddelerin bağıl atom boyutu uyumsuzluğu ε a temelinde türetilmiştir.

burada k , Boltzmann sabitidir ve r 1 ve r 2 , dislokasyon stres alanının iç ve dış kesme yarıçaplarıdır. c 0 ve D sol sırasıyla çözünen maddenin atomik konsantrasyonu ve çözünen difüzyonudur. D solüsyon ayrıca belirleyici bir katkı yapan bir sıcaklık bağımlılığını sahiptir Q, g .

Çözünen madde bulutu oluşmazsa veya dislokasyonlar bulutlarından ayrılabiliyorsa, dislokasyonların çözünenlerle birlikte oluşturduğu sabit engellerin termal aktivasyon desteğiyle belirli bir bekleme süresinden sonra aşıldığı sarsıntılı bir şekilde süzülme gerçekleşir. . Bu durumda m üssü 1'den büyüktür. Denklemler , güç yasası denklemindeki B faktörü düşükse, dislokasyonların yavaş hareket etmesi ve D sol difüzyonunun düşük olması durumunda, çözünen maddelerin sertleştirme etkisinin güçlü olduğunu gösterir . Ayrıca, hem matriste yüksek konsantrasyona hem de dislokasyonlarla güçlü etkileşime sahip çözünen atomlar güçlü bahçıvanlardır. Çözünen atomların uyumsuz suşu, çıkıklarla etkileşim yollarından biri olduğundan, büyük atomik uyumsuz çözünen atomların güçlü bahçıvanlar olduğu sonucu çıkar. Düşük yayılımlı D sol , güçlü sertleşme için ek bir koşuldur.

Çözünen sürüklenme sürünmesi bazen sınırlı bir gerinim hızı üzerinde, Portevin-Le Chatelier etkisi olarak adlandırılan özel bir fenomen gösterir . Uygulanan stres yeterince büyük olduğunda, dislokasyon hızı stresle birlikte arttığından, dislokasyonlar çözünen atomlardan kopacaktır. Ayrıldıktan sonra, stres azalır ve dislokasyon hızı da düşer, bu da çözünen atomların daha önce ayrılan dislokasyonlara tekrar yaklaşmasını ve ulaşmasını sağlar, bu da stres artışına neden olur. Bir sonraki yerel gerilim maksimumu elde edildiğinde süreç kendini tekrar eder. Böylece, çözünen sürüklenme sürünmesi sırasında tekrarlayan yerel stres maksimumları ve minimumları tespit edilebilir.

Çıkık tırmanma-kayma sürünmesi

Yüksek sıcaklıktaki malzemelerde çıkık tırmanma-kayma sürünmesi gözlenir. İlk sürünme hızı, kararlı durum sürünme hızından daha büyüktür. Tırmanma-kayma sürünmesi şu şekilde gösterilebilir: Uygulanan stres, hareket eden bir dislokasyonun tek başına dislokasyon kayması yoluyla yolundaki engeli aşması için yeterli olmadığında, dislokasyon difüzyon süreçleri ile paralel bir kayma düzlemine tırmanabilir ve dislokasyon yeni uçakta süzülün. Bu süreç, çıkık bir engelle karşılaştığında her defasında kendini tekrar eder. Sürünme hızı şu şekilde yazılabilir:

burada bir CG dislokasyon döngü geometri bilgilerini içerir, D L , kafes yayıcılığıdır E , birim hacim başına dislokasyon kaynaklarının sayısı σ uygulanan stres ve Ω atom birimdir. M , gerilimden bağımsızsa ve bu m değeri, önemli deneysel çalışmaların sonuçlarıyla tutarlıysa, çıkık tırmanma-kayma sürünmesi için m üssü 4.5'tir .

Harper-Dorn sürüngen

Harper-Dorn sürünmesi, seramik ve buz gibi metal olmayan sistemlere ek olarak alüminyum, kurşun ve kalay sistemlerinde gözlemlenen düşük gerilimlerde tırmanma kontrollü bir yer değiştirme mekanizmasıdır. İki temel fenomen ile karakterize edilir: Sürünmenin doğal güç yasasından daha zayıf olan sabit bir sıcaklıkta kararlı hal gerinim oranı ile uygulanan gerilim arasındaki bir güç yasası ilişkisi ve kararlı durum gerinme hızı arasında bağımsız bir ilişki. ve sağlanan bir sıcaklık ve uygulanan stres için tane boyutu. İkinci gözlem, Harper-Dorn sünmesinin dislokasyon hareketi tarafından kontrol edildiğini ima eder; yani, sünme boşluk difüzyonu (Nabarro-Herring sünmesi, Coble sünmesi), tane sınırı kayması ve/veya dislokasyon hareketi ile meydana gelebileceğinden ve ilk iki mekanizma tane boyutuna bağlı olduğundan, Harper-Dorn sünmesi bu nedenle dislokasyon olmalıdır. hareket bağımlı. Aynı durum 1972'de Barrett ve çalışma arkadaşları tarafından da doğrulandı, burada FeAl 3 çökeltileri sürünme oranlarını oldukça saf Al'e kıyasla 2 büyüklük sırası düşürdü, bu da Harper-Dorn sürünmesinin dislokasyon tabanlı bir mekanizma olduğunu gösteriyor.

Bununla birlikte, Harper-Dorn sürünmesi, çoğu durumda tipik olarak diğer sürünme mekanizmaları tarafından bastırılır ve bu nedenle çoğu sistemde gözlenmez. Harper-Dorn sürünmesini tanımlayan fenomenolojik denklem,

burada ρ 0 dislokasyon yoğunluğu (Harper-Dorn sürünme için sabit) olduğu, D v malzemenin hacmi boyunca yayılma, bir G, kesme modülü ve b Burgers vektördür σ s ve n değişir sünme üssüdür 1 ile 3 arasında.

Hacimsel aktivasyon enerjisi, Harper-Dorn sürünme hızının, çıkıklara ve çıkıklardan boşluk difüzyonu tarafından kontrol edildiğini ve bunun da tırmanma kontrollü çıkık hareketi ile sonuçlandığını gösterir. Diğer sürünme mekanizmalarından farklı olarak, buradaki dislokasyon yoğunluğu sabittir ve uygulanan gerilimden bağımsızdır. Ayrıca, Harper-Dorn sürünmesinin baskın olması için dislokasyon yoğunluğunun düşük olması gerekir. Çıkıklar çapraz kayma yoluyla bir kayma düzleminden diğerine hareket ettikçe yoğunluğun artması ve böylece birim hacim başına çıkık uzunluğunun artması önerilmiştir. Çapraz kayma, aynı zamanda, yeterince büyükse, tek uçlu çıkık kaynakları olarak hareket edebilen, çıkığın uzunluğu boyunca ilerlemelere neden olabilir. Yakın tarihli bir araştırmaya göre, tek kristalli bir malzemedeki aşırı düşük dislokasyon yoğunluğu, doğal güç yasasına ( n ≈ 3) neden olacaktır. Öte yandan n , kristallerin biraz daha yüksek olan başlangıç ​​dislokasyon yoğunluklarına bağlı olarak 1 ile 3 arasında değişebilir.

sinterleme

Yüksek sıcaklıklarda, boşlukların bir malzemede büzülmesi enerjik olarak uygundur. Çekme geriliminin uygulanması, boşluk büzülmesiyle kazanılan enerjideki azalmaya karşı çıkar. Bu nedenle, bu büzülme etkilerini dengelemek ve yüksek sıcaklıkta malzemelerde boşluk büyümesine ve sürünme kırılmasına neden olmak için belirli bir miktarda uygulanan çekme gerilimi gereklidir. Bu gerilim , sistemin sinterleme sınırında meydana gelir .

Üstesinden gelinmesi gereken boşlukları küçültme eğilimindeki gerilme, boşlukların yüzey enerjisi ve yüzey alanı-hacim oranı ile ilgilidir. Yüzey enerjisi γ ve temel eğrilik yarıçapları r 1 ve r 2 olan genel bir boşluk için , sinterleme sınır gerilimi şu şekildedir:

Bu kritik stresin altında, boşluklar büyümek yerine küçülme eğiliminde olacaktır. Ek boşluk büzülme etkileri de bir sıkıştırma geriliminin uygulanmasından kaynaklanacaktır. Tipik sürünme tanımları için, uygulanan çekme geriliminin sinterleme sınırını aştığı varsayılır.

Sürünme ayrıca sıcak presleme ile metal tozu sinterleme sırasında yoğunlaştırmaya yapılan çeşitli katkılardan birini açıklar. Yoğunlaştırmanın ana yönü, toz parçacıklarının şekil değişikliğidir. Bu değişiklik, kristal katıların kalıcı deformasyonunu içerdiğinden, bir plastik deformasyon işlemi olarak kabul edilebilir ve bu nedenle sinterleme, yüksek sıcaklıkta sürünme işlemi olarak tanımlanabilir. Presleme sırasında uygulanan sıkıştırma gerilimi, boşluk büzülme oranlarını hızlandırır ve kararlı durum sürünme gücü yasası ile malzemenin yoğunlaşma hızı arasında bir ilişkiye izin verir. Bu fenomenin, sinterlemenin son aşamalarında yoğunlaşma hızının (gazsız gözenekler varsayılarak) açıklanabildiği ana yoğunlaşma mekanizmalarından biri olduğu gözlemlenmiştir:

ki burada p , yoğunlaştırma oranı ρ , yoğunluğu p e uygulanan basınç olduğu, n, gerilme hızı davranışının üs açıklar ve bir mekanizma bağımlı sabittir. A ve n , genel kararlı durum sürünme denkleminin aşağıdaki biçimindendir,

burada ε̇ gerinim oranıdır ve σ çekme gerilimidir. Bu mekanizmanın amaçları için, A sabiti aşağıdaki ifadeden gelir, burada A ′ boyutsuz, deneysel bir sabittir, μ kesme modülüdür, b Burgers vektörüdür, k Boltzmann sabitidir, T mutlak sıcaklıktır, D 0 difüzyon katsayısı ve Q , difüzyon aktivasyon enerjisidir:

Örnekler

polimerler

a) Uygulanan gerilim ve b) viskoelastik malzeme için kısa bir süre boyunca zamanın fonksiyonu olarak indüklenen gerinim.

Viskoelastik malzeme olarak kabul edilen polimerlerde ve metallerde sürünme meydana gelebilir . Bir zaman polimerik malzeme , bir ani kuvvetine maruz yanıt kullanılarak modellenebilir Kelvin-Voigt modeli . Bu modelde malzeme, paralel olarak bir Hooke yayı ve bir Newton amortisörü ile temsil edilir . Sürünme gerinimi, aşağıdaki evrişim integrali ile verilir:

burada σ uygulanan stres, Cı- 0 , anlık sünme uyumudur , sünme uyum katsayısı τ gecikme süresi ve f ( τ ) retardasyon kez dağılımıdır.

Viskoelastik malzemeler, kademeli sabit gerilime maruz kaldıklarında, gerinimde zamana bağlı bir artış yaşarlar. Bu fenomen, viskoelastik sünme olarak bilinir.

Her seferinde bir t 0 , viskoelastik bir materyal, yeterince uzun bir zaman dilimi boyunca korunur ve sabit bir gerilme ile yüklenir. Malzeme, sonuçta başarısız olana kadar artan bir gerinim ile strese tepki verir. Stres daha kısa bir zaman süresi için muhafaza edildiğinde, malzeme bir zaman kadar bir başlangıç suşu maruz t 1 suşu, hemen azalır ve bu süre stres boşaltılır ve bundan sonra da (süreksizlik) daha sonra bir artık gerginlik giderek azalan devam eder.

Viskoelastik sürünme verileri iki yoldan biriyle sunulabilir. Toplam gerinim, belirli bir sıcaklık veya sıcaklıklar için zamanın bir fonksiyonu olarak çizilebilir. Uygulanan stresin kritik bir değerinin altında, bir malzeme lineer viskoelastisite sergileyebilir. Bu kritik stresin üzerinde, sürünme oranı orantısız bir şekilde daha hızlı büyür. Bir malzemede viskoelastik sürünmeyi grafiksel olarak sunmanın ikinci yolu, sürünme modülünü (belirli bir zamanda toplam gerilime bölünen sabit uygulanan stres) zamanın bir fonksiyonu olarak çizmektir. Kritik geriliminin altında, viskoelastik sürünme modülü, uygulanan gerilimden bağımsızdır. Uygulanan gerilmeler malzemenin kritik gerilme değerinin altındaysa, uygulanan çeşitli gerilmelere karşı zamana karşı tepkiyi tanımlayan bir eğri ailesi, tek bir viskoelastik sürünme modülüne karşı zaman eğrisi ile temsil edilebilir.

Ek olarak, ilgilenilen polimerin moleküler ağırlığının, sürünme davranışını etkilediği bilinmektedir. Artan moleküler ağırlığın etkisi, polimer zincirleri arasında ikincil bağlanmayı teşvik etme ve böylece polimeri sürünmeye karşı daha dirençli hale getirme eğilimindedir. Benzer şekilde, aromatik polimerler, halkalardan eklenen sertlik nedeniyle sürünmeye karşı daha dayanıklıdır. Hem moleküler ağırlık hem de aromatik halkalar, polimerlerin termal stabilitesine katkıda bulunur ve bir polimerin sürünme direncini arttırır.

Hem polimerler hem de metaller sürünebilir. Polimerler, yaklaşık −200 °C (−330 °F) üzerindeki sıcaklıklarda önemli ölçüde sürünme yaşar; bununla birlikte, polimerik ve metalik sünme arasında üç temel fark vardır.

Polimerler temelde iki farklı şekilde sünme gösterirler. Tipik iş yüklerinde (%5'ten %50'ye kadar) ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (Spectra, Dyneema ) zaman-lineer sünme gösterirken, polyester veya aramidler ( Twaron , Kevlar ) bir zaman-logaritmik sünme gösterecektir.

Odun

Ahşap, birbirine dik üç yönde farklı mekanik özellikler sergileyen ortotropik bir malzeme olarak kabul edilir . Deneyler, masif ahşapta teğetsel yönün, radyal yöne göre biraz daha yüksek bir sürünme uyumu sergileme eğiliminde olduğunu göstermektedir. Boyuna doğrultuda, sürünme uyumu nispeten düşüktür ve genellikle diğer yönlere kıyasla herhangi bir zamana bağımlılık göstermez.

Ayrıca yükleme yöntemine (basma veya çekmede sürünme) bağlı olarak ahşabın viskoelastik özelliklerinde önemli bir farklılık olduğu da gösterilmiştir. Çalışmalar, belirli Poisson oranlarının , gerilimde oluşmayan sıkıştırma sürünme testi süresi boyunca kademeli olarak pozitiften negatif değerlere gittiğini göstermiştir.

Beton

Sertleştirilmiş Portland çimentosu hamurundaki (mineral agregaların bağlayıcısı olan ) kalsiyum silikat hidratlardan (CSH) kaynaklanan betonun sünmesi, polimerlerin yanı sıra metallerin sünmesinden temel olarak farklıdır. Metallerin sürünmesinin aksine, tüm gerilme seviyelerinde meydana gelir ve servis gerilmesi aralığında, boşluk suyu içeriği sabit ise gerilmeye doğrusal olarak bağlıdır. Polimerlerin ve metallerin sürünmesinden farklı olarak, mikro yapıyı sertleştiren hidrasyon nedeniyle kimyasal sertleşmenin neden olduğu çok aylık yaşlanma ve malzemenin nano gözenekli mikro yapısında kendi kendini dengeleyen mikro gerilimlerin uzun süreli gevşemesinin neden olduğu çok yıllı yaşlanma sergiler. CSH. Beton tamamen kurutulursa, sünmez, ancak betonu şiddetli çatlama olmadan tamamen kurutmak zordur.

Uygulamalar

Bir karton kutunun alt tarafında sürünme: Büyük ölçüde boş bir kutu daha küçük bir kutuya yerleştirildi ve üstüne daha fazla kutu yerleştirildi. Ağırlık nedeniyle, boş kutunun alt destek tarafından desteklenmeyen kısımları yavaş yavaş aşağı doğru eğildi.

Çoğunlukla daha yüksek sıcaklıklarda azalan akma mukavemetinden kaynaklansa da, Dünya Ticaret Merkezi'nin çöküşü kısmen artan sıcaklıktan kaynaklanan sürünme nedeniyle oldu.

Güçte bir nükleer reaktördeki sıcak basınç yüklü bileşenlerin sürünme hızı, önemli bir tasarım kısıtlaması olabilir, çünkü sürünme hızı, enerjik parçacıkların akışıyla arttırılır.

Epoksi ankraj yapıştırıcı içinde Sünme sorumlu tutulan Big Dig tünel tavan çökmesi halinde Boston, Massachusetts Temmuz 2006 meydana geldi.

Tungsten ampul filamentlerinin tasarımı, sürünme deformasyonunu azaltmaya çalışır. Filament bobininin destekleri arasında sarkması, filamentin kendi ağırlığından dolayı zamanla artar. Çok fazla deformasyon meydana gelirse, bobinin bitişik dönüşleri birbirine dokunarak elektriksel kısa devre ve lokal aşırı ısınmaya neden olur ve bu da hızlı bir şekilde filamanın bozulmasına neden olur. Bobin geometrisi ve destekler bu nedenle filamentin ağırlığından kaynaklanan gerilimleri sınırlamak için tasarlanmıştır ve Coble sünme hızını yavaşlatmak için kristalit tane sınırlarında tutulan az miktarda oksijene sahip özel bir tungsten alaşımı kullanılır .

Sürünme, özellikle yalıtımlı telin keskin bir kenara veya köşeye bastırılmasıyla stres yoğunlaştığında, tel yalıtımının kademeli olarak kesilmesine neden olabilir. Örneğin Kynar (gibi özel sürünme dirençli izolasyon poliviniliden florür ), kullanılan wirewrap tel sarma terminalleri keskin köşeleri kesme oranı nedeniyle karşı uygulamaları. Teflon yalıtım, yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklıdır ve diğer istenen özelliklere sahiptir, ancak sürünme nedeniyle soğuk akış kesme arızalarına karşı herkesin bildiği gibi savunmasızdır.

Buhar türbini santrallerinde, borular yüksek sıcaklıklarda (566 °C, 1.051 °F) ve basınçlarda (24.1 MPa, 3.500 psi'nin üzerinde) buhar taşır. Jet motorlarında, sıcaklıklar 1.400 °C'ye (2.550 °F) kadar ulaşabilir ve gelişmiş tasarımlı kaplamalı türbin kanatlarında bile sürünme deformasyonu başlatabilir. Bu nedenle, malzemelerin sürünme deformasyon davranışını anlamak doğru işlevsellik için çok önemlidir.

Sürünme deformasyonu sadece nükleer santraller, jet motorları ve ısı eşanjörleri gibi yüksek sıcaklıklara dayanılan sistemlerde değil, aynı zamanda birçok günlük nesnenin tasarımında da önemlidir. Örneğin, metal ataşlar plastik olanlardan daha güçlüdür çünkü plastikler oda sıcaklığında sürünür. Yaşlanan cam pencereler genellikle bu olgunun bir örneği olarak hatalı bir şekilde kullanılır: ölçülebilir sürünme yalnızca cam geçiş sıcaklığının yaklaşık 500 °C (932 °F) üzerindeki sıcaklıklarda meydana gelir . Cam, doğru koşullar altında sürünme sergilese de, eski pencerelerdeki belirgin sarkma, bunun yerine, kron cam oluşturmak için kullanılan ve tutarsız kalınlığa neden olan eski üretim süreçlerinin bir sonucu olabilir .

Deterministik bir Cantor yapısı kullanan fraktal geometri, pürüzlü yüzeylerin termoviskoelastik sürünme temasındaki son gelişmelerin tanıtıldığı yüzey topografisini modellemek için kullanılır. Maxwell, Kelvin-Voigt, standart lineer katı ve Jeffrey modelleri dahil olmak üzere yüzey malzemelerini modellemek için çeşitli viskoelastik idealleştirmeler kullanılır.

Nimonic 75 , Avrupa Birliği tarafından standart bir sürünme referans malzemesi olarak onaylanmıştır.

Kabloyu bir vidalı terminale bağlama işlemini kolaylaştırmak için çok telli tellerin kalaylanması uygulaması, bir süredir yaygın olmasına ve standart uygulama olarak görülmesine rağmen, lehimin sürünme olasılığının yüksek olması nedeniyle profesyonel elektrikçiler tarafından önerilmemektedir. terminalin vidası tarafından kalaylı tel ucuna uygulanan basınç altında, bağlantının gerginliğini kaybetmesine ve dolayısıyla zamanla gevşek bir temas oluşturmasına neden olur. Telli kabloyu bir vidalı terminale bağlarken kabul edilen uygulama , kablonun ucunda bir kablo yüksüğü kullanmaktır .

Önleme

Genel olarak, malzemeler daha yüksek erime sıcaklıklarına, daha düşük yayılmaya ve daha yüksek kesme mukavemetine sahipse daha iyi sürünme direncine sahiptir. Yakın dolgulu yapılar, kapalı dolgulu olmayan yapılara göre daha düşük yayılıma sahip olma eğiliminde olduklarından genellikle sürünmeye karşı daha dirençlidir. Sürünmeyi azaltmak için yaygın yöntemler şunları içerir:

  • Katı çözelti güçlendirme : katı çözeltiye başka elementlerin eklenmesi difüzyonu yavaşlatabilir ve çözünen sürükleme mekanizması yoluyla yer değiştirme hareketini yavaşlatabilir.
  • Partikül dağılım güçlendirmesi: partiküllerin eklenmesi, genellikle tutarsız oksit veya karbür partikülleri, dislokasyon hareketini bloke eder.
  • Yağış sertleşmesi : Birincil kafesten ikinci bir fazın çökeltilmesi, dislokasyon hareketini engeller.
  • Tane boyutu: Artan tane boyutu, tane sınırlarının miktarını azaltır, bu da tane sınırları boyunca yüksek difüzyon hızı nedeniyle daha yavaş sünme ile sonuçlanır. Bu, artan tane boyutunun dislokasyon hareketini engelleyerek mukavemeti azalttığı düşük sıcaklık uygulamalarının tersidir. Jet motoru türbinleri gibi çok yüksek sıcaklık uygulamalarında genellikle tek kristaller kullanılır.

süper alaşımlar

Bu nikel süper alaşımlı jet motoru ( RB199 ) türbin kanadı gibi yüksek sıcaklıklarda çalışan malzemeler , bu sıcaklıklarda mevcut olan sürünmeye dayanabilmelidir.

Jet motorları gibi yüksek performanslı sistemlerde çalışan malzemeler genellikle 1.000 °C'yi (1.830 °F) aşan aşırı sıcaklıklara ulaşır ve özel malzeme tasarımı gerektirir. Kobalt , nikel ve demir bazlı süper alaşımlar , sürünmeye karşı oldukça dirençli olacak şekilde tasarlanmıştır. 'Süper alaşım' terimi genellikle, mukavemeti yüksek sıcaklıkta muhafaza etmek için ya γ' ya da γ' çökeltme güçlendirmesi kullanan östenitik nikel-, demir- veya kobalt bazlı alaşımları ifade eder.

γ' fazı, kübik çökeltiler üreten bir kübik L1 2 yapılı Ni 3 (Al,Ti,Ta,Nb) fazıdır. Süper alaşımlar genellikle γ' çökeltilerinin yüksek (%60-75) hacim fraksiyonuna sahiptir. γ' çökeltileri, ana γ fazı ile uyumludur ve çökelti kesildiğinde bir anti-faz sınırının gelişmesi nedeniyle kesilmeye karşı dirençlidir . γ″ fazı, dörtgen bir Ni 3 Nb veya Ni 3 V yapısıdır. Bununla birlikte, γ″ fazı 650 °C'nin (1,202 °F) üzerinde kararsızdır, bu nedenle γ″, yüksek sıcaklık uygulamalarında güçlendirme fazı olarak daha az kullanılır. Karbürler ayrıca polikristal süper alaşımlarda tane sınırı kaymasını engellemek için kullanılır .

Özelliklerini uyarlamak için süper alaşımlara birçok başka element eklenebilir. İstenmeyen kırılgan çökeltilerin oluşumunu azaltmak ve oksidasyon veya korozyon direncini artırmak için katı çözelti güçlendirme için kullanılabilirler. Nikel bazlı süper alaşımlar, yüksek sıcaklık, düşük stres uygulamalarında yaygın bir kullanım bulmuştur. Demir esaslı süper alaşımlar genellikle yüksek sıcaklıklarda kullanılmazlar, çünkü γ' fazı demir matrisinde stabil değildir, ancak demir nikelden önemli ölçüde daha ucuz olduğu için bazen orta derecede yüksek sıcaklıklarda kullanılır. Kobalt bazlı γ′ yapısı 2006 yılında bulunmuş ve korozyon direncinde nikel bazlı süper alaşımlardan daha üstün olan kobalt bazlı süper alaşımların geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Bununla birlikte, baz (kobalt-tungsten-alüminyum) sisteminde, γ' sadece 900 °C'nin (1.650 °F) altında kararlıdır ve kobalt bazlı süper alaşımlar Ni muadillerinden daha zayıf olma eğilimindedir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar