الزحف في علم المعادن والسبائك

فهم الزحف

في علم المعادن، الزحف هو عملية أساسية للتشوه ويعرّف بأنه إجهاد يعتمد على الوقت ولا يمكن عكسه، والذي يتطور في المادة تحت حمل ثابت، وعادةً ما يكون أعلى من 0.3 إلى 0.5 مرة من درجة انصهارها، Tm. على عكس التشوه اللدن اللحظي، يحدث الزحف على مدى فترة زمنية بطيئة نسبيًا، وبالتالي فهو أحد عمليات التدهور الرئيسية في الأجزاء المعدنية والسبائك المستخدمة في درجات الحرارة العالية في محطات توليد الطاقة البخارية ومحركات الطيران ومكونات السيارات.

يحدثتشوه الزحف عادةً على ثلاث مراحل:

1. الزحف الأولي: ينخفض معدل الزحف مع زيادة الوقت بسبب تصلب الإجهاد.

2. الزحف الثانوي (الحالة المستقرة) - معدل زحف ثابت؛ وهو الأكثر أهمية للتصميم.

3- الزحف الثالثي - تلف متسارع يؤدي إلى التمزق.

إن فهم هذه المراحل له أهمية قصوى في التنبؤ بعمر المواد وتجنب الأعطال الكارثية في المكونات ذات درجة الحرارة العالية.

العوامل المؤثرة على الزحف في السبائك

درجة الحرارة

العامل المهيمن هو عامل درجة الحرارة. تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة الحركة الذرية، وتؤدي زيادة معدل الانتشار إلى زيادة إجهاد الزحف. على سبيل المثال، عندما تزيد درجة الحرارة من 600 درجة مئوية إلى 700 درجة مئوية، يُظهر الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ زيادة عشرة أضعاف في معدل الزحف.

الإجهاد

غالبًا ما يرتفع معدل الزحف كدالة قوة القانون للإجهاد المطبق، ε ̇ = Aσ σm_207F↩، حيث يختلف n لكل سبيكة. بالنسبة للسبائك الفائقة عالية الحرارة، على سبيل المثال، قد يكون n 4-7، في حين أن المعادن النقية عادةً ما تُظهر n ≈ 1-3.

تركيب المواد

تعمل عناصر مثل Mo وW وTi وTi وAl وCr وNb على تعزيز أطوار السبيكة أو تشكيل رواسب مستقرة، مما يعطي مقاومة زحف محسنة.

البنية المجهرية

تعمل الرواسب الأكثر دقة واستقرارًا والحبيبات الأكبر حجمًا والتحكم الكيميائي في منطقة حدود الحبيبات على تقليل التشوه الزاحف. الآلية المهيمنة للزحف في المواد ذات الحبيبات الدقيقة هي انزلاق حدود الحبيبات، بينما الآلية المهيمنة في المواد ذات الحبيبات الخشنة هي زحف التفكك.

التطبيقات والآثار المترتبة على مقاومة الزحف

هندسة الطيران

تعمل شفرات الماكينات التوربينية في المحركات النفاثة عند درجة حرارة 1000-1100 درجة مئوية، وهي درجة انصهار السبائك الفائقة القائمة على النيكل. وباستخدام المواد المقاومة للزحف، يتم الحفاظ على ثبات الأبعاد وتجنب حدوث عطل كارثي في المحرك.

توليد الطاقة

تعمل أنابيب السخانات الفائقة وأنابيب إعادة التسخين في محطات الفحم والمحطات النووية بشكل مستمر في نطاق 550-650 درجة مئوية وتتطلب فولاذًا يتمتع بمقاومة عالية جدًا للتمزق الزاحف.

أنظمة السيارات

تتطلب متطلبات السبائك لصمامات العادم ودوارات الشاحن التوربيني وأجزاء المحرك عالية الأداء الاحتفاظ بقوة تصل إلى 700-900 درجة مئوية.

طرق تعزيز مقاومة الزحف الخاصة بمقاومة الزحف

1. صناعة السبائك

تعمل إضافات السبائك على تغيير استقرار الطور وإعاقة حركة الخلع.

مثال على الحالة: سبيكة فائقة أساسها Ni IN738

يحتوي على 8.5% Co، 16% Cr، 3.4% Al، 3.4% Ti، 1.7% Mo، 2.6% W

- عمر التمزق الزلزالي عند درجة حرارة 870 درجة مئوية، 150 ميجا باسكال:

> 1000 ساعة

ينبع هذا الأداء الممتاز من الجزء العالي (~70%) من الرواسب γ′ (Ni₃Al/Ti) التي تقاوم زحف التفكك.

2. المعالجة الحرارية

يمكن أن تتحكم المعالجة الحرارية في حجم الرواسب وتوزيعها.

مثال على الحالة: سبيكة Ti-6Al-4V

- تقلل المعالجة بالمحلول + التقادم من معدل الزحف عند 500 درجة مئوية بنسبة 30-40%

- السبب تكرير الهياكل الصفائحية α + β لمنع انزلاق حدود الحبيبات.

3. هندسة حدود الحبيبات

زيادة حجم الحبيبات يقلل من انزلاق حدود الحبيبات الذي يعد أحد الآليات الرئيسية للزحف عند درجة حرارة عالية.

مثال على الحالة: الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 316H

- يُظهر المتغير ذو الحبيبات الكبيرة عمر زحف أطول بمقدار 2-3 أضعاف مقارنةً بالشكل ذي الحبيبات الدقيقة عند درجة حرارة 600 درجة مئوية، 100 ميجا باسكال

- زيادة حجم الحبيبات من ASTM 8 إلى ASTM 4.

4. المعالجات السطحية

تحمي الطلاءات المادة من الأكسدة والتدهور بسبب التأثيرات البيئية.

مثال على الحالة: طلاءات MCrAlY (M = Ni، Co) على شفرات التوربينات

- تحسين مقاومة الأكسدة فوق 1100 درجة مئوية

- تعزيز عمر الانزلاق للسبائك الأساسية بنسبة 10-15%، نظرًا لتأخر تدهور السطح.

سلوك الزحف لبعض السبائك الشائعة

الأسئلة المتداولة

ما هو الزحف في علم المعادن؟

يُعرّف الزحف على أنه التشوه البطيء والدائم في أي مادة تحت الحمل، خاصةً في درجات الحرارة المرتفعة لفترة طويلة.

ما أهمية مقاومة الزحف في السبائك؟

تضمن مقاومة الزحف احتفاظ المكوّن بالسلامة الميكانيكية تحت الضغوطات الحرارية والميكانيكية المستمرة.

ما هي الصناعات الأكثر استفادة من المواد المقاومة للزحف؟

تشمل صناعات الطيران، وصناعات الطاقة (النووية/الحرارية)، وصناعة السيارات، والمعادن، والمعالجة الكيميائية.

كيف يمكن تحسين مقاومة الزحف للسبائك؟

من خلال صناعة السبائك، والمعالجة الحرارية، والتحكم في حدود الحبيبات والطلاء السطحي الواقي.

هل توجد سبائك مصممة خصيصاً لمقاومة الزحف العالية؟ بالتأكيد، فقد تم تحسين السبائك الفائقة أحادية البلورة القائمة على النيكل من سبائك CMSX-4 ورينيه N5 وسبائك التيتانيوم من Ti-6242 لمقاومة الزحف في ظل الظروف البيئية القاسية.