برای خزش تعاریف متفاوتی در منابع بیان شده است، اما به بیان ساده تغییر شکل ماده بر اثر اعمال تنش است که به آهستگی صورت می پذیرد. این پدیده تابعی از زمان، دما، تنش، ویژگی های ماده و ... است. این مکانیزم فیزیکی به طور قابل توجهی برای انواع مختلف مواد متفاوت است. به علاوه، حتی برای یک ماده مشخص مکانیزم های مختلف در ترکیبات متفاوت تنش و دما عمل می‌‌‌کنند. حرکت اتم ها، نابجایی‌ها یا مولکولها در داخل یک ماده جامد به صورت وابسته به زمان رخ می‌‌‌دهد و در دماهای بالاتر این امر سریع تر انجام می‌‌‌گیرد. این حرکت ها در توصیف این رفتار مهم هستند و در مقوله وسیعی از رفتار به نام نفوذ (Diffusion) قرار می‌‌‌گیرند.
خزش پدیده‌ای است که به طور کامل برگشت پذیر نمی‌باشد و آن را می‌‌‌توان مشابه تسلیم در فلزات دانست. معمولا پس از مدتی بارگذاری تغییر شکلهای پلاستیک رو به رشد خواهند گذاشت. این پدیده سبب افزایش در کرنش در قطعه میشود. در دماهای زیر دمای انتقال شیشه Tg یک پلیمر مشخص، تاثیرات خزش نسبتا کوچکند. بالای دمای Tg، تاثیرات به سرعت قابل توجه میشود. همانطور که Tg، برای پلیمرهای رایج اغلب در محدوده -100 تا 200 می‌‌‌باشد، این دما ممکن است در دمای حدود دمای اتاق و حتی پایین تر از این قرار گیرد. برای یک ترموالاستیک اساسا بلورین مانند پلی اتیلن، جریان لزج در دماهای خیلی بالاتر از Tgمخصوصا پس از رسیدن به دمای ذوب رخ می‌‌‌دهد. توجه کنید که پیوندهای ثانویه (هیدروژنی و واندروالس) که زنجیره های مولکولی بر اساس کربن را نسبت به کدیگر زیر Tgنگه می‌‌‌دارند به طور موثر کمتر از Tgمی‌‌‌باشند.بنابراین این پدیده میتواند با لغزش زنجیره های مولکولی که از یکدیگر به صورت لزج عبور می‌‌‌کنند، رخ دهد. در پلیمرهای خطی اگر زنجیره‌های مولکولی کوتاهتر باشند، فرآیند آسان تر انجام می‌‌‌گیرد و در صورت وجود موانع لغزش مانند انشعاب یا پیوند عرضی، این پدیده آرامتر انجام میشود. بنابراین لغزش زنجیرهای مولکولی مشکل‌تر است و آنها آسان‌تر با یکدیگر درگیر می‌‌‌شوند، به خصوص اگر زنجیره ها طولانی باشند. این درگیری‌های ماده منجر میشود که با ادامه تغییر شکل، مقاومت ماده افزایش یابد. بدین ترتیب نرخ خزش با پیشرفت تغییر شکل کاهش میابد. همچنین موانع لغزش مولکولها، به ماده حالتی قبل از تغییر شکل می‌‌‌دهد. به ویژه پس از برداشتن تنش اعمالی بخش‌های زنجیری کشیده و کج شده، بین نقاط درگیری یا پیوند عرضی تا حدودی شبیه به فنرها عمل می‌‌‌کنند که باعث تغییر شکل خزشی شده و با گذشت زمان ناپدید بازیافت (Recovery) میشود.
برای درک بیشتر این پدیده نمودار تنش- کرنش یک ماده را در دمای اتاق در شکل زیر مشاهده می‌‌‌کنید، در نقطه‌ای مانند A به بعد نیرو ثابت نگه داشته شده است، مشاهده میشود که به صورت خیلی آرام و مستمر پس از تنها چند ثانیه یا دقیقه منحنی به نقطه B می‌‌‌رسد. به این افزایش در کرنش که وابسته به زمان بوده و تحت نیروی ثابت رخ می‌‌‌دهد، خزش گفته میشود. از طرفی دیگر به جای نیرو اگر کرنش ثابت نگه شود، از نقطه A به بعد پرشی به نقطه C پس از ایجاد تعادل خواهیم داشت، به رفتار اخیر Stress relaxation گفته میشود.
خزش در فلزات در دماهای بالاتر از 3% دمای مطلق ذوب (Melting Tempreture(Tm)) ، بروز می‌‌‌کند و در حدود دمای 5% این دما کرنش خزشی قابل توجه میشود این در حالی است که برای پلیمرها در دماهای پایین تر نسبت فلزات حتی در دمای اتاق قابل توجه خواهد بود. در سال1910 ، آندراده آزمایش را در دمای اتاق طراحی کرد، وی فلز سرب را مورد مطالعه قرار داد، چرا که این ماده در دمای اتاق نیز این اثر را از خود نشان می‌‌‌دهد. این تست تا زمانی که قطعه دچار شکست شود ادامه پیدا می‌‌‌کند.
پس از کرنش اولیه که به دلیل اعمال نیرو در همان ابتدا ایجاد شده است، به تدریج کاهش پیدا می‌‌‌کند، در حالی که در مواردی که دارای تنش‌های بالاتری هستند، با سرعت بالاتری به سمت شکست پیش می‌‌‌رود. در تنش های پایین تر قبل از آخرین مرحله، مرحله‌ای قرار می‌‌‌گیرد که در آن نرخ کرنش ثابت میشود. طول این ثابت بودن نرخ کرنش وابسته به میزان تنش می‌‌‌باشد شکل نشان دهنده این مطلب است که یک معیار مشخص برای این بحث و محدوده تنش خزشی وجود ندارد. چهار قسمت کلی برای هر کدام از نمودار هایی موجود است:
- قسمت اول: به دلیل نیروی اولیه وارده به وجود می‌‌‌آید، اکثر اوقات الاستیک بوده و برخی اوقات دارای قسمتی پلاستیک می‌‌‌باشد.
- قسمت دوم: قسمت کاهش نرخ خزش
- قسمت سوم: جایی که نرخ خزش به طور محسوسی ثابت می‌‌‌باشد.
- قسمت چهارم: افزایش نرخ کرنش تا لحظه شکست
شبیه سازی خزش در ABAQUS
از آنجا آباکوس یکی از قدرتمندترین در عین حال کاربرپسندترین نرم افزارهای تحلیل های مبتنی بر المان محدود (FEM) است و برای شبیه سازی و مسائل متنوعی مثل تحلیل شکست، ضربه، آکوستیک، ارتعاشات و.... به کمک مهندسین در رشته های مختلفی مانند مکانیک، هوافضا، عمران، مواد و ..... آمده است، برای شبیه سازی پدیده خزش در سازه های متفاوت نیز مطمئنا آباکوس یکی از بهترین گزینه ها می باشد. اما همانطور که قبلا در مقاله (سابروتین نویسی راه فرار از محدودیت های آباکوس) اشاره شد، گاهی برای آنالیز بعضی از پدیده ها محیط CAE نرم افزار با محدودیت هایی مواجه است. سابروتین نویسی به کمک زبان برنامه نویسی فرترن (FORTRAN) روشی برای استفاده بیشتر از قابلیت های آباکوس و برطرف کردن این محدودیت ها است.
سابروتین CREEP
سابروتین CREEP برای بررسی تغییر شکل ویسکوپلاستیک متغیر با زمان استفاده می شود. این سابروتین معمولا برای دو دسته از مواد بیشتر کاربرد دارد. مدل های مربوط به پلیمر و مدل های مربوط به فلزات.در مورد مدل های مربوط به فلزات، یکی از مثال های صنعتی معروف تحلیل خزشی پره های توربین است. با توجه به اینکه پره های توربین های گازی در دمای خیلی بالا کار می کنند عموما یکی از مکانیزم های آسیب در آنها استفاده از سابروتین نویسی عمر خزشی برای بررسی پره توربین است. در مورد پلیمرها، مدل های ویسکوالاستیک رایج ترین مدلی است که به کار می رود.
نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان
