آشنایی با پدیده خزش و چگونگی شبیه‌سازی آن

برای خزش (creep) تعاریف متفاوتی در منابع بیان شده است، اما به بیان ساده تغییر شکل ماده بر اثر اعمال تنش است که به آهستگی صورت می‌پذیرد. این پدیده تابعی از زمان، دما، تنش، ویژگی‌های ماده و ... است. این مکانیزم فیزیکی به طور قابل توجهی برای انواع مختلف مواد متفاوت است. به علاوه، حتی برای یک ماده مشخص مکانیزم‌های مختلف در ترکیبات متفاوت تنش و دما عمل می‌‌‌کنند. حرکت اتم‌ها، 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.

مراحل خزش

خزش یک پدیده تغییر شکل غیر برگشت ‌پذیر است که شبیه به تسلیم در فلزات عمل می‌کند. این پدیده باعث افزایش کرنش در ماده تحت بارگذاری ثابت می‌شود و به ویژه در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه (Tg) پلیمرها تاثیرات قابل توجهی دارد. در دماهای پایین‌تر از Tg، اثرات خزش کم و در دماهای بالاتر این اثرات به سرعت افزایش می‌یابد.

در پلیمرها، مانند پلی‌اتیلن، حرکت لزج زنجیره‌های مولکولی به ویژه در دماهای بالاتر از Tg رخ می‌دهد. در پلیمرهای خطی، زنجیره‌های مولکولی کوتاه‌تر باعث تسهیل فرآیند خزش می‌شود، اما اگر زنجیره‌ها بلندتر و یا دارای پیوندهای عرضی باشند، لغزش مولکول‌ها دشوارتر می‌شود و مقاومت ماده در برابر خزش افزایش می‌یابد. این امر منجر به کاهش نرخ خزش با گذشت زمان و بازیافت (Recovery)  ماده پس از برداشتن تنش می‌شود.

نمودار تنش-کرنش در مواد نشان می‌دهد که تحت بار ثابت، کرنش با گذشت زمان افزایش می‌یابد و این فرآیند خزش نامیده می‌شود. در مقابل، در شرایط کرنش ثابت، اگر نیرو ثابت بماند، کرنش به طور ناگهانی افزایش می‌یابد که به آن "Relaxation Stress" می‌گویند.

خزش در فلزات در دماهای بالاتر از 3% دمای ذوب (Tm) شروع می‌شود و در 5% این دما به میزان قابل توجهی افزایش می‌یابد. در حالی که برای پلیمرها، این اثرات حتی در دماهای پایین‌تر از فلزات قابل مشاهده است. آزمایش‌های خزش برای اولین بار توسط آندراده در سال 1910 با استفاده از فلز سرب در دمای اتاق طراحی شد.

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 تنش‌های 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 است 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 نمودارهایی موجود است:

• قسمت اول: به دلیل نیروی اولیه وارده به وجود می‌‌‌آید، اکثر اوقات الاستیک بوده و برخی اوقات دارای قسمتی پلاستیک است.
• قسمت دوم: قسمت کاهش نرخ خزش
• قسمت سوم: جایی که نرخ خزش به طور محسوسی ثابت است.
• قسمت چهارم: افزایش نرخ کرنش تا لحظه شکست.

نرم افزار شبیه‌سازی خزش

شبیه سازی خزش در ABAQUS

از آنجا که آباکوس یکی از قدرتمندترین در عین حال کاربرپسندترین نرم افزارهای تحلیل‌های مبتنی بر المان محدود (FEM) است و برای شبیه سازی و مسائل متنوعی مانند موارد زیر استفاده می‌شود:

• تحلیل شکست
• ضربه
• آکوستیک 
• ارتعاشات 

برای شبیه سازی پدیده خزش در سازه‌های متفاوت نیز مطمئنا آباکوس یکی از بهترین گزینه‌ها است. اما همانطور که قبلا در مقاله (سابروتین نویسی راه فرار از محدودیت‌های آباکوس) اشاره شد، گاهی برای آنالیز بعضی از پدیده‌ها محیط  CAE نرم افزار با محدودیت‌هایی مواجه است. سابروتین نویسی به کمک زبان برنامه نویسی فرترن (FORTRAN) روشی برای استفاده بیشتر از قابلیت‌های آباکوس و برطرف کردن این محدودیت‌ها است. شما می‌توانید برای کسب اطلاعات بیشتر در دوره‌ سابروتین نویسی در آباکوس به کمک فرترن و دوره سابروتین نویسی ویومت در آباکوس، دوره خزش در آباکوس نیز شرکت کنید.

بیشتر بخوانید: "آشنایی با نرم افزار آباکوس و کاربردها" 

سابروتین CREEP

سابروتین CREEP برای بررسی تغییر شکل ویسکوالاستیک متغیر با زمان استفاده می‌شود. این سابروتین معمولا برای دو دسته از مواد بیشتر کاربرد دارد. مدل‌های مربوط به پلیمر و مدل‌های مربوط به فلزات. در مورد مدل‌های مربوط به فلزات، یکی از مثال‌های صنعتی معروف تحلیل خزشی پره‌های توربین است. با توجه به اینکه پره‌های توربین‌های گازی در دمای خیلی بالا کار می‌کنند عموما یکی از مکانیزم‌های آسیب در آن‌ها استفاده از سابروتین نویسی عمر خزشی  برای بررسی پره توربین است. در مورد پلیمرها، مدل‌های ویسکوالاستیک رایج‌ترین مدلی است که به کار می‌رود.

موقعیت‌های شغلی و درآمد در خزش

افرادی که در این زمینه تخصص دارند معمولاً در صنایع مختلف مثل صنایع هوافضا، انرژی، تولید فولاد و متالورژی فعالیت می‌کنند. موقعیت‌های شغلی مرتبط با خزش مواد شامل موارد زیر هستند:

متخصصین خزش مواد  (Creep Specialists) 

این افراد به مطالعه، تجزیه و تحلیل و بهبود رفتار خزش مواد فلزی و غیرفلزی در شرایط مختلف دمایی و بارگذاری می‌پردازند.

• وظایف: مطالعه و شبیه‌سازی رفتار مواد در دماهای بالا، تحلیل نتایج آزمایش‌های خزش، بهینه‌سازی ترکیبات مواد برای افزایش مقاومت به خزش
• درآمد: در کشورهای پیشرفته، درآمد این متخصصین در سال 2023 از 60000 دلار تا 120000 دلار متغیر بوده است. در ایران، بسته به تجربه و نوع صنعت، می‌تواند بین 15 تا 40 میلیون تومان در ماه متغیر باشد.

مهندس مواد  (Materials Engineer)

این مهندسان در طراحی و بهینه‌سازی مواد مختلف برای کاربردهایی که تحت بارهای دائمی و دماهای بالا قرار دارند، فعالیت می‌کنند. آن‌ها همچنین برای پیش‌بینی رفتار مواد تحت شرایط خزش، آزمایش‌هایی انجام می‌دهند.

• وظایف: انتخاب و طراحی مواد مناسب برای کاربردهای خاص، آزمایش خزش و تجزیه و تحلیل نتایج، بهینه‌سازی ترکیبات مواد
• درآمد: درآمد این مهندسان به ‌طور متوسط در سال 2023 بین 50000 تا 100,000 دلار در سال بوده است.

پژوهشگر و استاد دانشگاه در زمینه خزش مواد

این افراد در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی مشغول به تحقیق و تدریس در زمینه خزش مواد هستند.

• وظایف: انجام تحقیقات بنیادی در زمینه خزش مواد، تدریس در مقاطع مختلف تحصیلی، راهنمایی دانشجویان و محققان
• درآمد: بسته به کشور و دانشگاه، این افراد بین 40000 تا 80,000 دلار در سال 2023 درآمد داشتند.

مدیر پروژه در صنایع متالورژی و انرژی

مدیران پروژه‌هایی که مرتبط با تولید مواد و قطعاتی هستند که تحت تأثیر خزش قرار می‌گیرند، مانند قطعات نیروگاه‌ها یا موتورهای جت، از اهمیت بالایی برخوردارند.

• وظایف: مدیریت تیم‌های تحقیقاتی، هماهنگی بین بخش‌های مختلف، نظارت بر تولید و آزمایش مواد، بهبود فرآیندهای تولید
• درآمد: این موقعیت‌ها معمولاً درآمد بالایی دارند که از 70000 دلار تا 150000 دلار در سال 2023 متغیر بوده است.

چالش‌ها و فرصت‌ها

• آزمایش‌های پیچیده: آزمایش خزش نیاز به تجهیزات خاص و زمان طولانی دارد. به ‌عنوان مثال، آزمایش‌های خزش ممکن است ماه‌ها طول بکشد تا نتایج دقیقی به ‌دست آید.
• مواد پیشرفته: با پیشرفت‌های فناوری، نیاز به توسعه مواد جدید با مقاومت بالاتر در برابر خزش بیشتر شده است، که این فرصت‌های شغلی جدیدی را ایجاد کرده است.
• مطالعه رفتار بلندمدت: پیش‌بینی رفتار مواد در بلند مدت به ‌ویژه در صنایع انرژی و هوافضا اهمیت زیادی دارد، زیرا هرگونه خطا در طراحی می‌تواند منجر به خسارات سنگین شود.

بیشتر بخوانید: " پردرآمدترین رشته مهندسی در ایران و جهان" 

درآمد و بازار کار در ایران

در ایران، درآمد افرادی که در زمینه مواد و متالورژی تخصص دارند، به ‌ویژه در صنایع نفت، گاز و انرژی می‌تواند مناسب باشد. با این حال، موقعیت‌های شغلی در این حوزه نیاز به تخصص و تجربه زیادی دارد. بسته به نوع صنعت و موقعیت جغرافیایی، می‌توان انتظار داشت که درآمد متخصصین در این حوزه در ایران در سال 2023 از 10 میلیون تومان در ماه برای افرادی با تجربه کم تا 30 میلیون تومان برای افراد با تجربه بالا متغیر باشد.

در کل، تخصص در زمینه خزش مواد برای شاغلان این صنعت در مقایسه با بسیاری از رشته‌های دیگر، هم از نظر موقعیت شغلی و هم درآمد، می‌تواند بسیار جذاب باشد.

جمع بندی

خزش ماده یک پدیده فیزیکی است که در اثر اعمال تنش ثابت، تغییر شکل تدریجی و غیر برگشت‌ پذیری در ماده ایجاد می‌کند. این پدیده معمولاً در دماهای بالا و تحت بارگذاری طولانی‌ مدت رخ می‌دهد و تابعی از زمان، دما، تنش و ویژگی‌های ماده است. در دماهای بالا، حرکت اتم‌ها و مولکول‌ها موجب تغییر شکل خزشی می‌شود که در پلیمرها و فلزات به شکل‌های متفاوتی بروز می‌کند. این تغییر شکل به مرور زمان باعث افزایش کرنش می‌شود و در نهایت به شکست یا بهبود بازیافت می‌انجامد.

برای شبیه‌سازی پدیده خزش از نرم‌ افزارهایی مانند آباکوس (ABAQUS) استفاده می‌شود که امکان تحلیل رفتار ماده تحت شرایط مختلف دمایی و بارگذاری را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار از سابروتین‌ها برای تحلیل دقیق‌تر فرآیند خزش و شبیه‌سازی آن در مواد فلزی و پلیمرها استفاده می‌کند.

تخصص در زمینه خزش مواد می‌تواند فرصت‌های شغلی خوبی را ایجاد کند و با توجه به کاربرد آن در صنایع حیاتی مانند انرژی و هوافضا، درآمدهای مناسبی نیز به همراه دارد.

نویسندگان: ستاره دهقان، کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا- سایه صفاییان، کارشناسی مهندسی مواد