خزش فلزات

خزش (Creep) تغییر شکل تدریجی و وابسته به زمان یک فلز یا آلیاژ تحت تنش ثابت در دماهای نسبتاً بالا است؛ به بیان عددی‌-تر، هنگامی مطرح می‌شود که دمای سرویس به حدود ۰٫۳ تا ۰٫۵ دمای ذوب (Tm) فلز برحسب کلوین برسد. در این محدوده، انرژی حرارتی به اتم‌ها امکان می‌دهد از موقعیت‌های شبکه‌ای خود بگریزند یا روی صفحه‌های بلوری بلغزند و به‌مرور کرنش تجمعی ایجاد کنند.

نمونه‌های روزمرهٔ صنعت نشان می‌دهد خزش فقط معضل نیروگاه‌ها نیست؛ لحیم نرم Sn-Pb یک بردِ کنترل در ۲۰۰ – ۲۵۰ °C، یا لولهٔ مسی مبدل حرارتی در ۳۰۰ °C نیز، اگر سال‌ها زیر بار بماند، به آرامی خزش می‌کند.

چرا پدیدهٔ خزش برای مهندسان و طراحان مهم است؟

1. شکست ناگهانی تجهیزات با پیامدهای ایمنی و مالی
   ترک ناشی از خزش معمولاً تا لحظهٔ گسیختگی قابل مشاهده نیست. نشت بخار ۶۰ bar از یک لولهٔ سوپرهیتر می‌تواند ظرف دقیقه‌ها کل خط تولید لبنی را متوقف کند.

2. هزینه‌های توقف و تعمیر
   هر ساعت خواب یک واحد خشک‌کن پاششی در کارخانهٔ غذای کودک، به‌جز زیان مستقیم، به ازدست‌رفتن سهم بازار منتهی می‌شود؛ هزینه‌ای که از جیب بخش بازرگانی و برندینگ پرداخت می‌شود.

3. انتخاب آلیاژ صحیح به‌جای «بیش-طراحی» پرهزینه
   تفاوت خزش بین 304H و 316H، یا بین P91 و P92، می‌تواند فاصلهٔ چندمیلیارد تومانی در خرید اولیه یا در طول عمر نگهداری ایجاد کند.

4. اعتبارسنجی دادهٔ آزمایشگاهی
   منحنی خزش باید طبق ASTM E139 ثبت شده باشد؛ اعداد سربرگ یا کاتالوگ بدون پشتوانهٔ آزمون طولانی‌مدت، ریسک طراحی را بالا می‌برد.

5. تطابق با استانداردهای طراحی
   کد ASME BPVC، بخش VIII-Div. 1، تنش مجاز خزش ۱۰۰ ۰۰۰ h را ملاک قرار می‌دهد. مستند نکردن این تطابق، پایان کار کارگاه ساخت را به تعویق می‌اندازد.

6. پیش‌بینی عمر سرویس و برنامهٔ تعویض پیشگیرانه
   دانستن زمان رسیدن به ۱ % کرنش یا به نقطهٔ شکست، به واحد نت اجازه می‌دهد سفارش قطعهٔ جایگزین را قبل از توقف ناگهانی ثبت کند.

مراحل خزش

عوامل مؤثر بر خزش

• دما: طبق رابطهٔ آرنیوس، هر ۱۰ °C افزایش، سرعت نفوذ اتمی را به‌طور نمایی بالا می‌برد.

• تنش اعمالی: قانون توان نورتون ε˙=Aσnexp⁡(−Q/RT)\dot{\varepsilon}=A\sigma^{n}\exp(-Q/RT)ε˙=Aσnexp(−Q/RT) نشان می‌دهد ضریب $n$ برای برخی سوپرآلیاژها به ۸ می‌رسد؛ یعنی دو برابر کردن تنش، سرعت خزش را ۲۵۶ برابر می‌کند!

• ریزساختار: اندازهٔ دانه، توزیع رسوبات (NbC، TiN، γ’) و فازهای ثانویه نقشی تعیین‌کننده دارند.

• زمان و سیکل‌های حرارتی: سرد و گرم شدن مکرر (Start-up/Shutdown) باعث تنش‌های حرارتی ثانویه و آغاز ریزترک می‌شود.

• محیط سرویس: حضور H₂S یا کلریدها پوشش اکسیدی را تخریب و مهاجرت دانه‌مرزی را تسریع می‌کند.

روش‌های آزمون و ارزیابی خزش

۱. آزمون بار ثابت (ASTM E139)

• نمونهٔ «سگ‌دست» یا استوانه‌ای تحت بار کششی ثابت قرار می‌گیرد.

• دما با کورهٔ سه‌ناحیه‌ای ±۲ °C کنترل می‌شود.

• کرنش با اکستنسومتر لیزری یا LVDT ثبت می‌گردد تا شکست یا زمان مقرر.

۲. برون‌یابی عمر با پارامتر لارسن–میلر (PLM)

PLM=T  (C+log⁡10t)\text{PLM}=T\;(C+\log_{10}t)PLM=T(C+log10​t)

با آزمایش‌های ۱۰۰۰-ساعته می‌توان PLM را رسم و عمر ۱۰۰ ۰۰۰ h را پیش‌بینی کرد. مقدار C برای فولادهای کروم-مولیبدن غالباً ۲۰ است؛ برای استیل‌های آستنیتی ۱۸ تا ۱۹٫۵.

۳. مدل توان نورتون

ضرایب $A$، $n$، و $Q$ از خط رگرسیون دادهٔ کرنش-زمان مرحلهٔ پایا استخراج می‌شود. در شبیه‌سازی المان محدود، همین ضرایب مبنای تعریف ماده در نرم‌افزارهایی مثل ANSYS است.

آلیاژهای مقاوم به خزش

نکتهٔ مهندسی: در خطوط فرآوری لبنی که ۵۸۰ °C دمای بخار و محیط نسبتاً اسیدی دارند، ترکیب مقاومت به خوردگی و خزش 316H را به گزینهٔ نخست بدل می‌کند. اگر محیط کم‌خورنده‌تر باشد، P91 اقتصادی‌ترین است.

راهکارهای طراحی و کنترل خزش در قطعات صنعتی

1. کاهش تنش مؤثر

   • افزایش ضخامت یا قطر به‌گونه‌ای که تنش کاری ≤ ۶۰ % تنش مجاز خزش ۱۰۰ ۰۰۰ h/دما باشد.

   • حذف زوایای تیز؛ شعاع‌گذاری حداقل ۳-برابر ضخامت دیواره در زانویی‌ها.

2. مدیریت دما

   • عایق‌های فیبر سرامیکی با دانسیتهٔ ۱۲۸ kg/m³ مصرف سوخت را کاهش و دمای پوست فلز را تا ۷۰ °C پایین می‌آورد.

   • استفاده از شیلدهای تابشی آلومینایدی در کوره‌ها اختلاف دمای طولی را متعادل می‌کند.

3. انتخاب آلیاژ مناسب

   • در فشارهای بالا (>150 bar) و دمای ۶۰۰ °C، فولادهای P92 یا HP-Micro Alloy ‌(۳۵ Ni-۲۵ Cr) بیشترین طول عمر به پرداخت اولیه می‌دهند.

   • برای قطعات جوشکاری‌شده ضخیم در تجهیزات غذایی، 347H تحمل خزش-جوشی بهتری از 321H دارد.

4. شبیه‌سازی عمر در نرم‌افزار

   • در ANSYS Workbench > Engineering Data، مدل Norton را فعال و ضرایب را وارد کنید؛ سپس در تب Creep Analysis گزینهٔ Time Hardening انتخاب شود تا سیکل‌های حرارتی لحاظ شود.

5. بازرسی غیرمخرب دوره‌ای (NDE)

   • Replica Metallography تغییر شکل دانه‌ها و رسوبات متمایل را آشکار می‌کند.

   • امواج هدایت‌شوندهٔ LRS تا ۳۰ m لوله را از یک نقطه پایش و ناحیهٔ نازک‌شده را مشخص می‌کند.

6. PWHT و Heat Treatment

   • برای P91، سیکل 760 °C/2 h سرد‌سازی کنترل‌شده در 50 °C/h، تنش‌های پسماند را به <50 MPa می‌رساند.

   • در سوپرآلیاژ 718، پیرسختی دوجرخه‌ای 720 °C/8 h + 620 °C/8 h بهترین تعادل رسوب γ’/γ” را می‌دهد.

نمونه‌کاربردهای صنعتی

• بویلر بازیاب HRSG (نیروگاه سیکل ترکیبی)
  جابه‌جایی لوله‌های ریسر از T92 به 347H به همراه کنترل فلو، راندمان بویلر را ۱٫۶ ٪ و طول عمر تخمینی را ۴ سال افزایش داد.

• توربین بخار کراکر خمیرکاغذ
  پرهٔ ردیف اول از استیل 18Cr-8Ni به Inconel 718 تعویض شد؛ بازهٔ تعمیرات اساسی از ۴ به ۷ سال رسید.

• کورهٔ ریفرمر آمونیاک (پتروشیمی)
  لوله‌ها با آلیاژ HP-Micro Alloy انجماد جهت‌دار جایگزین شدند؛ نرخ خزش ۲۵ ٪ کمتر و افت فشار کوره ۵ kPa کاهش یافت.

جمع‌بندی و نکات کلیدی برای انتخاب متریال

1. دمای سرویس × زمان نخستین فیلتر آلیاژ است؛ بالاتر از ۰٫۳ Tm خزش حتمی است.

2. دادهٔ خزش باید کامل و طبق ASTM E139 یا ISO 204 باشد؛ فقط تنش مجاز کافی نیست.

3. مدل‌های لارسن–میلر و توان نورتون ابزار تصمیم‌گیری هستند، نه حکم قطعی؛ صحت اعداد را با آزمون مستقل یا دیتابیس‌های معتبر تطابق دهید.

4. فولادهای ۹ Cr نظیر P91/P92 تا ۶۵۰ °C «بهترین نسبت قیمت به طول عمر» را دارند؛ دمای بالاتر جدی، ورود استیل‌های آستنیتی یا سوپرآلیاژها را ناگزیر می‌کند.

5. جوش و PWHT غلط می‌تواند مزیت خزش بهترین فولاد را خنثی کند؛ دستورالعمل WPS/PQR را با دقت مرور کنید.

6. بهای توقف خط غالباً چند برابر اختلاف قیمت آلیاژ است؛ در محیط‌های بحرانی، صرفه‌جویی بیجا نتیجهٔ معکوس دارد.

سؤالات متداول (FAQ)

۱. تفاوت خزش و خستگی چیست؟
خستگی از بارگذاری تناوبی در تنش نسبتاً پایین و عموماً در دمای محیط پدید می‌آید؛ خزش زیر بار ثابت و در دمای بالا رخ می‌دهد و به زمان وابسته است.

۲. از چه دمایی خزش در فولاد زنگ‌نزن آغاز می‌شود؟
در استیل‌های آستنیتی رایج (304, 316) حدود ۴۵۰ °C. افزودن Mo، Nb یا W می‌تواند این حد را ۵۰ – ۷۰ °C بالا ببرد.

۳. آزمون خزش چقدر طول می‌کشد؟
برنامه‌های متداول:

• ۱۰۰ تا ۱٬۰۰۰ h (چند روز تا شش هفته) برای ارزیابی سریع

• ۱۰٬۰۰۰ h (حدود ۱۴ ماه) برای دادهٔ طراحی نهایی

۴. آیا عملیات حرارتی می‌تواند مقاومت به خزش را افزایش دهد؟
بله؛ در فولادهای ۹ Cr، PWHT مناسب رسوبات کاربیدی را تثبیت می‌کند. در Inconel 718، پیرسختی دوجرخه‌ای نحوۀ بارش γ’ و γ” را بهینه می‌کند.

۵. چه استانداردهایی برای مخازن تحت فشار دمای بالا کاربرد دارد؟
ASME BPVC (بخش I و VIII)، EN 13445 و API 579/ASME FFS-1 مهم‌ترین مراجع جهانی‌اند.

۶. دادهٔ خزش را چگونه در ANSYS وارد کنم؟
در Engineering Data، مادهٔ جدید ایجاد کنید → زبانهٔ Creep → مدل Norton یا Larson–Miller → ورود ضرایب با واحدهای دقیق گزارش آزمون.

۷. آیا خزش در دمای محیط ممکن است؟
برای فولاد و استیل نه؛ ولی در لحیم Sn-Pb یا آلیاژهای سربی (Tm پایین)، خزش در ۲۵ °C هم دیده شده است.

۸. برای دمای ۶۰۰ °C اقتصادی‌ترین گرید کدام است؟
اگر محیط خورنده نباشد، P91؛ در محیط اسیدی یا کلریدی، 316H مطمئن‌تر است.

۹. عمر سرویس قطعه را چگونه پیش‌بینی کنم؟
تنش کاری را روی منحنی Stress-Rupture بیابید؛ زمان متناظر، عمر تا شکست است. برای ایمنی، ضریب ۰٫۵–۰٫۸ اعمال و زمان تعویض پیشگیرانه را برنامه‌ریزی کنید.

با درک علمی پدیدهٔ خزش، انتخاب آلیاژ بر پایهٔ دادهٔ مستند و طراحی مطابق استاندارد، می‌توانید اطمینان داشته باشید که تجهیزات خطوط غذایی، دارویی یا آرایشی، سال‌ها بدون توقف و با ایمنی کامل کار خواهند کرد—بی‌آنکه هزینه‌های پنهان خرابی یا تعویض اضطراری سربار کسب‌وکار شود.