تنش سیلان
تاریخ انتشار: ۷ فروردین ۱۴۰۲
تاریخ به روز رسانی: ۳ مرداد ۱۴۰۳
تاریخ به روز رسانی: ۳ مرداد ۱۴۰۳
مدت مطالعه: دقیقه
نویسنده: تیم محتوای مدیران آهن
نویسنده: تیم محتوای مدیران آهن
<p>هنگامی که به بررسی رفتار فلزات می پردازیم با مجموعه ای بسیار متنوع از پارامترها روبرو می شویم که یکی از آن ها تنش سیلان یا Flow Stress است. منظور از تنش سیلان مقدار لحظه ای تنش مورد نیاز برای شکل دادن به فلز است. تنش سیلان نقش بسیار مهمی در تغییر شکل پلاستیکی و شکل پذیری یا Forming فلزات دارد. مقدار تنش سیلان به نرخ کرنش، نرخ فشار و عملیات حرارتی بستگی دارد. به عبارت دیگر با افزایش دما مقدار آن نیز تغییر می کند. فلزات در دمای بالاتر شکل پذیری بهتری دارند. به همین دلیل است که از دیر باز برای فرم دادن به فلزاتی مانند فولاد آن را گداخته می کرده اند. </p>
<p>شکل پذیری فلزات در شرایط گوناگون تابع دامنه ای از پارامتر هایی است که با اندک تغییری در هریک از آنها، پیش بینی رفتار فلز را تحت تاثیر قرار می دهد. در واقع علت این است که سیلان فلز و به ویژه تنش سیلان آن دستخوش تغییرات بسیار شده و از این رو به سادگی نمی توان تنش سیلان را در فلز پیش بینی نمود. در این مقاله سعی شده است پس از بازگویی و توضیح مفاهیم اولیه برای درک آسان و بهتر از تنش سیلان ، آیتم های عمومی تاثیرگذار آن معرفی و در خصوص تاثیر پذیری تنش سیلان از عملیات حرارتی نکاتی ذکر گردد. پارامتر هایی از قبیل ترکیب شیمیایی، خلوص، ساختار کریستالی، نظم فازی، میکروساختار خارجی، اندازه ی دانه بندی، عملیات حرارتی، نرخ کرنش، دمای فلز و تحریک پذیری نرخ کرنش می توانند در تنش سیلان ماده، خصوصا فلزات تاثیر به سزایی ایجاد نمایند. به طور کلی می توان انتظار داشت با افزایش دما، تنش سیلان کاهش پیدا کند. اما در این مورد نیز استثناءهایی مانند بعضی از فولادها وجود دارند که به طور ضمنی به آن اشاره می گردد.</p>
<div style="display: flex; justify-content: center; align-items: center;"> </div>
<p style="text-align: center;"><img class="content-image" title="steel forgoing.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1649070909267-steel%20forgoing.jpg" alt="steel forging"></p>
<p style="text-align: center;">شکل 1 – شکل دادن به تیغه ی فولادی گداخته راحتر است</p>
<p></p>
<p><strong>آنچه در این مقاله مطالعه خواهید کرد:</strong></p>
<ul>
<li>تعریف تنش سیلان </li>
<li>معادله تنش سیلان </li>
<li style="direction: rtl;">نمودار مهندسی تنش – کرنش فولاد </li>
<li>تاثیر انجام عملیات حرارتی بر روی تنش سیلان فلز</li>
<li> نمودار دما – زمانِ عملیات حرارتی</li>
</ul>
<h2 id="flowstress">تعریف تنش سیلان Definition of Flow Stress</h2>
<p>در تعریف ابتداییِ تنش سیلان می توان گفت تنش سیلان مقدارِ لحظه ای تنشِ مورد نیاز برای تداوم تغییر فرم پلاستیکی و شکل پذیری فلز می باشد. </p>
<p>در مکانیک پیوسته، تنش سیلان به آیتم های ذیل بستگی دارد:</p>
<p style="text-align: left;">T دما</p>
<p style="text-align: left;">ε کرنش حقیقی</p>
<p style="direction: ltr; text-align: left;"><span style="text-decoration: line-through;">ε</span> نرخ کرنش</p>
<p>عموما در دماهای بالاتر از 0.5Tm (که Tm دمای دقیق ذوب فلز است) مکانیزمهای تغییر فرم پلاستیک به حساسیت نرخ کرنش مرتبط است در حالیکه در دمای محیط، شکل پذیری فلزات عموما تابعی از کرنش فلز می باشد. به این معنی که اگر در دمای محیط کرنشی در فلز صورت پذیرد می توان انتظار داشت که تغییر فرم حاصل <span id="equation"></span>گردد. بنابر این می توان معادله ی تنش سیلان را به‌صورت تابعی از آیتم های مذکور نوشت.</p>
<p style="text-align: left;">σ تنش سیلان</p>
<p style="text-align: left;">(σ =f (ε, ε, T</p>
<h2>معادله تنش سیلان Flow stress equation</h2>
<p>اما معادله ای که می تواند مقدار دقیق تنش سیلان را به دست دهد به نوع متریال و مدل پلاستیسیته ی آن بستگی دارد. مدل های دیگر نیز همچنین می تواند شامل تاثیراتی بر شیب کرنش بوده و می تواند تغییر فرم فلز را آسان تر و یا مشکل تر سازد.</p>
<p>تنش سیلان بعنوان تابعی از کرنش، مقداریست مابین تنش تسلیم فلز YS و تنش نهایی US. این تابع برای بعضی مواد به صورت زیر نشان داده می شود: (جدول)</p>
<p style="text-align: left;">Y<sub>f</sub>= K ε<sup>n</sup></p>
<p style="text-align: left;">Y<sub>f</sub><sub>= </sub>Flow Stress, PA تنش سیلان</p>
<p style="text-align: left;">ε= True strain کرنش حقیقی</p>
<p></p>
<p style="text-align: left;">K= Strength Coefficient ضریب مقاومت</p>
<p style="text-align: left;">n= Strain hardening exponent ثابت سختی پذیری کرنشی ماده</p>
<p><span id="curve"></span>با این تفاسیر تنش سیلان برابر است با مقدار تنشی که ماده نیاز دارد تا در مقدار کرنشی مشخص، تغییر شکل پلاستیک ثابتی داشته باشد.</p>
<h2 style="direction: rtl;">نمودار مهندسی تنش – کرنش فولاد Steel engineering stress-strain curve</h2>
<p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="شکل 2 – نمودار مهندسی تنش ـ کرنش" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1588769745997.jpg" alt="شکل 2 – نمودار مهندسی تنش ـ کرنش" width="600" height="397">شکل 2 – نمودار مهندسی تنش ـ کرنش</p>
<p style="text-align: center;"> </p>
<p>اگرچه می توان به طور عمومی بیان داشت تنش سیلان تابعی از کرنش پلاستیک است، با اینحال مطالعات نشان می دهد عوامل زیر بر روی تنش سیلان تاثیر گذار می باشند:</p>
<p>ترکیب شیمیایی، خلوص، ساختار کریستالی، نظم فازی، میکروساختار خارجی، اندازه ی دانه بندی و عملیات حرارتی</p>
<p style="text-align: center;"><img class="content-image" title="metal-forming-image.jpg" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1649071158156-metal-forming-image.jpg" alt="metal-forming"></p>
<p style="text-align: center;">شکل 3 – تنش سیلان مقدار تنش لازم برای تداوم شکل پذیری فلز</p>
<p style="text-align: right;">تنش سیلان عامل بسیار مهمی در گسست خستگی فلرات داکتیل (فلزات چکش خوار) مثلا لوله های مانیسمان ریختگی نیز می باشد. شکست خستگی در اثر رشد ترک در شرایطی که بار متغیر بر روی ماده وارد می شود، به‌وجود می آید. شکست خستگی در جاهایی دیده می شود که فلز تحت تاثیر بارهای تناوبی (سیکلی) می باشد. رسیدن به <span id="effect"></span>مرحله رشد ترک با تنش سیلان رابطه عکس دارد. بنابراین هرجا فلزی در معرض بارهای تناوبی داشته باشیم با کاهش تنش سیلان زودتر به ناحیه ی رشد ترک نزدیک می شویم.</p>
<blockquote>
<p style="text-align: right;">بیشتر مطالعه کنید: بررسی منحنی تنش-کرنش</p>
</blockquote>
<h2>تاثیر انجام عملیات حرارتی بر روی تنش سیلان فلز Heat treatment effect on Metal Flow stress</h2>
<p>براساس تئوری فعال سازی دمایی، عموما با افزایش دما، تنش سیلان فلزات کاهش می یابد. با اینحال حالتی از وابستگی معکوس دمایی (افزایش دما و افزایش تنش سیلان) نیز مشاهده شده است که البته در رنج دمایی مشخص و برای فلزات خاص مثلا مقاطع فولادی بوده و در نمودار تنش سیلان-دما باعث ایجاد پیکِ تنشی غافلگیر کننده ای می گردد. در این حالت باید گفت ابتدا با افزایش دما تنش سیلان افزایش می یابد و پس از اینکه تنش سیلان به پیک خود در نمودار رسید، با افزایش دما مجدداً کاهش می یابد.</p>
<p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="شکل4– نمودار تنش سیلان بر حسب دما" src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1588769998677.jpg" alt="شکل4– نمودار تنش سیلان بر حسب دما" width="465" height="241">شکل4– نمودار تنش سیلان بر حسب دما</p>
<p>نمودار بالا نشان می دهد که تنش سیلان فلز خاصی با نرخ کرنش 0.3 تا دمای 400 درجه ی کلوین کاهش می یابد سپس به طور غافلگیر کننده ای از دمای نزدیک 400 تا دمایی بیش از 500 درجه کلوین افزایش می یابد و پس از رسیدن به پیک خود یعنی 900 مگاپاسکال مجددا کاهش می یابد.</p>
<p>برای مطالعه این تاثیرات بر روی تنش سیلان فولاد می بایست در نظر گرفت که افزایش دما می تواند بر روی خواص مکانیکی و ساختار ریزدانه تاثیر گذار بوده و این به طور غیر مستقیم می تواند در پیش بینی رفتار تنش سیلان فلز نقش ایفا کند. به عنوان نمونه بر روی یک فولاد مشخص با عنوان DH-36 مطالعه ای صورت گرفت و سه نوعِ مختلف از عملیات حرارتی شامل (α)آنیل ایزوترمال 750 درجه سانتیگراد، (b) آنیل تناوبی (سیکلی) مابین دماهای 750 و 680 درجه سانتیگراد و نهایتا (c) آنیل تناوبی مابین دماهای 800 و 680 درجه سانتیگراد اعمال گردید.</p>
<p>پس از انجام عملیات حرارتی نمونه ی متالوگرافی آن که از طریق اِچ کردن با محلول نیتال (98 مول الکل و 2 مول HNO<sub>3</sub>) پس از انجام عملیات اِچ تصاویر SEM (میکروسکوپ الکترونی) آن تهیه گردید.</p>
<p>برای مطالعه این تاثیرات بر روی تنش سیلان فولاد می بایست در نظر گرفت که افزایش دما می تواند بر روی خواص مکانیکی و ساختار ریزدانه تاثیر گذار بوده و این به طور غیر مستقیم می تواند در پیش بینی رفتار تنش سیلان فلز نقش ایفا کند. به عنوان نمونه بر روی یک فولاد مشخص با عنوان DH-36 مطالعه ای صورت گرفت و سه نوعِ مختلف از عملیات حرارتی شامل (α)آنیل ایزوترمال 750 درجه سانتیگراد، (b) آنیل تناوبی (سیکلی) مابین دماهای 750 و 680 درجه سانتیگراد و نهایتا (c) آنیل تناوبی مابین دماهای 800 و 680 درجه سانتیگراد اعمال گردید.</p>
<p>پس از انجام عملیات حرارتی نمونه ی متالوگرافی آن که از طریق اِچ کردن با محلول نیتال (98 مول الکل و 2 مول HNO<sub>3</sub>) پس از انجام عملیات اِچ تصاویر SEM (میکروسکوپ الکترونی) آن تهیه گردید.</p>
<p>شکل بالا تصاویر مربوط به فلز پس از انجام سه عملیات حرارتی گفته شده را نشان می دهد. مشخص است که در نتیجه ی عملیات حرارتی ریز ساختار فلز تغییرات قابل ملاحظه ای داشته است. این مثال انجام عملیات آنیل بر روی ورق های روغنی را نیز توجیه می کند.</p>
<p><span id="heat"></span>این مطالعه نشان می دهد که برای فولاد مذکور، پیکِ تنش، در نمودار تنشِ سیلان – دما، در ناحیه ی دمایی میانی، تحریک می شود. این تحریک به این خاطر است که نرخ کرنش افزایش پیدا کرده است و همانطور که گفته شد تنش سیلان ارتباط مستقیم با نرخ کرنش دارد. بنابراین نتیجه ی بدست آمده در آزمایش با تئوری مطابقت دارد.</p>
<h2> نمودار دما – زمانِ عملیات حرارتی Time-Temperature curve of Heat treatment</h2>
<p>برای درک بهترِ تاثیر این سه عملیات متوالی بر روی فولاد، نمودار دما – زمان آن در شکل 6 نشان داده می شود.</p>
<p style="text-align: center;"><img class="content-image" style="display: block; margin-left: auto; margin-right: auto;" title="شکل 6 – نمودارهای دما ـ زمان مربوطه به سه عملیات حرارتی " src="https://api.modiranparts.com/uploads/images/imgid1588770276334.jpg" alt="شکل 6 – نمودارهای دما ـ زمان مربوطه به سه عملیات حرارتی " width="525" height="767">شکل 6 – نمودارهای دما ـ زمان مربوط به سه عملیات حرارتی</p>
<p style="text-align: center;"> </p>
<p>a: عملیات حرارتی آنیل 750درجه</p>
<p>b: عملیات حرارتی تناوبی مابین 750و 680 درجه</p>
<p>c: عملیات حرارتی تناوبی مابین 800 و 680 درجه</p>
<p>اگرچه رفتار فلزات خصوصا فولاد ها با آلیاژهای مختلف بعنوان مثال میلگرد می تواند در موارد زیاد استثناء هایی داشته باشد اما به طور کلی می توان نتایجی در خصوص تاثیر عملیات حرارتی بر روی ریز ساختار ها به دست آورد به این صورت که ابتدا عملیات حرارتی بر روی نمونه های تهیه شده از فلز در دمایی مشخص و با تناوب های معین انجام می شود. سپس به منظور مطالعه ساختار فلز پس از عملیات حرارتی، بررسی های ریزساختاری به کمک میکروسکوپ نوری و الکترونی صورت می گیرد. یکی از بهترین آزمونها آزمون کشش می باشد بنابراین آزمون کشش بر روی نمونه ها برای بررسی -رفتار تنش- کرنش انجام می گردد. در ادامه رفتار سیلان نمونه ها در منطقه پلاستیک به کمک روابط هولمن، لودویگون و وس، مدلسازی شده و نتایج آن مشخص می کند که افزایش دما و زمان عملیات حرارتی، باعث استحاله های بین فازی در فلز و افزایش انعطاف پذیری ساختار شده و در نتیجه، افزایش قابلیت شکل پذیری نمونه ها را به همراه خواهد داشت. همچنین از نتایج به دست آمده می توان با دقت بالایی برای بیان رفتار تنش سیلان در شرایط قبل و بعد از عملیات حرارتی، استفاده کرد.</p>
<p>هرچه رشد دانه بیشتر صورت گیرد، مدل پلاستیسیته ی آن گسترش یافته و نرخ کرنش افزایش می یابد. با افزایش نرخ کرنش به خوبی می توان نتیجه گیری نمود که تنش سیلان افزایش می یابد چرا که مقدار تنش مورد نیاز برای تداوم تغییر فرم پلاستیک فلز افزایش می یابد.</p>
<p> </p>
<p></p>
