خزش در دیرگدازها و مواد سرامیکی

در این مقاله فرآیندهای همراه با خزش در دیرگدازها و مواد سرامیکی مورد بررسی قرار می‌گیرند. عیوب ساختاری را می توان بر اساس تأثیر آنها بر خزش در دیرگدازها (به ترتیب نزولی) رتبه بندی کرد: منافذ بزرگ; ناخالصی های فازی با نقطه کم ذوب، به ویژه فاز شیشه­ای؛ ریز منافذ؛ مرزهای کریستالی، به ویژه عبور از ریز منافذ. مرزهای بلوک، نابجایی؛ جای خالی متوالی با شدت انتقال جرم نفوذی، یعنی غلظت جاهای جای خالیدر نزدیکی عناصر ساختاری (عیوب) فهرست شده تعیین می شود.

این پست را به اشتراک بگذارید :

در این مقاله فرآیندهای همراه با خزش در دیرگدازها و مواد سرامیکی مورد بررسی قرار می‌گیرند. عیوب ساختاری را می توان بر اساس تأثیر آنها بر خزش در دیرگدازها (به ترتیب نزولی) رتبه بندی کرد: منافذ بزرگ; ناخالصی های فازی با نقطه کم ذوب، به ویژه فاز شیشه­ای؛ ریز منافذ؛ مرزهای کریستالی، به ویژه عبور از ریز منافذ. مرزهای بلوک، نابجایی؛ جای خالی متوالی با شدت انتقال جرم نفوذی، یعنی غلظت جاهای جای خالیدر نزدیکی عناصر ساختاری (عیوب) فهرست شده تعیین می شود.

خزش در دیرگدازها در دمای بالا به دلیل فرآیندهای نفوذغیرقابل بازگشت و عدم تعادلی ایجاد می‌شود که با ساختار و ترکیب پیچیده‌تر جزئیات سلولی و میکرو- و ماکروساختار مواد اکسیدی در مقایسه با فلزات مرتبط است [1]. در واقع، دو یا بیشتر از نوع یون‌ها که در شعاع و ارزش‌ها و نشانه‌های بار آن‌ها اختلاف دارند، سلول‌های جزئی حجیمی را تشکیل می‌دهند که از چندین زیرشبکه تشکیل شده است. به دلیل چنین ساختار خود سازنده شبکه بلوری و عیب‌های آن که برای عیوب ساختاری (عیوب نابجایی، مرزها و غیره) مسئول هستند، هندسه سطوح لغزش اعدادی بسیار پیچیده است که به شکل جدی حرکت آن‌ها را متوقف می‌کند. علاوه بر این، سرامیک‌ها دارای ساختار چند سطحی نوع دیرگدازها هستند [2] که باعث ایجاد مشکل در فرآیندهای تراکمی انتقال جرم مشترک می‌شود: به طور کلی، سرامیک‌ها جامدات چندبلوری هستند که شامل چندین فاز، از جمله فاز شیشه‌ای و منافذ هستند.

لازم به ذکر است که مطالعات سیستماتیک خزش در دیرگدازها و مواد سرامیکی برای اولین بار در دانشگاه مهندسی شیمی روسیه دی.ای. مندلیف تحت راهنمایی د.ان. پلوبویارینوف، رئیس دپارتمان مهندسی شیمی سرامیک و دیرگداز[3] آغاز شد و برای مدت زمان طولانی، این دپارتمان در این حوزه پژوهشی جایگاه برجسته‌ای داشته است. مطالعه حاضر قصد دارد خلاصه‌ای از شکل‌گیری در این مواد، با شروع از ترکیبات ساده، یعنی سرامیک‌های فشرده با یک اکسید و به پایان رساندن با مواد پیچیده‌تر: دیرگدازهای صنعتی تولید شده، ارائه دهد. این تحلیل بر اساس یک پایگاه داده گسترده از داده‌های آزمایشی در مورد رفتار سرامیک و دیرگدازها در دمای بالا تحت بار مکانیکی با همان تجهیزات ثبت شده است [3-5]. این فرآیند کمک به همبستگی نتایج می‌کند. این تحقیق بر اساس سری‌های خاص از نمونه‌های مدل انجام شد که بر اساس همان فناوری تهیه شده‌اند و علاوه بر این، در هر سری تنها یک پارامتر ساختاری متغیر بود. در آزمایش خزش در دیرگدازها و سرامیک‌های فشرده، تأثیر افزودنی‌ها، اندازه بلورها (شامل اندازه بعد از پیرایش حرارتی)، مقدار فاز دوم با نقطه ذوب بالا و فاز شیشه‌ای بررسی شد؛ در سرامیک‌های متخلخل، تأثیر اندازه یا شکل منافذ و تأثیر ناچیزی جداگانه بررسی شد. در آزمایش خزش در دیرگدازها، داده‌های مربوط به تأثیر ترکیب فاز، نقش قطعات گرداننده و رابط، فشار تولید، دمای پردازش حرارتی، روش تولید و غیره به دست آمد.

تفسیر نتایج بر اساس مفهوم شیمی فیزیکی بلورها با عیب‌ها و فیزیک سیستم‌های باز [6، 7] انجام شد. رویکرد شیمی فیزیکی در تعیین عملیات جزئی مورد نیاز برای فرآیندهای شکست، به وابستگی ترکیب و ساختار مواد، امکان‌پذیر است. طبق اصول فیزیک سیستم‌های باز، تأمین انرژی مکانیکی به یک ماده منجر به خود سازماندهی آن با استفاده از ساختارهای موجود یا توسعه ساختارهای جدید برای انتشار انرژی (ساختارهای تبدیلی [8]) می‌شود. داده‌های آزمایشی به دست آمده در [4] در مورد خزش در دیرگدازها، با همه جزئیات فرآیندی که از مدل نفوذ[9] بر می‌آید، در توافق خوبی هستند: سینتیک خطی شکست، تناسب سرعت خزش با تنش مورد استفاده و نسبت معکوس به مربع یا مکعب اندازه بلور، همبستگی بین انرژی فعال‌سازی و نفوذ. آزمایش‌هایی که با روشی ویژه [10] انجام شده است که قادر به تعیین یک مکانیزم خاص در یک فرایند پیچیده و محدوده تأثیر آن در فضای متغیر (دما، بار، اندازه بلور) با استفاده از روش‌های آماری ریاضیاتی می‌باشد، صحت چنین نتیجه‌ای را نشان می‌دهد: در دماهای بالا، نقش محدود کننده مدل‌های نفوذی است [11].

افت انرژی در خزش در دیرگدازها بصورت نفوذی به دلیل شکست با استفاده از جریان‌های نفوذی محلی بین سایت‌های تکی رابط مواد ناهمگن ایجاد می‌شود [12]. در صورت نفوذ در جاهای خالی، اشباع محلی جای خالیمرتبط با توزیع ناهمگن تنش‌های عمودی به شرح زیر خواهد بود:

معادله 1- بررسی خزش در دیرگدازها
معادله 1- بررسی خزش در دیرگدازها

که در آن غلظت تعادلی جای خالیدر دمای T است. همچنین تغییرات پتانسیل شیمیایی را نشان می‌دهد؛  حجم اتم، و k ثابت بولتزمن است. در این حالت، ضریب نفوذD به وسیله ضریب نفوذجای خالیDv تعیین می‌شود.

منابع و جاهای جاهای جای خالیدر مدل مورد نظر، سطوح بدنه (داخلی و خارجی)، حفره‌ها، مرزهای بلور یا بلوک، نابجایی ها است که تأثیر آنها در ترتیب ذکر شده به شدت کاهش می‌یابد. پرمصرف‌ترین فرآیند، نفوذ جاهای جاهای جای خالیدر بینابین حجم بلور تا رسیدن به یک مرز است که تراوایی آن بسیار بیشتر است، به عبارت دیگر، Dboun > Dvol . وابستگی دمایی ضریب نفوذ از معادله آرانیوس تعیین می‌شود که در آن مقدار انرژی فعال‌سازی جمع انرژی تشکیل U و مهاجرت  جاهای جای خالیاست. انرژی جابجایی به دو صورت جابجایی حجمی و جابجایی در امتداد مرزهای بلور (wvol > wboun ) و همچنین در امتداد  مرزدانه های دیگر و نابجایی ها تفکیک می‌شود.

به علت منفرد بودن جاهای خالی، اغلب انواع نقاط خالص را بسته به منشأ آنها در نظر می‌گیرند: خالص-درونی به دلیل فعالیت حرارتی؛ خالص-ناخالصی ی و خالص-غیراستوکیومتریک. فرآیندهای تشکیل آنها با توجه به واکنش‌های غیرمنظم کوالانسی شیمیایی به تطابق با قوانین حرارتی و سینتیک شیمیایی شرح داده می‌شود. به دلیل غلظت پایین جاهای خالی، معمولاً مدل تقریب محلول‌های پخش شده انتخاب می‌شود. واکنش‌های تشکیل نقاط خالص-درونی با نوسانات حرارتی مرتبط هستند و نیاز به مصرف انرژی قابل توجه دارند، بنابراین غلظت آنها معمولاً بسیار پایین است. تشکیل جاهای جای خالیناخالصی ی و غیراستوکیومتریک به راحتی اتفاق می‌افتد و تعداد آنها با محتوای ناخالصی های ناهم‌آرایی یا درجه از دست دادن استوکیومتری مرتبط است که تاثیر بالقوه­ای بر خزش در دیرگدازها دارد.

داده‌های آزمایشی موجود [4] با در نظر گرفتن مفاهیم کلی شرح داده شده در بالا، در این مورد خاص به استنباطات زیر می‌انجامد. وجود مقدار ثابت عمده‌ای از ناخالصی ها، در یک بازه دمایی نسبتاً گسترده، غلظت ثابتی از جای خالی را تولید می‌کند که با نوسانات حرارتی هماهنگ نیست. در این حالت، انرژی فعال‌سازی نفوذ تنها شامل جزء حرکتی است و سرعت فرآیند به مقداری از جاهای خالی ناخالصی وابسته است. شکل 1 نتایج تعیین سرعت تغییرشکل در سرامیک کوراندوم بسیار خالص و به عنوان مرجع، در سرامیک‌های فنی را به صورت وابستگی دما نشان می‌دهد که برای بررسی خزش در دیرگدازها مورد بررسی قرار گرفته است.. مشخص است که کاهش غلظت ناخالصی ها تنها باعث کاهش سرعت فرایند می‌شود، در حالی که انرژی فعال‌سازی ثابت می‌ماند (اندازه بلورهای نمونه‌های سرامیکی تقریباً یکسان است).

اضافه یا کمبود اکسیژن با انحراف از استوکیومتری به صورت مشابهی با ناخالصی ها عمل کرده و جاهای خالی مربوطه را تشکیل می‌دهد. بنابراین، شکل 2 نشان دهنده وابستگی دمایی سرعت خزش در دیرگداز ها از نوع کوروندوم بسیار خالص و سرامیک‌های با اضافه کردن اکسید منیزیم و تیتانیوم، یعنی فلزاتی با درجه اکسیداسیون بالاتر و پایین‌تر از آلومینیوم است. مشخص است که تغییرات در مقدار جاهای خالی ناخالصی در یک محدوده بسیار کوچک در مواد با درجه خلوص فنی تقریباً هیچ تأثیری بر سرعت فرآیند خزش در دیرگدازها و یا انرژی فعال‌سازی ندارد، به عبارت دیگر، وارد کردن ناخالصی های اضافی به صورت کمی، بر فرایند تأثیری ندارد. می‌توان فرض کرد که در یک بازه دمایی نسبتاً کوچک که خزش در دیرگدازها ی فنی معمولاً اندازه‌گیری می‌شود، مکانیزم تغییرشکل ثابتی برای یک ماده خاص ثبت خواهد شد، که برابر با مجموع عیوب موجود است و این مورد به صورت تجربی تأیید شده است. این ارزشی را برای انرژی فعال‌سازی فرآیند تعیین می‌کند.

شکل 1-وابستگی دمایی نرخ تغییر شکل به شدت سرامیک مولایت سینتر شده در فواصل 1500 تا 1800 درجه سانتی گراد (1) و 1650 - 1800 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال جهت بررسی نرخ خزش در دیرگدازها
شکل 1-وابستگی دمایی نرخ تغییر شکل به شدت سرامیک مولایت سینتر شده در فواصل 1500 تا 1800 درجه سانتی گراد (1) و 1650 – 1800 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال جهت بررسی نرخ خزش در دیرگدازها
شکل 2-سرعت خزش در دیرگدازها از نوع کوراندوم (1) و سرامیک با افزودنی های 1 درصد وزنی TiO2 (2) و 0.3 درصد وزنی MgO (3). بار 1.3 مگاپاسکال
شکل 2-سرعت خزش در دیرگدازها از نوع کوراندوم (1) و سرامیک با افزودنی های 1 درصد وزنی TiO2 (2) و 0.3 درصد وزنی MgO (3). بار 1.3 مگاپاسکال

با این حال، نقاط انحراف در منحنی وابستگی دما ممکن است به دلیل تغییرات در ساختار ماده و تغییرات مرتبط در مکانیزم خزش در دیرگدازها رخ دهد. بنابراین، نمودار دوره دمایی سرعت خزش برای سرامیک‌های مولایت سنتز شده در بازه 1600-1650 درجه سانتی‌گراد یک نقطه انحراف دارد: قبل و بعد از این نقطه، منحنی در مختصات log  خطی است (شکل 3). هنگامی که آزمون با دمای بالاتر از دمای نامعمول آغاز شد، وابستگی یک ادامه بازه دمای پایین را نشان می‌داد. چنین رفتاری به تغییر در ترکیب مولیت در طی آزمایش‌های خزش در دیرگدازها نسبتاً طولانی مدت برمی‌گردد [4، 13].

شکل 3-وابستگی دمایی نرخ تغییر شکل به شدت سرامیک مولایت سینترشده در فواصل 1500 تا 1800 درجه سانتی گراد (1) و 1650 - 1800 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال جهت بررسی خزش در دیرگدازها
شکل 3-وابستگی دمایی نرخ تغییر شکل به شدت سرامیک مولایت سینترشده در فواصل 1500 تا 1800 درجه سانتی گراد (1) و 1650 – 1800 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال جهت بررسی خزش در دیرگدازها

به نظر می‌رسد که نقش خالص-ناخالصی  و غیراستوکیومتریک در خزش در دیرگدازها استفاده شده در عمل که حاوی مقدار قابل توجهی ناخالصی  (شامل فلزات با درجه اکسیداسیون متغیر) هستند، حیاتی است، زیرا حل جاهای خالی داخلی حرارتی فعال‌شده حتی در نقطه ذوب، درجه پخش بسیار بالایی را دارد. با این حال، جاهای خالی ناخالصی  و غیراستوکیومتریک تنها به خود نفوذیون‌های درونی کمک می‌کنند، مشارکت آنها در انتقال جرم به دلیل تعداد کمتر آنها نسبت به تعداد نقاط شبکه، بسیار کمتر است. آنها سرعت فرآیند را اصلاح می‌کنند، اما انرژی فعال‌سازی بستگی به قابلیت حرکت عیوب داخلی دارد. این مورد با داده‌های به دست آمده برای انواع مختلف سرامیک‌های اکسیدی [4] تأیید شده است.

شبکه مرزهای بلوری تأثیر زیادی بر فرآیند خزش در دیرگدازها دارد [12]. فرض می‌شود که در سرامیک‌های پلی‌کریستال با چگالی سینر شده بالا و اندازه عناصر ساختاری کمتر از 1-10 میکرومتر، تعداد نقاط شبکه در حالت حجمی خالص (که مرز بر روی آن تأثیر کمی دارد) بسیار کم است و نفوذ در طول مرزها انجام می‌شود یا به عبارت دقیق‌تر، در مناطق مرزی با عرض  و ضریب نفوذDboun انجام می‌شود. با توجه به این موضوع، عباراتی که سرعت خزش  را توصیف می‌کنند به صورت زیر هستند:

برای مکانیزم نفوذحجمی:

رابطه 2 - بررسی خزش در دیرگدازها
رابطه 2 – بررسی خزش در دیرگدازها

برای مکانیزم نفوذمرزی:

رابطه 3- خزش در دیرگدازها
رابطه 3- خزش در دیرگدازها

که l فاصله مشخص بین منبع و خروجی جاهای جای خالی(یعنی اندازه بلورها) است. با فرض افزودنی بودن جریان‌های جرم حجمی و مرزی، ضریب نفوذمؤثر به صورت زیر است:

رابطه 4- خزش در دیرگدازها
رابطه 4- خزش در دیرگدازها

حالت شبکه مرزی بلور، شکل و اندازه بلورها به کلی از تاریخچه ساخت سرامیک وابسته هستند، زیرا می‌توان آن را به عنوان تکامل عناصر یک ساختار (از یک اتم تا محصول کامل) در نظر گرفت [2]. تثبیت ساختار نهایی یک محصول سرامیکی در پخت به عنوان نتیجه فرآیندهای نفوذ رخ می‌دهد. در پخت، منافذ از بخش میانی حذف می‌شوند، در مرحله نهایی بلورها رشد کرده و از ناخالصی ها و میکرو منفذها پاک می‌شوند. عامل مهم این است که در این فرآیند، غلظت و قابلیت حرکت جاهای جای خالی تغییر می‌کند و مسیر نفوذ از منبع تا خروجی نیز تغییر می‌کند [15]، در حالی که بخش ماده‌ای که مرز مهاجرتی از آن عبور می‌کند به شکل بیشتری بهبود می‌یابد. با توجه به داده‌های آزمایشی (شکل 4)، سرعت خزش در دیرگدازها با رشد بلورها کاهش می‌یابد و انرژی فعال‌سازی فرآیند افزایش می‌یابد که به کاهش نقش مراکز ناخالصی و کاهش تأثیر نفوذ مرزی برمی‌گردد. بنابراین، رفتار مواد در آزمایش‌های خزش نسبتاً کوتاه مدت توسط ساختار آن‌ها در پخت شده تعیین می‌شود. با این حال، در گذر به آزمایش‌های بلند مدت، وضعیت تغییر می‌کند.

شکل 4-سرعت خزش در دیرگدازها از نوع کوراندوم با کریستال غالب سایز 10 (1)، 30 (2) و 40 متر (3)؛ بار 1.3 مگاپاسکال
شکل 4-سرعت خزش در دیرگدازها از نوع کوراندوم با کریستال غالب سایز 10 (1)، 30 (2) و 40 متر (3)؛ بار 1.3 مگاپاسکال

زیر دمای بالا، دو فرآیند هم‌زمان در زمینه بار مکانیکی خارجی رخ می‌دهند که دارای نیروی پویاهای متفاوتی هستند، اما هردو باعث تغییر ساختار ماده می‌شوند. یکی از این فرآیندها به علت انرژی آزاد بیش از حد بدنه پلی‌کریستالی مربوط به حضور عیوب شبکه‌ای مختلف (نقطه، خطی، سطحی، حجمی) است. بنابراین، بلور تلاش می‌کند که این عیوب را از بین ببرد و به دنبال آن رشد کند، به عبارتی تبلور مجدد می‌شود. در عین حال با تبلور مجدد، حجم بلور در طول مهاجرت مرز از ناخالصی ها و منافذ میکرو شریانی پاک می‌شود و این عیوب در رابطه‌های داخلی و در نابجایی ها جمع می‌شوند. به طور کلی این فرآیند به عنوان پیری حرارتی شناخته می‌شود که در طول آن، تکاملی که نشان دهنده مرحله سینترینگ نهایی است، رخ می‌دهد. فرآیند دیگری که به عنوان “خزشمناسب” شناخته می‌شود، به دلیل جریان جای خالی بین ورودی‌ها و خروجی‌ها در پاسخ به نیروی خارجی رخ می‌دهد. فرآیند اول درمان با دمای بالا به طور تدریجی ساختار ماده را تغییر می‌دهد که بر روی مکانیزم خزشو سرعت فرایند تأثیر می‌گذارد. شکل 5 وابستگی دما به سرعت خزش در دیرگدازها از نوع کوراندوم قبل و بعد از پیری حرارتی را نشان می‌دهد. مشخص است که با افزایش دما و مدت زمان درمان (با افزایش اندازه بلور و غیره) سرعت فرآیند کاهش می‌یابد و انرژی فعال‌سازی آن افزایش می‌یابد. همان‌طور که در نمونه‌های پیر نشده به عنوان شکل 4 نیز مشاهده شده است، این نتایج به دلیل کاهش محتوای مراکز آلودگی و کاهش اثر انتشار مرز است.

شکل 5-خزش در دیرگدازها در نمونه های اولیه سرامیک کوراندوم (1 ) و پس از آن پیری حرارتی به مدت 10 ساعت در دمای 1900 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال
شکل 5-خزش در دیرگدازها در نمونه های اولیه سرامیک کوراندوم (1 ) و پس از آن پیری حرارتی به مدت 10 ساعت در دمای 1900 درجه سانتیگراد (2)؛ بار 2.5 مگاپاسکال

زمانیکه فرآیند پیری به دلیل یک نیروی کوچک، سینتیک آن بسیار کند می‌شود و تغییرات ساختاری بسیار کند پدید می‌آید. درآزمون‌های خمشی کوتاه، این تغییرات در واقع قابل لمس نیستند و فقط مکانیسم ثابتی ثبت می‌شود که با حالت اولیه ماده هماهنگ است. با افزایش زمان آزمایش خمشی، این تغییرات قابل لمس می‌شوند که عموماً در حین سرویس ثبت می‌شوند. مثالی از این مسئله در شکل ۶ نمایش داده شده که ساختار نمونه‌ای از سرامیک کوراندوم فشرده در مراحل پیشرفته خمش قبل از نابودی را به صورت شماتیکی نشان می‌دهد. در آزمایش‌های خمشی، انتظار می‌رود در منطقه کششی (یک لایه در ناحیه فشاری وجود دارد که گاهی اوقات لکه‌های سطحی را به خود می‌گیرد) ترک ها، دستگاه‌های جای خالی و منافذ را مشاهده شود. این احتمالاً به تجمع جای خالی، به طور عمده در میان میکرومنافذ، میکروترک ها و همچنین شکاف قبل از آزمایش مربوط می‌شود. همه‌ی این فرآیندها در مرحله‌ی پایداران خمش برای ماده رخ می‌دهند، به عبارتی، مکانیسم تغییرشکل هنوز هم بر اساس نفوذ پذیری است و نابودی بدون شتاب خمش رخ می‌دهد.

شکل 6-نمای کلی ریزساختار سرامیکی در مراحل دور خزش در دیرگدازها. لایه ها: الف) فشرده، ب) خنثی، ج) کشیده شده. الف) شکستگی
منطقه، ب) منطقه وقوع تخلخل و انتشار ترک.
شکل 6-نمای کلی ریزساختار سرامیکی در مراحل دور خزش در دیرگدازها . لایه ها: الف) فشرده، ب) خنثی، ج) کشیده شده. الف) شکستگی منطقه، ب) منطقه وقوع تخلخل و انتشار ترک.

لازم به ذکر است که این تغییرات ساختاری نتیجه‌ی تأثیر خلاصه شده تحت فعال‌سازی حرارتی پیری هستند، یعنی نیروهای تنش سطحی و خمش به عنوان نیروی خارجی. آنها در آزمایش‌ها با اشیاء ساده، یعنی سرامیک اکسیدی فشرده سینتر شده، ثبت می‌شوند. در موارد دیگر، وضعیت به دلیل تأثیر منافذ و فازهای دیگر (به ویژه فاز شیشه‌ای)، تغییرات در مواد خام، فناوری و غیره پیچیده شده است.

بنابراین، در آزمایش‌های خمشی معمولاً بلندمدت نسبتاً کوتاه، فقط یک تغییر کمی در ساختار ماده (به ویژه اندازه بلورها) رخ می‌دهد، به عبارت دیگر، عناصر ساختاری که قبل از آزمایش وجود داشتند به عنوان عناصر پراکنشی عمل می‌کنند. با این حال، تعرض بلندمدت به دماهای بالا ساختار مواد را به طور قابل لمسی متأثر می‌کند که بر خمش تأثیر می‌گذارد. مرز مهاجرتی در طول رشد بلورها، حجم‌های محلی خود را از بیشتر ناخالصی ها و منافذ جای خالی پاک می‌کند (همان اتفاقی که در فلزات مشاهده شد). در نتیجه، غلظت جای خالی کاهش می‌یابد و سرعت خمش کاهش می‌یابد. انرژی پراکندگی در بازسازی بلور به واسطه مهاجرت جای خالی مرز بلوری و همچنین کاهش کل سطح داخلی حفره‌های (منافذ، میکروترک‌ها) اتفاق می‌افتد، زمانی که اندازه آن‌ها افزایش می‌یابد. علاوه بر این، در حضور بلورهای بزرگ، نقش نفوذ مرزی بر خزش در دیرگدازها کاهش می‌یابد و در نتیجه، انرژی فعال‌سازی افزایش می‌یابد. در همان زمان، ناخالصی های که رشد بلورها را مختل می‌کنند می‌توانند به مدت طولانی خمش را در مواد کنترل کنند.

خمش در ساختارهای سرامیکی پیچیده به نقطه ضعف آن بستگی دارد: وجود منافذ و فازهای با نقطه ذوب پایین [۱۷]. به طور کلی، منافذ را می‌توان به عنوان دومین فاز (خالی) با قدرت صفر در نظر گرفت. خصوصیات مکانیکی به اندازه، شکل و محتوای حجمی منافذ (ناخالصی) وابسته است. تأثیر فیزیکی منافذ در چندین جنبه حس می‌شود. آنها مقطع مؤثر را کاهش می‌دهند، یعنی مساحت سطحی که توسط محیط خارجی نمونه محدود شده است. در ادامه، نشان داده شده است [۱۸] که نابودی در امتداد یک سطح پیچیده که از منافذ و سایت‌های تماس عبور می‌کند اتفاق می‌افتد؛ بخش تماس به طور قابل توجهی کوچک‌تر از بخش مؤثر است. علاوه بر این، قدرت تماس در مقایسه با ماده فشرده کمتر است، به دلیل محتوای بالاتر خطاها در پل‌های موجود بین منافذ نسبت به حجم دانه‌ها. این کاهش مبهم است و با عوامل فیزیکی (سطح مقعر) و فناوریکی مرتبط است.

تأثیر ناخالصی بر خمش در سرامیک‌های کوراندوم در شکل ۷ نشان داده شده است. می‌توان دید که نرخ تغییر شکل داخل یک بازه باریک (تا ۵-۷٪) به طور ناچیزی متغیر است و سپس به صورت نمایی رشد می‌کند. بسیار احتمالاً با ناخالصی بالا، وضعیت تماس بین دانه‌ها تأثیر بزرگی دارد و خمش در ماتریس را تعیین می‌کند. غلظت تنش در منافذ مربوط به شکل و اندازه آن‌ها بر خمش تأثیر ندارد. شکل ۸ نتایج آزمایش سرامیک‌های کوراندوم با اندازه‌های مختلف منافذ (از ۵۰ تا ۱۰۰ تا ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ میکرومتر) با ناخالصی کل حدود ۳۲٪ و اندازه بلورهای تقریباً مساوی (۵-۱۰ میکرومتر) را نشان می‌دهد. به این ترتیب، سرعت خمش آنها در یک بازه باریک قرار دارد، هرچند اندازه منافذ ده برابر تغییر کرده باشد. نتایج مشابه در مورد مواد پرمنفذ با ساختار دانه‌ای و با افزودن‌های سوخته مشاهده شده است، به عبارت دیگر، به طوری که شکل منافذ، آیا گُرد یا شکل شکافی دارد، بی‌تأثیر است.

شکل 7-وابستگی سرعت خزش در دیرگدازها از نوع  کوراندوم به تخلخل (دما 1500 درجه سانتی گراد، بار 1.3 مگاپاسکال).
شکل 7-وابستگی سرعت خزش در دیرگدازها از نوع  کوراندوم به تخلخل (دما 1500 درجه سانتی گراد، بار 1.3 مگاپاسکال).
شکل 8-دامنه تغییرات خزش در دیرگدازها در کوراندوم متخلخل (32%) سرامیک بسته به دما با میانگین اندازه منافذ متفاوت است
از 75 تا 750 متر (بار 1.3 مگاپاسکال).
شکل 8-دامنه تغییرات سرعت خزش در دیرگدازها در کوراندوم متخلخل (32%) سرامیک بسته به دما با میانگین اندازه منافذ متفاوت است از 75 تا 750 متر (بار 1.3 مگاپاسکال).

رفتار ساختار بدون منافذ به محتوای ناخالصی ها بستگی دارد که تعداد و ویسکوزیته فاز پایین نقطه ذوب یا شیشه‌ای را تعیین می‌کند. با محتوای بالا و توزیع پیوسته این فاز، رفتار آن تعیین‌کننده خمش در مواد سرامیکی است: فاز با نقطه ذوب بالا در این حالت تنها ویسکوزیته پدیده ماده را کمی افزایش می‌دهد [۱۹]. اگر فاز با نقطه ذوب پائین به صورت درجات وجود داشته باشد، نقش آن می‌تواند به همان شکلی که در مورد منافذ بود تفسیر شود. باید به یاد داشت که این فاز قدرتی با ارزش غیرصفر دارد.

فناوری تولید کمترین تأثیر را بر رفتار مقالات دارد، تا آنجا که اطمینان می‌دهد دانه‌های پرکننده توسط عامل بسته‌کننده به هم چسبیده باشند [۲۰]. خمش توسط وضعیت ساختاری که به عنوان نتیجه آماده‌سازی مقاله در دمای بالا حاصل شده است، تعیین می‌شود، بدون در نظر گرفتن روش‌های رسیدن به این وضعیت. اگر فرآیندهای فیزیکوشیمیایی در حین پخت (تسطیح غلظت عناصر، کاهش انرژی اضافی یا منافذ و بلورها و غیره) به پایان رسیده باشد، سخت است یک دانه پرکننده را از باند کننده در یک ساختار تمایز داد. در عین حال، دیرگدازهای صنعتی، حتی آن‌هایی که براساس یک استاندارد ساخته شده‌اند، نفوذ بزرگی در سرعت خمش دارند، به دلیل تفاوت در مواد اولیه و تکنیک‌های مختلف در کارخانه‌های مختلف [۲۲]. فرآیندهای تغییرشکل در چنین موادی سخت است و تقریباً غیرممکن است نتایج آزمایش را به شکل تحلیلی با معنای فیزیکی بیان کرد. داده‌های به دست آمده نشان می‌دهد که خمش عمدتاً به ناخالصی، ترکیب فاز و میزان و کیفیت تماس بین دانه‌ها بستگی دارد. از بین فازهای موجود در دیرگدازها، فاز شیشه‌ای برای خمش و سرعت تغییرشکل بیشترین اهمیت را دارد. به طور کلی، بهتر است به صورت تجربی به دنبال یافتن پاسخ درباره رفتار یک دیرگداز خاص باشیم، اگرچه نتایجی که در اینجا در مورد خمش ارائه شده است، می‌توانند به عنوان نتایج مدل برای برآورد اولیه استفاده شوند.

در مواد پیچیده، مکانیزم اصلی تبدیل انرژی پذیرفته شده، به طور کلی، انتقال جرم است که با حرکت بخش‌های نسبتاً بزرگی از ماده همراه است، که تعیین‌کننده تغییرشکل آن هستند: این مناطق عناصر پذیرفته شده در ساختار هستند. سری حساسیت دیرگدازها و سرامیک‌ها به عیب‌های ساختاری در خمش به صورت تجربی به شکل زیر قابل نمایش است: منافذ بزرگ؛ درجات فاز پایین نقطه ذوب، به خصوص فاز شیشه‌ای؛ منافذ میکرو؛ مرزهای بلور، به خصوص آن‌هایی که از طریق منافذ میکرو عبور می‌کنند، مرزهای بلوک، خطاهای خطی، خلاء. توالی در این سری با شدت انتقال جرم نفوذی، یعنی غلظت خلاء در نزدیکی عناصر ساختاری (عیب‌ها) ذکر شده بالا، تعیین می‌شود. اگر تبادل جرم نفوذ کافی نباشد تا فشارهای پدید آمده را جبران کند، اختلالات پیوستگی (منافذ، ترک‌ها) شکل می‌گیرند.

خزش در دیرگدازها (مواد نسوز سرامیکی) چگونه طبقه بندی می شود؟

عیوب ساختاری را می توان بر اساس تأثیر آنها بر خزش در دیرگدازها (به ترتیب نزولی) رتبه بندی کرد: منافذ بزرگ; ناخالصی های فازی با نقطه کم ذوب، به ویژه فاز شیشه­ای؛ ریز منافذ؛ مرزهای کریستالی، به ویژه عبور از ریز منافذ. مرزهای بلوک، نابجایی؛ جای خالی متوالی با شدت انتقال جرم نفوذی، یعنی غلظت جاهای جای خالی در نزدیکی عناصر ساختاری (عیوب) فهرست شده تعیین می شود.

آیا مواد دیرگداز دچار خزش می شوند؟

خزش در دیرگدازها در دمای بالا به دلیل فرآیندهای نفوذغیرقابل بازگشت و عدم تعادلی ایجاد می‌شود که با ساختار و ترکیب پیچیده‌تر جزئیات سلولی و میکرو- و ماکروساختار مواد اکسیدی در مقایسه با فلزات مرتبط است . در واقع، دو یا بیشتر از نوع یون‌ها که در شعاع و ارزش‌ها و نشانه‌های بار آن‌ها اختلاف دارند، سلول‌های جزئی حجیمی را تشکیل می‌دهند که از چندین زیرشبکه تشکیل شده است. به دلیل چنین ساختار خود سازنده شبکه بلوری و عیب‌های آن که برای عیوب ساختاری (عیوب نابجایی، مرزها و غیره) مسئول هستند، هندسه سطوح لغزش اعدادی بسیار پیچیده است که به شکل جدی حرکت آن‌ها را متوقف می‌کند. علاوه بر این، سرامیک‌ها دارای ساختار چند سطحی نوع دیرگدازها هستند که باعث ایجاد مشکل در فرآیندهای تراکمی انتقال جرم مشترک می‌شود: به طور کلی، سرامیک‌ها جامدات چندبلوری هستند که شامل چندین فاز، از جمله فاز شیشه‌ای و منافذ هستند.

خزش در دیرگدازها از چه زمانی مطرح شد؟

خزش در دیرگدازها و مواد سرامیکی برای اولین بار در دانشگاه مهندسی شیمی روسیه دی.ای. مندلیف تحت راهنمایی د.ان. پلوبویارینوف، رئیس دپارتمان مهندسی شیمی سرامیک و دیرگداز آغاز شد.

دوشنبه و چهارشنبه هر هفته با آکادمی ویستا همراه باشید. جدیدترین مقالات کاربردی را در سایت ویستا آسمان دنبال کنید.

جهت بهره مندی از محصولات و خدمات مشاوره ای شرکت ویستا آسمان با ما در تماس باشید.

عضویت در خبرنامه

اطلاع از آخرین اخبار و مقالات ویستا آسمان

اخبار و مقالات مرتبط

Related news & articles

آکادمی ویستا

کاربرد فرو منگنز در صنایع مختلف

فرو منگنز (Ferromanganese) یک آلیاژ آهنی است که از ترکیب آهن و منگنز تشکیل شده و به دلیل خواص منحصر به‌فرد خود، کاربردهای گسترده‌ای در

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *