در چه شرایطی پدیده خزش فنرهای پیچشی فولادی ضد زنگ قابل توجه تر خواهد بود

خزش تغییر شکل پلاستیکی آهسته و دائمی یک ماده جامد تحت تنش ثابت در طول زمان است. برای فنرهای پیچشی فولادی ضد زنگ خزش به صورت کاهش تدریجی گشتاور بازیابی (از نظر فنی به عنوان آرامش استرس تحت انحراف ثابت) یا افزایش مداوم در زاویه انحراف تحت بار ثابت ظاهر می شود. این پدیده مستقیماً بر دقت و قابلیت اطمینان بلند مدت فنر تأثیر می گذارد. از دیدگاه حرفه ای، وقوع قابل توجه خزش در فنرهای پیچشی فولادی ضد زنگ در درجه اول تحت تأثیر اثرات هم افزایی سه عامل یکپارچه زیر است.

1. اثر دمای بحرانی

دما عامل اولیه ای است که تعیین می کند خزش به طور قابل توجهی رخ دهد یا خیر. در حالی که خزش از نظر تئوری در هر دمایی رخ می‌دهد، سرعت آن تنها زمانی که از یک آستانه خاص فراتر رفت، بر کاربردهای مهندسی تأثیر می‌گذارد.

همبستگی نقطه ذوب: تئوری سنتی مواد فلزی نشان می دهد که خزش معمولاً حدود 0.4 Tm بالاتر از دمای ذوب مطلق مواد قابل توجه است. فولادهای ضد زنگ (مانند سری 300) نقطه ذوب بالاتری دارند، اما به دلیل اینکه سیم فنر تحت تنش بالایی قرار دارد، دمای واقعی که در آن خزش رخ می دهد بسیار کمتر است.

دمای سرویس فولاد ضد زنگ: به طور کلی، حداکثر دمای سرویس برای فنرهای گشتاور برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی استاندارد (مانند SUS 304 یا 302) تقریباً 250 درجه سانتیگراد تا 300 درجه سانتیگراد است.

هنگامی که دمای کار زیر 100 درجه سانتیگراد است، سرعت خزش بسیار کم است و می توان آن را نادیده گرفت.

هنگامی که دمای کار از 150 درجه سانتیگراد فراتر رود، به ویژه در محدوده 200 درجه سانتیگراد تا 300 درجه سانتیگراد، حرکت نابجایی و انتشار فضای خالی در فولاد ضد زنگ با انرژی حرارتی فعال می شود، تغییر شکل پلاستیک را تسریع می کند و باعث می شود خزش قابل توجه شود.

2. اثر کاتالیزوری سطوح استرس بالا

تحت شرایط دمایی یکسان، سطوح تنش اعمال شده، نیروی محرکه اولیه ای است که خزش را تسریع می کند. برای فنرهای پیچشی، این تنش به طور خاص به تنش خمشی اشاره دارد.

تنش و قدرت تسلیم: خزش از این نظر منحصر به فرد است که در سطوح تنش بسیار کمتر از قدرت تسلیم ماده رخ می دهد. با این حال، هر چه تنش به حد الاستیک نزدیک‌تر شود، میزان خزش بیشتر می‌شود.

طراحی فنر: هنگام طراحی فنر پیچشی، اگر حداکثر تنش کاری از درصد بحرانی حد متناسب مواد فولاد ضد زنگ (مثلاً 60٪ یا 70٪) فراتر رود، خزش ممکن است در یک دوره طولانی جمع شود و ناپایداری ابعادی قابل توجهی را حتی در دمای اتاق ایجاد کند. تنش زیاد انرژی فعال سازی مورد نیاز برای غلبه بر مقاومت شبکه را فراهم می کند و وقوع خزش نابجایی را تسریع می کند.

آرامش استرس: در کاربردهای انحراف ثابت، استرس زیاد مستقیماً منجر به تسریع آرامش در استرس می شود. این آرامش در نهایت به صورت از دست دادن گشتاور ظاهر می شود، که دلیل اصلی این است که فنر نمی تواند عملکرد مورد نظر خود را حفظ کند.

3. مدت زمان بارگذاری پایدار

خزش یک تغییر شکل معمولی وابسته به زمان است. هر چه فنر بیشتر تحت بار بماند، کرنش خزشی تجمعی بیشتر می شود.

سه مرحله خزش: فرآیند خزش معمولاً به سه مرحله تقسیم می شود:

خزش اولیه: نرخ کرنش به تدریج کاهش می یابد. این مرحله ای است که وقتی فنر برای اولین بار بارگذاری می شود، تحت تأثیر سخت شدن کرنش است.

خزش ثانویه: نرخ کرنش اساساً ثابت می ماند. این مرحله ای از تعادل بین سخت شدن و نرم شدن (یعنی بازیابی) است و بیشتر عمر مفید فنر را به خود اختصاص می دهد.

خزش سوم: نرخ کرنش به شدت تا زمان شکست افزایش می یابد. در کاربردهای عملی فنرهای گشتاور، این مرحله به طور کلی مجاز نیست.

بار استاتیک بلند مدت: برای کاربردهای بار استاتیکی که نیاز به حفظ زاویه ثابت برای مدت طولانی دارند، مانند فنرهای سوپاپ یا مکانیسم های خاص بستن، زمان بسیار مهم است. حتی در تنش و دمای نسبتاً کم، بارهای تجمعی در طول سال ها یا حتی دهه ها می تواند باعث شود مجموعه دائمی فنر از حد تحمل فراتر رود.

4. تأثیر ریزساختار مواد

ریزساختار و فرآیند ساخت سیم فولادی ضد زنگ تأثیر تعیین کننده ای بر مقاومت در برابر خزش دارد.

سخت کاری سرد: سیم فنر فولادی ضد زنگ معمولاً درصد بالایی از کشش سرد را برای دستیابی به استحکام بالا متحمل می شود. چگالی بالای نابجایی های ایجاد شده توسط کار سرد باعث بهبود مقاومت خزشی در دمای اتاق می شود. با این حال، با افزایش دما، این دررفتگی ها ممکن است شروع به بهبودی کنند و عملکرد آرامش استرس را کاهش دهند.

سخت شدن بارش: برخی از گریدهای فولاد ضد زنگ با استحکام بالا (مانند فولاد زنگ نزن 17-7 PH) از مکانیزم سخت شدن بارش استفاده می کنند. عملیات حرارتی مناسب و پیری می تواند رسوبات ریز تشکیل دهد، به طور موثر نابجایی ها را پین کرده و مقاومت در برابر خزش دمایی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.