Investigation of the propagation of moving heat sources using generalized thermoelasticity with a three-phase-lag model

عندما نفكر في الحرارة، غالباً ما نتخيلها وهي تنتشر مثل تموج بطيء وثابت عبر الماء، لتصل إلى كل زاوية في النهاية. لفترة طويلة، وصفت القوانين القياسية للفيزياء انتقال الحرارة بهذه الطريقة، بافتراض أن التغير في درجة الحرارة عند نقطة ما سيؤثر فوراً على الجسم بأكره مهما كانت المسافة. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، خاصة عند التعامل مع عمليات سريعة للغاية أو دفقات طاقة مكثفة، تنهار هذه الفكرة. فالحرارة لا تنتقل بسرعة لانهائية؛ بل تتحرك بسرعة محددة، مما يخلق موجات بدلاً من فيضان فوري. أدى هذا الإدراك بالعلماء إلى تطوير نظريات أكثر تقدماً تعامل الحرارة كموجة، مع مراعاة التأخيرات الضئيلة التي تحدث أثناء انتقال الطاقة من ذرة إلى أخرى. وتعد هذه التأخيرات حاسمة عندما تتعرض المواد لتسخين سريع، كما هو الحال في القطع بالليزر أو اللحام عالي السرعة، حيث يمكن لسرعة مصدر الحرارة أن تحدد ما إذا كان الجزء المعدني سيتماسك أم سيتشقق.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لفهم كيفية تأثير مصدر حراري متحرك على صفيحة رقيقة ومرنة من مادة ما. وقد ركزوا على سيناريو شائع في الصناعة: شريط معدني يتم تسخينه بواسطة مصدر يتحرك عبر سطحه بسرعة ثابتة. وللحصول على صورة دقيقة، استخدموا نموذجاً متطوراً يُعرف باسم "نموذج التأخير ثلاثي المراحل". هذا النهج أكثر واقعية من الطرق القديمة لأنه يدرك أن انتقال الحرارة يتضمن ثلاثة تأخيرات متميزة: الوقت الذي يستغرقه تكوين تدرج درجة الحرارة، والوقت الذي يستغرقه تدفق الحرارة للاستجابة، والوقت الذي تستغرقه البنية الداخلية للمادة للتكيف مع الإجهاد الحراري. ومن خلال محاكاة صفيحة من النحاس يتم تسخينها بواسطة مصدر يتحرك بسرعات مختلفة، استطاع الفريق ملاحظة كيف تتغير درجة الحرارة، والتحرك الفيزيائي للمادة، والإجهاد الداخلي بمرور الوقت.

وجد الباحثون أن مدة التعرض وسرعة مصدر الحرارة هما العاملان الأكثر أهمية في كيفية تفاعل المادة. فعندما يطول بقاء مصدر الحرارة فوق بقعة ما لفترة زمنية أطول، تتاح للحرارة فرصة أكبر للانتشار بعمق داخل المادة. ويؤدي هذا إلى درجات حرارة قصوى أعلى، وتمدد فيزيائي أكبر، وإجهادات داخلية أقوى. وتصبح المنطقة المتأثرة بالحرارة ببساطة أكثر اتساعاً وعمقاً مع مرور الوقت. وعلى العكس من ذلك، عندما يتحرك مصدر الحرارة بسرعة، يكون لدى المادة وقت أقل لامتصاص الطاقة عند أي نقطة واحدة. وقد أظهرت عمليات المحاكاة أن زيادة سرعة المصدر تقلل بشكل كبير من درجة الحرارة القصوى التي يتم الوصول إليها، مما يقلل بدوره من مقدار تمدد المادة والإجهاد الذي تتحمله. وجوهر الأمر هو أن تحريك مصدر الحرارة بشكل أسرع يمنع المادة من أن تصبح ساخنة بقدر ما لو كان المصدر ثابتاً أو يتحرك ببطء.

كما كشفت الدراسة عن فرق مثير للاهتمام في كيفية سلوك الحرارة والحركة والإجهاد أثناء تحرك المصدر. فبينما تظل النقطة الأكثر سخونة وأكبر تمدد فيزيائي تحت المصدر المتحرك مباشرة، فإن منطقة الإجهاد الأعلى تسلك سلوكاً مختلفاً. إذ يعتمد الإجهاد ليس فقط على مدى سخونة المادة، بل أيضاً على مدى سرعة تغير درجة الحرارة. ولأن درجة الحرارة تتغير بشكل حاد أمام المصدر المتحرك مباشرة، فإن ذروة الإجهاد تنزاح فعلياً إلى الأمام في اتجاه الحركة، لتسبق مصدر الحرارة نفسه. وهذا يخلق نمطاً معقداً حيث تتعرض المادة للسحب والدفع بطرق مختلفة اعتماداً على موقعها بالنسبة للحرارة المتحركة.

لهذه النتائج تداعيات مباشرة على الصناعات التي تعتمد على المعالجة الحرارية الدقيقة، مثل اللحام والتصنيع بالليزر. وتشير النتائج إلى أن التحكم في سرعة مصدر الحرارة هو أداة قوية لإدارة المخاطر المرتبطة بالإجهاد الحراري. فإذا تحرك المصدر ببطء شديد، يمكن للحرارة الشديدة والإجهاد الناتج عنها أن يتركزان في منطقة واحدة، مما يزيد من احتمالية تشقق المادة أو فشلها. ومن خلال ضبط السرعة إلى مستوى أمثل، يمكن للمهندسين ضمان وصول المادة إلى درجة الحرارة المطلوبة لمعالجتها بفعالية دون تراكم مستويات خطيرة من الإجهاد. وتؤكد الدراسة أن السرعة ليست مجرد مسألة كفاءة؛ بل هي عامل تحكم رئيسي يمكنه منع الفشل الهيكلي في المواد التي تتعرض لحرارة شديدة ومتحركة.