ساخت فلزات چکش خوار با استحکام بالا

ساخت فلزات چکش خوار

در طول ۱۰۰ گذشته، دانشمندان مهندسی مواد و متالورژی گمان می کردند که همه چیز را درباره نحوه خم شدن فلزات می دانند. اما اشتباه می کردند!

اخیرا محققین مهندسی و علم مواد دانشگاه “ویسکانسین مدیسن” ایالات متحده، نشان دادند که قواعد خمش فلزات خیلی شبیه به آنچه که می پنداریم نیستند. این محققین یافته های خود را در روز ۹ آگوست امسال در نشریه “ارتباطات طبیعت” ارائه کردند. کشف شگفت انگیز آن ها نه تنها درباره نحوه شکل دهی فلزات قواعد جدیدی ارائه می کند، بلکه به ایجاد فرصت های جدیدی برای طراحی و ساخت فلزات چکش خوار با استحکام بالاتر کمک می کند.

“ایزابل لوفراسکا” استاد دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه WM در این باره گفته است: «یافته های جدید ما، پارامترهای بیشتری برای افزایش داکتیلیته و استحکام فلزات پدید می آورد.»

همان طور که می دانیم، داکتیلیته به معنی توانایی یک فلز برای خم شدن و شکل پذیری است. امروزه بسیاری از رویکردها برای افزایش استحکام یک فلز باید به قیمت افزایش انعطاف پذیری انجام شود. چرا که معمولا هر چه فلزات مستحکم تر شوند، داکتیلیته آن ها کاهش می یابد.

همزمان با کاهش داکتیلیته نیز فلز در معرض تنش های کاری، به شکل گیری ترک مستعدتر می شود. با این حال، مکانیزم شکل دهی جدید محققان، ممکن است به مهندسان متالورژی اجازه دهد تا یک ماده را بدون در نظر گرفتن خطر شکست، استحکام بخشی کنند.

طبیعتا این یافته ها مورد توجه مدیران ارشد ارتش ایلات متحده قرار گرفته است. چرا که دستیابی به فلزاتی ساخت فلزات چکش خوار و در عین حال مستحکم، از اولویت های تمامی سازمان های جنگی و دفاعی جهان است. “میشائیل باکاس” مدیر برنامه دپارتمان تحقیقات ارتش ایالات متحده در زمینه پردازش مواد و مصالح جنگی، در این باره گفته است: «پروفسور لوفراسکا دروازه ای کاملا جدید به روی اکتشاف مصالح دفاعی پیشرفته و طراحی فلزات گشوده است.»

معمولا متالورژیست ها برای کنترل استحکام فلزات از فرایندهایی مانند کارسرد یا آنیل بهره می گیرند. اصول این روش های استحکام دهی نیز جایجایی و حرکت نابجایی است. پروفسور لوفراسکا می گوید: «همه ما می دانیم اصل کار نابجایی ها هستند!»

از سال ۱۹۳۴ سه محقق به طور مستقل متوجه شدند که این نابجایی ها هستند که یک پارادوکس قدیمی را توضیح می دهند: فلزات شکل پذیرتر از ساختارهای مولکولی خود هستند. چرا؟ به دلیل وجود نابجایی ها!

نابجایی ها بی نظمی های بسیار کوچکی در شبکه بلوری منظم فلزی هستند. فلز خم می شود، زیرا نابجایی های آن قادر به حرکت هستند و به فلز اجازه می دهند تا بدون شکست در پیوند منفرد درون شبکه کریستالی اش، تغییر شکل یابد. تکنیک های استحکام بخشی به طور معمول حرکت نابجایی ها را محدود می کنند. حال وقتی الوفراسکا و همکارانش کشف کردند که ماده بین فلزی “ساماریوم کبالت” همزمان با قفل شدگی نابجایی هایش به سادگی خم می شود، کاملا شوکه شدند!

“هابین لو” یکی از همکاران آزمایشگاه پروفسور لوفراسکا که در حال حاضر در یک موسسه فناوری صنعتی در چین کار می کند، در این باره می گوید: «مطالعات اخیر ما نشان می دهند که استحکام یک ماده بین فلزی می تواند تا مقدار قابل توجهی افزایش باید حتی هنگامی که لغزش نابجایی در آن خیلی نادر باشد.»

خمش و شکل دهی ساماریوم کبالت باعث می شود تا باندهای باریکی در داخل شبکه کریستالی تشکیل شوند که در آن مولکول ها به جای ساختار منظم، ساختاری آمورف را تشکیل می دهند. این لایه های آمورف باعث شکل پذیری فلز می شوند. پروفسور لوفراسکا می گوید: «این درست مانند روان سازی با روغن است.»

او در ادامه خاطر نشان می کند: «ما این اتفاق را در شبیه سازی پیش بینی کرده بودیم.» همچنین در ادامه پژوهش این لایه های برشی کاملا بی شکل (آمورف) را مشخصا مشاهده کردیم. در هر حال ترکیبی از شبیه سازی های محاسباتی و مطالعات تجربی برای توضیح نتیجه این پژوهش به کار گرفته شده و ما مطمئن هستیم این پدیده در طبیعت مشاهده شده است!»

“مونگ لیانگ ژانگ” دانشجوی پست دکترا و یکی از محققین این پژوهش در این باره می گوید: «وقتی که ما در ابتدا به صورت تئوری متوجه این لایه های آمورف در میان شبکه کریستالی فلز ساماریوم کیالت شدیم بسیار شگفت زده شدیم. عجیب بود که تاکنون چنین پدیده ای مشاهده نشده بود. اما وقتی در ادامه با انواع آزمایش های تجربی وجود آن را اثبات کردیم، امیدوار شدیم این پدیده را بیشتر در طبیعت ببینیم و از آن برای کاربرد های مختلف استفاده کنیم.»

پروفسور لوفراسکا می گوید: «این کشف ممکن است روش هایی را که به دنبال بهینه سازی ویژگی های مواد هستیم تغییر دهد. ما می دانیم که این یک پدیده متفاوت است. ما می دانیم که این یک روش جدید برای استحکام بخشی در ساخت فلزات چکش خوار است و ما فکر می کنیم که می توانیم از آن استفاده های شگفت انگیزی کنیم.»

Journal Reference:

Hubin Luo, Hongwei Sheng, Hongliang Zhang, Fengqing Wang, Jinkui Fan, Juan Du, J. Ping Liu, Izabela Szlufarska. Plasticity without dislocations in a polycrystalline intermetallic. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-11505-1