روش جدید در ایجاد فولادی با استحکام و انعطاف پذیری بالا

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که وقتی استوانه‌های فولادی به دور هم پیچیده می‌شوند، استحکام آن‌ها بدون به خطر انداختن توانایی کشش آن‌ها بهبود می‌یابد.

استحکام و شکل‌پذیری هر دو از ویژگی‌های مهم مواد هستند، به ویژه در موادی که در کاربردهای ساختاری استفاده می‌شوند. استحکام معیاری است از میزان نیروی مورد نیاز برای خم شدن یا تغییر شکل یک ماده. شکل پذیری معیاری است که نشان می دهد یک ماده چقدر می تواند بدون شکستگی کشش یابد. ماده ای که فاقد استحکام است، به زودی دچار خستگی می شود و در طول زمان به آرامی از بین می رود. یکی از دلایلی که باعث خستگی فلز می‌شود همین عدم استحکام آن است. ماده ای که انعطاف پذیری ندارد می تواند شکسته شود و باعث شکست ناگهانی شود.

فولاد یکی از مواد کمیاب است که هم محکم و هم انعطاف پذیر است، به همین دلیل است که به عنوان یک ماده ساختاری در همه جا حاضر است. وجود کربن باعث ایجاد این استحکام می‌گردد و فولاد کربنی که یکی از پرکاربردترین انواع فولاد است، استحکام بسیار بالایی دارد. با این حال، به همان اندازه که فولاد خوب است، مهندسان دائماً در تلاش هستند تا آن را بهتر کنند. مشکل این است که روش‌های قوی‌تر کردن فولاد، ویژگی شکل‌پذیری را در آن قربانی می‌کنند و بالعکس.

Huajian Gao، نویسنده ارشد، استاد مهندسی در دانشگاه براون می‌گوید: «ما آن را معاوضه استحکام و شکل‌پذیری می‌نامیم. او و همکارانش راهی برای دور زدن این مبادله در سیلندرهای ساخته شده با نوع خاصی از فولاد به نام فولاد پلاستیسیته دوقلویی (TWIP) پیدا کرده اند. این تکنیک در مجله Nature Communications شرح داده شده است.

فولاد TWIP را می توان از طریق آنچه سخت کاری نامیده می شود قوی تر کرد. سخت کاری فرآیند تقویت فولاد از طریق تغییر شکل آن – خم کردن، صاف کردن آن یا کوبیدن آن است. وقتی فولاد TWIP تغییر شکل می‌دهد، ساختارهای نانومقیاس به نام دوقلوهای تغییر شکل در شبکه اتمی آن تشکیل می‌شوند.

دوقلوهای تغییر شکل مرزهای خطی با ساختارهای کریستالی یکسان در دو طرف هستند که یک تصویر آینه ای را در سراسر مرز تشکیل می دهند. سازه‌های دوقلو به عنوان فولاد TWIP را بسیار قوی‌تر می‌کنند، اما درست مانند سایر روش‌های سخت‌سازی فولاد، یک معاوضه شکل‌پذیری وجود دارد.

برای فرار از این معامله، گائو و همکارانش پیچش جدیدی را در فرآیند تغییر شکل ارائه کردند. محققان به جای تغییر شکل فولاد با چکش زدن یا خم کردن آن، استوانه های کوچکی از فولاد TWIP را برداشتند و آنها را پیچاندند.

حرکت پیچشی باعث می‌شود که مولکول‌های قسمت‌های بیرونی سیلندر به میزان بسیار بیشتری نسبت به مولکول‌ها به سمت هسته تغییر شکل دهند. این ایده کمی شبیه به دوندگان در یک مسیر است. آنهایی که در خطوط بیرونی می دوند، نسبت به دوندگان در داخل، زمین بیشتری برای پوشش دارند.

از آنجایی که حرکت پیچشی، بیرون را بیشتر از داخل تغییر شکل می دهد، دوقلوهای تغییر شکل فقط به سمت سطح استوانه تشکیل می شوند. هسته اساسا دست نخورده باقی می ماند.

نتیجه یک استوانه فولادی است – سطح سیلندر در برابر ترک خوردگی قوی تر و مقاوم تر می شود، در حالی که داخل آن شکل پذیری اولیه خود را حفظ می کند.

گائو می‌گوید: «ما اساساً مواد را به بخش سخت‌شده نزدیک سطح و بخش نرم‌تر در نزدیکی هسته تقسیم کردیم. این به ما این امکان را داد که بدون از دست دادن انعطاف پذیری، استحکام را دو برابر کنیم.

در نهایت، او و همکارش امیدوارند که تکنیک آنها بتواند برای پیش‌فرآوری فولادی که به شکل استوانه‌ای نیاز دارد، استفاده شود. به ویژه، گائو فولاد پیچ خورده را گزینه خوبی برای محورها در قطارهای پرسرعت می داند.

او می گوید: «داشتن استحکام بالا و شکل پذیری بالا برای چنین جزء محوری بسیار مهم است. بنابراین در این نوع سیستم بسیار مهم است که این حد استحکام شکل پذیری را تا آنجا که ممکن است افزایش دهیم.