به گزارش خبرنگار ایراسین، مهندسی مواد برای بیش از یک‌قرن با یک معمای حل‌نشده دست‌وپنجه نرم می‌کند که این پارادوکس استحکام در برابر شکل‌پذیری است، از یک سو استحکام به معنای توانایی ماده در تحمل بار بدون تغییر شکل دائمی یا شکست است - همچون ستون فولادی که وزن ساختمان را بر دوش می‌کشد، از سوی دیگر شکل‌پذیری، قابلیت ماده برای تغییر شکل یافتن و کشیده شدن بدون گسیختگی است - همچون سیم مسی که به راحتی خم می‌شود. مشکل اصلی در تضاد ذاتی این دو ویژگی نهفته است.
روش‌های مرسوم افزایش استحکام فلزات نظیر کار سرد (نورد یا کشش) بر پایه ایجاد موانع در مسیر حرکت «نابجایی‌ها» استوارند. نابجایی‌ها - نقص‌های خطی در شبکه اتمی مواد - عامل اصلی تغییر شکل پلاستیکی محسوب می‌شوند. هنگام اعمال کار سرد، تراکم این نابجایی‌ها به شدت افزایش یافته و شبکه‌های درهم‌تنیده‌ای به نام «ساختارهای نابجایی کم‌انرژی» (LEDS) تشکیل می‌دهند. این شبکه‌ها همچون ترافیک سنگین، حرکت نابجایی‌ها را مسدود کرده و استحکام ماده را افزایش می‌دهند، اما این پیروزی، بهایی سنگین دارد؛ همین ساختار درهم‌تنیده قابلیت تغییر شکل پذیری ماده را از بین می‌برد. با مسدود شدن مسیرهای تغییر شکل ماده، دیگر نمی‌تواند انرژی اعمال‌شده را به طور یکنواخت توزیع کند و در نتیجه تحت فشارهای شدید، به صورت ناگهانی و فاجعه‌بار متلاشی می‌شود. این تنش‌های حل‌نشده، دانشمندان را به جست‌وجوی راهکارهای نوینی واداشته که نه تنها استحکام ماده را افزایش دهد، بلکه مکانیزمی برای حفظ و بهبود شکل‌پذیری آن ارائه کند ،چالشی که حل آن مستلزم بازنگری در بنیادی‌ترین اصول رفتار مکانیکی فلزات است..
راه حل این پارادوکس دیرینه، نه در یک آلیاژ جادویی، بلکه در یک فرایند تولید انقلابی به نام تولید افزایشی (Additive Manufacturing)، و به طور خاص، تکنیک ذوب لیزری پودر فلز (LPBF) نهفته است. این تکنولوژی که بیشتر با نام چاپ سه‌بعدی فلزات شناخته می‌شود، چیزی فراتر از ساخت لایه‌به‌لایه قطعات است؛ این فرایند یک محیط فیزیکی منحصر به فرد ایجاد می‌کند که در آن، ماده در شرایط «نبود تعادل» شدید قرار می‌گیرد. در فرایند LPBF، یک پرتو لیزر پرانرژی به صورت کنترل‌شده بر بستر نازکی از پودر فلز تابیده می‌شود و آن را به صورت موضعی ذوب می‌کند. این حوضچه مذاب کوچک، با حرکت لیزر، به سرعت جامد می‌شود و لایه‌ای از قطعه را تشکیل می‌دهد. تکرار این فرایند، قطعه سه‌بعدی نهایی را می‌سازد. نکته کلیدی در اینجاست که این چرخه ذوب و انجماد با سرعتی خارق‌العاده، در حدود میلیون‌ها درجه سانتی‌گراد بر ثانیه، رخ می‌دهد، این سرمایش فوق‌سریع، به اتم‌های موجود در مذاب فرصت نمی‌دهد تا خود را در ساختارهای کریستالی منظم و پایدار که در فرایندهای سنتی (همچون ریخته‌گری) شکل می‌گیرند، مرتب کنند، در عوض اتم‌ها و عیوب ساختاری در موقعیت‌های پرانرژی و ناپایدار «منجمد» می‌شوند. این شرایط نبود تعادل، دو پدیده همزمان را موجب می‌شود؛ اول، جدایش سریع املاح (Solute Segregation)، که در آن عناصر آلیاژی خاص (همچون تیتانیوم در این پژوهش) فرصت توزیع یکنواخت را نیافته و به مرزهای دانه‌های در حال انجماد رانده می‌شوند؛ و دوم، ایجاد تنش‌های حرارتی شدید (Thermal Stresses) که ناشی از گرادیان دمایی عظیم بین نقاط ذوب‌شده و مواد اطراف است، این تنش‌ها خود منبعی برای تولید انبوه نابجایی‌ها هستند، بنابراین LPBF تنها یک ابزار ساخت نیست، بلکه یک آزمایشگاه متالورژی در مقیاس میکرون است که به دانشمندان اجازه می‌دهد ساختارهای داخلی بی‌سابقه‌ای را مهندسی کنند که در شرایط تعادلی طبیعت هرگز شکل نمی‌گیرند.
رونمایی از ساختار خودسازمان‌یافته (SD-SOS)
محصول نهایی این فرایند، یک ریزساختار سلسله‌مراتبی و شگفت‌انگیز است که پژوهشگران آن را «ساختارهای خودسازمان‌یافته جدایش-نابجایی» (SD-SOS) نامیده‌اند. این معماری پیچیده در واقع یک شبکه سه‌بعدی لانه‌زنبوری با سلول‌هایی به قطر تقریبی ۵۶۰ نانومتر است که هر یک به عنوان یک واحد مستقل عمل می‌کنند. دیواره‌های این ساختار حاصل دو پدیده کلیدی در فرآیند LPBF هستند:
جدایش املاح: عناصر آلیاژی مانند تیتانیوم در مرزهای سلولی تجمع یافته و خواص موضعی ماده را دگرگون می‌کنند.
تنش‌های حرارتی:سرمایش فوق‌سریع موجب تولید انبوه نابجایی‌ها شده که به سمت دیواره‌ها مهاجرت می‌کنند. ویژگی منحصر به فرد این ساختار، «خودسازمان‌یافتگی» آن است. برخلاف ساختارهای سنتی که تصادفی و آشفته هستند، SD-SOS از الگویی منظم و تکراری پیروی می‌کند که مشابه الگوهای طبیعی در تشکیل دانه‌های برف یا تپه‌های شنی است، در این معماری هوشمند، نابجایی‌ها (که پیش از این نقص محسوب می‌شدند )ه بلوک‌های سازنده فعال تبدیل شده‌اند:
دیواره‌های سلولی: غنی از عناصر آلیاژی و مملو از نابجایی‌های پرانرژی
فضای داخلی سلول‌ها: عاری از نابجایی و آماده برای تغییر شکل
مکانیزم عملکرد هوشمند
وقتی ماده تحت تنش قرار می‌گیرد، این ساختار به گونه‌ای هوشمندانه عمل می‌کند که به «سخت‌شوندگی شکل‌پذیر» منجر می‌شود:
تولید نابجایی: دیواره‌های سلولی به عنوان منبع فعال، نابجایی‌های جدید تولید و به درون سلول‌ها تزریق می‌کنند
ذخیره‌سازی: نابجایی‌های در حال حرکت هنگام برخورد با دیواره مقابل، متوقف و ذخیره می‌شوند
تشکیل قفل‌های پایدار: ساختارهایی مانند «قفل‌های لومر-کاترل» تشکیل شده که مقاومت ماده را افزایش می‌دهند
این فرایند پویا، چرخه‌ای virtuoso ایجاد می‌کند که در آن ماده به طور همزمان: شکل‌پذیری خود را حفظ می‌کند (از طریق جریان مداوم نابجایی)؛ مستحکم‌تر می‌شود (از طریق ذخیره‌سازی و قفل‌شدن نابجایی‌ها)
نتیجه نهایی، توزیع یکنواخت تنش در سراسر ماده و جلوگیری از تمرکز موضعی انرژی است که منجر به شکست می‌شود. این «رقص هماهنگ» اتمی، در واقع راز دستیابی به هر دو ویژگی استحکام بالا و شکل‌پذیری فوق‌العاده در یک ماده است.
طلوع عصر «مهندسی نابجایی» و طراحی مواد هوشمند
این پژوهش فراتر از معرفی یک آلیاژ با عملکرد بالا، یک پارادایم نوین در علم و مهندسی مواد را پایه‌گذاری می‌کند؛ «مهندسی نابجایی» (Dislocation Engineering)، برای دهه‌ها نابجایی‌ها به عنوان عیوب و نقص‌هایی نگریسته می‌شدند که باید کنترل یا حذف شوند، اما این کار نشان می‌دهد که اگر بتوانیم این «نقص‌ها» را به صورت هوشمندانه در یک معماری مشخص و هدفمند سازماندهی کنیم، آن‌ها می‌توانند به اجزای عملکردی و حیاتی در یک ماده تبدیل شوند که خواص آن را به سطوحی بی‌سابقه ارتقا می‌دهند، این کشف تمرکز را از «شیمی» صرف آلیاژها (یعنی درصد عناصر تشکیل‌دهنده) به سمت «معماری ریزساختاری» آن‌ها سوق می‌دهد، آینده طراحی مواد دیگر تنها به ترکیب عناصر بستگی نخواهد داشت، بلکه به چگونگی چیدمان اتم‌ها و عیوب در مقیاس نانو و میکرو وابسته خواهد بود، با استفاده از ابزارهایی همچون تولید افزایشی، مهندسان اکنون می‌توانند با تنظیم دقیق پارامترهای فرایند( همچون قدرت لیزر، سرعت اسکن، و استراتژی تابش)معماری داخلی آلیاژهای مختلف، از فولاد و آلومینیوم گرفته تا آلیاژهای تیتانیوم و سوپرآلیاژها، را برای دستیابی به ترکیبات خاصی از خواص، سفارشی‌سازی کنند. این رویکرد درهای جدیدی را به روی ساخت مواد برای کاربردهای باز می‌کند، از پره‌های توربین در موتورهای جت نسل آینده که باید در دما و تنش‌های بالاتر کار کنند، تا ایمپلنت‌های زیستی سبک‌وزن با طول عمر نامحدود، و سازه‌هایی برای اکتشافات فضایی که نیازمند حداکثر استحکام با حداقل وزن هستند، ما در آستانه عصری قرار داریم که در آن، مواد دیگر به صورت منفعل کشف نمی‌شوند، بلکه به صورت فعال و با معماری داخلی از پیش تعیین‌شده «طراحی» می‌شوند؛ عصری که در آن محدودیت‌های گذشته جای خود را به امکانات بی‌پایان مهندسی در مقیاس اتمی می‌دهند و مرزهای عملکرد مواد را جابجا خواهند کرد.
ارسال نظر