پایگاه خبری تحلیلی ایراسین، در قلب هر موتور هواپیما، بلبرینگ‌ها نقش حیاتی در انتقال نیرو و کاهش اصطکاک دارند؛ اما همین تماس دائمی سطوح فلزی با یکدیگر، بزرگ‌ترین تهدید برای عمر و عملکرد آن‌هاست، ساییدگی سطحی ناشی از تمرکز کرنش (strain localization) موجب از بین رفتن تدریجی فولاد و افت بازده موتور می‌شود؛ پدیده‌ای که سال‌هاست مهندسان مواد برای مهار آن در تلاش‌اند. در فولادهای بلبرینگی همچون M50NiL، روش‌های سنتی نظیر کربوراسیون (افزایش تدریجی کربن در سطح) توانسته‌اند سختی و مقاومت تا حدی افزایش دهند، اما همواره چالشی جدی باقی مانده است؛ تشکیل ذرات بزرگ و نامنظم کاربیدی که همچون تله‌های تنش عمل کرده و موجب ترک‌خوردگی سطح می‌شوند، پژوهش تازه‌ای از گروهی از محققان چینی با سرپرستی دکتر «چیان‌وی گوا» راهکاری نو ارائه کرده است ( ساختار دوگرادیانی یا Dual-Gradient Structure) که می‌تواند مفهوم دوام در فولادهای مهندسی را بازتعریف کند، این ساختار ترکیبی از گرادیان ترکیبی (تغییر تدریجی ترکیب شیمیایی) و گرادیان نانوساختاری است که در کنار هم موجب می‌شوند فولاد در برابر سایش، رفتاری هوشمند و تطبیقی از خود نشان دهد.

ایده اصلی پژوهش این است که یک گرادیان به تنهایی کافی نیست، در روش‌های معمول کربوراسیون، تنها ترکیب شیمیایی فولاد در سطح تغییر می‌کند؛ سطح سخت‌تر و درون نرم‌تر می‌شود، این اختلاف سختی اگرچه مفید است، اما در حین بارگذاری شدید باعث تمرکز کرنش در سطح شده و ترک‌زایی را تسریع می‌کند، در روش جدید علاوه بر گرادیان ترکیب، یک گرادیان ساختاری نیز ایجاد می‌شود. پژوهشگران ابتدا با فرایند کربوراسیون، فولاد M50NiL را از ۰.۱۲ درصد کربن در مرکز تا ۱.۳۸ درصد در سطح غنی کردند، سپس با فرایند «شات‌پینینگ مافوق صوت» (Ultrasonic Shot Peening)، سطح فولاد را تحت برخوردهای میلیون‌ها گلوله فولادی بسیار ریز قرار دادند، این کار نه‌تنها ساختار مارتنزیتی را ریزتر کرد، بلکه ذرات کاربید بزرگ را نیز شکست و بازتوزیع نمود، در نتیجه لایه‌ای از دانه‌های نانومتری (Nanograins) به ضخامت حدود ۴۰۰ میکرومتر شکل گرفت که به‌طور تدریجی به ناحیه‌های درونی‌تر با دانه‌های درشت‌تر متصل می‌شود، این دو گرادیان هم‌زمان، ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری را به شکلی هماهنگ تغییر می‌دهند تا فولاد بتواند تنش‌ها را به شکل یکنواخت‌تری توزیع کند.

مکانیزم دفاعی فولاد در برابر سایش

زمانی که سطح فلز در حین تماس لغزشی تحت بار قرار می‌گیرد، نواحی ضعیف‌تر سریع‌تر تغییرشکل می‌دهند و انرژی متمرکز شده، منجر به ایجاد ترک‌های میکروسکوپی می‌شود. در فولادهای معمولی این فرایند به‌صورت موضعی رخ می‌دهد؛ اما در ساختار دوگرادیانی، میلیون‌ها دانه نانومتری نقش «شبکه‌های تقسیم‌کننده تنش» را ایفا می‌کنند، این شبکه‌ها کرنش را در سطح پخش کرده و مانع تمرکز انرژی در یک نقطه می‌شوند، از سوی دیگر حرکت شدید نابجایی‌ها (Dislocations) در نواحی نانویی، باعث خردشدن کاربیدهای بزرگ و تبدیل آن‌ها به ذرات ریزتر و یکنواخت‌تر می‌شود. این تحول نه تنها جلوی شروع ترک‌ها را می‌گیرد بلکه باعث تشکیل یک لایه اکسیدی متراکم‌تر و پایدارتر نیز می‌شود، در تست‌های انجام‌شده، نرخ سایش فولاد دارای ساختار دوگرادیانی نسبت به فولاد تک‌گرادیانی، به ترتیب ۵۲.۵ و ۵۳.۹ درصد کمتر در شرایط لغزش با فرکانس پایین و بالا گزارش شد، این یعنی فولاد نه‌تنها سخت‌تر، بلکه هوشمندتر در برابر تنش‌های تکراری واکنش نشان می‌دهد.

پیامدهای چنین دستاوردی تنها به آزمایشگاه محدود نمی‌شود، هر درصد کاهش در سایش قطعات متحرک در موتورهای هوایی، به معنی صرفه‌جویی در هزینه‌های میلیاردی تعمیر و تعویض و نیز کاهش مصرف سوخت است، برآوردها نشان می‌دهد حدود ۳۰ درصد از انرژی اتلافی در سیستم‌های مکانیکی ناشی از اصطکاک و سایش است، بنابراین فولادهای با ساختار دوگرادیانی می‌توانند نه‌تنها عمر مفید تجهیزات هوایی را افزایش دهند، بلکه تأثیر مستقیم بر کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن نیز داشته باشند، از نگاه مهندسی این روش یک جهش فناوری است زیرا بدون نیاز به افزودن عناصر گران‌قیمت یا فرایندهای پیچیده، تنها با ترکیب دو روش شناخته‌شده (کربوراسیون و شات‌پینینگ)، کارایی چندبرابری حاصل می‌شود، این فناوری به‌ویژه برای صنایع هوافضا، نیروگاه‌ها و حتی خودروسازی‌های پیشرفته کاربرد دارد و می‌تواند در آینده به استاندارد جدیدی در طراحی فولادهای مهندسی بدل شود.

نتایج این تحقیق که در مجله Acta Materialia (با شناسه DOI: 10.1016/j.actamat.2025.120919) منتشر شده، مسیر تازه‌ای برای طراحی مواد هوشمند با عملکرد چندبعدی ترسیم می‌کند، مفهوم «Dual-Gradient» نه‌تنها در فولاد، بلکه در آلیاژهای تیتانیوم، آلومینیوم و حتی مس نیز قابل پیاده‌سازی است، برای مدیران صنعتی، این دستاورد یادآور این نکته است که سرمایه‌گذاری بر اصلاح ریزساختار، گاهی به‌مراتب سودآورتر از توسعه ترکیب شیمیایی جدید است، در واقع می‌توان با بهینه‌سازی نحوه توزیع دانه‌ها و فازها در سطح و عمق ماده، رفتاری طراحی کرد که فلز در برابر سایش، خود را بازسازی کند، اگر این رویکرد در مقیاس صنعتی تثبیت شود، مفهوم دوام قطعه از «سختی بیشتر» به «هوشمندی ساختاری» تغییر خواهد کرد، پژوهشگران چینی نشان دادند که آینده مواد پیشرفته نه در افزودن عناصر جدید، بلکه در مهندسی هوشمند گرادیان‌ها است.