در سال هاي اخير، بررسي روش هاي توليد و خواص مکانيکي مواد با اندازه دانه نانومتري (اندازه دانه کوچکتر از صد نانومتر) يا بسيار ريزدانه (با اندازه دانه کمتر از يك ميکرون) موضوع بسياري از تحقيقات انجام شده در زمينه علم مواد و علوم مرتبط با آن بوده است. اين مواد كه با نام اَبَر فلز (Super Metals) شناخته مي‌شوند، خواص بي‌‌نظيري همانند استحكام زياد در دماي محيط، خاصيت سوپر پلاستيك در دماي بالا و نرخ كرنش کم و مقاومت عالي در برابر خوردگي از خود نشان مي‌دهند. تغيير الگوهاي لغزش متداول در مواد با اندازه دانه نانومتري و فعال شدن مکانيزم‌هاي لغزش مرزدانه‌اي از ويژگي‌هاي اين مواد است که منجر به خواص مکانيکي منحصر به فرد آنها مي‌شود. تاكنون روش هاي مختلفي براي توليد مواد نانومتري ارائه شده و تحقيقات گسترده‌اي روي آنها انجام شده است. روش هاي توليد مواد نانومتري را مي توان به دو گروه کلي تقسيم بندي کرد. روش اول که تحت عنوان روش پايين به بالا (Bottom-up procedure) معرفي شده است، شامل فرآيندهايي نظير آلياژ سازي مکانيکي (Mechanical alloying)، رسوب شيميايي بخار (Chemical Vapor Deposition) و انجماد سريع (Rapid Solidification) است، که قابليت توليد دانه‌هايي با اندازه‌اي در حدود ده تا 50 نانومتر را دارند. اين فرآيندها به طور گسترده‌اي براي توليد مقادير زياد پودرهاي نانوبلور مورد استفاده قرار مي‌گيرند، اما مشکل اصلي اين فرآيندها توليد يک محصول نهايي از طريق پرس کردن اين پودرها است. به دليل سختي بالاي پودرهاي توليد شده با روش هاي مکانيکي، پرس سرد آنها تقريباً غير ممکن است. از طرف ديگر استفاده از پرس داغ براي زينتر کردن اين پودرها مي‌تواند منجر به رشد دانه‌ها و وقوع تبلور مجدد شود. تاکنون روش‌هاي مختلفي براي رفع اين مشکلات پيشنهاد شده است اما هنوز تحقيقات براي پيدا کردن روشي کاملاً مناسب براي پرس پودرهاي نانوکريستالي و توليد محصول نهايي کاملاً يکپارچه با اندازه دانه نانومتري ادامه دارد. روش دوم براي توليد مواد با اندازه دانه نانومتري که با نام روش بالا به پايين (Top-down Procedure) شناخته مي‌شود، شامل فرآيندهاي متعددي است که با اعمال کرنش‌هاي شديد پلاستيک در مواد فلزي باعث کاهش اندازه دانه ها تا مقياس نانومتري مي‌شوند. علت انتخاب اين نام براي روش مذکور اين است که اساس آن کاهش مستقيم اندازه دانه‌ها در نمونه‌اي با ابعاد بزرگ است. اين فرآيندها به عنوان روش هايي جديد براي توليد مواد نانوکريستالي يا بسيار ريزدانه در مقياس صنعتي مطرح شده و در بسياري موارد با موفقيت‌هايي نيز همراه بوده اند. در اين مقاله به معرفي روش تغيير شكل شديد پلاستيک به عنوان روشي مناسب براي توليد فلزات با اندازه دانه نانومتري و بيان اصول روش هاي ابداع شده بر اين پايه پرداخته مي شود.
2. تغيير شكل شديد پلاستيک (SPD)
روش تغيير شكل شديد پلاستيک (Severe Plastic Deformation) به عنوان يکي از روش‌هاي توليد مواد با اندازه دانه نانومتري مطرح مي‌باشد. اصول اين روش، اعمال کرنش به ماده فلزي بدون تغيير ابعاد ظاهري آن است. تاکنون فرآيندهاي متعددي براي اعمال تغيير شكل شديد پلاستيك در مواد فلزي و رسيدن به ساختارهاي نانومتري پيشنهاد شده‌اند که در بسياري موارد با موفقيت‌هايي نيز همراه بوده‌اند. ويژگي مشترک و منحصر به فرد اين فرآيندها، ثابت بودن ابعاد و عدم تغيير شکل ظاهري ماده حين فرآيند مي‌باشد که در نتيجه آن محدوديت در اعمال کرنش از بين مي‌رود و دستيابي به کرنش‌هاي بسيار بالا (در حدود هشت تا ده) در ماده به راحتي ميسر است. به اين ترتيب در اثر اعمال کرنش، امکان اصلاح ريزساختار، کاهش اندازه دانه ها تا مقياس نانومتري و بهبود خواص مکانيکي نمونه فلزي فراهم مي‌آيد، در حالي که شکل نمونه تغييري نکرده است. ويژگي ديگر اين فرآيندها افزايش استحكام و اصلاح ساختار دانه ها بدون اضافه كردن عناصر آلياژي يا ذرات سراميكي است. به طور خلاصه مزاياي روش تغيير شكل شديد پلاستيک عبارتند از: امکان توليد مستقيم قطعات فلزي با ابعاد بزرگ و اندازه دانه‌هاي نانومتري؛ قابليت انجام فرآيند به وسيله دستگاه‌ها و قالب‌هاي معمولي؛ امكان اعمال كرنش هاي شديد پلاستيكي بدون تغيير ابعاد نمونه‌ها؛ عدم وجود محدوديت در اعمال کرنش، زيرا از لحاظ نظري تعداد دفعات انجام فرآيندها نامحدود است؛ امكان تهيه نمونه هاي بسيار ريز دانه با ابعاد مناسب براي انجام آزمايش هاي مكانيكي؛ با وجود پيشرفت هاي انجام شده در زمينه توليد مواد نانومتري، هنوز اطلاعات كمي در مورد خواص مكانيكي اين مواد وجود دارد. علت اين مسئله دشواري تهيه مقدار كافي نمونه با ابعاد مناسب براي آزمايش‌هاي مكانيكي است. با استفاده از روش تغيير شكل شديد پلاستيک، حتي در آزمايشگاه مي توان نمونه‌هايي با اندازه دانه بسيار ريز (زير ميکروني يا نانومتري) براي انجام آزمايش‌هاي مكانيكي توليد كرد. در شکل (1) تصوير شماتيک چهار فرآيند موفق در زمينه اعمال تغيير شكل شديد پلاستيک در مواد فلزي و رسيدن به ساختارهايي با اندازه دانه نانومتري، با نام هاي فرآيند تغيير شكل پيچشي تحت فشار زياد High Pressure Torsion) HPT)، تغيير شكل در کانال‌هاي مشابه زاويه‌دار (EqualChannel Angular Pressing) ECAP)، فرآيند فشار و اکستروژن متوالي (Cyclic ExtrusionCompression (CEC و فرآيند نورد تجمعي (Accumulative Roll Bonding ARB) ارائه شده است و در ادامه به معرفي آنها پرداخته مي‌شود.
2-1 تغيير شكل در کانال‌هاي مشابه زاويه‌دار (ECAP)
فرآيند ECAP (شکل 1- (الف)) توسط Segal و همکارانش معرفي شده است. در اين فرآيند نمونه فلزي به داخل قالبي با کانال‌مشابه که نسبت به هم زاويه دار هستند اکسترود مي‌شود. نمونه‌هاي مورد استفاده معمولاً استوانه‌اي يا چهارگوش هستند و در حين عبور از داخل کانال‌ها، در گوشه قالب تغيير شكل برشي ساده به نمونه اعمال مي شود و اگر ابعاد دو کانال يکسان باشد، اندازه نمونه قبل و بعد از فرآيند تغييري نمي کند و مي توان نمونه اکسترود شده را مجدداً در قالب ECAP تغيير شكل داد. ميزان کرنش پلاستيک اعمال شده در هر سيکل ECAP به زاويه قالب و شعاع گوشه آن بستگي دارد که در قالبي با زاويه 90 درجه تقريباً برابر با يك است. در اين فرآيند مسير کرنش اهميت زيادي دارد و گزارش شده که چرخش نمونه بين سيکل هاي ECAP مي‌تواند باعث تغيير در شکل گيري ريزساختار ماده بشود.
2-2. فرآيند اکستروژن و فشار متوالي (CEC)
فرآيند CEC (شکل 1- (ب)) که توسط Richert و همکارانش ابداع شده در مقايسه با ECAP کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در اين فرآيند نمونه فلزي که معمولاً به شکل استوانه است ابتدا اکسترود شده و قطر آن کاهش مي يابد و سپس داخل قالب فشرده مي‌شود تا قطر آن افزايش يافته و به اندازه اوليه برسد. اين مراحل در جهات مخالف هم و داخل يک قالب بسته انجام مي شوند تا کرنش هاي بسيار بالا به نمونه اعمال شود.
2-3. تغيير شكل پيچشي تحت فشار زياد (HPT)
فرآيند HPT كه در سال 1989 توسط دکتر Valiev معرفي شد، عبارت است از تغيير شكل پيچشي يک ديسک نازک تحت فشار زياد. از آنجايي که تنش‌هاي اعمالي در اين فرآيند از نوع هيدرواستاتيک فشاري هستند، کرنش‌هاي پلاستيک بسيار شديد را مي توان بدون بروز شکست به نمونه اعمال کرد. تصوير شماتيک اين فرآيند در شکل(1- (ج)) نشان داده شده است.
2-4. فرآيند نورد تجمعي (ARB)
فرآيند ARB به عنوان يك روش اعمال تغيير شكل شديد پلاستيك و دستيابي به ساختاري با اندازه دانه نانومتري توسط Saito و همكارانش معرفي شد. مراحل مختلف اين فرآيند در شکل (1- (د)) نمايش داده شده است. اولين مرحله در فرآيند ARB مرحله آماده سازي سطح دو ورق مي باشد که معمولاً شامل رفع لايه‌هاي اکسيدي سطح با برس زني و ايجاد يک لايه کارسخت شده در سطح ورق است. براي دستيابي به يک اتصال نوردي کامل بين دو ورق تميز کردن و چربي زدايي کامل سطوح دو ورق قبل از فرآيند نورد ضروري است. پس از آماده سازي، دو ورق طوري روي هم قرار مي گيرند که سطوح آماده شده آنها در تماس با هم باشند و براي جلوگيري از لغزش دو ورق روي هم، از اتصال به وسيله جوش نقطه‌اي يا پرچ استفاده مي شود. مهمترين مرحله در فرآيند ARB نورد همزمان دو ورق است. استفاده از نورد در فرآيند ARB نه فقط به عنوان يک روش تغيير شكل بلکه به عنوان عاملي براي ايجاد اتصال بين دو ورق و توليد يک ورق کاملاً يکپارچه است. گاهي نيز براي بهتر شدن اتصال، فرآيند نورد در دماي بالا ولي زير دماي تبلور مجدد، انجام مي شود. معمولاً ميزان کاهش ضخامت اعمال شده در اين مرحله 50 درصد است كه در نتيجه آن ورق حاصله ضخامتي برابر ضخامت ورق اوليه خواهد داشت. سپس اين ورق از راستاي طولي به دو قسمت بريده مي‌شود و مراحل كار مجدداً تكرار مي شوند. عدم تغيير ابعاد نمونه حين اعمال کرنش در تمام فرآيندهاي تغيير شكل شديد پلاستيکي باعث ايجاد تغييرات ريزساختاري عمده‌اي در نمونه‌ها مي‌شود. در بيشتر موارد گزارش شده است که مکانيزم‌هاي مختلفي در کاهش اندازه دانه‌ها و تغييرات ريزساختاري حين اعمال فرآيندهاي مذکور مؤثر هستند. در مورد فرآيندهاي ECAP و ARB ديده شده است که فشرده شدن دانه‌ها به شکل دانه هاي پهن شده در کرنش هاي نسبتاً کم منجر به ايجاد ساختاري لايه‌اي شکل از دانه‌هاي کشيده شده مي‌شود. تبديل مرزهاي فرعي با زاويه کوچک به مرزهايي با زاويه بزرگتر، مکانيزم حاکم در کرنش‌هاي متوسط است که يک ساختار لايه اي بسيار ريز در نمونه‌ها ايجاد مي‌کند. مکانيزم بعدي که در کرنش‌هاي بالا باعث شکل‌گيري ريزساختاري از دانه‌هاي نانومتري مي‌شود، شکسته شدن دانه‌هاي کشيده شده و تبديل آنها به دانه‌هاي هم محورتر بسيار ريز است. در شکل (2) تصاوير ميکروسکوپ الکتروني عبوري از نمونه‌هاي فلزي توليد شده به روش‌هاي مختلف اعمال کرنش شديد پلاستيک ارائه شده است. همانطور که ديده مي شود در تمام موارد بعد از اعمال مقدار زيادي کرنش پلاستيک به نمونه فلزي، اندازه دانه‌ها به طرز قابل ملاحظه اي تا اندازه‌هاي نانومتري کاهش يافته است. همزمان با کاهش اندازه دانه‌ها در نمونه‌هاي فلزي توليد شده به روش تغيير شكل شديد پلاستيک، خواص مکانيکي فلز نيز بهبود چشم گيري مي‌يابد. براي مثال همانطور که در جدول (1) ديده مي‌شود استحکام کششي نمونه‌هاي فلزي مختلف توليد شده به روش‌هاي ARB و ECAP تا بيش از سه برابر مقادير اوليه افزايش يافته است. در مورد ورق‌هاي آلومينيومي توليد شده به روش ARB، استحکام کششي ورق‌ها از مقدار تقريبي صدمگا پاسگال در حالت کاملاً آنيل شده، تا بيشتر از صد مگاپاسگال بعد از شش سيکل فرآيند (کرنش معادل 8/4 ) افزايش يافته است . افزايش قابل ملاحظه استحکام اين نمونه‌ها باعث افزايش کاربرد آنها در صنايعي خواهد شد که نياز مبرم به افزايش استحکام، کاهش وزن قطعات و صرفه جويي در مصرف انرژي دارند.
3. ساير فرآيندها
علاوه بر فرآيندهاي مذکور، در سال‌هاي اخير فرآيندهاي ديگري نيز براي اعمال کرنش‌هاي شديد پلاستيک در مواد فلزي و کاهش اندازه دانه‌ها تا مقياس نانومتري پيشنهاد شده است. در شکل (3) تصوير شماتيک اين فرآيندها با نام‌هاي تغيير شكل در قالب ECAP به وسيله نورد (Equal Channel Angular Rolling ECAR)، فرآيند موج‌دار کردن و صاف کردن متوالي (Repetitive Corrugation and Straightening RCS) و فورج سيکلي در قالب بسته(Cyclic Closed-Die Forging CCDF) نشان داده شده است . اصول اين روش‌ها نيز مشابه فرآيندهاي قبلي بر پايه اعمال کرنش‌هاي شديد پلاستيک به نمونه فلزي بدون تغيير ابعاد ظاهري آن مي‌باشد. توجه به اصول اين روش مي‌تواند زمينه‌هاي لازم جهت ابداع و معرفي روش‌هاي جديدتر و کارآمدتر توليد مستقيم مواد فلزي با اندازه دانه نانومتري را فراهم آورد.
4 . جمع‌بندي
روش تغيير شكل شديد پلاستيک به عنوان يکي از روش‌هاي جديد براي توليد مستقيم مواد فلزي با اندازه دانه نانومتري مطرح شده است. مبناي اين روش کاهش اندازه دانه‌ها در نمونه‌هاي فلزي با ابعاد بزرگ از طريق اعمال کرنش‌هاي شديد بدون ايجاد تغييرات ابعادي در نمونه است. فرآيندهاي مختلفي نظير فرآيند تغيير شكل پيچشي تحت فشار زياد (HPT) ، تغيير شكل در کانال‌هاي مشابه زاويه دار (ECAP) ، فرآيند فشار و اکستروژن متوالي (CEC) و فرآيند نورد تجمعي (ARB) به عنوان روش‌هاي اعمال کرنش شديد پلاستيک معرفي شده و با موفقيت روي فلزات مختلف اعمال شده‌اند. کاهش اندازه دانه‌ها تا مقياس نانومتري و افزايش قابل ملاحظه خواص مکانيکي از جمله مزاياي اين روش‌هاست که سبب افزايش توجه محققين به آنها شده است.
