تغییرشکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت های زمینه فلزی

1- مقدمه

1-1- تعریف نانوکامپوزیت

نانوکامپوزیت به یک ماده چندفازی گفته می­‎شود که اندازه یکی از فازهای آن، حداقل در یک بعد، کمتر از 100 نانومتر باشد [1].

2-1- نانوکامپوزیت‌­های زمینه فلزی

امروزه نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی (Metal Matrix Nanocomposites) به‌دلیل برخی خواص منحصربه‌فرد، در اکثر صنایع بالادستی و پایین‌دستی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ویژگی بارز نانوکامپوزیت­‌های زمینه فلزی، داشتن ترکیبی از چقرمگی و استحکام مکانیکی است. منشأ انعطاف‌پذیری و استحکام مکانیکی بالا، وجود فاز نرم زمینه و ذرات ترد تقویت‌کننده است. نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی به‌طور گسترده‌ در کاربردهای مختلف مهندسی مانند صنایع خودروسازی و هوافضا مورداستفاده قرار می‌گیرند [2]. تولید این نانوکامپوزیت‌ها نیازمند اعمال دما و فشار بالا همزمان با کنترل دقیق اتمسفر سنتز برای جلوگیری از اکسیداسیون فلز زمینه است. بنابراین فرآیند ساخت این دسته از مواد به تجهیزاتی با طراحی خاص و شرایط محیطی کنترل شده نیاز دارد [3].

به‌طور کلی، در نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی، فاز تقویت‌کننده یا به‌صورت ذره یا به‌صورت الیاف به زمینه فلزی افزوده می‌شوند. از مهم‎­ترین خواص این مواد می­‌توان به عملکرد مکانیکی عالی، استحکام دمابالا، مقاومت سایشی مناسب و نرخ خزش پایین اشاره کرد [4]. در این بین، نانوکامپوزیت­‌های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات، به‌دلیل داشتن خواص ایزوتروپ، سهولت فرآیند تولید و هزینه کمتر نسبت به نانوکامپوزیت­‌های تقویت شده با الیاف پیوسته، بیشتر مورد توجه قرار گرفته‎­­اند [2]. البته خواص نانوکامپوزیت­‎های تقویت شده با الیاف پیوسته، در راستای الیاف بهتر از سایر جهت‌ها است.

3-1-  تغییرشکل نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی

تاکنون پژوهش‌های بسیاری بر روی تغییرشکل نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی انجام شده است. این پژوهش‌ها شامل بررسی تأثیر نوع فرآیندهای مورد استفاده در تغییرشکل مانند نورد و اکستروژن، و بررسی تأثیر آزمون­‎های تغییرشکل در شرایط مختلف از لحاظ دما و نرخ کرنش (مانند آزمون فشار داغ و کشش داغ) است. این پژوهش‌ها خواص مختلف نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی مانند مقاومت به خستگی، مقاومت به سایش، سوپرپلاستیسیته، تغییرات خواص کششی و فشاری و خواص فیزیکی را مورد بررسی قرار داده‌اند.

با توجه به نتایج به‌دست آمده در رابطه با تغییرشکل پلاستیک شدید فلزات و آلیاژهای مهندسی، اخیراً از این روش‌ها برای تغییرشکل نانوکامپوزیت‎­های زمینه فلزی استفاده شده است. در یکی از مقالات سایت آموزش نانو با عنوان «روش تغییرشکل پلاستیک شدید برای تولید مواد نانوساختار»، کلیات روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید مورد بحث و بررسی قرار گرفت و مراحل مختلف آن‌ها معرفی شده‎­اند. از سوی دیگر، با گسترش کاربردها و خواص منحصربه‎­فرد نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی، تمایل زیادی به بررسی تأثیر تغییرشکل پلاستیک شدید بر روی خواص مختلف نانوکامپوزیت‎­های زمینه فلزی به‌وجود آمده است. در ادامه به بررسی تغییرشکل شدید پلاستیک نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی پرداخته خواهد شد.

2- تغییرشکل شدید پلاستیک نانوکامپوزیت‎­های زمینه فلزی

تغییرشکل پلاستیک شدید نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی دو هدف اصلی را دنبال می‌کند: (الف) ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی؛ و (ب) بهبود خواص آن‎ها.

1-2- تغییرشکل پلاستیک شدید برای ساخت نانوکامپوزیت‌­های زمینه فلزی

در بسیاری از پژوهش­‌ها، از تغییرشکل پلاستیک شدید به‌طور همزمان برای ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی و تغییرشکل آن‌ها استفاده می‌شود؛ بدین منظور، مواد اولیه باید به­ صورت پودری باشند و هدف از اعمال تغییرشکل پلاستیک شدید، متراکم کردن (Consolidation) آن‌ها است. بنابراین برای ساخت همزمان نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی و تغییرشکل آن‌ها باید از روش‎­هایی استفاده کرد که در آن‌ها تنش فشاری حداکثر و تنش کششی حداقل باشد. فرآیند پرس در کانال زاویه‎­دار (ECAP) و  پیچش با فشار بالا (HPT) فرآیندهای مناسبی برای این منظور هستند. با این وجود، فرآیند پرس در کانال زاویه‌­دار (ECAP)، بیشترین کاربرد را در این زمینه دارد.

امروزه از تغییرشکل پلاستیک شدید برای ساخت نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله­‎های کربنی (CNT-reinforced metal matrix nanocomposites) استفاده می‌شود. نانولوله­‎های کربنی به ­دلیل داشتن خواص مکانیکی عالی و رسانایی الکتریکی و حرارتی مناسب، تقویت­‌کننده‎­های مناسبی برای فلزات سبک و مستحکم مانند مس، آلومینیوم و تیتانیوم هستند [5]. روش‎­های گوناگونی برای سنتز نانوکامپوزیت‎­های زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله‎­های کربنی وجود دارد. روش متالورژی پودر، رسوب‌گذاری شیمیایی از فاز بخار (Chemical Vapor Deposition, CVD)، تف­جوشی قوس پلاسما (Spark Plasma Sintering, SPS)، و چسباندن در حین اختلاط (Mixing as paste) از جمله این روش‌ها هستند. شکل 1 تعدادی از روش‌های مورد استفاده در ساخت نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله‎­های کربنی را نشان می‌دهد.

ساخت نانوکامپوزیت مس- نانولوله کربنی (Cu/CNT) با استفاده از فرآیند پرس در کانال زاویه­‎دار باعث ایجاد نانوکامپوزیتی با چگالی کامل (Fully Density)، ریزساختار همگن، و استحکام بالا می‌شود. بهبود استحکام مکانیکی زمینه مسی در اثر افزودن نانولوله‌های کربنی، ناشی از انتقال مناسب بار از زمینه به تقویت‌کننده‌ها است [5]. با این وجود، اگر از روش مناسب برای سنتز استفاده شود، به ­دلیل چسبندگی ضعیف زمینه با ذرات تقویت‌کننده و عدم انتقال مناسب بارهای اعمالی از زمینه به تقویت‌کننده‌ها، امکان کاهش استحکام مکانیکی با افزودن نانولوله‌های کربنی وجود دارد. در نانوکامپوزیت‌های مس- نانولوله کربنی ساخته شده با فرآیند ECAP، افزایش تعداد پاس­‎های فرآیند منجر به افزایش بیشتر استحکام نانوکامپوزیت می‌شود [7]. شکل 2 تغییرات سختی نانوکامپوزیت زمینه مسی تقویت شده با یک درصد حجمی نانولوله کربنی، با افزایش تعداد پاس‎­های فرآیند را نشان می­‎دهد. این نمودار نشان‎دهنده تأثیر چشمگیر افزودن نانولوله‌های کربنی و افزایش تعداد پاس‌های فرآیند بر روی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت سنتز شده است.

افزایش تعداد پاس‌­های فرآیند پرس در کانال زاویه‎­دار باعث شکسته شدن نانولوله‌های کربنی آگلومره شده می‌شود و توزیع یکنواخت‌تری از ذرات تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه مسی را به­ وجود می­‌آورد. بنابراین سختی نانوکامپوزیت سنتز شده طبق رابطه هال-پچ افزایش می‌یابد [3و6].

تغییرشکل نانوکامپوزیت­‎های تقویت شده با نانولوله‌های کربنی باعث جهت­‎گیری خوشه­‎های CNT در راستای تنش برشی اعمال شده می‎­شود [3]. بنابراین با توجه به جهت‌دار بودن تنش برشی اعمال شده در فرآیند ECAP، انتظار جهت­‎گیری نانولوله‌های کربنی در راستای صفحات مشخصی وجود دارد. البته در فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید، احتمال آسیب دیدن نانولوله­‎های کربنی به دلیل تغییرشکل شدید درحین فرآیند وجود دارد [6].

از فرآیند پیچش با فشار بالا، برای ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی با ذرات تقویت‌کننده سرامیکی مانند نانوکامپوزیت نیکل- اکسید نیکل (Ni/NiO) استفاده می‌شود. ریزساختار نانوکامپوزیت سنتز شده با این روش شامل زمینه‌­ای بسیار ریزدانه و ذرات اکسید نیکل پراکنده شده در مرزدانه­‎ها است. مقایسه بین  خواص نیکل خالص و نانوکامپوزیت نیکل- اکسید نیکل سنتز شده با روش پیچش با فشار بالا، نشان­‎دهنده استحکام مکانیکی بالاتر نانوکامپوزیت است [8]. برای ساخت این نانوکامپوزیت، پودر نیکل اولیه در دمای 400 درجه سانتی‌گراد و به مدت 10 دقیقه آنیل می‌شود تا یک لایه­ اکسیدی (NiO) با ضخامت موردنظر بر روی آن تشکیل شود. سپس پودر به ­دست آمده، در دمای محیط تحت فرآیند پیچش با فشار بالا قرار می‌گیرد. در حین فرآیند تغییرشکل پلاستیک شدید، ذرات خالص نیکل کشیده­ شده و سپس ریزدانه می‌شود. همچنین لایه‌­ها­ی اکسیدی موجود در حین این فرآیند خرد می­‎شوند. شکل 3 شمایی از فرآیند سنتز پودر نانوکامپوزیتی نیکل- اکسید نیکل با روش پیچش با فشار بالا را نشان می‌دهد.

با افزایش میزان تغییرشکل پلاستیک شدید، نانوکامپوزیت نیکل – اکسید نیکل با ریزساختاری شامل نیکل ریزدانه و ذرات پراکنده­ اکسید نیکل به­ وجود می­‌آید. با توجه به ریزدانه بودن نیکل زمینه، ذرات نیکل اکسید در مرزدانه‎­های نیکل قرار می­‌گیرند. این ذرات، با قفل کردن نابجایی­‌ها، مانع حرکت آن‌ها شده و از سوی دیگر، از رشد دانه‌ها جلوگیری می‌کنند. بنابراین به‌دلیل غیرمتحرک­ شدن نابه‌جایی‌ها و کاهش اندازه ذرات، سختی نانوکامپوزیت افزایش می‌یابد. شکل 4 تغییرات سختی نانوکامپوزیت نیکل – اکسید نیکل سنتز شده با روش پیچش با فشار بالا را برحسب میزان کرنش اعمال شده نشان می‌دهد.

ساخت نانوکامپوزیت آلومینیوم-فولرن (Al/Fulleren) با استفاده از فرآیند پیچش با فشار بالا، مزیت­‌های قابل توجهی را نسبت به سایر روش‌های متداول در ساخت این نانوکامپوزیت دارد که از مهم‌ترین آن‎ها می‌توان به حذف عملیات بعدی شامل حرارت دادن و تف­جوشی اشاره کرد [9]. سختی نانوکامپوزیت سنتز شده با این روش، 6 برابر از آلومینیوم بالک سنتز شده با روش مشابه، و 3 برابر از آلومینیوم پودری خالص بیشتر است. علاوه بر خواص مکانیکی مطلوب، این نانوکامپوزیت شکل‌پذیری قابل قبولی نیز دارد. شکل 5 تغییرات سختی برحسب فاصله از مرکز نمونه و منحنی تنش-کرنش نانوکامپوزیت آلومینیوم-فولرن، آلومینیوم بالک و آلومینیوم پودری خالص را نشان می‌دهد. اگرچه مقدار کرنش تا شکست در نانوکامپوزیت آلومینیوم – فولرن نسبت به آلومینیوم بالک و پودری کمتر است، ولی مقدار کرنش یکنواخت (الاستیک) در هر سه ماده تقریباً برابر است.

2-2- تغییرشکل پلاستیک شدید برای بهبود خواص نانوکامپوزیت‌­های زمینه فلزی

علاوه بر ساخت نانوکامپوزیت‌های پودری، با استفاده از روش تغییرشکل پلاستیک شدید می‌توان تغییرات قابل توجهی را در خواص این مواد ایجاد کرد. در حالت کلی، دو دلیل اصلی برای بهبود و تغییر خواص نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی با اعمال تغییرشکل پلاستیک شدید وجود دارد: (الف) توزیع یکنواخت‌تر فازهای تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه همراه با ریزدانه‌تر کردن زمینه؛ و (ب) ایجاد استحاله­‎های فازی در فلز زمینه و تشکیل فازهای نانومتری.

1-2-2- توزیع یکنواخت‌تر فازهای تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه همراه با ریزدانه‌تر کردن زمینه

برای بررسی تأثیر تغییرشکل پلاستیک شدید بر روی خواص نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی، نانوکامپوزیت مس- آلومینا (Cu-0.5wt%Al₂O₃) را در نظر بگیرید که با روش پیچش فشاربالا تحت تغییرشکل پلاستیک شدید قرار گرفته است. بررسی‎­های انجام شده با میکروسکوپ الکترونی عبوری مؤید ریزساختاری (زمینه) با ابعاد نانو همراه با پراکندگی مطلوب ذرات تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه است [10]. نکته­ مهم، تأثیر مستقیم ذرات آلومینا  در ریزدانه‌تر شدن زمینه­ مسی است. مشاهدات نشان می­‎دهند که اندازه دانه در هنگام اعمال پیچش فشاربالا به زمینه مس خالص (بدون ذرات آلومینا)، دو برابر بزرگ‌تر از اندازه دانه‌ در حضور ذرات آلومینا است. اعمال فرآیند پیچش فشاربالا به نانوکامپوزیت مس-آلومینا باعث ایجاد ترکیبی از استحکام بالا (درحدود MPa 680)، میکروسختی قابل­ توجه (MPa 2300)، شکل­‎پذیری مطلوب و هدایت الکتریکی مناسب می‌شود.

به­ طور مشابه، افزودن ذرات سرامیکی نانومتری (nm 10~) به مابین ورق­‎های فلزی در حین هر مرحله از فرآیند اتصال نورد تجمعی (ARB) باعث ریزتر شدن دانه‌های فلز زمینه و توزیع بسیار همگن­ ذرات سرامیکی در زمینه فلزی می‌شود. شکل 6 تغییرات اندازه متوسط دانه‌ها و استحکام کششی نهایی نانوکامپوزیت‌های آلومینیوم – آلومینا و زمینه آلومینیومی را با افزایش مقدار کرنش (افزایش سیکل‌های فرآیند اتصال نورد تجمعی) نشان می­‌دهد. دلیل ریزدانه‌تر­ شدن ذرات در این نانوکامپوزیت­‎ها، به‌وجود آمدن کرنش موضعی اضافی در اطراف نانوذرات سرامیکی و استحکام­‎بخشی بیشتر آن‎ها گزارش شده است.

همگن­‎سازی ریزساختار همراه با توزیع یکنواخت فاز تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه، یکی دیگر از اهداف اعمال تغییرشکل پلاستیک شدید به نانوکامپوزیت‌های سنتز شده است. به‌عنوان مثال، از فرآیند پیچش با فشار بالا برای همگن‌سازی ترکیب شیمیایی نانوکامپوزیت زمینه­ مسی تقویت شده با الیاف آهن به ضخامت 50 نانومتر استفاده می‌شود [12]. تغییرشکل پلاستیک شدید باعث افزایش انحلال اتم­‎های آهن در زمینه­ مسی شده (تا 12% اتمی آهن) و محلول جامد فوق ­اشباع کاملاً همگنی را به ­وجود می‎­آورد. همچنین انحلال اتم‌های آهن باعث کاهش اندازه دانه تا ابعاد نانومتری می­‎شود. افزودن مقدار بیشتر آهن به زمینه مسی منجربه کاهش بیشتر اندازه دانه به‌خصوص در مناطقی با غلظت بالاتر آهن می‌شود [13].

علاوه­ بر نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی، از تغییرشکل پلاستیک شدید برای همگن‌سازی ریزساختار کامپوزیت‌های زمینه فلزی مانند کامپوزیت زمینه­ آلومینیومی تقویت شده با سیلیکون کاربید (با قطر 1 میکرومتر) استفاده می‌شود [14]. تغییرشکل پلاستیک شدید کامپوزیت باعث خردایش خوشه­‎های سیلیکون کاربید و توزیع بسیار همگن آن‎ها در سرتاسر زمینه می‌شود. البته پس از اعمال تغییرشکل پلاستیک شدید به این کامپوزیت، اندازه دانه‎­های فلز زمینه و ذرات تقویت‎کننده، در محدوده میکرومتری باقی مانده و کامپوزیت نانوساختار نمی‌شود.

2-2-2- ایجاد استحاله‎­های فازی در فلز زمینه و تشکیل فازهای نانومتری

اگرچه روش تغییرشکل پلاستیک شدید، به ­عنوان یک روش کارآمد برای ایجاد فازهای نانومتری درجا (In-situ) در نانوکامپوزیت­‌های زمینه فلزی به‌شمار می‌رود، اما هنوز استفاده از این تکنیک توسعه نیافته است. به‌عنوان مثال، در نانوکامپوزیتی با زمینه آلیاژ تیتانیوم Ti₆₀Cu₁₄Ni₁₂Sn₄Nb₁₀ که با استفاده از تغییرشکل پلاستیک شدید (پیچش با فشار بالا) ساخته شده است، اندازه فازهای یوتکتیکی و دندریت‎­های ایجاد شده در ریزساختار در حین انجماد آلیاژ، به‌شدت کاهش یافته و توزیع یکنواختی از ذرات تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه به ­دست می­‌آید [15]. خواص مکانیکی این نانوکامپوزیت به‌دلیل اندازه کوچک دانه و توزیع یکنواخت تقویت‌کننده‌ها در زمینه به‌شدت افزایش می‌یابد. شکل 7 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope, SEM) این نانوکامپوزیت را پس از تغییرشکل پلاستیک شدید نشان می‌دهد. همان‌طورکه مشاهده می‌شود، پس از اعمال تغییرشکل پلاستیک شدید، دندریت‎­ها تغییرشکل یافته و کشیده می‌شوند. به­ طور مشابه، فازهای یوتکتیک موجود در زمینه تغییرشکل می‌دهند.

به­ طور مشابه، روش پیچش با فشار بالا، استحکام نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی را با ریزدانه کردن ریزساختار (Structural Refinement) افزایش می­‎دهد. منظور از ریزدانه کردن ساختار، کاهش ابعاد کلیه فازهای تشکیل‎دهنده، دندریت­‎ها و فازهای یوتکتیکی است. بنابراین تفاوت اساسی در مکانیزم استحکام­‎دهی نانوکامپوزیت‌های درجا و غیردرجا (ex situ)، افزایش استحکام ناشی از تشکیل فازهای تقویت‌کننده در حین فرآیند تغییرشکل پلاستیک شدید است.

به‌طورکلی، تغییرشکل نانوکامپوزیت‌ها ممکن است باعث انجام استحاله‌­های فازی در ماده شود. برای نمونه، در نانوکامپوزیت‎­های مارتنزیتی Cu₅₀Zn₅₀، تغییرشکل فشاری، باعث تغییر ترکیب شیمیایی فازهای تشکیل شده در ریزساختار می‎­شود و خواص مکانیکی نانوکامپوزیت را تحت تأثیر قرار می­‎دهد [16]. شکل 8 الگوی پراش اشعه­ ایکس این نانوکامپوزیت‎ها را قبل و بعد از تغییرشکل پلاستیک شدید نشان می‎­دهد. این الگو تأثیر قابل­ توجه فرآیند تغییرشکل را بر روی شدت پیک فازهای موجود نشان می‌­دهد. همانطور که مشاهده می‎­شود، تعدادی از پیک‌ها پس از فرآیند تغییرشکل حذف شده‌اند. دلیل استحکام و شکل‎پذیری بالای این نانوکامپوزیت‌ پس از تغییرشکل پلاستیک شدید، تشکیل تعداد زیادی مرز دوقلویی (Twin Boundaries) در ریزساختار و استحاله­‎های فازی ناشی از تغییرشکل (Deformation-Induced Phase Transformation) در درون فاز مارتنزیتی است.

نتیجه‌گیری

نانوکامپوزیت­‌های زمینه فلزی، به دلیل داشتن ترکیبی از چقرمگی بالا و استحکام مطلوب، به‌طورگسترده در کاربردهای مختلف مهندسی مانند صنایع خودروسازی و هوافضا مورداستفاده قرار می­‎گیرند. در این مقاله، تولید نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی با استفاده از روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید و تأثیر آن‎ها بر روی خواص ریزساختاری و مکانیکی این مواد مورد بحث و بررسی قرار گرفت. گفته شد که تغییرشکل پلاستیک شدید در نانوکامپوزیت‎­های زمینه فلزی، دو هدف اصلی را دنبال می‌کند: (الف) ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی؛ و (ب) بهبود خواص آن‎ها. تأکید شد که برای ساخت همزمان نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی و تغییرشکل آن‎ها، باید از روش­‎هایی استفاده کرد که در آن‎ها تنش فشاری حداکثر و تنش کششی حداقل باشد. گفته شد که فرآیند پرس در کانال زاویه‎­دار (ECAP)، بیشترین کاربرد را در ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی با روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید دارد. با بررسی چند نانوکامپوزیت زمینه فلزی مانند نانوکامپوزیت‌های مس – نانولوله کربنی، نیکل – نیکل اکسید، و آلومینیوم – فولرن مشخص شد که ساخت نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی با استفاده از تغییرشکل پلاستیک شدید چندین مزیت مهم دارد: توزیع یکنواخت‌تر ذرات تقویت‌کننده در زمینه، افزایش خواص مکانیکی و افزایش شکل‌پذیری. همچنین استفاده از روش‌های تغییرشکل پلاستیک به­ عنوان عملیات ثانویه بر روی نانوکامپوزیت‌های زمینه فلزی، سه مزیت اصلی زیر را دارد: توزیع یکنواخت‌تر فازهای تقویت‌کننده در سرتاسر زمینه، ریزدانه‌تر کردن زمینه و ایجاد استحاله­‎های فازی در فلز زمینه همراه با تشکیل فازهای نانومتری. همچنین تشکیل فازهای نانومتری درجا (In-situ) در نانوکامپوزیت­‎های زمینه فلزی با تغییرشکل پلاستیک شدید، به­ طور اجمالی مورد بحث قرار گرفت.