تغییرات خواص مکانیکی با تغییر ابعاد

1- مقدمه
2- مکانیسمهای تغییر شکل پلاستیک
1-2-مواد بالک
2-2- مواد ریزدانه
3-2- رژیم نانو 2
4-2- رژیم نانو 1
5- اثر نانوساختار شدن بر رفتار خستگی
1- مقدمه
- مدول الاستیک کمتر نسبت به مواد با اندازه دانههای معمولی تا حدود 30% – 50%
- استحکام و سختی خیلی بالا – مقادیر سختی برای فلزات خالص نانوکریستالی (اندازه دانه حدود 10 نانومتر) 2 تا 10 برابر بیشتر از مواد با اندازه دانههای بزرگ (بزرگتر از 1 میکرومتر) است.
- انعطافپذیری بیشتر – شاید حتی رفتار سوپر پلاستیک – در دماهای همسان در سرامیک یا ترکیبات بین فلزی که در حالت عادی ترد هستند. گفته میشود این رفتار به دلیل مکانیسمهای مرزدانهای-نفوذی دیده میشود.
تغییر شکل الاستیک ناشی از تغییر فاصله تعادلی بین اتمها در ماده بوده و به همین دلیل بازگشتپذیر است و پس از حذف تنش، ماده نیز به حالت اولیه خود باز میگردد.
تغییر شکل پلاستیک ناشی از حرکت نابجاییها در ماده است و به همین دلیل بازگشتپذیر نیست و با حذف تنش ماده به حالت اولیه خود برنمیگردد. مکانیسمهای مختلفی برای تغییر شکل پلاستیک وجود دارد که شامل موارد زیر است:
2- مکانیسمهای تغییر شکل پلاستیک
1-2-مواد بالک
2-2- مواد ریزدانه
3-2- رژیم نانو 2
4-2- رژیم نانو 1
3- مدل Grain Boundary Source-Sink



در حالی که برخی از این مشاهدات اولیه، به خصوص سختی و استحکام با مطالعات بیشتر تایید شدند، ثابت شد که برخی دیگر از این رفتارها به دلیل تخلخل بالا در نمونههای بالک یا سایر عیوب ساخت بوده و ویژگی ذاتی مواد نانوکریستالی نیست. اما مساله انعطافپذیری همچنان موضوعی است که نیاز به مطالعات بیشتر دارد و با این که بسیاری از مواد نانوکریستالی انعطافپذیری بالایی را که پیشبینی شده بود از خود نشان نمیدهند و در واقع انعطافپذیری پایینی تحت تنش دارند، اخیرا مثالهایی از انعطافپذیری خوب همراه با استحکام بالا در تعداد محدودی از موارد دیده شده است.
سه محدودیت اصلی در بحث انعطافپذیری برای مواد نانوکریستالی میتوان نام برد که شامل موارد زیر هستند: 1- عیوب ناشی از ساخت. 2- ناپایداری نیرو در تنش. 3- ناپایداری جوانهزنی و گسترش ترک.
تخلخل یکی از عیوب اصلی به خصوص در روشهای تراکم با گاز خنثی است. حتی وقتی به چگالی تئوری دست پیدا شود، ممکن است پیوند بین ذرات کامل نشده باشد. مواد نانوکریستالی که توسط ball – mill پودرها تولید میشوند نیز مشکلِ کامل نبودن پیوندها پس از تراکم را دارند. عامل سطحی که برای جلوگیری از جوش سرد در طول ball-mill استفاده میشود، اگر بیش از اندازه در سیستم وجود داشته باشد میتواند مانع تشکیل کامل پیوندها پس از تراکم شده و بنابراین انعطافپذیری را محدود کند. روش متداول دیگر برای تولید مواد نانوکریستالی، رسوبدهی الکتروشیمیایی است که مواد تولید شده با این روش نیز انعطافپذیری پایینی دارند. دلیل این موضوع احتمالا افزودنیهایی است که برای رسیدن به ساختار نانوکریستالی اضافه میشود. هر چند، مواردی وجود دارد که از این روش استحکام و انعطافپذیری خوبی بدون استفاده از افزودنیهای آلی گرفته شده است.
گلویی شدن معمولا در تنش بیشینه در طول تست کشش آغاز میشود. مقدار تغییر طول یکنواخت به کرنش سختی بستگی دارد به این شکل که کرنش یکنواخت واقعی در یک نمونه استوانهای ϵu=n است که در آن n ضریب کرنش سختی است. برای یک ماده پلاستیکی ایدهآل (مثل آلیاژهای آمورف) که در آنها n=0 است، ناپایداری گلویی شدن دقیقا زمانی آغاز میشود که تسلیم رخ دهد. این معیار بیان میکند که نمونه از نظر مکانیکی تا زمانی پایدار است که نرخ کرنش سختی به سطحی برسد که توسط جریان تنش در آن زمان مشخص میشود. بنابراین موادی با ظرفیت بالا برای کرنش سختی پایدار هستند و موادی با ظرفیت کمتر برای کرنش سختی پتانسیل ناپایدار بودن دارند.
نمودار تغییر طول بر حسب اندازه دانه برای آلیاژها و فلزات مختلفی در شکل 3 نشان داده شده است. آشکار است که برای بسیاری از فلزات با اندازه دانه زیر حدود 30 نانومتر تغییر طول تا شکست بسیار پایین است (به طور معمول 2-3%).

با این که مرزدانههای نانواندازه عامل افزایش استحکام در مطالعات مواد نانوکریستالی هستند، مرزهای دو قلویی نیز میتوانند مانعی موثر در مقابل حرکت نابجاییها باشند و باعث افزایش استحکام شوند. سنتز دو قلوییهای نانو اندازه در مس تولید شده با رسوبدهی الکتروشیمیایی گزارش شده است. اندازه دانههای مس در بازه 400 – 500 نانومتر و ضخامت لاملا دو قلویی به طور میانگین در حدود 100 نانومتر تا 20 نانومتر بود. استحکام تسلیم مس با کاهش فاصله بین لاملاها طبق رابطه هال – پچ افزایش یافت. همچنین با کاهش فاصله بین لاملاها افزایش انعطافپذیری نیز گزارش شد. در این نمونه مس با کمترین فاصله بین لاملاها، هم استحکام بالا و هم انعطافپذیری خوب مشاهده شده است. از طرف دیگر کرنش سختی بیشتری نسبت به اندازه دانه معمولی مس نیز گزارش شده است.
با این که استراتژیهایی برای بهینه کردن استحکام و انعطافپذیری مثل ساختارbimodal بخشی از استحکام را برای انعطافپذیری از دست میدهند، نتایج جدیدی وجود دارند که طبق آنها در مواد نانوساختار میتوان هم زمان استحکام بالا و انعطافپذیری خوبی داشت. این نتایج برای مواد نانو کریستالی با اندازه دانههای زیر 30 نانومتر و توزیع اندازه دانه نسبتا باریک دیده شدهاند. در چنین موادی دانههایی با اندازه بزرگتر از 50 نانومتر دیده نمیشوند.
یکی دیگر از مکانیزمهای تغییر شکل پلاستیک در ابعاد نانو، چرخش دانهها است. چرخش دانهها به معنی تغییر جهات کریستالی آنها میباشد. وقتی درصد مرزدانه بالا است، لغزش آن سختتر رخ میدهد. در چنین حالتی انرژی لازم برای ایجاد نابجایی بسیار بالا است و چرخش دانهها به کاهش این انرژی بدون ایجاد ترک کمک میکند. بدیهی است که این چرخش از مسیری رخ میدهد که نیازمند کمترین تغییر جهت و در نتیجه کمترین انرژی است. پس این پدیده در مرزدانههایی با زوایای کوچکتر، راحتتر اتفاق میافتد.
لازم به ذکر است که چرخش دانهها به کمک disclinationها رخ میدهد که عیبی خطی است که در آن تقارن چرخشی سیستم بر هم خورده است. به عبارت دیگر میتوان گفت disclination نقص در جهتگیری است اما نابجایی (dislocation) نقص در محل قرارگیری اتمها در سیستم است. اگر استحکام disclination زیاد باشد، مقاومت دانهها در مقابل چرخش بالا خواهد بود و به این ترتیب میکروترکهایی در سیستم ایجاد میشود. در غیر اینصورت چرخش در دانهها رخ خواهد داد.
4- انحراف از رابطه هال – پچ

در اندازه دانههای بسیارکوچک پدیده نرم شدن ماده اتفاق میافتد که به آن reverse Hall-Petch گفته میشود. این پدیده باعث میشود که در اثر ریزدانه شدن ماده از یک اندازه دانه معین، استحکام کاده کاهش پیدا کند. برای این پدیده دلایل متفاوتی ذکر شده است که در ادامه به بررسی اجمالی برخی از آنها میپردازیم.
یکی از دلایل نرمشدگی در اندازه دانههای کوچک عبور نابجایی از نقص است که با دو مکانیسم رخ میدهد. طبق مکانیسم اول که برش دادن نقص (dislocation cutting) نام دارد، نابجایی نقص شبکه (که معمولا اتم ناخالصی است) را برش داده و از آن عبور میکند (شکل 4). این مکانیسم زمانی رخ میدهد که نقص سختی کافی برای مقاومت در برابر نابجایی نداشته باشد و به این ترتیب در برابر تنش اعمالی از سوی نابجایی برش مییابد.

در حالتی که نقص سختی کافی دارد، مکانیسم اورووان اتفاق میافتد. در این مکانیسم نابجایی شروع به خم شدن دور نقص میکند تا زمانی که بسته شده و بتواند حرکت کند. در این حالت پس از عبور حلقههای نابجایی از خود به جا میگذارد (شکلهای 5 و6).



5- اثر نانوساختار شدن بر رفتار خستگی
- Low Cycle Fatigue: خستگی در تنشهای بالا (در حدود تنش UTS) و تعداد چرخه کم
- High Cycle Fatigue: خستگی در تنشهای پایین وتعداد چرخه زیاد