غلبه بر خستگی فلزات

کد خبر: ۵۱۲۲۲۳

پوشش‌های نانوساختاری جدید می‌توانند در برابر فشارهایی که باعث شکستگی مواد می‌شود، مقاوت ایجاد کنند.

خستگی فلز می‌تواند در بعضی اوقات فاجعه‌انگیز به هنگام تحمل وزن بار یا فشار زیاد موجب شکستگی ناگهانی شود. یکی از دلایل بزرگ شکستگی اجزای ساختاری هر چیزی مانند هواپیما ، فضاپیما ، برج‌ها یا نیروگاه‌ها خستگی فلز است. به همین دلیل ساختارهایی با استحکام بیشتری به وجود آمده‌اند که بر ارزش مواد می‌افزایند.

یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه ام‌آی‌تی به همراه محققان ژاپنی و آلمانی با استفاده از فولاد با پوشش نانوساختاری توانسته‌اند خاصیت خستگی را به‌شدت کاهش دهند. ساختار لایه‌ای فولاد باعث شده تا مانند استخوان حالت ارتجاعی داشته باشد. چنین ساختاری مانع از شکستگی ناشی از خستگی فلز می‌شود.

نتایج در مجله علم (science) توسط محققان دانشگاه ام‌آی‌تی و کشور ژاپن و آلمان به چاپ رسیده است.

بنا به گفته تاسان، استاد دانشگاه ام‌آی‌تی؛ بار یا فشاری که اجزای ساختاری مواد تحمل می‌کنند، معمولا به‌صورت دوره‌ای است. به‌عنوان مثال هواپیما‌ها در هر پرواز دائما تحت تاثیر تغییرات فشار قرار می‌گیرند. همچنین اجزای سازنده هر وسیله‌ای که به‌طور مرتب تحت تاثیر تغییرات دمایی است، متناوبا منبسط و منقبض می‌شوند. شاید این موارد نسبت به حالتی که بار زیاد است و موجب تغییرات دائمی در شکل مواد و یا حتی شکستگی ناگهانی آنها می‌شود، دارای شدت کمتری باشند. اما می‌توانند شکاف‌هایی را ایجاد کنند که در هر بار تحمل وزن بار یا فشار، این شکاف‌ها عریض‌تر شوند و نهایتا کل قطعه بشکند.

بسیاری از شکستگی‌های غیرمنتظره اجزای ساختاری فلزات به‌دلیل خستگی است. به همین دلیل در طراحی اجزای تشکیل‌دهنده آنها موارد مقاومتی بسیاری در نظر گرفته شده است تا هم ارزش آنها را بالا ببرد و هم طول عمرشان را افزایش دهد.

تاسان به همراه گروهش با الهام گرفتن از طبیعت و اینکه چگونه استخوان با وجود وزن سبک در برابر شکستگی و گسترش شکاف‌ها مقاومت می‌کند، به حل مشکل پرداختند. یکی از عوامل مهم در مقاومت استخوان در برابر شکستگی ساختار مکانیکی آن است. به همین دلیل این گروه ریزساختارهایی را که می‌تواند این رفتار را در آلیاژهای فلزی ایجاد کند، بررسی کردند.

سوال این بود که ماده مورد نظر را با چه میکروساختارهایی بسازیم تا در برابر گسترش شکاف مقاوم باشد؟ در این مورد می‌توان از میکروساختار استخوان کمک گرفت. ساختار درونی استخوان حفره‌مانند است و قسمت‌های مختلف آن به یکدیگر متصل هستند. همچنین استخوان ساختار درونی شبکه‌ای دارد. با الهام گرفتن از این ساختار می‌توان موادی ساخت که وزن کمتری داشته ولی از مقاومت بالایی برخوردار باشند.

این تیم نوعی فولاد توسعه داده‌اند که سه پارامتر اساسی در خصوص جلوگیری از گسترش شکاف‌های ایجاد‌شده را دارد. علاوه بر اینکه ساختار لایه‌ای این نوع فولاد از گسترش شکاف‌ها در میان لایه‌ها جلوگیری می‌کند، میزان سختی متفاوت در ریزساختارهای مواد آن نیز باعث می‌شود که شکاف برای گسترش دادن خود در عبور از میان مواد نیاز به انرژی داشته باشد. بنابراین این کار باعث کاهش در گسترش شکاف‌ها می‌شود. همچنین این نوع فولاد شامل برخی ترکیبات شبه‌پایدار است؛ این ترکیبات ناحیه‌های کوچک درونی هستند که بین حالت‌های پایدار تعادل برقرار می‌کنند و حالت ارتجاعی بیشتری دارند. انتقال فاز در این نواحی نیاز به جذب انرژی دارد. این مواد انرژی را از شکاف‌هایی می‌گیرند که قرار بود با جذب آن گسترش یابند. در نتیجه دیگر شکاف‌ها توانایی گسترش را نخواهند داشت.

آزمایش این‌چنین مواد تحت شرایط واقعی به‌دلیل حساسیت شدید سطح آنها بسیار دشوار است. برای مثال اگر شما خراشی در سطح آنها به وجود آورید، آنها سریع‌تر خواهند شکست. بنابراین آماده‌سازی و بررسی نمونه‌های آزمایش، آن هم به‌طور دقیق،  امری ضروری است.

بنا به گفته تاسان این نوع آلیاژ شاید نسبت به آلیاژهایی که از کربن کمتری تهیه می‌شوند، گران‌تر باشد، اما به‌دلیل ویژگی‌های موثر آن و استفاده کمتر از فلزات آلیاژی در آن، از جایگاه ویژه‌ای برخوردار است.

 

کلمات کلیدی: نانو پوشش‌ها- مقاوت- خستگی فلزات

 

مرجع:

http://news.mit.edu/2017/metal-fatigue-laminated-nanostructure-resistance-fracturing-0309

 

 

More from آیتک تبریزی

مغز اسیدی و مشکلات روانی

  کد خبر: ۶۰۶۰۷۱   تاریخ انتشار:.۲۰۱۷  ۲۸ August مغز اسیدی و مشکلات روانی...
مشاهده مطلب

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *