آلیاژهای آلومینیوم نانو-دوقلویی شده همراه با فاز 9R با استحکام بسیار بالا
High-Strength Nanotwinned Al Alloys with 9R Phase (22 January 2018)
آلیاژهای سبک و مستحکم آلومینومی کاربردهای وسیعی دارند. با این حال، بدست آوردن تنش جریان (Flow stress) بالاتر از 1 گیگاپاسکال در آنها، چالش بزرگی محسوب میشود. بهترین آلیاژهای تجاری آلومینیوم دارای تنش تسلیم در حدود 0.7 گیگاپاسکال هستند. استحکام بالاتر (حدود 1 گیگاپاسکال) تا کنون در چند مورد بدست آمده است، مانند شیشههای فلزی پایه آلومینیوم دارای فلزات انتقالی و/یا عناصر نادرخاکی یا کامپوزیتهای آلومینیوم دارای بیش از 50% ذرات بین فلزی. با این حال، شیشههای فلزی پایه آلومینیوم معمولاً چقرمگی پایین و چگالی وزنی بالایی دارند. اصلاح دانه بندی از طریق تغییرشکل پلاستیک شدید (SPD) یا فرایند Cryomilling میتواند استحکام تسلیم آلیاژهای آلومینیومی را از طریق محدود کردن جابجایی نابجاییها، افزایش دهد. با این حال، کاهش شدید اندازه دانه در فلزات نانوکریستالین منجر به بروز پدیده نرم شدگی میشود (دانههای کوچکتر موجب کاهش استحکام تسلیم میشوند- softening phenomenon)، که این رفتار از فعالیتهای متاثر از مرزدانه ناشی میشود که هنگامی رخ میدهند که اندازه دانه کمتر از یک مقدار بحرانی باشد.
مهندسی مرزدانه (Grain Boundary Engineering) راه مهمی برای بهبود خواص مکانیکی مواد است که از طریق شبیهسازی و آزمایش، این اثر به اثبات رسیده است. اخیراً، روش جدایی عناصر محلول (Solute Segregation) برای پایدارسازی مرزدانهها به کار رفته است و از این طریق در آلیاژهای Ni-Mo، استحکام بالایی حاصل گردیده است؛ و نانوکریستالهای موجود در فاز آمورف موجب تشکیل آلیاژهای نانوساختار بسیار مستحکم MgCu2 شدهاند. یک راه موثر دیگر برای بدست آوردن استحکام بالا از طریق مهندسی مرزدانه، استفاده از مرزها با Σ پایین است، مشخصا مرزهای دوقلویی هم سیمای Σ3{111}coherent، مورد توجه قرار دارند. فلزات دوقلویی شده دارای مرزهای دوقلویی هم سیما، دارای استحکام، چقرمگی و رسانایی الکتریکی بالا، و پایداری حرارتی بسیار خوبی هستند. نابجاییهای متحرک موجود در بلوک مرزهای دوقلویی، تغییرشکل پلاستیک بیشتری را تحمل میکنند و میتوانند تحت تنش، جابجا شوند. کارهای قبلی بر روی فلزات نانودوقلویی شده عمدتاً بر فلزاتی متمرکز بوده است که انرژی نقص انباشتگی کم-تا-متوسط داشتهاند مانند نقره، مس، آلیاژهای مس، و فولادهای ضدزنگ آستنیتی. اما درآلومینیوم که انرژی نقض انباشتگی بالایی دارد، دوقلوییهایِ تغییرشکل پراکنده و نامنظمی در نانودانههای تغییرشکل یافته یا تحت شرایط شدید، مشاهده شده است، برای نمونه در نزدیکی نوک ترک، تحت تنش بالا، و نرخ کرنش بالا. گرچه برهم کنشهای نابجایی-دوقلویی در آلومینیوم دوقلویی شده از طریق شبیه سازیهای دینامیک مولکلولی (MD) مطالعه شده است، کماکان ایجاد دوقلوییها با چگالی بالا در آلومینیوم دشوار است. اخیراً، مرزهای دوقلویی ناهمسیمای Σ3{112} incoherent از طریق استفاده از نقره به عنوان لایههای دانه برای رشد (seed layers)، با موفقیت در آلومینیوم ایجاد شدهاند. که این تلاشها برای بدست آوردن استحکام مطلوب، کافی نبودهاند.
اما در پژوهش چشمگیری که در مجله Advanced Materials با ضریب تاثیر بالاتر از 20 چاپ شده است، محققین دانشگاههای ایالات متحده، آلیاژهای محلول جامد Al-xFe (در آن، x=1-10%) را با درصد قابل توجهی فاز 9R ساختهاند. در این پژوهش، مشخص شد که تنها با افزودن مقدار کمی عنصر محلول آهن، دانههای ستونی نانودوقلویی شده همراه با فاز 9R با چگالی بالا در محلولهای جامد Al-Fe تشکیل میشود. پوششهای آلیاژ Al-Fe به حداکثر سختی 5.5 گیگاپاسکال رسیدند که یکی از سختترین آلیاژهای دوتایی آلومینیوم محسوب میشود. تستهای فشار محوری نشان دادند که آلیاژهای Al-Fe دارای فاز 9R، تنش جریان بیش از 1.5 گیگاپاسکال داشتهاند که قابل قیاس با فولاد است. شبیهسازیهای دینامیک مولکولی نیز نشان دادند که استحکام و سختی بالا در آلیاژهای Al-Fe به دلیل حضور فاز 9R با چگالی بالا و دانههای نانومقیاس است. این آلیاژهای Al-Fe از طریق فریاند اسپاترینگ (یا کند و پاش)، بر روی تک کریستال سیلیکونی رونشین (Deposited) شدهاند.
فاز 9R که مورد توجه بوده است، یک نوار نقص انباشتگی است که از واحد تکرارشونده 9 {111} atomic layers تشکیل میشود (6 صفحه عیب انباشتگی و 3 صفحه با چینش عادی).
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes)