اصلاح دانه بندی در آلیاژهای نانوکریستالی با پایداری مایکروساختاری در اثر اعمال تنش
Stress-driven grain refinement in a microstructurally stable nanocrystalline binary alloy
تغییر شکل پلاستیکی شدید (SPD) از طریق ماشینکاری یا فرایند اصطکاکی اغتشاشی (FSP) می تواند موجب اصلاح دانه بندی در مواد با دانه های درشت شود و دانه بندی را به مقیاس کم تر از مایکرومتر یا نانومتر برساند. به عنوان نمونه، نرخ تغییرشکل در طول ماشینکاری در حدود 1000 در ثانیه یا بیشتر است. تقریبا، 98% از انرژی توزیع شده در ماده در حین تغییر شکل، به صورت گرما است و موجب افزایش شدید دما به صورت موضعی می گردد. در این شرایط سخت (دما و فشار بالا و اصکاک شدید)، برخی نقاط در نزدیکی فصل مشترک چیپ-ابزار (tool-chip)، از طریق فرایند کریستالیزاسیون مجدد دینامیک، دچار اصلاح دانه بندی در لایۀ سطحی خود، می شوند. گرچه از این طریق می توان اصلاح دانه بندی را انجام داد، اندازه دانه میانگین قابل دستیابی در آن محدود است که به دلیل رشد همزمان دانه ها به دلیل افزایش حرارت می باشد.
رشد دانه از طریق تغییرشکل، پدیده ای است گزارش های فراوانی در مورد آن وجود دارد، به ویژه در زمینه مواد نانوکریستالی پایدار، و در طول تست کشش تک محوری، خستگی، و سایر تست های مکانیکی تحت شرایط کرایوژنیک، مشاهده شده است. به عنوان نمونه، از طریق تست های کشش بر روی آلومینیوم نانوکریستالی پایدار، رشد دانه به دلیل تنش اعمالی مشاهده شده است که حدود 2.5 برابر اندازه دانه ابتدایی بوده است. در حالی که واضح است که برخی از سیستم های نانوکریستالی به راحتی دچار افزایش اندازه دانه می شوند، سایر سیستم ها مانند Cu-Ta، رفتار حرارتی و پایداری ترموکانیکی متفاوتی را نشان می دهند. این مشاهدات، این پرسش را مطرح می کند که آیا رشد دانه تحت تاثیر تغییرشکل در سیستم های نانوکریستالی که از نظر ترمومکانیکی پایدار هستند نیز رخ می دهد یا خیر؟ مانند آلیاژهای Cu-Ta؟ اگر پاسخ خیر باشد، آیا این امکان وجود دارد که به جای رشد دانه، بتوان اصلاح دانه بندی را در آن ها انجام داد؟ برای پاسخ به این پرسش ها، در مقاله ای که در مجله شاخص Scripta Materialia منتشر شده است، آلیاژ Cu-Ta انتخاب و بررسی شده است. به این منظور، آلیاژ دارای 3 درصد اتمی تانتالیم انتخاب شده است و برای ساخت میلۀ این آلیاژ، از پودرهایی که از طریق آلیاژسازی مکانیکی تولید شده اند استفاده شده است که تحت فرایند ECAE قرار گرفته اند تا به کرنش 460% در دمای 700 درجه سانتیگراد برسند. در نتیجۀ این پژوهش مشاهده شد که تغییر شکل پلاستیکی شدشد موجب اصلاح دانه بندی این آلیاژ می گردد. تغییر شکل پلاستیکی شدید تا 250% موجب کاهش چشمگیر اندازه دانه می گردد، حتی با این وجود که در طول فرایند تغییر شکل دما به میزان 350 درجه افزایش یافته است. این مشاهدات برخلاف گزارش ها در مورد سایر آلیاژهای نانوکریستالی است و از اهمیت بالایی برخوردار است. نتایج شبیه سازی اتمی و تست ها نشان داد که این اصلاح دانه بندی غیرمنتظره، نتیجۀ مستقیم نانوکلاسترهای تانتالیوم است که به خوبی در سراسر مراکز دانه و در راستای مرز دانه توزیع شده اند و به عنوان عوامل kinetic-pinning عمل می کنند و مرزدانه را متوقف می کنند که در حین فرایند کریستالیزاسیون مجدد رخ می دهد.
