خمیر بازی با فولاد!

قربانی شدن استحکام یا شکل‌پذیری در تولید آلیاژها، یک مسئله دیرینه برای طراحی آلیاژهای جدید بوده است. به این معنی که افزایش استحکام معمولاً شکل‌پذیری را قربانی می‌کند. در دهه گذشته، یک راهبرد جدید برای طراحی آلیاژ جدید پیشنهاد شد: اختلاط چندین عنصر برای تشکیل آلیاژها، که “آلیاژهای چند عنصر اصلی” (MPEAs) یا “آلیاژهای با آنتروپی بالا” (HEAs) نامیده می‌شوند. MPEAها خواص مکانیکی عالی، مانند شکل‌پذیری عالی و استحکام فوق‌العاده از خود نشان می‌دهند.

اعتقاد بر این است که این خواص مکانیکی عالی ناشی از اعوجاج شدید شبکه اتمی، از اختلاط تصادفی عناصر اصلی متعدد با اندازه‌های اتمی مشخص، تغییرات پیوند و تفاوت‌های ساختار بلوری نشات گرفته است که به نوبه خود منجر به “اثر کرنش شبکه ناهمگن” می‌شود. با این حال، کمّی‌سازی و بررسی میدان کرنش ناهمگن شبکه دشوار است، بنابراین تأثیر آن بر تقویت آلیاژها از طریق نابجایی دینامیکی سه‌بعدی تا همین اواخر نادیده گرفته شده است.

آخرین آزمایش‌ها و مجموعه‌ای از شبیه‌سازی‌های انجام‌شده توسط تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور یانگ یونگ، در بخش مهندسی مکانیک دانشگاه سیتی هنگ کنگ و پروفسور فانگ کیهونگ در دانشگاه هونان، نشان می‌دهد که میدان کرنش ناهمگن می‌تواند به بهبود مکانیکی کمک کند. خواص MPEAها از طریق مکانیسم‌های جدید تقویت‌کننده ناهمگن ناشی از کرنش، منجر به هم‌افزایی استحکام – شکل‌پذیری در آلیاژها می‌شود.

پروفسور یانگ توضیح داد: «کتاب‌های درسی علوم و مهندسی مواد به طور سنتی چهار مکانیسم تقویت شکل‌پذیری را فهرست می کنند. این دانش موجود در کتاب درسی ده‌ها سال در دانشگاه‌ها به دانشجویان رشته های علوم مواد، مهندسی مکانیک و فیزیک کاربردی آموزش داده شده است. اکنون ما از طریق آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های عددی مکانیزم جدیدی برای تقویت شکل‌پذیری کشف کرده‌ایم که آن را تقویت کرنش شبکه ناهمگن می‌نامیم.»

برخلاف مکانیسم‌های تقویت‌کننده سنتی، که معمولاً منجر به قربانی کردن یکی از ویژگی‌ها استحکام یا شکل‌پذیری می‌شود، این مکانیسم تقویت‌کننده تازه کشف‌شده، منجر به هم‌افزایی استحکام و شکل‌پذیری می‌شود، به این معنی که محققان می‌توانند استحکام و شکل‌پذیری یک آلیاژ با آنتروپی بالا را همزمان افزایش دهند.

پروفسور یانگ افزود: «یافته‌های جدید به توضیح بسیاری از یافته‌های اخیر کمک می‌کند که مکانیسم‌های آن‌ها در حال بحث است و به توسعه فلزات و سرامیک‌های قوی و در عین حال انعطاف‌پذیر جدید کمک می‌کند.»