برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۴/۰۱ تا ۱۳۹۸/۰۴/۰۷

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۴۶
  • بازدید این ماه ۶۱
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۸۰
  • قبول شدگان ۶۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۹
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

تغییرشکل پلاستیک شدید برای تولید مواد نانوساختار (2)

تغییرشکل در فلزات یا به‌صورت «تغییرشکل الاستیک» یا «تغییرشکل الاستیک همراه با تغییرشکل پلاستیک» انجام می‎شود. با تغییرشکل فلزات، استحکام و سختی آن‎ها افزایش می‌یابد و ادامه تغییرشکل نیاز به انرژی بیشتری دارد. کاهش شکل‌پذیری (ductility) و افزایش احتمال شکست ترد فلز در حین کار مکانیکی، استفاده از روش‌های معمول تغییرشکل پلاستیک را محدود کرده است. تغییرشکل پلاستیک شدید به روش­‎هایی گفته می‌شود که با استفاده از آن‌ها می­‎توان تغییرشکل قابل ملاحظه‌ای را در ساختار فلز به‌وجود آورد، بدون آن‌که فلز دچار شکست و ترک‌خوردگی شود. روش‌های مختلفی برای تغییرشکل پلاستیک فلزات وجود دارد. از مهم‌ترین این روش‌ها می‌توان به فرآیند پرس در کانال زاویه­‎دار، پیچش با فشار بالا، فرآیند فورج چندجهته، فرآیند اکستروژن- فشردن چرخه‌ای، فرآیند اتصال نوردی انباشتی، روش کنگره‎­دار کردن و صاف کردن متوالی، پیچش لوله با فشار بالا و روش اتصال چرخشی تجمعی اشاره کرد. در این مقاله، به‌طور اجمالی به معرفی تغییرشکل پلاستیک شدید پرداخته می‌شود و روش‌های متداول آن برای مواد بالک، ورق‌ها و لوله‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرد. 

1- مقدمه
به‌طور کلی، می‌توان نانومواد را به دو دسته­ اصلی «مواد نانواندازه» و «مواد نانوساختار» دسته‌بندی کرد. مواد نانواندازه دارای ابعاد نانومتری هستند و می‎­توانند به‌صورت نانوذرات (مانند نانولوله‎­های کربنی و نانوذرات سیلیس)، نانوالیاف (Nano-fibers) یا نانوورق­‎ها (Nano-plates مانند نانوورق­‎های میکا یا نانوورق‎­های خاک رس) تولید شوند.

مواد نانوساختار به موادی گفته می­‎شوند که ابعاد ظاهری آن­‎ها به‌صورت بالک بوده، ولی ساختار تشکیل‌دهنده­ آن‌ها در مقیاس نانو قرار دارد. مواد نانوساختار با دو رویکرد اصلی «بالا به پایین (Top-down)» و «پایین به بالا (Bottom-Up)» سنتز می­‎شوند. در رویکرد بالا به پایین، هدف اصلی، کاهش اندازه ساختار ماده تا ابعاد نانومتری است، درحالی‌که در رویکرد دوم، هدف، سنتز ماده بالک با چیدن اتم‌­ها یا اجزای نانواندازه در کنار یکدیگر است [1]. رویکرد بالا به پایین با روش‎­های مختلفی قابل انجام است. یکی از متداول‌ترین روش‌ها، روش‌های مکانیکی است که در آن، ماده با اعمال کار مکانیکی به اجزای نانومتری تبدیل می‌شود. فرآیند تغییرشکل پلاستیک شدید (Severe plastic deformation (SPD)) یکی از پرکاربردترین فرآیندها در روش‌های مکانیکی سنتز مواد نانوساختار به‌شمار می‌رود.

 

2- مفهوم تغییرشکل پلاستیک
تغییرشکل در فلزات یا به‌صورت «تغییرشکل الاستیک» یا «تغییرشکل الاستیک همراه با تغییرشکل پلاستیک» انجام می‌شود. تغییرشکل الاستیک، قابل برگشت است، به‌طوری‌که با حذف بار یا نیروی اعمالی، فلز تغییرشکل یافته به حالت اولیه خود بازمی­‌گردد. در تغییرشکل الاستیک، کرنش وارد شده به فلز، متناسب با مقدار تنش وارد شده به آن است، بدین معنی که یک رابطه­ خطی بین تنش اعمالی و کرنش حاصل از آن وجود دارد. به شیب منحنی تنش-کرنش در مرحله تغییرشکل الاستیک، مدول الاستیک (Elastic Modulus, E) یا مدول یانگ (Young’s Modulus) گفته می‎­شود [2]. می‌توان این رابطه را با قانون فنرها یا قانون هوک بیان کرد. شکل 1 منحنی تنش-کرنش یک فلز در حالت الاستیک را نشان می‌دهد.

 

شکل 1- منحنی تنش-کرنش یک فلز در حالت الاستیک [2].

 

اگر تنش اعمالی به فلز از محدوده­ الاستیک فراتر رود، منحنی تنش-کرنش، وارد محدوده­ پلاستیک می‎­شود [3]. تغییرشکل پلاستیک برخلاف تغییرشکل الاستیک، یک فرآیند غیرقابل برگشت است، به‌عبارت دیگر، کرنش حاصل از تغییرشکل پلاستیک با باربرداری از بین نمی‌رود. شکل 2 منحنی تنش-کرنش یک فلز در حالت پلاستیک را نشان می‌دهد.

 

شکل 2- منحنی تنش-کرنش یک فلز در حالت پلاستیک.

 

3- مفهوم تغییرشکل پلاستیک شدید
هنگامی‌که یک فلز در دماهای نه‌چندان بالا تحت تغییرشکل پلاستیک قرار می­‎گیرد، ساختار درونی آن در برابر ادامه تغییرشکل، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد. در نتیجه برای ادامه­ تغییرشکل، نیاز به اعمال مقادیر بیشتر تنش وجود دارد. به افزایش استحکام فلز در اثر کار مکانیکی، کارسختی (Work hardening) یا کرنش‌سختی (strain hardening) گفته می‌شود. به‌عبارت دیگر، کار سختی باعث افزایش استحکام و سختی فلز در اثر تغییرشکل مکانیکی می­‎شود [4]. همچنین، با افزایش استحکام، شکل‌پذیری و قابلیت تغییرشکل فلز کاهش می‌یابد. به‌دلیل کاهش شکل‌پذیری و افزایش احتمال شکست فلز در حین کار مکانیکی، استفاده از این روش برای افزایش استحکام فلز متداول نیست. به‌همین دلیل است که امکان دستیابی به استحکام موردنظر، با شکل‌دهی فلزات توسط بسیاری از فرآیندهای شکل‎­دهی صنعتی وجود ندارند [5]. همچنین در روش‎­های مرسوم، به‌دلیل آسیب دیدن دستگاه‌ها، تجهیزات و محدودیت ابزار، امکان اعمال مقادیر زیاد کرنش وجود ندارد [6].

تغییرشکل شدید به روش‎­هایی گفته می‌شود که با استفاده از آن‌ها می‎توان کار مکانیکی نسبتاً زیادی را به فلز اعمال کرد، بدون آنکه فلز دچار شکست و ترک‌خوردگی شود. از واژه «شدید» به این دلیل استفاده می‌شود که در این روش‌ها، تغییرشکل شدیدتری در مقایسه با سایر روش­‎های معمول شکل‌دهی به ساختار ماده اعمال می‌شود.

تفاوت اصلی روش تغییرشکل پلاستیک شدید و روش‌های معمول شکل‌دهی این است که این روش علاوه بر افزایش استحکام، در بسیاری از موارد باعث کاهش شکل‌پذیری نمی‌شود؛ چه بسا در برخی از موارد منجر به افزایش آن نیز می‌شود. دلیل این پدیده، تشکیل ریزساختاری با ابعاد نانو است.

 

4- روش‎­های تغییرشکل پلاستیک شدید
می‌توان براساس هندسه­ محصول نهایی، روش‎­های تغییرشکل پلاستیک شدید را به سه دسته­ اصلی تقسیم‌بندی کرد: (الف) تغییرشکل شدید مواد بالک؛ (ب) تغییرشکل شدید ورق‌ها؛ و (ج) تغییرشکل شدید لوله‎­ها. شکل 3 دسته­‎بندی کلی روش­‎های تغییرشکل پلاستیک شدید را نشان می‎­دهد.

 

شکل 3- دسته­‌بندی کلی روش‎­های تغییرشکل پلاستیک شدید براساس شکل محصول.

 

اگرچه این فرآیندها از نظر ماهیت تغییرات ریزساختاری، تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند و اعمال هرکدام از این روش‌ها بر روی فلز، باعث ایجاد تغییرشکل پلاستیک شدید در ریزساختار آن می‌شود، اما تفاوت اصلی آن‎ها، نحوه­ توزیع میدان‎­های تنش و کرنش در فلز تغییرشکل یافته است. در ادامه برخی از مهم‌ترین و پرکاربردترین روش‎­های تغییرشکل پلاستیک معرفی می­‎شوند.

 

1-4- فرآیندهای تغییرشکل پلاستیک شدید برای مواد بالک
1-1-4- فرآیند پرس در کانال زاویه‌­دار (Equal Channel Angular Pressing, ECAP)
این روش جامع‌ترین تکنیک تغییرشکل پلاستیک بوده و دیگر روش‌های SPD، زیرمجموعه‌ای از آن هستند. قالب مورد استفاده در این روش، دارای یک کانال برای ورود قطعه­ است. البته قطعه، مسیر مستقیمی را برای عبور از کانال طی نمی‌کند، زیرا در وسط مسیر، یک تغییر زاویه وجود دارد. شکل 4 شمایی از این روش را نشان می‌دهد.

 

شکل 4- شمایی از فرآیند پرس در کانال زاویه‌­دار با: (الف) هندسه­ مکعبی (مقطع چهارگوش)، و (ب) زاویه­ کانال 90 درجه [1و6].

 

در این روش، فلز موردنظر درون کانال قرار گرفته و از بالا توسط یک سنبه (فشاردهنده) به داخل کانال، هدایت می­‎شود. قطعه­ فلزی حین عبور از کانال، با رسیدن به محل تغییر زاویه، خم شده و سپس بازخم می‌شود. پس از وقوع تغییرشکل شدید در سرتاسر قطعه، ماده از انتهای دیگر قالب خارج می­‎شود. شدت تغییرشکل اعمال شده، به زاویه­ کانال بستگی دارد. البته مقدار تغییر زاویه کانال، خود به اندازه شعاع گوشه­‎ها و انحنای رئوس کانال وابسته است. از آنجایی‌که قطعه در داخل قالب محبوس است و تنش‌های هیدرواستاتیکی موجود، فشار بالایی به آن وارد می‌کنند، قطعه در حین این فرآیند ترک نخورده و نمی‌شکند. 

انتخاب مسیر (route) مناسب برای ادامه فرآیند (برای پاس (pass) بعدی)، بستگی به سطح مقطع نمونه­ موردنظر دارد. این مسیرها عبارتند از: (1) چرخاندن نمونه به میزان 180 درجه حول محور اصلی نمونه؛ (2) چرخاندن 90 درجه‌ای نمونه در صورت وجود تقارن؛ و (3) سر و ته کردن نمونه. لازم به ذکر است که امکان ادامه فرآیند براساس برخی از این مسیرها، فقط برای نمونه­‎هایی با مقطع چندضلعی وجود دارد. شکل 5 شمایی از مسیرهای اصلی مورد استفاده در فرآیند پرس در کانال زاویه‎­دار را نشان می‌دهد. هر کدام از این مسیرها، میدان­‎های تنشی متفاوتی را در نمونه­ به‌وجود می‌آورند.

 

شکل 5- شمایی از مسیرهای اصلی مورد استفاده در فرآیند پرس در کانال زاویه­‌دار [1].

 

علاوه بر مواد بالک، امکان تغییرشکل پلاستیک شدید ورق‌های ضخیم نیز با فرآیند پرس در کانال زاویه­‎دار وجود دارد. در تغییرشکل پلاستیک شدید ورق‌های ضخیم، استفاده از مسیرهای مختلف از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. شکل 6 شمایی از فرآیند پرس در کانال زاویه­‎دار به‌کار رفته در تغییرشکل پلاستیک شدید ورق‌های ضخیم را نشان می‌دهد.

 

شکل 6. شمایی از فرآیند پرس در کانال زاویه‎­دار به‌کار رفته در تغییرشکل پلاستیک شدید ورق‎­های ضخیم [1].

 

2-1-4- پیچش با فشار بالا (High Pressure Torsion, HPT)
در این روش، فشار عمودی و نیروی پیچشی به‌طورهمزمان به یک قطعه­ دیسکی‌شکل اعمال می‌شود. ابتدا دیسک فلزی در ورودی یک قالب قرار می‌گیرد، سپس توسط یک سنبه وارد قالب شده و بر روی دیسک موجود در قالب، فشار مشخصی را وارد می‌­کند. در نهایت، سنبه به‌طورهمزمان با اعمال فشار به دیسک فلزی، شروع به چرخش می‌کند. البته در برخی از موارد، سنبه ثابت بوده و فشار اعمالی باعث چرخش قالب به‌جای سنبه می‌شود. شکل 7 شمایی از روش پیچش با فشار بالا را نشان می‌دهد.

 

شکل 7- شمایی از فرآیند پیچش با فشار بالا: (الف) با سنبه­ چرخان، (ب) با قالب چرخان، و (پ) نمونه­ مورد استفاده در فرآیند [7].

 

انجام این فرآیند مستلزم اعمال نیروی بسیار بزرگ به دیسک است. پارامتر­های اصلی کنترل‌کننده در فرآیند پیچش با فشار بالا عبارتند از: (1) مقدار فشار اعمالی؛ و (2) مقدار زاویه­ دَوَران. در این فرآیند، مقدار تغییرشکل در قطعه دیسکی‌شکل، با حرکت از لبه­‎ها به‌سمت مرکز دیسک کاهش می­‎یابد؛ به‌طوری‌که تقریباً هیچ کرنشی به مرکز دیسک وارد نمی‌شود. بنابراین در قطعات حاصل از این فرآیند، شیب کرنشی در راستای شعاعی وجود دارد.

 

3-1-4- فرآیند فورج چندجهته (Multi-Directional Forging, MDF)
در این فرآیند، یک قطعه­ مکعب مستطیلی شکل، با اعمال فشار از یک محور با مقطعی به عرض W و ارتفاع H، به درون یک قالب با عرض H و ارتفاع W وارد می­‎شود. شکل 8 شمایی از این فرآیند را نشان ­می­‎دهد.

 

شکل 8- شمایی از فرآیند فورج چندجهته [6].

 

در این فرآیند، قطعه پس از تغییرشکل پلاستیک شدید، دوباره به شکل مکعب مستطیلی با ابعاد اولیه بازمی‌­گردد. مشابه با فرآیند پرس در کانال زاویه­‌دار، در این فرآیند نیز مسیرهای مختلفی برای پاس­‎های بعدی (ادامه فرآیند) وجود دارد؛ به‌خصوص اگر بعد سوم قطعه هم دارای عرض W باشد. نکته مهم در انجام این فرآیند، قرارگیری نمونه در وسط قالب است. در حالت کلی، با قرارگیری نمونه در وسط قالب، امکان اعمال کرنش کنترل شده به قطعه وجود دارد.

 

4-1-4- فرآیند اکستروژن- فشار چرخه‌ای (Cyclic Extrusion-Compression, CEC)
در این فرآیند، یک میله با قطر D، توسط یک سنبه، از قالبی که قطر داخلی آن در وسط مسیر کاهش می­‎یابد (D تبدیل به d می‌شود) عبور کرده و فشار ناشی از این تغییر قطر باعث اکستروژن آن می‌شود. بلافاصله­ پس از خروج میله اکسترود شده از کانال اکستروژن، میله توسط یک سنبه‌ دیگر که فشاری به سمت بالا اعمال می‌کند، فشرده می‌شود. البته فشار سنبه­ پایینی کمتر از سنبه بالایی بوده، و مانع اکسترود شدن میله (پایین آمدن آن از کانال اکستروژن) نمی‌شود. شکل 9 شمایی از فرآیند اکستروژن-فشار چرخه‌ای را نشان می‌دهد.

 

شکل 9- شمایی از فرآیند اکستروژن- فشار چرخه‌ای [6].

 

در حالت کلی، تغییرشکل میله‌هایی با مقطع مستطیلی، با استفاده از این فرآیند امکان‌پذیر است. در صورتی‌که مقطع میله، مستطیلی یا مربعی شکل باشد، می­‎توان مانند دو فرآیند ECPA و MDF، مسیرهای مختلفی برای پاس­‎های بعدی فرآیند (ادامه فرآیند) تعریف کرد.

 

2-4- فرآیندهای تغییرشکل شدید برای ورق­‎ها
به‌دلیل اینکه یکی از ابعاد ورق‌، بسیارکوچک‌تر از ابعاد دیگر آن است، امکان اعمال نیروی بزرگ به بعد کوچک‌تر سطح‌ مقطع وجود ندارد. بنابراین برای ایجاد تغییرشکل شدید در ورق‌ها، نیرو باید به بعد بزرگ‌تر آن‌ها اعمال شود.

 

1-2-4- فرآیند اتصال نورد تجمعی (Accumulative Roll Bonding, ARB)
این فرآیند با استفاده از دو ورق با ضخامت t که یک سمت هرکدام از آن‌ها زبر شده است، انجام می‌شود. دو ورق از سمت زبر شده، روی یک‌دیگر قرار گرفته و نورد می‌شوند. فرآیند نورد باید کنترل‌شده باشد، بدین‌معنی‌که باید ضخامت مجموع دو ورقِ روی هم را از 2t به t برساند؛ یعنی میزان تغییرشکل برابر 50% باشد. در ادامه فرآیند، ورق دولایه با ضخامت t، از وسط نصف می‌شود. مشابه با ابتدای فرآیند، دوباره یک سمت از هر ورق زبر شده، و روی یک‌دیگر قرار می‎­گیرند. سپس دوباره فرآیند نورد روی آن‌ها انجام می‌شود. تکرار این مراحل باعث می­‎شود که لایه حاصل پس از هر پاس، تغییرشکل بیشتری داشته و در نهایت منجر به تغییرشکل پلاستیک شدید در سرتاسر ورق شود. شکل 10 شمایی از فرآیند اتصال نورد تجمعی را نشان می‌دهد.

 

شکل 10- شمایی از فرآیند اتصال نورد تجمعی [8].

 

اگر فرآیند اتصال نورد تحمعی تا 10 پاس ادامه پیدا کند، ورقی با ساختار لایه­‌ای‌شکل به‌دست می‌آید که خود از 1024 لایه تغییرشکل پلاستیک شدید یافته تشکیل شده است.

 

2-2-4- روش کنگره­‎دار کردن و صاف کردن متوالی (Repetitive Corrugation and Straightening, RCS)
در این روش، ابتدا ورق در داخل یک قالب قرار می‌گیرد تا کنگره­ تشکیل شود. سپس ورق کنگره‎ای، در قالب دیگری قرار داده می‌شود تا دوباره صاف شود. تکرار این فرآیند باعث ایجاد کرنش‎­های پلاستیک شدید در ورق می­‎شود. شکل 11 شمایی از این فرآیند را نشان می‎­دهد.

 

شکل 11- شمایی از فرآیند کنگره­‎دار کردن و صاف کردن متوالی [6].

 

با تغییر پارامترهای فرآیند، می‌توان برخی از خواص محصول نهایی را کنترل کرد. به‌عنوان مثال، کنگره‎دار شدن ورق می­‎تواند به جای یک مرحله، در دو مرحله انجام شود، یعنی در پاس اول، نوارهایی از ورق بدون تغییرشکل باقی بماند. افزایش طول نمونه در محصول نهایی، یکی از محدودیت‌های این روش محسوب می‌شود که باعث ایجاد کرنش ناهمگن در ریزساختار ورق می­‎شود. برای حل این مشکل، از روش پرس‎کاری در قالب شیاردار (Constrained Groove Pressing, CGP) استفاده می‌شود. در این روش که زیرمجموعه‌ای از فرآیند کنگره­‌دار کردن و صاف کردن متوالی است، کنگره­‌دار شدن ورق در دو مرحله انجام می‌شود. شکل 12 شمایی از قالب‌های مورد استفاده در دو روش کنگره­‎دار کردن و صاف کردن متوالی و پرسکاری در قالب شیاردار را نشان می­‎دهد. شکل 13 نیز شمایی از فرآیند کنگره­‎دار کردن دو مرحله‌ای را نشان می­‎دهد.

 

شکل 12- شمایی از قالب‌های مورد استفاده در روش‌های CGP و RCS ا[9].

 

شکل 13- شمایی از فرآیند کنگره‎­دار کردن دو مرحله‎­ای [10].

 

3-4- فرآیندهای تغییرشکل پلاستیک شدید برای لوله‎­ها
روش‎­های تغییرشکل پلاستیک شدید برای لوله­‎ها، از لحاظ زمانی نوظهورتر از سایر روش­‎های SPD هستند. روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید برای لوله­‌ها عبارتند از: (1) پیچش لوله با فشار بالا (High-pressure tube twisting) [11]؛ روش اتصال چرخشی تجمعی (Accumulative spin-bonding) [12]؛ و (3) روش فشردن در کانال زاویه‎­دار لوله­‎ای شکل موازی (Parallel Tubular Channel Angular Pressing, PTCAP) [13].  روش فشردن در کانال زاویه‎­دار لوله‎­ای شکل موازی، مشابه فرآیند ECAP است. شکل 14 شمایی از مراحل مختلف این روش را نشان می‌دهد.

 

شکل 14- شمایی از مراحل مختلف فرآیند PTCAP برای ایجاد تغییرشکل پلاستیک شدید در لوله­‎ها [13].

 

فشردن در کانال زاویه­‎دار لوله‎­ای شکل موازی، یک فرآیند دومرحله‎­ای است که در آن، قطعه از درون لوله‌ای به منطقه­‌ای با قطر بزرگ‌تر وارد می‌شود (اکسترود می‌شود). در اثر­ عبور قطعه از درون لوله، قطر لوله افزایش می‌یابد، سپس قطعه از همان مسیر، اکستروژن معکوس شده و به قطر اولیه­ خود بازمی‌گردد. طی انجام این دو مرحله، تغییرشکل پلاستیک شدیدی در قطعه به‌وجود می‌آید. دو مرحله­‎ای بودن و افزایش قطر لوله­ در اثر تکرار این فرآیند، از محدودیت‌های اصلی این روش به‌شمار می‌روند.

روش ارائه شده توسط زنگی آبادی و کاظمی ­نژاد [14]، با عنوان فشردن در کانال لوله­‎ای (Tube Channel Pressing (TCP))، یکی از کامل‌ترین و کم‌عیب‌ترین روش‌های پیشنهاد شده در زمینه تغییرشکل لوله­‎ها است. شکل 15 شمایی از مراحل این روش را نشان می‌دهد. تجهیزات به‌کار رفته در این فرآیند شامل یک قالب با کانال استوانه‎­ای و یک گلوگاه با قطر کمتر از قطر ورودی در وسط مسیر کانال است. قطر داخلی لوله توسط ماندرل (Mandrel) کنترل می­‎شود. قطر ماندرل در محل تلاقی با گلوگاه کانال، هم‌زمان با قطر گلوگاه کاهش می­‎یابد؛ به‌طوری که فاصله­ بین گلوگاه و ماندرل همواره ثابت و برابر با قطر اولیه­ لوله است. در نهایت، لوله با استفاده از یک سنبه­ لوله‎­ای شکل که قطری برابر با لوله­ تحت فرآیند دارد، از بالا به داخل کانال فشرده می­‎شود. این فرآیند شبیه روش اکستروژن- فشار چرخه‌ای برای مواد بالک است. طی این فرآیند، قطر لوله­ با رسیدن به گلوگاه، کاهش یافته و با ادامه­ حرکت در مسیر داخل کانال، به مقدار اولیه خود بازمی­‎گردد. برای انجام پاس بعدی می‌توان فرآیند را از سمت دیگر لوله تکرار کرد.

 

شکل 15- شمایی از مراحل فرآیند فشردن در کانال لوله‎­ای [14].

 

نتیجه‌گیری

روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید به روش­‎هایی گفته می‌شود که با استفاده از آن‌ها می­‎توان کار مکانیکی قابل توجهی را به فلز اعمال کرد، بدون آن‌که فلز دچار شکست و ترک‌خوردگی شود. تفاوت اصلی تغییرشکل پلاستیک شدید با روش‌های معمول شکل‌دهی، عدم کاهش شکل‌پذیری فلزات به‌دلیل ایجاد ریزساختاری در مقیاس نانو است. در این مقاله به بررسی روش‌های مورد استفاده در تغییرشکل پلاستیک شدید فلزات پرداخته شد. گفته شد که می‌توان این روش‎­ها را براساس هندسه­ محصول، به سه دسته­ اصلی زیر تقسیم‌بندی کرد: (الف) تغییرشکل شدید مواد بالک؛ (ب) تغییرشکل شدید ورق‌ها؛ و (ج) تغییر شکل شدید لوله­‎ها. تأکید شد که اگرچه این فرآیندها از نظر ماهیت تغییرات ریزساختاری، تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند و اعمال هر کدام از این روش‌ها باعث ایجاد تغییرشکل پلاستیک شدید در ریزساختار فلزات می‌شود، اما تفاوت اصلی آن‎ها، نحوه­ توزیع میدان­‎های تنش و کرنش در فلز تغییرشکل یافته است. روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید در مواد بالک عبارتند از: (الف) فرآیند پرس در کانال زاویه­‎دار؛ (ب) پیچش با فشار بالا؛ (ج) فرآیند فورج چندجهته؛ و (4) فرآیند اکستروژن- فشار چرخه‌ای. گفته شد که فرآیند پرس در کانال زاویه­‌دار جامع‌ترین روش تغییرشکل پلاستیک شدید است. همچنین در فرآیند پیچش با فشار بالا، مقدار تغییرشکل در قطعه دیسکی‌شکل، با حرکت از لبه‎­ها به سمت مرکز دیسک کاهش می­‎یابد. روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید در مواد بالک نیز عبارتند از: (1) فرآیند اتصال نورد تجمعی؛ (2) روش کنگره‎­دار کردن و صاف کردن متوالی؛ و (3) روش پرسکاری در قالب شیاردار. گفته شد که افزایش طول نمونه در محصول نهایی، یکی از محدودیت‌های روش کنگره‎­دار کردن و صاف کردن متوالی است و باعث ایجاد کرنش ناهمگن در ریزساختار ورق می­‎شود. برای حل این مشکل، از روش پرسکاری در قالب شیاردار استفاده می‌شود. روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید در لوله‌ها عبارتند از: (1) پیچش لوله با فشار بالا؛ (2) روش اتصال چرخشی تجمعی؛ (3) روش فشردن در کانال زاویه‎­دار لوله‎­ای شکل موازی؛ (4) فشردن در کانال لوله­‎ای. گفته شد که روش  فشردن در کانال لوله­‎ای یکی از کامل‌ترین و کم‌عیب‌ترین روش‌های پیشنهاد شده در زمینه تغییرشکل لوله­‎ها است.

 

منابـــع و مراجــــع

R. Z. Valiev, T. G. Langdon, “Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement,” Progress in Materials Science, vol. 51, pp. 881–981, (2006).

W. D. Callister, “Materials Science and Engineering: An Introduction”, 7th Editon, USA: Wiley, (2007).

G. E. Dieter, “Mechanical Metallurgy”, 3rd Edition. USA: McGraw Hill, (1986).

W. F. Hosford, R. M. Caddell, “Metal Forming: Mechanics and Metallurgy”, 4th Edition. USA: Cambridge University Press, (2011).

R. Z. Valiev, R. K. Islamgaliev, I. V. Alexandrov, “Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation,” Progress in Materials Science, vol. 45, pp. 103–189, (2000).

A. Rosochowski, “Processing Metals by Severe Plastic Deformation,” Solid State Phenomena, vol. 101–102, pp. 13–22,(2005).

T. Lowe, R. Valiev, “The use of severe plastic deformation techniques in grain refinement,” JOM, vol. 56, pp. 64–77, (2004).

Y. Saito, N. Tsuji, H. Utsunomiya, T. Sakai, R. G. Hong, “Ultra-fine grained bulk aluminum produced by accumulative roll-bonding (ARB) process,” Scripta Materialia, vol. 39, pp. 1221–1227, (1998).

M. Kazeminezhad and E. Hosseini, “Optimum groove pressing die design to achieve desirable severely plastic deformed sheets,” Materials & Design, vol. 31, pp. 94–103, (2010).

D. H. Shin, J. J. Park, Y. S. Kim, K. T. Park, “Constrained groove pressing and its application to grain refinement of aluminum,” Materials Science and Engineering: A, vol. 328, no. 1–2, pp. 98–103, (2002).

L. Toth, M. Arzaghi, J. Fundenberger, B. Beausir, O. Bouaziz, R. Arruffatmassion, “Severe plastic deformation of metals by high-pressure tube twisting,” Scripta Materialia, vol. 60, pp. 175–177, (2009).

M. S. Mohebbi, A. Akbarzadeh, “Accumulative spin-bonding (ASB) as a novel SPD process for fabrication of nanostructured tubes,” Materials Science and Engineering: A, vol. 528, pp. 180–188, (2010).

G. Faraji, A. Babaei, M. M. Mashhadi, K. Abrinia, “Parallel tubular channel angular pressing (PTCAP) as a new severe plastic deformation method for cylindrical tubes,” Materials Letters, vol. 77, pp. 82–85, (2012).

A. Zangiabadi and M. Kazeminezhad, “Development of a novel severe plastic deformation method for tubular materials: Tube Channel Pressing (TCP),” Materials Science and Engineering: A, vol. 528, pp. 5066–5072, (2011).