دستیابی به روش ساخت فولادهای نانوساختار

محققان دانشگاه صنعتی اصفهان موفق شدند به نحوه‌ی ساخت نانوکامپوزیت فولادی با محدوده اندازه دانه‌ی ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر دست یابند. این فولاد، که در ساخت آن از نانوذرات استفاده شده است، می‌تواند در صنعت اتومبیل‌سازی و به خصوص ساخت بدنه‌ی خودرو و همچنین در صنایع هوافضا به کار رود.

فولادهای عاری از عناصر بین‌نشین (IF) فولادهایی هستند که دارای مقدار کربن و نیتروژن بسیار کمی هستند. این دسته از فولادها در شرایط درشت‌دانه دارای انعطاف‌پذیری بالایی هستند، اما استحکام تسلیم پایینی دارند. با وجود تلاش‌های بسیار، تا به حال هیچ یک از پژوهشگران موفق به ایجاد ساختار نانو در آن‌ها نشده‌اند. حداقل اندازه دانه‌ای که محققان با اعمال روش‌های تغییر شکل پلاستیک شدید روی فولاد IF به دست آورده‌اند، در حدود ۳۰۰ نانومتر بوده است. مزایای بسیار زیاد مواد نانوساختار و نیز عدم دست‌یابی به ساختار نانو در فولاد IF، پژوهشگران را بر آن داشت تا به تلاشی در این زمینه اقدام نمایند.
محققان در این طرح، با استفاده از نانوذرات کاربید سیلیسیم توانسته‌اند به فولاد نانوساختارIF دست یابند. تولید این نانوکامپوزیت منجر به تولید فولادی می‌شود که استحکام بسیار بالاتری نسبت به نمونه‌ی اولیه دارد. در نتیجه می‌توان ضخامت مورد نیاز برای یک کاربرد خاص را تا یک چهارم نمونه‌های قبلی کاهش داد. این امر موجب کاهش بسیار چشمگیری در هزینه‌ها خواهد شد. همچنین مشکل استحکام پایین بدنه‌ی خودروها را می‌توان با استفاده از مواد تولید شده در این پژوهش مرتفع کرد.
به گفته‌ی روح‌اله جماعتی، دانشجوی دکتری مهندسی مواد در همین دانشگاه، تغییر شکل پلاستیک شدید فرایندی است که با اعمال کرنش پلاستیک شدید به ماده، منجر به ساخت مواد نانوساختار/فوق‌ریزدانه می‌گردد. ویژگی برجسته‌ی این فرایند، ثابت ماندن ابعاد نمونه حین فرایند است. تاکنون این دسته از فرایندها عموماً روی فلزات و آلیاژهای غیرآهنی اعمال شده است و تعداد مطالعات تغییرشکل پلاستیک شدید روی فلزات آهنی، محدود بوده است.
جماعتی در ادامه افزود: «در میان روش‌های مختلف تغییرشکل پلاستیک شدید، فرایند نورد تجمعی، توانایی بالایی برای تولید پیوسته‌ی مواد دارد. این روش تنها فرایند تغییرشکل پلاستیک شدید است که در آن از تغییر شکل توسط نورد به تنهایی استفاده می‌شود و مفیدترین فرایند فلزکاری برای تولید پیوسته‌ی صفحات، ورق‌ها و شمش‌هاست.»
می‌توان بیان کرد که افزودن ذرات سرامیکی نظیر کاربید سیلیسیم (SiC) به ورق‌های فولاد IF می‌تواند منجر به تولید ساختار نانو توسط فرایند نورد تجمعی شود. این روش بر مشکلاتی نظیر تخلخل باقی‌مانده در نمونه‌های فشرده شده، ناخالصی‌های فرایند آسیاکاری گلوله‌ای و تولید در مقیاس بزرگ چیره شده است.
حضور نانوذرات کاربید سیلیسیم در زمینه‌ی فولادی منجر به تغییر شدت مولفه‌های بافت و رشته‌ها می‌شود. اگرچه انتقال بافت از حالت نورد به برشی در تمام نمونه‌ها اتفاق می‌افتد، اما این انتقال بافت در سیکل‌های مختلف برای نمونه‌های متفاوت رخ می‌دهد. همچنین تبلور مجدد در سیکل‌های پایین‌تری برای نانوکامپوزیت نسبت به فولاد خالص اتفاق می‌افتد. این امر مربوط به بالاتربودن انرژی ذخیره شده در نانوکامپوزیت نسبت به فولاد خالص است.
در توضیح مکانیسم صورت گرفته باید گفت فرایند نورد تجمعی موجب افزایش چشمگیری در مقدار انرژی ذخیره شده در ماده می‌شود. علاوه بر آن با افزودن نانوذرات کاربید سیلیسیم به زمینه، انرژی ذخیره شده می‌تواند افزایش بیش‌تری یابد. در حقیقت، حضور نانوذرات کاربید سیلیسیم در زمینه‌ی فولاد IF موجب افزایش بیش‌تر چگالی نابجایی‌ها حین فرایند نورد تجمعی خواهد شد؛ این فراین به دلیل لین است که ذرات به عنوان موانعی در برابر حرکت نابجایی‌ها عمل می‌کنند. از سوی دیگر، حضور نانوذرات در زمینه می‌تواند بازیابی را به تأخیر انداخته و مقدار وقوع آن را کم نماید. این امر موجب باقی ماندن مقدار بیش‌تری از انرژی ذخیره شده در ماده شده و لذا نیروی محرکه‌ی بزرگ‌تری برای وقوع تبلور مجدد دینامیکی و در نتیجه دستیابی به ساختار نانو فراهم می‌شود.
نتایج این مطالعات در مجله‌ی Materials Characterization (جلد ۹۳، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، صفحات ۱۵۰ تا ۱۶۲) منتشر شده است و از همکاری روح‌اله جماعتی، دکتر محمدرضا طرقی نژاد- عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی اصفهان- و همکارانشان به دست آمده است.