محصولات نانو

محصولات نانوReviewed by @alborzco on Jan 20Rating: اصلاح‌سازي سطح به كمك اصطكاك بسياري از فرايندهاي ميكروسكوپي كه در

محصولات نانوReviewed by @alborzco on Jan 20Rating:

اصلاح‌سازي سطح به كمك اصطكاك
بسياري از فرايندهاي ميكروسكوپي كه در حين آسياب‌كاري و آلياژسازي مكانيكي ذرات پودر رخ مي‌دهد، شباهت زيادي با فرايندهاي معمول مورد بحث در حين سايش و تريبولوژي است. به عنوان مثال اثر كار سختي، انتقال مواد و فرسايش در شرايط سايش باعث ايجاد ريزساختاري در سطح سايش مي‌‌گردد كه مشابه آن در آسياب‌كاري نيز ديده مي‌شود. اين موضوع در حين سايش لغزان كه كرنش‌هاي پلاستيكي بزرگ بوده و گراديان‌هاي كرنشي نزديك سطح به وجود مي‌آيند بيشتر خودنمايي مي‌كند. نرخ كرنش‌هاي برشي ايجاد شده در حالت اخير مي‌تواند تا ۱۰۳ بر ثانيه نيز برسد.
مشاهدات انجام شده در مورد سطح سايش و براده‌هاي سايشي كه توسط ميكروسكوپ الكتروني با قدرت تفكيك بالا انجام شده، نشان از ايجاد ساختارهايي نانو كريستال با اندازه دانه متوسط ۴ تا ۵ نانومتر دارد. در اين نمونه‌ها هيچگونه نقصي در داخل دانه‌هاي كريستالي ديده نمي‌شود كه اين مساله مي‌تواند به دليل ريز بودن ساختار باشد. در واقع به دليل نزديك بودن مرزها و كوتاه بودن فواصل نفوذي احتمالاً نقص‌هاي كريستالي جذب مرزها شده و از بين مي‌روند. اين نوع تغيير شكل پلاستيكي در نرخ كرنش‌هاي بالا تنها محدود به فلزات و آلياژها نبود و در مورد سراميك‌ها و الماس نيز مشاهده شده است.
در حين سايش لغزان يك لايه تريبولوژيك ويژه بر روي سطح پديد مي‌آيد كه در معرض كرنش‌هاي پلاستيكي شديد قرار مي‌گيرد. ساختار حاصل در اين لايه موسوم به لايه بيلبي تا مدت‌ها با ابزارهاي معمول آناليز قابل تحليل نبوده و معمولاً آن را فاز آمورف در نظر مي‌گرفته‌اند. با وجود اينكه در برخي از سيستم‌ها توسط فرايند لغزش، لايه‌هاي آمورفي بر روي سطح تشكيل مي‌شود، در اغلب حالات ضخامتي در حد چند ميكرومتر از لايه‌هاي سطحي به ساختاري با اندازه دانه‌هاي نانومتري تبديل مي‌شود. براي مثال در ساچمه پاشي فراصوت سطوح آهن، ساختار درشت دانه سطحي به دانه‌هاي فوق‌العاده ريز كاملاً هم محور (در حد ۱۰ نانومتر) تبديل شده كه داراي جهت‌گيري بلوري اتفاقي هستند.

شكل (۳-۱۹): آهن نانو كريستال توليدي به وسيله ساچمه زني فراصوت.
به عنوان نمونه‌اي ديگر مي‌توان به قطارهاي سريع السير اشاره نمود كه سرعت اين قطارها در حين حركت به بيش از ۳۰۰ كيلومتر بر ساعت مي‌رسد. چالش موجود در طراحي اين نوع قطارها، استفاده از موادي است كه سلامت و امنيت مكانيكي لازم را براي ريل فراهم آورد. در اين گونه موارد اندركنش بين چرخ و ريل بايد بهينه شده و با تجهيزات الكترونيكي كنترل شود. با توجه به اين كه مواد سازنده ريل در دو دهه اخير تغييري نكرده‌اند حركت سريع قطار و اعمال فشارهاي موضعي برشي شديد روي ريل‌ها مي‌تواند مشكلاتي را به همراه داشته باشد. به طور نمونه در مورد فولادي شالم ۸/۰ درصد كربن و ۳/۱ درصد منگنز فشار موضعي بالاتر از ۱ تا ۵/۱ گيگا پاسكال، دقيقاً مشابه فرايند آسياب‌كاري مكانيكي، باعث انجام استحاله‌هايي در حالت جامد مي‌گردد.
نتايج حاصل از پراش پرتو ايكس و ميكروسكوپ الكتروني عبوري نشان مي‌دهد كه اندازه متوسط دانه‌هاي كريستالي موجود در سطح ريل‌ها به حدود ۲۰ نانومتر مي‌رسد. اين در حالي است كه شيب تغييرات اندازه دانه‌ها در فواصل دورتر از سطح بسيار زياد بوده و اندازه دانه‌ها در فواصل كمي دورتر تا حدود ۲۰۰ نانومتر افزايش مي‌يابد. براي نمونه شكل (۳-۲۰) تصوير حاصل از ميكروسكوپ الكتروني عبوري و الگوي پراش مربوط به ساختار پرليتي اوليه (الف) را در مقايسه با لايه نانو كريستال نزديك به سطح (ب) نشان مي‌دهد. مقدار سختي سطح در ساختار مورد بحث توسط ابزارهاي فرو رونده نانومتري با اعمال بار كم انجام گرفته كه نتايج آن در شكل (۳-۲۱) آورده شده است. همان‌گونه كه مشاهده مي‌شود، سختي فولاد پرليتي از مقادير معمول خود يعني ۵/۲ گيگاپاسكال به حدود ۱۳ گيگاپاسكال در سطح مي‌رسد. شيب شديد سختي موجود در مقطع نمونه ناشي از تغييرات ريزساختاري نمونه است. اين تغييرات در محدوده چند ميكرومتر اتفاق مي‌افتد.
افزايش قابل توجه سختي و استحكام مكانيكي در ناحيه نزديك سطح، به كاهش اندازه دانه‌هاي كريستالي در اثر فرايند تغيير شكل پيوسته وابسته است. در اين راستا نتايج مشابهي نيز در آسياب‌كاري پودر آهن α و پودر آهن به همراه كربن نشان از افزايش سختي با كاهش اندازه دانه‌ها (با ضريب ۵) دارد. پس از ۵۰ ساعت آسياب‌كاري پودر آهن (با تركيبي معادل فولاد سازنده ريل)، كربن به طور كامل در ساختار حل شده، اندازه دانه‌هاي كريستالي به حدود ۷ نانومتر مي‌رسد. مشاهدات مشابهي در مورد سطح تغيير شكل يافته ريل نشان از انحلال كاربيدها در زمينه و اشباع آهن با كربن دارد. بايد توجه داشت كه دليل اصلي افزايش سختي در حين آسياب‌كاري همان كاهش اندازه دانه‌هاست و سهم كمي از آن به ساختارهاي شبه مارتنزيتي پر كرنش و اشباع از كربن مربوط مي‌باشد.
علاوه بر مسائل بيان شده، مقاومت سايشي سطوح نانوساختار نيز نسبت به ساختارهاي معمول بهبود مي‌يابد. اندازه‌گيري‌هاي حاصل از آزمايش سايش خراشان معمول (براي سايش چرخ در تماس با ريل) نشان مي‌دهد كه نرخ سايش براي لايه نانوساختار سطحي ۵-۱۰×۵۵/۱ ميلي‌متر مكعب بر متر و براي سطح تغيير شكل نيافته معادل ۵-۱۰×۷۷/۳ ميلي‌متر مكعب بر متر است.