ecap

Equal-Channel Angular Pressing) ECAP ) چیست ؟

برای ایجاد ساختار مناسب مولکولی در آلومینیوم بعد از اکسترود قطعات راد در اثر عبور از مناطقی با زوایای تند در بعضی موارد مناطقی با نواحی پیچشی از این روش استفاده می شود .

مقدمه :

دنیای نانو مواد را از یک دیدگاه می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد ۱- مواد نانو اندازه ۲- مواد نانوساختار .

مواد نانو اندازه به این معنی است که ماده مورد نظر ما دارای ابعاد نانومتری است مانند نانولوله های کربنی و یا نانو ذرات سیلیس و یا نانو  فیبرهای کربنی و یا نانو ورق ها (Nano-plates) .

مواد نانوساختار به موادی گفته می شود که ابعاد ظاهری آنها به صورت بالک است، ولی ساختار تشکیل دهنده آنها در ابعاد نانو قرار دارد. مواد نانوساختار با دو رویکرد اصلی «بالا به پایین (Top-down)» و «پایین به بالا (Bottom-Up)» ساخته می شوند که در اولی منظور دستکاری ساختار درشت اندازه ماده و رساندن آن به ابعاد نانومتری است و در دومی منظور این است که ماده بالک را از ابتدا به وسیله چینش اتم ها یا اجزای نانو اندازه خلق کنند .

در رویکرد بالا به پایین، روش های گوناگونی وجود دارد که دسته ای از آنها، به صورت اعمال کار مکانیکی بر روی ماده هستند. یکی از روش های اصلی این دسته، روش تغییر شکل پلاستیک شدید (Severe plastic deformation =SPD) است.

روش تغییر شکل پلاستیک شدید برای تولید مواد نانوساختار :

روش های تغییر شکل پلاستیک شدید، از جمله روش های تولید مواد نانوساختار است که در دو دهه  اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این فرآیندها که با توجه به شکل محصول آن دسته بندی می شوند، در اثر اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید به فلز، باعث تغییرات ریزساختاری در آن شده و ساختار ماده را تا حد نانومتری تغییر می دهند.

۱- مفهوم تغییر شکل پلاستیک   :

تغییر شکل الاستیک آن قسمت از تغییر شکل است که قابل بازگشت می باشد و حالت فنری داشته و در صورتی که بار اعمالی برداشته شود، فلز تغییر شکل یافته به حالت اول باز می گردد. در این نوع تغییر شکل، کرنشی که به فلز وارد می شود، متناسب با مقدار تنش وارد شده است، به این معنی که رابطه بین تنش و کرنش اعمالی به صورت خطی است که به شیب این خط، مدول الاستیک (E) گفته می شود (شکل ۱). این رابطه را می توان با قانون فنر (یا همان قانون هوک) معادل در نظر گرفت.

g

 شکل ۱- نمودار شماتیک تنش-کرنش یک فلز در حالت الاستیک

۲- مفهوم تغییر شکل پلاستیک شدید :

هنگامی که یک فلز در دماهای نه چندان بالا، تحت تغییر شکل پلاستیک قرار می گیرد، ساختار درونی فلز شروع به مقاومت در برابر تغییر شکل بیشتر می کند؛ در نتیجه برای ادامه تغییر شکل، باید مقدار تنش بیشتری اعمال نمود. به این حالت ایجاد شده در فلز، کار سختی و یا کرنش سختی(Work hardening or Strain hardening) گفته می شود. در واقع، کار سختی باعث افزایش استحکام و سختی فلز در اثر تغییر شکل می-شود. در مقابل این افزایش استحکام، فلز داکتیلیته (Ductility) خود را از دست می دهد و قابلیت تغییر شکل آن پایین می آید. بنابراین این محدودیت باعث می شود که افزایش استحکام بیشتر فلز توسط اعمال کار مکانیکی محدود شود، چرا که باعث شکست ماده خواهد شد.

وجه تمایز این روش با سایر روش های تغییر شکل پلاستیک این است که در فلز ساختار نانو ایجاد می شود.

۳- روش های تغییر شکل پلاستیک شدید :

فرآیند پرس در کانال زاویه دار (Equal channel angular pressing =ECAP):1

این روش که اکستروژن در کانال زاویه دار (Equal channel angular extrusion =ECAE) نیز نامیده می-شود، به نوعی مادر روش های SPD محسوب می گردد. قالب این روش، دارای یک کانال برای ورود قطعه مورد نظر است که در وسط مسیر کانال، دارای یک تغییر زاویه است. شکل شماتیک این روش در شکل ۲ نشان داده شده است.

3

شکل ۲- شکل شماتیک فرآیند ECAP با هندسه مکعبی (مقطع چهارگوش) و زاوی  کانال ۹۰ درجه

در این روش، فلزی که قرار است تحت تغییر شکل پلاستیک شدید قرار بگیرد، در کانال قرار گرفته و از بالا توسط یک سنبه به داخل کانال، فشرده می شود. قطعه فلزی حین عبور از کانال، با رسیدن به محل تغییر زاویه، شروع به خم و سپس بازخم می کند. در اثر این تغییر شکل سرتاسری که در قطعه اتفاق می افتد، کل قطعه  به شدت تغییر شکل یافته و از انتهای دیگر قالب خارج می شود. شدت تغییر شکل به زاویه کانال بستگی داشته و همچنین شعاع گوشه ها و انحنای رئوس کانال در محل تغییر زاویه نیز از جمله پارامتر های کنترلی این فرآیند است. در اینجا باید توجه شود که چون قطعه فلزیِ تحت فرآیند، درون قالب مقید است و تحت تنش هیدرواستاتیک فشاری بالایی قرار دارد، امکان ترک خوردن و شکست قطعه وجود ندارد که این موضوع، همان وجه تمایز روش های تغییر شکل پلاستیک شدید با روش های مرسوم شکل دهی است.

با توجه به سطح مقطع نمونه ی تحت ECAP، می توان مسیرهای (Route) مختلفی برای این فرآیند انتخاب نمود. این مسیرها می تواند شامل چرخاندن نمونه برای پاس بعدی به میزان ۱۸۰ درجه حول محور اصلی نمونه و یا ۹۰ درجه (در صورت وجود تقارن) و همچنین شامل سر و ته کردن نمونه باشد. برخی از این مسیرها تنها برای نمونه های با مقطع چند ضلعی قابل اعمال است. شکل ۳ نمونه ای از این مسیرها را که به عنوان مسیرهای اصلی هستند، مشخص کرده است. هر کدام از این مسیرها، میدان های تنش های متفاوتی در نمونه ها ایجاد می کند.

4

شکل ۳- مسیرهای مختلف اصلی برای روش ECAP

روش ECAP قابلیت اعمال بر روی ورق های ضخیم (Plate) را هم دارد که در این حالت، مسئله مسیرهای مختلف، بیشتر خود را نشان می دهد (شکل ۴).

6

شکل ۴- فرآیند ECAP برای ورق های ضخیم

۱-۱-۳- پیچش با فشار بالا (High Pressure Torsion      HPT ) :

در این روش که شکل شماتیک آن در شکل ۶ آمده است، یک قطعه دیسکی شکل، همزمان تحت فشار عمودی و نیروی پیچشی قرار می گیرد. به این صورت که ابتدا دیسک فلزی درون قالب قرار گرفته، سپس یک سنبه وارد قالب شده و بر روی دیسک فشار مشخصی را وارد می کند، سپس همزمان و در حالی که فشار در حال اعمال شدن به دیسک فلزی است، سنبه شروع به چرخش خواهد نمود. البته در برخی حالت ها، به پس از اعمال فشار، سنبه ثابت بوده و در عوض، قالب می چرخد.

5

شکل ۵- فرآیند پیچش با فشار بالا، از سمت راست به ترتیب: با سنبه چرخان، با قالب چرخان، نمونه تحت فرآیند

این فرآیند نیاز به نیروهای نسبتاً بالایی دارد. پارامتر های کنترلی اصلی در اینجا، یکی مقدار فشار اعمالی است و دیگری مقدار زاویه دوران. در اینجا باید توجه که در این فرآیند، مقدار تغییر شکلی که به ماده دیسکی شکل اعمال می شود، با حرکت از لبه ها به سمت مرکز دیسک کاهش می یابد؛ به طوری که مرکز دیسک تقریباً کرنشی را متحمل نمی شود. بنابر این باعث می شود که از نظر توزیع کرنش، به جای یکنواختی، شیب کرنشی در راستای شعاعی وجود داشته باشد.

۲-۱-۳- فرآیند فورج چند جهته (Multi-directional forging =MDF)

در این فرآیند، یک قطعه مکعب مسطیل شکل از یک محور با مقطعی به عرض W و ارتفاع H، درون قالبی به عرض H تا ارتفاع W فشرده می شود. شکل ۷، به طور شماتیک این فرآیند را نشان  می دهد.

7

شکل ۶- شکل شماتیک فرآیند فورج چند جهته

طی این فرآیند، قطعه پس از یک تغییر شکل پلاستیک با درصد بالا، مجدداً به شکل مکعب مستطیلی با ابعاد اولیه باز می گردد. این فرآیند نیز همانند فرآیند ECAP می تواند مسیرهای مختلفی را برای پاس های بعدی تجربه کند؛ به خصوص اگر بعد سوم قطعه نیز دارای عرض W باشد. در این فرآیند باید دقت شود که نمونه به طور کامل در وسط قالب قرار بگیرد تا میزان کرنش به طور کنترل شده اعمال شود.

۳-۱-۳- فرآیند اکستروژن- فشردن تناوبی (Cyclic extrustion-compression =CEC) :

تصویر شماتیک فرآیند CEC در شکل ۸ نشان داده شده است. در این فرآیند، یک میله با قطر D، از قالبی که قطر داخلی آن در وسط مسیر به d کاهش می یابد توسط یک سنبه از بالا فشار داده شده تا این کانال کوچکتر اکسترود  شود. بلافاصله  پس از خروج ماده از کانال اکستروژن، یک سنبه با فشار، نمونه را به سمت بالا فشرده می کند ولی فشار سنبه پایین به گونه ای است که مانع از اکستروژن ماده به سمت پایین نمی شود.

8

شکل ۷- تصویر شماتیک فرآیند اکستروژن- فشار تناوبی

این فرآیند قابلیت انجام روی میله های با مقطع مستطیلی را نیز دارد که در این حالت و به خصوص در صورت مربع بودن مقطع، باز هم می توان همانند دو فرآیند ECPA و MDF، مسیرهای مختلفی برای پاس های بعدی فرآیند تعریف نمود.

۲-۳- فرآیندهای تغییر شکل شدید برای ورق ها :

ورق ها به دلیل اینکه یکی از بعدهای سطح مقطع آنها خیلی کوچکتر از بعد دیگر است، امکان اعمال فشارهای بالا از سمت مقطع را ندارند و به ناچار باید اعمال تغییر شکل بالا از سمت بعد بزرگتر آنها انجام بگیرد.

9

شکل ۸- تصویر شماتیک و مراحل فرآیند ARB

طبق این روش، اگر فرآیند تا ۱۰ پاس ادامه پیدا کند، در نهایت ورقی خواهیم داشت با ساختار لایه ای متشکل از ۱۰۲۴ لایه که هر کدام از این لایه ها دچار تغییر شکل پلاستیک شدید شده اند.

۲-۲-۳روش­کنگره­دار­کردن­و­صاف­کردن­متوالی(Repetitive­corrugation­and­straighteningRCS):

در این روش، ورق ابتدا در یک قالب قرار گرفته تا به صورت کنگره ای شکل در بیاید. سپس این ورق کنگره ای در قالب دیگری قرار داده شده و مجدداً صاف می شود. تکرار این فرآیند سبب کرنش های پلاستیک شدید در ورق می شود. شکل ۹ این فرآیند را نشان می دهد.

10

شکل ۹- شمای کلی از فرآیند RCS

این روش، همانند برخی از روش های ذکر شده در بالا، خود دارای زیر مجموعه هایی است که به نوعی مدل های اصلاح شده این فرآیند است. به طور مثال، کنگره دار شدن ورق می تواند به جای یک مرحله، در دو مرحله انجام بگیرد، یعنی در پاس اول، نوارهایی از ورق بدون تغییر شکل باقی بماند. یکی از مشکلاتی که در روش RCS وجود دارد، مقداری افزایش در طول نمونه است که منجر به کرنش ناهمگن در ورق می شود. به همین خاطر روش پرس کاری در قالب شیاردار (CGP) که به نوعی منتج شده از روش RCS است ابداع گردید. در این روش نیز همانند روش قبل، کنگره دار شدن ورق در دو مرحله اتفاق می افتد. شکل ۱۰، مقایسه ای بین دو روش RCS و CGP را از نظر نوع قالب را نشان می دهد و همچنین نحوه فرآیند کنگره دار کردن در دو مرحله را نشان می دهد.

11

شکل ۱۰- سمت راست: مقایسه تفاوت دو روش CGP (بالا) و RCS (پایین) سمت چپ: فرآیند کنگره دار کردن دو مرحله ای.

۳-۳- فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید برای لوله ها :

روش های تغییر شکل پلاستیک شدید برای لوله ها، از جمله روش های نسبتاً جدید است و قدمت کمتری نسبت به سایر روش های SPD دارد. از جمله برخی از این روش ها می توان به پیچش لوله با فشار بالا (High-pressure tube twisting) از و یا روش پیوند چرخشی تجمعی (Accumulative spin-bonding)از اشاره نمود. ولی روش بهتری توسط فرجی و همکارانش با نام روش فشردن در کانال زاویه دار لوله ای موازی (Parallel tubular channel angular pressing =PTCAP) ارائه شده که به نوعی شبیه فرآیند ECAP است. تصویر این فرآیند در شکل ۱۱ آورده شده است

12

شکل ۱۱- مراحل مختلف فرآیند PTCAP برای ایجاد تغییر شکل پلاستیک شدید روی لوله ها

در این فرآیند دو مرحله ای، ابتدا لوله به درون منطقه با قطر بزرگتر اکسترود شده که در نتیجه آن، قطر لوله بیشتر می شود، سپس مجدداً از همان مسیر اکستروژن معکوس شده تا به قطر اولیه خود باز گردد.

دو مرحله ای بودن و همچنین افزایش قطر لوله  در اثر این فرآیند می تواند یکی از عیوب این فرآیند محسوب شود. شاید بهترین روشی که اخیراً برای لوله ها پیشنهاد شده است، روشی باشد که توسط زنگی آبادی و کاظمی نژاد با عنوان فشردن در کانال لوله ای (Tube Channel Pressing =TCP) ارائه شده است. تصویر شماتیک این فرآیند در شکل ۱۲ آورده شده است.

13

شکل ۱۲- شمای کلی و مراحل فرآیند TCP از

این فرآیند شامل یک قالب با کانال استوانه ای است که در وسط مسیر کانال، دارای یک گلوگاه با قطر کمتر از قطر اولیه می باشد. قطر داخلی لوله توسط ماندرل (Mandrel) کنترل می شود که در وسط میله ماندرل، جایی که به گلوگاه کانال می رسد، قطر آن مشابه با گلوگاه کاهش می یابد؛ به طوری که فاصله بین گلوگاه و ماندرل همواره برابر قطر اولیه لوله است. سپس با یک سنبه لوله ای شکل (هم قطر با لوله تحت فرآیند) از بالا، لوله به داخل کانال فشرده می شود.

طی این فرآیند (که به نوعی با فرآیند CEC برای مواد بالک مشابهت دارد)، لوله با رسیدن به گلوگاه، قطر آن کاهش یافته و با ادامه حرکت داخل کانال، مجدداً به قطر اولیه باز می گردد. هنگامی که سنبه به گلوگاه قالب رسید (شکل ۱۲،b)، برای انجام پاس بعدی، فرآیند را می توان از سمت دیگر تکرار نمود. با توجه به ابعاد قالب، می توان از دو لوله پشت سر هم استفاده کرد تا کل لوله SPD شده از سمت دیگر بتواند خارج شود.

جمع بندی

همانطور که مشاهده می شود، یکی از نکات قابل توجه در تمامی روش های تغییر شکل پلاستیک شدید، عدم تغییر ابعاد اولیه قطعه می باشد که این موضوع علاوه بر نانوساختار کردن و بهبود خواص ماده، از ویژگی های منحصر به فرد روش تغییر شکل پلاستیک شدید است. میله ای فلزی را تصور کنید که پس از انجام فرآیند SPD، استحکام آن به شدت افزایش یافته، نرمی آن تقریباً حفظ شده و در عین حال، تغییر ابعادی ندارد. حال از این موضوع می توان به اهمیت بسیار بالای این روش در کاربردهای مهندسی پی برد.

گاهی اوقات جهت کنترل خواص متالورژیکی نمونه و یا سایر خواص ماده، تغییر شکل پلاستیک شدید را در حالت گرم یا داغ انجام می دهند. برخی اوقات نیز بین پاس های مختلف فرآیند و یا پس از پاس نهایی، نمونه-های SPD شده را در کوره قرار داده و آنیل می کنند تا به خواص مورد نظر دست پیدا کنند. در برخی از موارد هم انجام آنیل باعث می شود که بتوان تعداد پاس های بیشتری را بدون ترک خوردن نمونه اعمال نمود. البته باید توجه شود که انجام فرآیند در دمای بالا و یا انجام آنیل های میانی و پایانی، نیاز به دقت های متالورژیکی بسیار بالایی دارد و باید طراحی بسیار دقیقی انجام بگیرد.

روش های ذکر شده در این مقاله، فرآیندهای اصلی تغییر شکل پلاستیک شدید است که بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. ولی به طور کلی روش های انجام تغییر شکل پلاستیک شدید، محدود به فرآیندهای ذکر شده نیست. روش های نسبتاً زیادی وجود دارد که به نوعی اصلاح شده روش های قدیمی ترSPD است. روش هایی نیز در حال ابداع است که در مقالات مختلف به چاپ می رسد.

14

شکل ۱۳- روش های مختلف تولید نانوکامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با نانولوله‌های کربنی

همگن کردن ساختار و توزیع فاز تقویت کننده نیز از جمله اهدافی است که در برخی از پژوهش ها به چشم می خورد. در نانوکامپوزیت زمینه مسی به همراه فیلرهای الیاف آهن به ضخامت ۵۰nm، از تغییر شکل پلاستیک شدید HPT به منظور همگن سازی ترکیبی بین زمینه مسی و الیاف آهن استفاده شده است . تغییر شکل پلاستیک شدید باعث افزایش انحلال اتم های آهن در زمینه مسی شده و یک محلول جامد فوق اشباع کاملاً همگن (تا ۱۲% اتمی آهن) را در این نانوکامپوزیت ایجاد نموده است. این انحلال سبب ایجاددانه های نانومتری با ابعاد ۱۰ تا ۵۰ نانومتر می شود. در پژوهش مشابهی با همین نوع نانوکامپوزیت و همین فرآیند، مناطقی از زمینه که دارای غلظت بیشتری از اتم های آهن است، اندازه دانه کوچکتری نسبت به مناطق با غلظت کمتر گزارش شده است (۵۰nm در مقابل ۱۵۰nm) در این پژوهش، این روش، نوعی آلیاژسازی مکانیکی (Mechanical Alloying) نیز نام برده شده است.

لازم به تذکر است که استفاده از روش تغییر شکل پلاستیک شدید در همگن کردن ساختار علاوه بر نانوکامپوزیت ها در کامپوزیت های زمینه فلزی نیز گزارش شده استکه از آن جمله می توان به کامپوزیت با زمینه-ی Al6061 و با ۱۰درصد حجمی فاز تقویت کننده SiC با ابعاد تقریبی ۱ میکرون اشاره نمود[۱۴]. انجام فرآیند تغییر شکل شدید، خوشه های SiC را که در کامپوزیت تولید شده توسط فرآیند اکستروژن وجود داشته، خرد نموده و توزیع بسیار همگنی از آنها را رقم زده است. البته در پژوهش ذکر شده توضیحی در مورد خواص مکانیکی داده نشده است. در این کامپوزیت، بعد از اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید، اندازه دانه های فلز زمینه و نیز ابعاد ذرات تقویت کننده هیچ کدام در مقیاس نانومتری ظاهر نشده اند.

 دگرگونی فازی در فلز زمینه و ایجاد فازهای نانومتری

روش تغییر شکل شدید، به عنوان عاملی برای ایجاد فازهای نانومتری درجا (In-situ) در کامپوزیت های زمینه فلزی نیز مورد استفاده قرار گرفته است. اگر چه به طور کلی برای رسیدن به هدف ذکر شده، استفاده از این روش کمتر به چشم می خورد، ولی عمده گزارش های رسیده به جای استفاده از فاز تقویت کننده ی جداگانه و غیر مرتبط با ترکیب فلز زمینه، بیشتر معطوف به سیستم های آلیاژی است.

از آن جمله می توان به نانوکامپوزیت زمینه تیتانیومی Ti60Cu14Ni12Sn4Nb10 اشاره کرد که فازهای یوتکتیکی و همچنین دندریت های ایجاد شده در حین انجماد آلیاژ را به وسیله تغییر شکل شدید پلاستیک شدید به روش HPT، به ابعاد نانومتری و همچنین توزیع مناسبی رسانیده و خواص مکانیکی مطلوبی ایجاد شده است . پس از تغییر شکل پلاستیک شدید، دندریت ها کشیده و دچار تغییر شکل شده و فازهای یوتکتیکی نیز تغییر شکل می یابند که در شکل ۶ نشان داده شده است. در حین HPT، به علت ظریف شدن ساختاریِ (Structural Refinement) تمامی فازهای تشکیل دهنده، دندریت ها و فازهای یوتکتیکی به طور مکانیکی سخت شده و استحکام کل نانوکامپوزیت را بالا می برد. اندازه گیری استحکام فازها به وسیله روش نوین نانوسختی سنجی (Nanoindentation) انجام گرفته است. پس تفاوت اساسی این نانوکامپوزیت نسبت به انواع ذکر شده در بخش های قبل، افزایش استحکام خود فازهای تقویت کننده و نانومتری علاوه بر زمینه است که افزایش استحکام کل نانوکامپوزیت را به همراه دارد.

15

شکل ۱۴- تصاویر SEM از نانوکامپوزیت Ti60Cu14Ni12Sn4Nb10(الف) قبل ازHPT ، موضع A: دندریت ها و B: فازهای یوتکتیکی، (ب) بعد از HPT (هر دو تصویر مربوط به لبه نمونه قرصی شکل تغییر شکل شدید یافته است)

جمع بندی:

انجام تغییر شکل بر روی نانوکامپوزیت های زمینه فلزی، خواص آنها را تحت تاثیر قرار می دهد، حال در صورتی که تغییر شکل شدید روی آنها انجام گیرد، این تاثیر می تواند متفاوت باشد. استفاده از روش های  تغییر شکل شدید بر روی نانوکامپوزیت های زمینه فلزی، می تواند اهداف مختلفی داشته باشد که عمده ترین آنها، تولید بوسیله پودر است که همزمان اثر تغییر شکل و نیز فشرده سازی اعمال می شود. این فرآیندها همچنین به بهبود توزیع ذرات تقویت کننده، ریزدانه کردن زمینه نانوکامپوزیت و نیز ایجاد دگرگونی فازی در سیستم های آلیاژی کمک می کند. به هر حال وسعت پژوهش های انجام شده در این

16

شکل ۱۵- (الف) شکل شماتیک فرآیند ECAP و نحوه تغییرات صفحات ماده نسبت به جهت اعمال نیرو.(ب) مشخص کردن جهات روی ماده ECAP شده برای بررسی های بعدی

17

شکل۱۶- تصویر شماتیک مکانیزم لغزش و جهتگیری صفحات خاک رس در حین فرآیند ECAP.(الف) پلیمرNylon-6، (ب) نانوکامپوزیت Nylon-6/Nanoclay از مرجع

نکته قابل توجه دیگر این است که ECAP این قابلیت را دارد که در قسمت خروجی دستگاه های اکستروژن رایج نصب شود و به عنوان یک فرآیند پیوسته به کار گرفته شود.