برای نزدیک به 100 سال ، دانشمندان فکر می کردند که آنها همه چیز را در مورد این که چگونه فلزات خم می شوند می دانند. آنها اشتباه می کردند. محققان علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ویسکانسین - مدیسون ثابت کرده‌اند که با این همه ، قوانین خمش فلزات خیلی سخت و سریع نیست. آنها یافته های خود را در مجله ارتباطات طبیعت شرح دادند.
کشف شگفت انگیز آنها نه تنها مفاهیم قبلی را در مورد تغییر شکل فلزات به کرسی می نشاند ، بلکه می تواند در ایجاد مواد قوی تر و بادوام تر راهنمایی کند.
ایزابلا سزلوفارسکا ، استاد علوم و مهندسی مواد در مدیسون دانشگاه واشنگتن ، می گوید: "این فرصت های جدیدی را برای طراحی مواد به وجود می آورد." "این ، پارامتر دیگری را اضافه می کند که می توانیم کنترل کنیم تا قدرت و شکل پذیری پذیری را فعال سازد."
شکل پذیری ، توانایی فلز برای خم شدن است. بیشتر رویکردها برای افزایش استحکام فلز این کار را با هزینه‌ی کم کردن انعطاف پذیری انجام می دهند - و هرچه فلزات در برابر خمش مقاوم تر شوند ، احتمال ترک خوردگی آنها تحت فشار بیشتر می شود.
با این حال ، مکانیسم جدید محققان برای خمش ممکن است مهندسین را قادر به تقویت ماده بدون خطر شکستگی کند.
این پیشرفتی است که مورد توجه ویژه ارتش ایالات متحده قرار می گیرد ، که برای حفظ امنیت سربازان در مناطق جنگی ، نیاز فوری به مواد قوی و با دوام دارد.
مایکل باکاس ، مدیر برنامه ترکیب و پردازش در دفتر تحقیقات ارتش در آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش فرماندهی توسعه قابلیت های نبردی ارتش آمریکا ، گفت: "پروفسور سزلوفارسکا منطقه کاملاً جدیدی را برای کاوش برای پردازش و طراحی مواد ساختاری باز کرده است." "با انجام چنین کشفی با تأثیر بسیار زیاد ، استاد سزلوفارسکا به طور بالقوه پایه و اساس فنی را برای توسعه نسل جدیدی از مواد ساختاری پیشرفته ایجاد کرده است که سرانجام در تجهیزات و وسایل نقلیه ارتش آینده قابل استفاده خواهند بود."
مهندسان به طور معمول قدرت یک فلز را از طریق تکنیک هایی مانند کار با سرما یا آنیلینگ دستکاری می کنند ، که اثرات خود را از طریق بی نظمی های ساختاری کوچک اما در عین حال مهم ، به نام جابجا شدگی اعمال می کنند.
سزلوفارسکا می گوید: "هر کسی در جامعه فلزات می داند که جابجا شدگی ها بسیار مهم هستند."
این یک حقیقت کاملاً واضح شده از سال 1934 به این سوست ، یعنی از هنگامی که سه محقق به طور مستقل دریافتند که جابجا شدگی این پارادوکس قدیمی را توضیح می دهد که فلزات خیلی راحت تر خم می شوند تا آنچه که ساختارهای مولکولی آنها - که به طور معمول شکلِ تکرار منظم سه بعدی شبکه ها را می گیرد - نشان می دهد.
جابجا شدگی ها ، بی نظمی های ریز در شبکه های کریستالی به خوبی مرتب شده از یک فلز در صورت عدم وجود جابجا شدگی، هستند. آنها از عدم تطابق جزئی ناشی می شوند - صفحات یک کتاب را به صورت ردیف هایی از اتم ها تصور کنید و تصور کنید که چگونه دسته‌ی تر و تمیز کاغذها مقدار خیلی ناچیزی در مکانی که کسی یک نشانک لای کتاب قرار داده است از شکل می‌افتد.
فلزات عادی به دلیل این که جابجا شدگی ها قادر به حرکت هستند ، خم می شوند و به یک ماده اجازه می دهند بدون شکافتنِ یک جای هر پیوند منفرد درون شبکه کریستالی آن ، دفرمه شود.
تکنیک های تقویت کننده به طور معمول حرکت جابجا شدگی ها را محدود می کنند. بنابراین کاملاً شوک آور بود هنگامی که سزلوفارسکا و همکارانش متوجه شدند که ماده کبالت ساماریوم – شناخته شده به عنوان فلز درونی - به راحتی خم می شود ، حتی اگر جابجا شدگی های آن در محل خود قفل شده باشند.
هوبین لو ، دانشمند سابق آزمایشگاه سزلوفارسکا که اکنون در انستیتوی فناوری صنعتی نینگبو در چین کار می کند ، می گوید: "اعتقاد بر این بود که مواد فلزی ذاتاً شکننده می شوند اگر لغزش جابجا شدگی نادر باشد." مکانیسم جدید محققان برای خمش ممکن است مهندسین را قادر به تقویت ماده بدون خطر شکستگی کند. "با این حال ، مطالعه اخیر ما نشان می دهد که یک فلز درونی می تواند تا مقدار قابل توجهی به صورت نرم تغییر شکل دهد حتی هنگامی که لغزش جابجا شدگی وجود ندارد."
در عوض ، خم شدن کبالت ساماریوم باعث می شد که باند های باریکی در داخل شبکه کریستالی شکل بگیرند که در آنها مولکول ها به جای ساختار منظم و شبیه شبکه در بقیه قسمت های فلز ، یک پیکربندی بی نظم (آمورف) بی شکل به دست می آوردند.
آن باندهای آمورف اجازه می دادند فلز خم شود.
سزلوفارسکا می گوید: "این تقریباً شبیه روغن کاری است." "ما این را در شبیه سازی ها پیش بینی کردیم ، و همچنین ما در مطالعات تغییر شکل و آزمایش های میکروسکوپی الکترون انتقالی ، نوارهای برشی بی شکل را دیدیم."
ترکیبی از شبیه سازی های محاسباتی و مطالعات تجربی برای تبیین نتیجه گیج کننده بسیار مهم بود ، و به همین دلیل بود که سزلوفارسکا و گروهش برای گشودن راز این مسأله به گونه ای استثنایی مناسب بودند.
هونگلیانگ ژانگ ، دانشمند فوق دکترا در مدیسون دانشگاه واشنگتن می گوید: "غالباً انجام شبیه سازی های نظری برای توضیح نتایج آزمایشی موجود ساده تر است." "در اینجا ، ما ابتدا به صورت تئوریکی وجود باندهای برشی و نقش آنها در انعطاف پذیری در کبالت ساماریوم را پیش بینی کردیم ؛ اینها پدیده هایی کاملاً شگفت آور بودند. ما سپس این نتایج را به صورت آزمایشی با بسیاری از انواع مختلف آزمایش ها تأیید کردیم تا نظریه‌مان را تست کنیم و مطمئن شویم که واقعاً پدیده پیش بینی شده را می توان در طبیعت مشاهده کرد. "
منبع: دانشگاه ویسکانسین - مدیسون
کشف شگفت انگیز آنها نه تنها مفاهیم قبلی را در مورد تغییر شکل فلزات به کرسی می نشاند ، بلکه می تواند در ایجاد مواد قوی تر و بادوام تر راهنمایی کند.
ایزابلا سزلوفارسکا ، استاد علوم و مهندسی مواد در مدیسون دانشگاه واشنگتن ، می گوید: "این فرصت های جدیدی را برای طراحی مواد به وجود می آورد." "این ، پارامتر دیگری را اضافه می کند که می توانیم کنترل کنیم تا قدرت و شکل پذیری پذیری را فعال سازد."
شکل پذیری ، توانایی فلز برای خم شدن است. بیشتر رویکردها برای افزایش استحکام فلز این کار را با هزینه‌ی کم کردن انعطاف پذیری انجام می دهند - و هرچه فلزات در برابر خمش مقاوم تر شوند ، احتمال ترک خوردگی آنها تحت فشار بیشتر می شود.
با این حال ، مکانیسم جدید محققان برای خمش ممکن است مهندسین را قادر به تقویت ماده بدون خطر شکستگی کند.
این پیشرفتی است که مورد توجه ویژه ارتش ایالات متحده قرار می گیرد ، که برای حفظ امنیت سربازان در مناطق جنگی ، نیاز فوری به مواد قوی و با دوام دارد.
مایکل باکاس ، مدیر برنامه ترکیب و پردازش در دفتر تحقیقات ارتش در آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش فرماندهی توسعه قابلیت های نبردی ارتش آمریکا ، گفت: "پروفسور سزلوفارسکا منطقه کاملاً جدیدی را برای کاوش برای پردازش و طراحی مواد ساختاری باز کرده است." "با انجام چنین کشفی با تأثیر بسیار زیاد ، استاد سزلوفارسکا به طور بالقوه پایه و اساس فنی را برای توسعه نسل جدیدی از مواد ساختاری پیشرفته ایجاد کرده است که سرانجام در تجهیزات و وسایل نقلیه ارتش آینده قابل استفاده خواهند بود."
مهندسان به طور معمول قدرت یک فلز را از طریق تکنیک هایی مانند کار با سرما یا آنیلینگ دستکاری می کنند ، که اثرات خود را از طریق بی نظمی های ساختاری کوچک اما در عین حال مهم ، به نام جابجا شدگی اعمال می کنند.
سزلوفارسکا می گوید: "هر کسی در جامعه فلزات می داند که جابجا شدگی ها بسیار مهم هستند."
این یک حقیقت کاملاً واضح شده از سال 1934 به این سوست ، یعنی از هنگامی که سه محقق به طور مستقل دریافتند که جابجا شدگی این پارادوکس قدیمی را توضیح می دهد که فلزات خیلی راحت تر خم می شوند تا آنچه که ساختارهای مولکولی آنها - که به طور معمول شکلِ تکرار منظم سه بعدی شبکه ها را می گیرد - نشان می دهد.
جابجا شدگی ها ، بی نظمی های ریز در شبکه های کریستالی به خوبی مرتب شده از یک فلز در صورت عدم وجود جابجا شدگی، هستند. آنها از عدم تطابق جزئی ناشی می شوند - صفحات یک کتاب را به صورت ردیف هایی از اتم ها تصور کنید و تصور کنید که چگونه دسته‌ی تر و تمیز کاغذها مقدار خیلی ناچیزی در مکانی که کسی یک نشانک لای کتاب قرار داده است از شکل می‌افتد.
فلزات عادی به دلیل این که جابجا شدگی ها قادر به حرکت هستند ، خم می شوند و به یک ماده اجازه می دهند بدون شکافتنِ یک جای هر پیوند منفرد درون شبکه کریستالی آن ، دفرمه شود.
تکنیک های تقویت کننده به طور معمول حرکت جابجا شدگی ها را محدود می کنند. بنابراین کاملاً شوک آور بود هنگامی که سزلوفارسکا و همکارانش متوجه شدند که ماده کبالت ساماریوم – شناخته شده به عنوان فلز درونی - به راحتی خم می شود ، حتی اگر جابجا شدگی های آن در محل خود قفل شده باشند.
هوبین لو ، دانشمند سابق آزمایشگاه سزلوفارسکا که اکنون در انستیتوی فناوری صنعتی نینگبو در چین کار می کند ، می گوید: "اعتقاد بر این بود که مواد فلزی ذاتاً شکننده می شوند اگر لغزش جابجا شدگی نادر باشد." مکانیسم جدید محققان برای خمش ممکن است مهندسین را قادر به تقویت ماده بدون خطر شکستگی کند. "با این حال ، مطالعه اخیر ما نشان می دهد که یک فلز درونی می تواند تا مقدار قابل توجهی به صورت نرم تغییر شکل دهد حتی هنگامی که لغزش جابجا شدگی وجود ندارد."
در عوض ، خم شدن کبالت ساماریوم باعث می شد که باند های باریکی در داخل شبکه کریستالی شکل بگیرند که در آنها مولکول ها به جای ساختار منظم و شبیه شبکه در بقیه قسمت های فلز ، یک پیکربندی بی نظم (آمورف) بی شکل به دست می آوردند.
آن باندهای آمورف اجازه می دادند فلز خم شود.
سزلوفارسکا می گوید: "این تقریباً شبیه روغن کاری است." "ما این را در شبیه سازی ها پیش بینی کردیم ، و همچنین ما در مطالعات تغییر شکل و آزمایش های میکروسکوپی الکترون انتقالی ، نوارهای برشی بی شکل را دیدیم."
ترکیبی از شبیه سازی های محاسباتی و مطالعات تجربی برای تبیین نتیجه گیج کننده بسیار مهم بود ، و به همین دلیل بود که سزلوفارسکا و گروهش برای گشودن راز این مسأله به گونه ای استثنایی مناسب بودند.
هونگلیانگ ژانگ ، دانشمند فوق دکترا در مدیسون دانشگاه واشنگتن می گوید: "غالباً انجام شبیه سازی های نظری برای توضیح نتایج آزمایشی موجود ساده تر است." "در اینجا ، ما ابتدا به صورت تئوریکی وجود باندهای برشی و نقش آنها در انعطاف پذیری در کبالت ساماریوم را پیش بینی کردیم ؛ اینها پدیده هایی کاملاً شگفت آور بودند. ما سپس این نتایج را به صورت آزمایشی با بسیاری از انواع مختلف آزمایش ها تأیید کردیم تا نظریه‌مان را تست کنیم و مطمئن شویم که واقعاً پدیده پیش بینی شده را می توان در طبیعت مشاهده کرد. "
منبع: دانشگاه ویسکانسین - مدیسون
