بازتعریف آینده هوافضا
دانشمندان چینی روشی برای غلبه بر خستگی فلزات کشف کرده‌اند که فولاد ضدزنگ معمولی را به ماده‌ای با استحکام کافی برای کاربردهای هوافضا و سایر مصارف پیشرفته تبدیل می‌کند.
تیمی از موسسه تحقیقات فلزات آکادمی علوم چین، با تغییر ساختار داخلی فولاد از طریق پیچاندن آن (مشابه پیچاندن یک حوله) موفق به افزایش استحکام و تاب‌آوری آن شدند. این مطالعه نشان می‌دهد که این اصلاح نه‌‌تنها استحکام تسلیم ماده را بیش از دوبرابر کرده، بلکه مقاومت آن دربرابر آسیب تجمعی ناشی از خستگی فلز را تا ۱۰هزار برابر افزایش داده است. یافته‌های این پژوهش در مجله Science منتشر شده است.کاربردهای بالقوه این ماده شامل خطوط لوله زیر دریا و اجزای موتور مانند میل‌لنگ و شاتون‌هایی است که تحت فشارهای بالا قرار دارند. این پیشرفت همچنین می‌تواند پشتیبانی فناوری لازم برای تولید تجهیزات پیشرفته و بخش‌های مهندسی را فراهم کند.
پروفسور لو لی،رهبر تیم تحقیقاتی، در مصاحبه‌ای با شبکه دولتی CCTV اظهار داشت که هیچ تغییر ظاهری در سطح ماده قبل و بعد از فرآیند مشاهده نمی‌شود، اما ساختار داخلی آن به‌‌طور کامل تغییر کرده است. او گفت: «ساختار اسکلتی این ماده تنها یک‌‌سیصدم قطر یک تار موی انسان است، اما نقش مهمی در تحمل فشار ایفا می‌کند.»
چالش محیط‌های اکستریم
محیط‌های اکستریم فضاهایی بسیار سخت، چالش‌برانگیز یا غیرمعمول هستند و معمولا شامل عواملی مانند دماهای بسیار بالا یا پایین، فشارهای شدید، تنش‌های مکانیکی بالا، تابش‌های قوی، یا ترکیبی از این موارد می‌شوند. در زمینه هوافضا، این محیط‌ها می‌توانند شامل شرایطی مانند دماهای بسیار بالا در موتورهای جت، فشارهای عظیم در اعماق فضا یا زیر دریا، یا ارتعاشات و تنش‌های شدید در هنگام پرتاب موشک باشند.افزایش استحکام مواد مورد استفاده در این محیط‌های اکستریم معمولا مقاومت آنها دربرابر خستگی را کاهش می‌دهد و چالشی بزرگ برای محققان در حوزه مهندسی مواد ایجاد می‌کند. دانشمندان مدت‌هاست که از طریق پیشرفت‌هایی مانند بهبود مواد، بهینه‌سازی‌های ساختاری و روش‌های پردازش سطحی، به‌دنبال کاهش آسیب‌های ناشی از خزیدن بوده‌اند. آلیاژهای فلزی سنتی ممکن است تحت نیروهای خارجی ناگهانی که از استحکام تسلیم آنها فراتر می‌رود، شکسته یا خرد شوند؛ اما همچنین دربرابر فشارهای مداوم زیر این آستانه، مستعد خستگی هستند. با گذشت زمان، این امر می‌تواند به تغییر شکل غیرقابل برگشت منجر شود؛ زیرا تنش‌ها انباشته شده و ترک‌های میکروسکوپی، انحراف ساختاری و در موارد شدید خرابی فاجعه‌بار بدون هشدار ایجاد می‌کنند. این پدیده که به‌عنوان خزیدن چرخه‌ای شناخته می‌شود، معمولا در موادی که برای مدت طولانی تحت دماهای بالا یا تنش‌های شدید قرار دارند، مانند پره‌های توربین، کابل‌های معلق و لوله‌های بویلر در رآکتورهای هسته‌ای رخ می‌دهد.
طراحی نوآورانه
لو و تیمش با طراحی نوآورانه ساختار کریستالی فلز، این روش فرآوری را توسعه داده‌اند که فولاد ضدزنگ آستنیتی ۳۰۴ را به فولاد با ساختار نابجایی گرادیانی فوق قوی (GDS) تبدیل می‌کند. این اصلاح، استحکام تسلیم را 2.6برابر افزایش می‌دهد و در مقایسه با سایر آلیاژهای پراستحکام، مقاومت دربرابر خزیدن چرخه‌ای رابین صد تا ۱۰هزاربرابر بهبود می‌بخشد.محققان با پیچاندن مکرر فلز دریک دستگاه، یک ساختار نابجایی پایدار با توزیع گرادیانی فضایی در داخل فلز ایجاد کردند. این ساختارها یک «دیوار ضدشکست» سه‌بعدی در مقیاس زیر میکرون در داخل فلز به‌وجود آوردند که در برابر آسیب‌های ناشی از نیروهای خارجی مقاومت می‌کند. مشاهدات ابزارهای دقیق نشان داد که این «دیوارها» مانند فنر عمل کرده وضربه راهنگام اعمال نیروهای خارجی جذب‌می‌کنند.همچنین این دیوارهادرمواجهه با شوک،دیوارهای ضدشکست متراکم‌تر و ریزتری ایجاد کردند، به‌‌طوری‌‌که با افزایش نیروی خارجی، فلز قوی‌تر شد.محققان همچنین مشاهده کردند که این واکنش‌های ثانویه به‌‌صورت یکنواخت رخ می‌دهند و از تغییرشکل‌های موضعی جلوگیری‌می‌کنند.
تیم لو در زمینه مواد فلزی نانوساختار تخصص دارد و از سال ۲۰۱۸ چندین مطالعه مرتبط در Science منتشر کرده است. این دستاورد جدید نه‌‌تنها «مثلث غیرممکن» نظری در مواد فلزی که در آن استحکام، پلاستیسیته و پایداری معمولا به طور متقابل مانع یکدیگر هستند را نقض می‌کند، بلکه پتانسیل قابل‌توجهی برای کاربردهای عملی نشان می‌دهد.
آیسا اسدی - روزنامه‌نگار
پروفسور لو لی،رهبر تیم تحقیقاتی، در مصاحبه‌ای با شبکه دولتی CCTV اظهار داشت که هیچ تغییر ظاهری در سطح ماده قبل و بعد از فرآیند مشاهده نمی‌شود، اما ساختار داخلی آن به‌‌طور کامل تغییر کرده است. او گفت: «ساختار اسکلتی این ماده تنها یک‌‌سیصدم قطر یک تار موی انسان است، اما نقش مهمی در تحمل فشار ایفا می‌کند.»
چالش محیط‌های اکستریم
محیط‌های اکستریم فضاهایی بسیار سخت، چالش‌برانگیز یا غیرمعمول هستند و معمولا شامل عواملی مانند دماهای بسیار بالا یا پایین، فشارهای شدید، تنش‌های مکانیکی بالا، تابش‌های قوی، یا ترکیبی از این موارد می‌شوند. در زمینه هوافضا، این محیط‌ها می‌توانند شامل شرایطی مانند دماهای بسیار بالا در موتورهای جت، فشارهای عظیم در اعماق فضا یا زیر دریا، یا ارتعاشات و تنش‌های شدید در هنگام پرتاب موشک باشند.افزایش استحکام مواد مورد استفاده در این محیط‌های اکستریم معمولا مقاومت آنها دربرابر خستگی را کاهش می‌دهد و چالشی بزرگ برای محققان در حوزه مهندسی مواد ایجاد می‌کند. دانشمندان مدت‌هاست که از طریق پیشرفت‌هایی مانند بهبود مواد، بهینه‌سازی‌های ساختاری و روش‌های پردازش سطحی، به‌دنبال کاهش آسیب‌های ناشی از خزیدن بوده‌اند. آلیاژهای فلزی سنتی ممکن است تحت نیروهای خارجی ناگهانی که از استحکام تسلیم آنها فراتر می‌رود، شکسته یا خرد شوند؛ اما همچنین دربرابر فشارهای مداوم زیر این آستانه، مستعد خستگی هستند. با گذشت زمان، این امر می‌تواند به تغییر شکل غیرقابل برگشت منجر شود؛ زیرا تنش‌ها انباشته شده و ترک‌های میکروسکوپی، انحراف ساختاری و در موارد شدید خرابی فاجعه‌بار بدون هشدار ایجاد می‌کنند. این پدیده که به‌عنوان خزیدن چرخه‌ای شناخته می‌شود، معمولا در موادی که برای مدت طولانی تحت دماهای بالا یا تنش‌های شدید قرار دارند، مانند پره‌های توربین، کابل‌های معلق و لوله‌های بویلر در رآکتورهای هسته‌ای رخ می‌دهد.
طراحی نوآورانه
لو و تیمش با طراحی نوآورانه ساختار کریستالی فلز، این روش فرآوری را توسعه داده‌اند که فولاد ضدزنگ آستنیتی ۳۰۴ را به فولاد با ساختار نابجایی گرادیانی فوق قوی (GDS) تبدیل می‌کند. این اصلاح، استحکام تسلیم را 2.6برابر افزایش می‌دهد و در مقایسه با سایر آلیاژهای پراستحکام، مقاومت دربرابر خزیدن چرخه‌ای رابین صد تا ۱۰هزاربرابر بهبود می‌بخشد.محققان با پیچاندن مکرر فلز دریک دستگاه، یک ساختار نابجایی پایدار با توزیع گرادیانی فضایی در داخل فلز ایجاد کردند. این ساختارها یک «دیوار ضدشکست» سه‌بعدی در مقیاس زیر میکرون در داخل فلز به‌وجود آوردند که در برابر آسیب‌های ناشی از نیروهای خارجی مقاومت می‌کند. مشاهدات ابزارهای دقیق نشان داد که این «دیوارها» مانند فنر عمل کرده وضربه راهنگام اعمال نیروهای خارجی جذب‌می‌کنند.همچنین این دیوارهادرمواجهه با شوک،دیوارهای ضدشکست متراکم‌تر و ریزتری ایجاد کردند، به‌‌طوری‌‌که با افزایش نیروی خارجی، فلز قوی‌تر شد.محققان همچنین مشاهده کردند که این واکنش‌های ثانویه به‌‌صورت یکنواخت رخ می‌دهند و از تغییرشکل‌های موضعی جلوگیری‌می‌کنند.
تیم لو در زمینه مواد فلزی نانوساختار تخصص دارد و از سال ۲۰۱۸ چندین مطالعه مرتبط در Science منتشر کرده است. این دستاورد جدید نه‌‌تنها «مثلث غیرممکن» نظری در مواد فلزی که در آن استحکام، پلاستیسیته و پایداری معمولا به طور متقابل مانع یکدیگر هستند را نقض می‌کند، بلکه پتانسیل قابل‌توجهی برای کاربردهای عملی نشان می‌دهد.
آیسا اسدی - روزنامه‌نگار
