خلاصه اختراع

خواص مكانيكي بهينه و دستيابي به سازه‌هايي با نسبت استحكام به وزن بالا از اهداف فن‌آوري مواد با ساختار بسيار ريز يا نانو مي‌باشد. در اين اختراع، يك روش ابداعي براي افزايش كارايي روش‌هاي تغيير شكل پلاستيك شديد بنام فرآيند پرس در كانال‌هاي زاويه‌دار مارپيچ با سطح مقطع بيضوي معرفي گرديده است. فرآيند پرس در كانال‌هاي زاويه‌دار مارپيچ با سطح مقطع بيضوي براي بدست آوردن كرنش موثر اعمالي بزرگتر، افزايش همگني مواد و نيز كاهش تعداد پاس‌هاي مورد نياز براي دستيابي به دانه‌هاي فوق‌العاده ريز يا نانو در مواد حجمي پيشنهاد داده شده است. انجام يك پاس از فرآيند مذكور باعث اعمال كرنش پلاستيكي متوسطي به اندازه 8/1 گرديده كه مقدار بيشينه و كمينه آن در مناطق محيطي و مركزي آن ايجاد مي‌گردد. براي تأييد تجربي اختراع پيشنهاد شده، نمونه‌هايي از جنس مس خالص تجاري تا دو مرحله تحت پردازش قرار گرفته است. نتايج آزمون كشش و سختي نشان مي‌دهد كه فرآيند مذكور باعث افزايش قابل توجهي در استحكام تسليم، نهايي و سختي مس مي‌گردد. به گونه‌اي كه استحكام تسليم و نهايي از 62/75 و 222 در نمونه آنيل به 360 و 6/392 در پاس دوم رسيده و ميانگين سختي از 62 در نمونه آنيل به 141 در پاس دوم رسيده است. بهبود خواص سختي و استحكامي ماده در سايه ريزشدن اندازه دانه نمونه‌ها حاصل شده است به طوري‌كه بررسي متالورژيكي انجام شده نشان از كاهش اندازه دانه از 50 ميكرون به حدود 1 ميكرون در نمونه‌هاي مسي داشته است. اين بهبود خواص و دستيابي به نسبت استحكام به وزن بالا مي‌تواند به گسترش كاربرد اين مواد جهت سبك سازي مؤثر سازه در صنايع خودروسازي و هواپيماسازي و نيز در صنايع پزشكي براي ساخت ايمپلنت‌ها كمك شاياني نمايد. مي‌توان نتيجه‌گيري كرد كه روش ابداعي پرس در كانال‌هاي همسان مارپيچ مي‌تواند در كنار ساير روش‌هاي تغيير شكل پلاستيكي شديد، فرآيندي كارآمد براي توليد مواد فوق‌العاده ريز دانه يا نانو ساختار باشد.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

خواص بهبود يافته‌ فلزات نانوساختار شده، چشم اندازهاي وسيعي را در برابر کاربرد اين فلزات در صنايع جديد نظير: هوافضا، حامل‌هاي سطحي و ساخت ايمپلنت‌هاي پزشکي و قطعات خودرو گشوده است.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

ساخت مواد فوق ریزدانه یا نانوساختار به سبب خواص مکانیکی عالی‌شان از اهمّیت زیادی برخوردار است. در طول دهه گذشته، چندین روش برای این منظور ارائه شده است. یکی از این روش‌ها اعمال تغییر شکل پلاستیک شدید به مواد است که می‌تواند ریزساختار مواد را به اندازه‌ای در مقیاس نانو اصلاح کند. اصول فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید شامل افزایش چگالی نابجایی‌های تغییر شکل یکنواخت شدید، تشکیل دیواره نابجایی متراکم و ایجاد مرزدانه‌های فرعی، جذب نابجایی‌های جدید و افزایش زاویه‌ مرزدانه‌های فرعی و در نهایت دست‌یابی به میکروساختار فوق العاده ریز یا در مقیاس نانو است. مواد تولید شده بوسیله SPD از اهمیت زیادی برخوردار هستند، زیرا دارای ساختار غیرمتخلخل، خواص مکانیکی مناسب مانند استحکام و چقرمگی بالا و ابعاد مناسب برای آزمایش فیزیکی و مکانیکی می‌باشند. هر يک از روش‌هاي تغيير شکل پلاستيک شديد داراي مزايا و معايب مربوط به خود هستند. در تمامي روش‌هاي فوق، اصلاح دانه‌اي يعني حداکثر همگني و دستيابي به ساختار فوق‌العاده ريز يا نانو در مواد با بکار بردن تغيير شکل پلاستيک شديد به دست مي‌آيد. فرآيند پرس در کانال‌های همسان زاویه‌دار به عنوان يکي از روشهاي اساسي تغيير شکل پلاستيک شديد در نظر گرفته شده است. هرچند مقدار محدودي تغيير شکل با حفظ همگنی در طول يک پاس مي‌تواند اعمال شود. اين شرايط مي‌تواند بوسيله شرايط اصطکاکي مختلف يا هندسه قالب (خم‌هاي متعدد کانال) بهبود يابد، اما اين تغييرات مي‌تواند پيچيدگي تجهيزات مورد نياز را در مقايسه با پرس در کانال‌هاي همسان زاويه‌دار مرسوم افزايش دهد. از طرفي ديگر، در ارتباط با فرآيند اکستروژن در کانال‌های همسان مارپیچ با سطح مقطع بیضوی سطوح پايين ماکزيمم کرنش اعمالي عامل محدود کننده‌اي است که با آن روبرو هستيم. در حالي که ممکن است با تغيير زاويه شيب پيچش تا حدي بر سطح ميزان کرنش اعمالي کلي تأثير گذاشت اما همگني حاصل در طول سطح مقطع به طور قابل ملاحضه‌اي کاهش مي‌يابد. اگر جنبه‌هاي منفي ذکر شده با موفقيت کاهش يافته بودند، هر دو روش پرس در کانال‌هاي همسان زاويه‌دار و اکستروژن در کانال‌های همسان مارپیچ با سطح مقطع بیضوی از مناسب‌ترين روش‌ها براي کاربرد عملي با توجه به سادگي تکنيکي نسبي‌شان خواهند بود.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

يکي از راه‌هاي ممکن براي حذف معايب روش‌هاي پرس در کانال‌هاي همسان زاويه‌دار و اکستروژن در کانال‌های همسان مارپیچ با سطح مقطع بیضوی در حالي که جنبه‌هاي مثبت‌شان حفظ شود، ترکيب روش‌هاي فوق با هم است. اين ترکيب مي‌تواند در دو طرح اساسي در نظر گرفته شود: (1) دو روش فوق به عنوان روش‌هاي مستقل متعاقب به خط شوند (2) دو فرآيند فوق به يک فرآيند شامل تمام قسمتهاي اصلي هر دو فرآيند ادغام شوند. در روش اول با توجه به پارامتر‌هاي تغيير شکل و تاريخچه شکل‌دهي امکان سري کردن دوروش فوق با مشکل همراه است و از طرفي هزينه‌هاي تجيزات را بالا مي‌برد. در روش دوم اشکالات روش اول وجود ندارد و علاوه بر اين، براي محدوده وسيعي از راه حل‌هاي تکنولوژيکي دست را باز مي‌گذارد. براي رسيدن به اين هدف، يک طرح جديد تجربي که به طور منحصر به فردي دو روش فوق را ترکيب مي‌کند، پيشنهاد داده شده است و از آنجايي که مواد خام صنعتي اساساً داراي سطح مقطع گرد مي‌باشند سطح مقطع نمونه در قالب طراحي شده به صورت دايروي در نظر گرفته شده است. در اين اختراع که ترکيبي از دو فرآيند پرس در کانال‌هاي همسان زاويه‌دار و اکستروژن در کانال‌های همسان مارپیچ با سطح مقطع بیضوی است، کانال مارپيچ استفاده شده براي فشردن پيچشي در حفره داخلي کانال ورودي قالب پرس در کانال‌های همسان زاویه‌دار مرسوم ساخته شده است. ابتدا فرآيند پيچش انجام شده و سپس فرآيند برش ساده بعد از آن‌که قطعه‌کار به ناحيه تقاطع دو کانال مي‌رسد شکل مي‌گيرد، به طوري‌که تغيير شکل فرآيند پرس در کانال‌های زاویه‌دار مارپیچ معادل با تغيير شکل تجمّعي دو فرآيند پرس در کانال‌هاي زاويه‌دار همسان و اکستروژن در کانال‌هاي همسان مارپيچ در طول يک پاس است.