پردازش سرامیک - آیا ما از مدلهای تفجوشی و خزش صحیح استفاده میکنیم؟
این تصور که تفجوشی محدود به سرعت نفوذ نیست، احتمالاً باعث ایجاد تعجب خواهد شد. مدلهای سینتیکی محدود به نرخ نفوذ به شکل فراگیر برای درک، تفسیر و مهندسی تفجوشی به مدت بیش از نیم قرن استفاده شدهاند.
این پیشنهاد که مدلهای خزش با واسطه مرزدانه در تنشهای کم با مدلهای موجود مطابقت ندارند، کمتر بحثبرانگیز است. خزش غیرخطی کمتنش اغلب به ترکیبی از سینتیکهای تولید و جذب نقصهای نقطه، لغزش مرزدانهها و یا انعطافپذیری شبکه نسبت داده میشود، اما بسیاری از دادههای تجربی با هیچیک از مدلهای موجود مطابقت ندارند.
در شکل که نتیجه مطالعه Shen Dillon است، تفجوشی در محل ذرات آلومینا (فاز روشن) و زیرکونیا (فاز تاریک) که اتفاقاً در یک راستا قرار گرفتند قابل مشاهده است. توجه داشته باشید که کوچک شدن قسمت گردنمانند که با فلش قرمز نشان داده شده است، تنش تف جوشی را افزایش میدهد و پیش از حرکت ذرات صلب، متراکم شدن و چرخش ذرات انجام میشود. به طور مشابه، انقباض دانه آلومینا که توسط فلش آبی نشان داده شده است، از طریق درشت شدن، باعث چگال شدن کلی ساختار میشود. چنین اثراتی در مدلهای تحلیلی با فرض دانههای حجم ثابت، که میتواند منجر به پیشبینیهای نادرست از تکامل تنش تفجوشی شود، ثبت نمیشود.
تفجوشی پودرهای بزرگتر از حدود ۱۰۰ نانومتر معمولاً در تنشهای تفجوشی متوسط به خوبی در رژیم مرتبط با خزش مرزی غیرخطی دانه اتفاق میافتد، همانطور که در شماتیک زیر مشاهده میشود، این تفاوت بین تفجوشی و خزش تا حد زیادی در مطالعات گذشته نادیده گرفته شده است.
در شکل سرعت نسبی تفجوشی و خزش را به عنوان تابعی از نیروی محرکه متوسط همراه با بزرگی نسبی تنشهای جوانهزنی گسستگی (disconnection nucleation stresses) توسط Shen Dillon نشان میدهد.
علاوه بر این، سوالات بسیاری در مطالعات مربوط به تفجوشی در ارتباط با به اثرات نرخ گرمایش، اثرات میدانی، اثرات تنش برشی، تکامل تنش پسماند، تفجوشی سرد و تفجوشی دومرحلهای وجود دارد. این مجهولات ممکن است به این سوال منجر شود که آیا پدیدهها در چارچوب مناسب تفسیر می شوند یا خیر؟
چه فرآیندهای مرزدانهای برای تفجوشی و خزش با واسطه مرزدانه لازم است؟
چگالش و خزش مرزدانه نیاز به حذف و یا افزودن صفحات اتمی در مرز دارد. این فرآیند مستلزم سه جزء اساسی است:
- شار نفوذی عیوب نقطهای به و از سینکها و منابع تولید نابه جایی
- جذب و نفوذ عیوب نقطهای در سینکها یا منابع
- وجود یا جوانهزنی سینک ها و منابعی که در پاسخ به شار نابه جایی در صفحات صعود میکنند.
سینک (sink) به مکان یا منطقه خاصی اشاره دارد که در آن عیوب نقطهای (مانند جای خالی یا بیننشینی) تمایل به تجمع یا جذب دارند. سینکها میتوانند شامل ویژگیهای مختلفی در مواد باشند، مانند مرزهای دانهها، نابجاییها، سطوح یا نابجاییها که میتوانند به عنوان مکانهای به دام انداختن نقص نقطهای عمل کنند. این سینکها هم به عنوان منبع و هم به عنوان هدف برای شار نفوذ عیوب نقطهای عمل میکنند، به این معنی که عیوب میتوانند به یا از آنها حرکت کنند.
گسستگیها (Disconnections)، یعنی نقصهای خطی با بردار و خصیصه پلهای، زمانی که بردارهای خارج از صفحه مرز دانهها قرار دارند، بهعنوان منابع مرزدانه اولیه یا سینکها عمل میکنند. گسستگیهای موجود از قبل فقط میتوانند مقدار محدودی کرنش را تحمل کنند، که بسیار کمتر از حد معمول چگالش تفجوشی است. تنشهای لازم برای جوانهزنی قطع گسستگیها با قابلیت صعود باید چندین مرتبه بزرگتر از تنشهای تفجوشی متوسط یا تنشهای اعمالشده باشد که در نتیجه این مقدار تنش این فرآیندها آسانتر میشوند.
چه مشاهداتی نیاز به یک مدل جدید را نشان میدهند؟
آزمایشهای خزش پلیکریستالی سالهای اخیر در مقیاس کوچک نشان میدهد که تنشهای اعمال شده و تفجوشی لازم برای القای کرنش مرزی دانهها، بسیار بزرگ هستند و با پیشبینیها برای جوانهزنی قطع همخوانی دارند. چنین آزمایشهایی همچنین نشان میدهد که کرنش مرزی دانه در حین تفجوشی و خزش متناوب است و میتواند چرخش را القا کند، این مورد نیز مطابق با پدیده جوانهزنی گسستگی در مرزدانههاست.
یک چالش موجود مربوط به اختلافات بین تفجوشی و خزش ساختار پلیکریستالی، هم از نظر بزرگی نسبی تنشهای مورد نیاز و هم از نظر مکانیسمهای محدودکننده سرعت پیشنهادی است.
چه مفروضاتی در مدلهای تفجوشی کلاسیک میتواند به نتایج اشتباه منجر شود؟
مدلهای تفجوشی کلاسیک اغلب با مفروضات هندسی دانههای با حجم ثابت شروع میشوند، که باعث میشود تجزیه و تحلیل از نظر ریاضی قابل انجام باشد. چنین مدلهایی کاهش سریع تنش تفجوشی را به سمت مقادیر نسبتاً کوچک پیشبینی میکنند (شکل زیر را ببینید).
با این حال، هنگامی که درشت شدن دانهها رخ میدهد، تنش تفجوشی میتواند با انقباض برخی از دانهها افزایش یابد. در حد عدم چگالش، یک ذره منقبض میشود و در این مرحله تنش تفجوشی به مقدار لازم برای غلبه بر کار چسبندگی میرسد. بنابراین، پودرهای درشت میتوانند به طیف وسیعی از تنشهای تفجوشی بین صفر و تنش شکست دسترسی داشته باشند، که این امکان را برای مرز ایجاد میکند تا منجر به ایجاد تنشهای زیاد شود و تا قطع جوانهزنی ادامه یابد که این اتفاق واسطه چگالش است.
اخیراً یک مدل تفجوشی جدید برای توضیح روشی که درشت شدن دانهها میتواند باعث ایجاد جوانهزنی گسستگی شود، ایجاد شده است که چگالش را تسهیل میکند. این مدل جدید را نمیتوان با در نظر گرفتن قانون توان تفجوشی همدما از مدل کلاسیک متمایز کرد. با این حال، پیشبینیهای منحصر به فردی در مورد وابستگی دمایی تفجوشی و تکامل تنش پسماند انجام میدهد.
شکل نمودارهایی از ذرات را قبل و بعد از مرحله تفجوشی را در مطالعه Shen Dillon تحت شرایطی نشان میدهد که مرزهای دانهها یا سینک کامل هستند یا فاقد سینک هستند و دانهها یا حجم ثابتی دارند یا اجازه درشت شدن دارند. درشت شدن باعث افزایش تنش تفجوشی میشود.
چه چیزی در پروسههای کلاسیک خزش مرز دانهای نادیده گرفته شده است؟
اختلاف بین تنش اعمالی و تنش موضعی قبلاً در مطالعات متعدد در زمینه حفرات خزشی مورد توجه قرار گرفته است. این پدیدهها معمولاً یکتاییها را در اتصالات سهگانه، ذرات فاز دوم یا پلههای مرز دانهای بهعنوان متمرکزکننده تنش در نظر میگیرد.
مطالعهای که به تازگی منتشر شده است نشان میدهد که استفاده از این مدلهای تمرکز تنش برای سینتیکهای جوانهزنی گسستگی، به خوبی تنش، دما و وابستگیهای اندازه دانه تحت خزش را برای طیف وسیعی از سیستمها پیشبینی میکند. مدلهای تفجوشی و خزش محدود با نرخ جوانهزنی، توافق خوبی را بین هر چهار مجموعه داده، یعنی خزش و تفجوشی پلیکریستالی فراهم میکنند.
آیا مدل واقعا مهم است؟
هر دو مدل کلاسیک و مدلهای پیشنهادی جدید به خوبی با دادههای سینتیکی همدما مطابقت دارند. چنین دادههایی و برازش آنها اغلب برای استنباط ویژگیهای مرزدانهها استفاده شدهاند و استفاده از مدل اشتباه میتواند به نتایج اشتباه منجر شود.
مدلهای جدید علاوه بر برازش خوب دادههای تجربی، پیشبینیهای مفیدی انجام میدهند و راههای جدیدی برای درک و طراحی مواد و فرایند فراهم میکنند. به عنوان مثال، مدل تفجوشی جدید به طور طبیعی پیشبینی میکند که نرخ گرمایش بالا به نفع انقباض نسبت به انبساط است که در عمل مشاهده میشود.
این مدل همچنین تکامل چگالی اندازه دانه را برای انواع شرایط شروع بر اساس تعداد کمی از نقاط داده تفجوشی یا خزشی به خوبی پیشبینی میکند. این دانش میتواند به محققان کمک کند تا رویکردهای نوع منحنی تفجوشی اصلی خود را که معمولاً برای یک اندازه ذره شروع توسعه مییابند، بهبود بخشند.
مدل جدید همچنین تکامل تنش پسماند را پیشبینی میکند که از نظر کیفی با مدلهای کلاسیک متفاوت است، زیرا فرآیند جوانهزنی گسسته است و تنشهای محلی بزرگ میتوانند زیر مقدار آستانه یکسانی تثبیت شوند. خواص فیزیکی مرزهای دانه نیز باید به محتوای گسستگی آنها بستگی داشته باشد و مسیری را برای مهندسی خواص آنها فراهم کند.
مقاله مرجع:
- The open-access sintering paper, published in Acta Materialia, “Interface nucleation rate limited densification during sintering” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.actamat.۲۰۲۲.۱۱۸۴۴۸)
- The creep paper, published in Acta Materialia, “A nucleation rate limited model for grain boundary creep” (DOI: ۱۰.۱۰۱۶/j.actamat.۲۰۲۳.۱۱۸۷۱۸).
منبع:
ترجمه: مهندس فاطمه شریفآبادی، دانشگاه صنعتی شریف
|