Effects of equal-channel angular pressing and equal-channel multi-angular pressing on the microstructure and mechanical performance of aluminum strips

نادرًا ما تُستخدم المعادن في شكلها الخام المصبوب. فلكي تصبح قوية بما يكفي للطائرات أو السيارات أو المباني، يجب على المهندسين تغيير بنيتها الداخلية. تخيل كتلة من المعدن كأنها مجموعة من البلورات الصغيرة، أو الحبيبات، المتراصة معًا. في قطعة الألومنيوم اللينة وغير المعالجة، تكون هذه الحبيبات كبيرة نسبيًا وغير منظمة. ولجعل المعدن أكثر صلابة وقوة، يستخدم العلماء تقنية تسمى "التشوه البلاستيكي الشديد". يتضمن ذلك دفع المعدن عبر مساحة محصورة دون تغيير شكله العام، وهو ما يعني فعليًا عصر الحبيبات الداخلية حتى تُسحق إلى قطع أصغر بكثير. وكلما صغرت الحبيبات، أصبح المعدن أقوى، لأن الحدود بينها تعمل كحواجز تمنع المادة من الانحناء أو الكسر بسهولة. هذه العملية حاسمة للصناعات التي تحتاج إلى مواد خفيفة الوزن يمكنها تحمل الإجهاد الهائل.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون إلى مقارنة طريقتين محددتين لعملية العصر هذه لمعرفة أيهما يعمل بشكل أفضل لشرائح الألومنيوم الرقيقة. الطريقتان تُعرفان باسم "الضغط عبر قناة متساوية" و"الضغط متعدد الزوايا عبر قناة متساوية". كلتا الطريقتين تتضمنان دفع شريحة معدنية عبر قالب يحتوي على قنوات متقاطعة. ويكمن الاختلاف في التصميم: إحدى الطريقتين تستخدم نقطة تقاطع واحدة، بينما تستخدم الأخرى نقطتين. أراد الفريق معرفة أي تصميم سيخلق بنية حبيبية أكثر دقة وتجانسًا، وأي منهما سينتج مادة أقوى. وقد اختاروا سبيكة ألومنيوم شائعة ونقية تجاريًا، تُستخدم غالبًا في العزل والتصنيع العام، وأخضعوها لهذه العمليات حتى ثلاث مرات لمعرفة كيف سيتغير المعدن مع كل تمريرة.

بدأ الباحثون بشرائح ألومنيوم تم تليينها عن طريق تسخينها في فرن، وهي خطوة جعلت حبيباتها الداخلية كبيرة ومتجانسة. ثم قاموا بتمرير هذه الشرائح عبر المكبسين المختلفين في درجة حرارة الغرفة. أجبر المكبس الأول، نسخة القناة الواحدة، المعدن على المرور عبر انحناء حاد. أما المكبس الثاني، النسخة متعددة القنوات، فقد وجه المعدن عبر انحناءين متتاليين. وبعد كل تمريرة، فحص الفريق المعدن تحت مجاهر قوية واختبروا مقدار القوة التي يمكن أن يتحملها قبل الكسر. كما قاسوا مقاومة المعدن للخدش، وهي خاصية تُعرف بالصلادة، ونظروا إلى سطح المعدن بعد انكساره ليروا كيف فشل.

أظهرت النتائج أن كلتا الطريقتين نجحتا في تفتيت الحبيبات الكبيرة إلى حبيبات أصغر بكثير، لكنهما فعلتا ذلك بطرق ومستويات نجاح مختلفة. فقد ثبت أن المكبس أحادي القناة كان الأداة الأكثر قوة؛ فبعد ثلاث تمريرات، قلص حجم الحبيبات من نطاق يصل إلى ثمانية ميكرومترات إلى نطاق يبلغ 2.4 ميكرومتر فقط. خلقت هذه العملية مزيجًا من الحبيبات الدقيقة جدًا وبعض الحبيبات فائقة الدقة (بمقياس النانو تقريبًا). أصبح المعدن أقوى وأصلد بشكل ملحوظ؛ حيث زادت قدرته على مقاومة قوى السحب، المعروفة بقوة الشد، بنسبة تقارب 94 بالمئة، وزادت قوة الخضوع (المقاومة للثني الدائم) بنسبة 21 بالمئة تقريبًا. كما أصبح المعدن أكثر صلابة عند اللمس، مع زيادة في الصلادة تجاوزت 63 بالمئة في اتجاه الضغط.

كما أدى المكبس متعدد القنوات إلى تحسين المعدن، لكن التغييرات كانت أقل حدة. فرغم أنه عمل على تنقية الحبيبات، إلا أن الحجم النهائي ظل أكبر، حيث استقر عند نطاق يصل إلى 5.5 ميكرومتر بعد ثلاث تمريرات. أصبح المعدن أقوى، حيث زادت قوة الشد بنسبة 129 بالمئة تقريبًا وزادت قوة الخضوع بنسبة 31 بالمئة تقريبًا، لكن تأثير التصلد لم يكن بنفس شدة طريقة القناة الواحدة. زادت صلادة المعدن بنسبة 54 بالمئة تقريبًا في اتجاه الضغط، وهي زيادة كبيرة ولكنها ظلت أقل من نتيجة القناة الواحدة. لاحظ الباحثون أن العملية متعددة القنوات أدت أحيانًا إلى بنية أخشن قليلاً في مناطق معينة، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن المعدن تعرض لنمط مختلف من الإجهاد أثناء تحركه عبر الانحناءين.

وعندما نظر الفريق في كيفية كسر المعدن، وجدوا أدلة واضحة على هذه التغييرات الداخلية. فقد انكسر الألومنيوم الأصلي اللين بوجود حفر كبيرة وعميقة على سطحه، وهي علامة على أنه تمدد وتشوه بسهولة قبل الانكسار. ومع معالجة المعدن، أصبحت هذه الحفر أصغر وأقل عمقًا. أشارت هذه النقلة إلى أن المعدن أصبح أقوى ولكنه أقل مرونة. وأظهر المعدن المعالج بالقناة الواحدة أكبر انخفاض في حجم الحفر، مما أكد أن بنيته الداخلية قد تغيرت بشكل جذري أكثر. وأشار الفريق إلى أنه بينما أصبح المعدن أقوى بكثير، فإنه فقد أيضًا بعض قدرته على التمدد، وهو مقايضة شائعة في هذا النوع من التقوية.

خلصت الدراسة إلى أنه بينما تعتبر كلتا التقنيتين فعالتين لتنقية بنية شرائح الألومنيوم، فإن طريقة القناة الواحدة هي الأفضل لتحقيق أقصى درجات الصلادة والقوة في هذه المادة تحديدًا. فقد خلق المكبس أحادي القناة بنية حبيبية أكثر تجانسًا ودقة، مما أدى إلى تأثير تقوية أكثر وضوحًا. أما المكبس متعدد القنوات، ورغم كونه مفيدًا، فقد أنتج نتيجة أخشن قليلاً. توفر هذه النتائج دليلًا واضحًا للمصنعين: إذا كان الهدف هو جعل شرائح الألومنيوم الرقيقة قوية وصلبة قدر الإمكان، فإن مسار الضغط أحادي القناة هو الخيار الأكثر كفاءة. وتسلط هذه الأبحاث الضوء على كيف يمكن لهندسة الأداة أن تحدد الجودة النهائية للمادة، مما يوفر طريقة دقيقة لتطويع المعادن للتطبيقات الصناعية المتطلبة.