Effect of annealing on the microstructure and mechanical properties of 1060Al/T2Cu composite plates after cold rolling

غالباً ما يُنظر إلى المعادن على أنها كتل صلبة وغير متغيرة، لكنها في أيدي علماء المواد هي مواد طيعة يمكن إعادة تشكيلها، وتطبييقها في طبقات، ومعالجتها للكشف عن شخصيات جديدة تماماً. ومن أكثر الطرق العملية لتحسين المعدن هي دمجه مع معدن آخر، لإنشاء مركب يستعير أفضل السمات من كلا الشريكين. يشتهر النحاس بقدرته العالية على توصيل الكهرباء والحرارة بكفاءة، ومع ذلك فهو ثقيل ومكلف. أما الألومنيوم فهو خفيف ورخيص، لكنه يفتقر إلى نفس البراعة الكهربائية. ومن خلال دمج هذين المعدنين معاً، يأمل المهندسون في إنشاء مادة تكون موصلة وخفيفة الوزن في آن واحد، مما يجعلها مناسبة لكل شيء من أسلاك الطائرات إلى شبكات الطاقة. ومع ذلك، فإن مجرد ضغط هذه المعادن معاً ليس كافياً؛ إذ يجب أن يكون الترابط بينهما مثالياً، كما يجب إدارة الهيكل الداخلي للمعدن بعناية. فعندما يتم عصر المعادن أو دحرجتها، تتمدد الحبيبات الداخلية وتلتوي، مخزنةً طاقة يمكن أن تجعلها قوية ولكن هشة. ولإصلاح ذلك، يستخدم العلماء الحرارة، وهي عملية تسمى "التخمير" (annealing)، للسماح للمعدن بالاسترخاء وإعادة التنظيم. ويكمن التحدي في إيجاد القدر المناسب من الحرارة: فإذا كانت قليلة جداً، يظل المعدن مجهداً؛ وإذا كانت كثيرة جداً، قد تنفصل الطبقات الرقيقة أو تتفاعل المعادن بطرق تضعف المنتج النهائي.

لقد سعى فريق من الباحثين لفهم كيفية تأثير عملية التسخين هذه بدقة على "ساندوتش" محدد من النحاس والألومنيوم. بدأوا بلوحة مكونة من طبقة سميكة من الألومنيوم وطبقة أرق من النحاس. أولاً، أخضعوا هذه اللوحة لعملية "الدرفلة على البارد"، وهي عملية تقوم فيها بكرات ثقيلة بضغط المعدن لجعله أرق وأقوى. هذا الضغط الشديد أحدث شيئاً غير متوقع في الحد الفاصل حيث يلتقي المعدنان. فبدلاً من البقاء ملساء، تشققت الواجهة وتكسرت على طول اتجاه الدرفلة، لتصبح أرق وأضعف. تم تمديد حبيبات المعدن داخل كلتا الطبقتين مثل عجينة "التافي"، وأصبح الهيكل الداخلي غير منظم للغاية. ثم أخذ الباحثون هذه الصفائح المدرفلة وسخنوها في فرن عند درجتي حرارة مختلفتين: درجة حرارة معتدلة تبلغ 150 درجة مئوية، ودرجة حرارة أعلى بكثير تبلغ 400 درجة مئوية. كان هدفهم هو معرفة كيف تقوم الحرارة بإصلاح الشقوق، وتغيير هيكل الحبيبات الداخلي، وتغيير قوة المادة النهائية.

عندما سُخنت الصفائح إلى درجة الحرارة المنخفضة البالغة 150 درجة، كانت النتائج إيجابية بشكل مفاجئ. كانت الحرارة كافية تماماً للسماح للذرات عند الواجهة بالتحرك قليلاً، مما عالج بعض الفجوات والمسام الصغيرة التي تشكلت أثناء الدرفلة. وبينما ظلت الواجهة متصدعة قلياً، تشكلت طبقة جديدة رقيقة من المركبات الكيميائية بين النحاس والألومنيوم، تعمل مثل غراء طبيعي. وفي داخل المعادن، بدأت الضغوط الشديدة الناتجة عن الدرفلة في الاسترخاء، لكن الحبيبات لم تعد إلى وضعها الأصلي تماماً. كانت النتيجة الأكثر إثارة هنا هي أن المادة أصبحت أقوى وأكثر مرونة في آن واحد؛ حيث استطاعت اللوحة تحمل المزيد من القوة قبل الانكسار، واستطاعت التمدد لمسافة أبعد دون أن تنقطع. حدث هذا لأن الحرارة خففت من الإجهادات الداخلية التي كانت تسبب فشل المعدن المبكر، بينما سمح التحسن في الترابط بين الطبقات للمعدنين بالعمل معاً بشكل أكثر فعالية.

تغيرت القصة بشكل دراماتيكي عندما رفع الباحثون الحرارة إلى 400 درجة. عند هذه الدرجة الأعلى، تحركت الذرات بسرعة أكبر، مما تسبب في نمو الواجهة بشكل ملحوظ في السمك. حلت منطقة واسعة ومستمرة تحتوي على ثلاث طبقات متميزة من المركبات الكيميائية محل الخط الرفيع والمتصدع للرابط الأصلي. عملت هذه الطبقة السميكة كحاجز، مما منع حبيبات المعدن من النمو بشكل كبير أو التحرك بحرية. وفي داخل طبقة النحاس، كانت الحرارة شديدة لدرجة أن الحبيبات المتمددة والمشوهة أعادت ترتيب نفسها تماماً لتشكل أشكالاً جديدة مستديرة ومسترخية، وهي عملية تُعرف باسم "إعادة التبلور". جعل هذا النحاس أكثر ليونة وأقل قوة. أما طبقة الألومنيوم، فقد تصرفت بشكل مختلف؛ إذ لم تعِد التبلور بالكامل بل شكلت بدلاً من ذلك هيكلاً من "الحبيبات الفرعية" الصغيرة المستردة. وكانت النتيجة مادة مرنة للغاية، قادرة على التمدد إلى أربعين بالمائة من طولها الأصلي، لكنها فقدت الكثير من قوتها. لقد أصبح النحاس، الذي كان المصدر الرئيسي للقوة، ناعماً جداً بحيث لا يستطيع تحمل الحمل.

كما فحص الباحثون الأنماط المجهرية، أو "الأنسجة"، داخل حبيبات المعدن. قبل التسخين، فرضت عملية الدرفلة على الحبيبات اتجاهات محددة وممددة. الحرارة المنخفضة لم تغير هذه الأنماط إلا قليلاً، مما حافظ على القوة المكتسبة من الدرفلة. أما الحرارة العالية، فقد مسحت السجل بالنسبة للنحاس، مستبدلة الأنماط الممددة بترتيب جديد عشوائي يشير إلى حالة من الليونة والاسترخاء. وفي الألومنيوم، ظهرت أنماط جديدة سمحت للمعدن بالتدفق بسهولة أكبر. ومن خلال فحص الأسطح المكسورة للمعدن بعد الاختبار، رأى الفريق في العينات ذات الحرارة المنخفضة أنها انكسرت بطريقة أظهرت أنها كانت قوية ولكنها هشة نوعاً ما، بينما أظهرت عينات الحرارة العالية علامات تمدد ومطيلية (ductility) قصوى.

في نهاية المطاف، كشفت الدراسة أن درجة الحرارة المستخدمة لمعالجة هذه المركبات المعدنية هي "مفتاح تحكم" قوي يتحكم في الطابع النهائي للمادة. فالحرارة اللطيفة البالغة 150 درجة مئوية توفر نقطة مثالية، حيث تصلح الضرر الناتج عن التصنيع مع الحفاظ على قوة وصلابة المعدن. أما المعالجة الأكثر سخونة عند 400 درجة مئوية، فهي تضحي بتلك القوة في سبيل اكتساب مرونة فائقة، محولة المادة إلى شيء يمكنه الانحناء والتمدد دون انكسار. والدرس المستفاد الرئيسي هو أن المعدنين لا يتفاعلان بنفس الطريقة مع الحرارة؛ إذ يميل النحاس إلى إعادة تنظيم هيكله بالكامل، بينما يميل الألومنيوم إلى استعادة شكله دون إعادة ضبط كاملة. هذا الاختلاف، جنباً إلى جنب مع الطبقة الكيميائية السميكة التي تتشكل عند الحرارة العالية، هو ما يحدد ما إذا كان المنتج النهائي سيكون موصلاً صلباً وقوياً أم ورقة لينة وطيعة. وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من أنظمة الطاقة خفيفة الوزن، توفر هذه النتائج خارطة طريق واضحة لاختيار المعالجة الحرارية المناسبة للحصول على التوازن الدقيق بين القوة والمرونة المطلوب للمهمة.