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

धातुओं का उपयोग शायद ही कभी उनके कच्चे, ढले हुए रूप में किया जाता है। हवाई जहाजों, कारों या इमारतों के लिए उन्हें पर्याप्त मजबूत बनाने के लिए, इंजीनियरों को उनकी आंतरिक संरचना को बदलना पड़ता है। कल्पना कीजिए कि धातु का एक ब्लॉक छोटे क्रिस्टल, या दानों (grains) के संग्रह के रूप में है, जो आपस में जुड़े हुए हैं। एल्युमीनियम के एक नरम, अनुपचारित टुकड़े में, ये दाने अपेक्षाकृत बड़े और ढीले व्यवस्थित होते हैं। धातु को कठोर और मजबूत बनाने के लिए, वैज्ञानिक 'सेवियर प्लास्टिक डिफॉर्मेशन' (severe plastic deformation) नामक तकनीक का उपयोग करते हैं। इसमें धातु को उसके समग्र आकार को बदले बिना एक सीमित स्थान से गुजरने के लिए मजबूर करना शामिल है, जो अनिवार्य रूप से आंतरिक दानों को तब तक दबाता है जब तक कि वे बहुत छोटे टुकड़ों में न टूट जाएं। दाने जितने छोटे होंगे, धातु उतनी ही मजबूत होगी, क्योंकि उनके बीच की सीमाएं बाधाओं के रूप में कार्य करती हैं जो सामग्री को आसानी से मुड़ने या टूटने से रोकती हैं। यह प्रक्रिया उन उद्योगों के लिए महत्वपूर्ण है जिन्हें ऐसे हल्के वजन वाली सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो अत्यधिक तनाव झेल सकें।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस दबाने की प्रक्रिया के दो विशिष्ट तरीकों की तुलना करने के लिए एक अध्ययन किया ताकि यह देखा जा सके कि एल्युमीनियम की पतली पट्टियों के लिए कौन सा तरीका बेहतर काम करता है। दोनों विधियों को 'इक्वल-चैनल एंगुलर प्रेसिंग' (equal-channel angular pressing) और 'इक्वल-चैनल मल्टी-एंगुलर प्रेसिंग' (equal-channel multi-angular pressing) के रूप में जाना जाता है। दोनों में धातु की पट्टी को एक डाई, या सांचे (mold) के माध्यम से धकेलना शामिल है जिसमें आपस में जुड़े हुए चैनल होते हैं। अंतर डिजाइन में है: एक विधि में एक एकल प्रतिच्छेदन बिंदु (intersection point) होता है, जबकि दूसरी विधि में दो होते हैं। टीम यह जानना चाहती थी कि कौन सा डिजाइन सबसे महीन, सबसे समान दाने की संरचना बनाएगा और सबसे मजबूत सामग्री परिणाम देगा। उन्होंने एक सामान्य, व्यावसायिक रूप से शुद्ध एल्युमीनियम मिश्र धातु को चुना, जिसका उपयोग अक्सर इन्सुलेशन और सामान्य विनिर्माण में किया जाता है, और इस प्रक्रिया के माध्यम से इसे तीन बार गुजारा ताकि देखा जा सके कि प्रत्येक पास के साथ धातु में क्या बदलाव आता है।

शोधकर्ताओं ने एल्युमीनियम की उन पट्टियों से शुरुआत की जिन्हें ओवन में गर्म करके नरम किया गया था, एक ऐसा कदम जिसने आंतरिक दानों को बड़ा और समान बना दिया। फिर उन्होंने इन पट्टियों को कमरे के तापमान पर दो अलग-अलग प्रेस के माध्यम से गुजारा। पहले प्रेस, सिंगल-चैनल संस्करण ने, धातु को एक तीखे मोड़ से गुजारा। दूसरे प्रेस, मल्टी-चैनल संस्करण ने, धातु को दो क्रमिक मोड़ों के माध्यम से निर्देशित किया। प्रत्येक पास के बाद, टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे धातु का परीक्षण किया और यह जांचा कि टूटने से पहले वह कितना बल सहन कर सकती है। उन्होंने खरोंच के प्रति धातु के प्रतिरोध, जिसे कठोरता (hardness) कहा जाता है, को भी मापा और धातु के टूटने के बाद उसकी सतह का निरीक्षण किया कि वह कैसे विफल हुई।

परिणामों ने दिखाया कि दोनों विधियों ने बड़े दानों को छोटे दानों में सफलतापूर्वक तोड़ दिया, लेकिन उन्होंने इसे अलग-अलग तरीकों से और सफलता के विभिन्न स्तरों के साथ किया। सिंगल-चैनल प्रेस अधिक आक्रामक उपकरण साबित हुआ। तीन पास के बाद, इसने दाने के आकार को आठ माइक्रोमीटर तक की सीमा से घटाकर केवल 2.4 माइक्रोमीटर की सीमा तक कम कर दिया। इस प्रक्रिया ने बहुत महीन दानों और कुछ अति-सूक्ष्म, लगभग नैनोस्केल दानों का मिश्रण तैयार किया। धातु काफी मजबूत और कठोर हो गई। इसकी खींचने वाले बलों का विरोध करने की क्षमता, जिसे तन्यता शक्ति (tensile strength) कहा जाता है, लगभग 94 प्रतिशत बढ़ गई, और इसकी झुकने के प्रति प्रतिरोध क्षमता, या यील्ड स्ट्रेंथ (yield strength), लगभग 21 प्रतिशत बढ़ गई। धातु छूने में भी अधिक कठोर हो गई, जिसमें प्रेसिंग की दिशा में 63 प्रतिशत से अधिक की कठोरता वृद्धि देखी गई।

मल्टी-चैनल प्रेस ने भी धातु में सुधार किया, लेकिन परिवर्तन कम नाटकीय थे। हालांकि इसने दानों को परिष्कृत किया, लेकिन अंतिम आकार बड़ा रहा, जो तीन पास के बाद 5.5 माइक्रोमीटर तक की सीमा में स्थिर हुआ। धातु वास्तव में मजबूत हुई, जिसकी तन्यता शक्ति में लगभग 129 प्रतिशत की वृद्धि और यील्ड स्ट्रेंथ में लगभग 31 प्रतिशत की वृद्धि हुई, लेकिन कठोरता का प्रभाव सिंगल-चैनल पद्धति जितना तीव्र नहीं था। प्रेस की दिशा में धातु की कठोरता में लगभग 54 प्रतिशत की वृद्धि हुई, जो पर्याप्त थी लेकिन सिंगल-चैनल परिणाम से कम थी। शोधकर्ताओं ने देखा कि मल्टी-चैनल प्रक्रिया के कारण कुछ क्षेत्रों में संरचना थोड़ी मोटी (coarser) हो गई, जो संभवतः इसलिए क्योंकि धातु को दो मोड़ों के माध्यम से गुजरते समय तनाव के एक अलग पैटर्न का अनुभव हुआ।

जब टीम ने देखा कि धातु कैसे टूटी, तो उन्हें इन आंतरिक परिवर्तनों के स्पष्ट प्रमाण मिले। मूल, नरम एल्युमीनियम अपनी सतह पर बड़े, गहरे गड्ढों के साथ टूटा, जो एक संकेत है कि यह टूटने से पहले आसानी से खिंच गया और विकृत हो गया। जैसे-जैसे धातु को संसाधित किया गया, ये गड्ढे छोटे और उथले होते गए। यह बदलाव इंगित करता कि धातु मजबूत तो हुई थी लेकिन कम लचीली हो गई थी। सिंगल-चैनल प्रोसेस्ड धातु ने गड्ढों के आकार में सबसे महत्वपूर्ण कमी दिखाई, जिससे पुष्टि हुई कि इसकी आंतरिक संरचना में सबसे अधिक बदलाव आया है। टीम ने नोट किया कि जबकि धातु बहुत मजबूत हो गई, इसने अपनी खिंचने की क्षमता भी कुछ हद तक खो दी, जो इस प्रकार के सुदृढ़ीकरण में एक सामान्य समझौता (trade-off) है।

अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि दोनों तकनीकें एल्युमीनियम पट्टियों की संरचना को परिष्कृत करने के लिए प्रभावी हैं, लेकिन सिंगल-चैनल विधि इस विशिष्ट सामग्री में अधिकतम कठोरता और शक्ति प्राप्त करने के लिए बेहतर है। सिंगल-चैनल प्रेस ने अधिक समान और महीन दाने की संरचना बनाई, जिससे अधिक स्पष्ट सुदृढ़ीकरण प्रभाव हुआ। मल्टी-चैनल प्रेस, हालांकि अभी भी फायदेमंद था, लेकिन इसने थोड़ा मोटा (coarser) परिणाम दिया। ये निष्कर्ष निर्माताओं को एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं: यदि लक्ष्य एल्युमीनियम की पतली पट्टियों को यथासंभव मजबूत और कठोर बनाना है, तो सिंगल-चैनल प्रेसिंग मार्ग अधिक कुशल विकल्प है। यह शोध इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे एक उपकरण की विशिष्ट ज्यामिति सामग्री की अंतिम गुणवत्ता को निर्धारित कर सकती है, जो मांग वाले औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए धातुओं को अनुकूलित करने का एक सटीक तरीका प्रदान करती है।