شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو
مقدمه
بخش اول از این مجموعه مقاله‌‌‌‌‌ها، به شکل‌دهی و شکل‌پذیری مواد و مصالح صنعتی اختصاص داشت. گفتیم مواد بسته به خواص گوناگون آن‌‌‌‌‌ها، کارکردهای مختلفی دارند. یکی از مهم‌‌‌‌‌ترین خواص برای شکل‌دهی، خواص مکانیکی‌اند. به علاوه، برای به دست آوردن محصول دلخواه از راه شکل‌دهی، باید روش‌هایی را تعریف کرد که بیشترین بازده را داشته باشند. همانطور که برای ایجاد انرژی حرکتی در خودروها به دنبال انواع مناسب سوخت و بهینه کردن سیستم احتراق خودرو هستیم، در شکل‌دهی روش‌‌‌‌‌هايي که پُربازده باشند از توجه بيشتری برخوردارند.
خواص مکانیکی مواد
منظور از خواص مکانيکى، واکنش مواد در برابر نيروها و بارهاست. عکس‌العمل مواد در برابر نيروهاى واردشونده، به ساختمان مولکولى آن‌‌‌‌‌ها بستگى دارد. آن قسمت از علم مکانيک که صرفاً به بررسى نيروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتيک» نامیده مى‌شود و بخشی از آن که واکنش ماده به نيروهاى اعمال‌شده و تغيير شکل‌هاى جزئىِ ناشی این از نیروها را مورد بررسى قرار گيرد، «مقاومت مصالح» نام دارد.
قطعات بر اثر اِعمال نیرو نباید از بين بروند؛ بنابراین برای اینکه مطمئن بشویم قطعه مورد نظر خواص فیزیکی لازم را دارد، باید هنگام انتخاب جنس، شکل، اندازه و طرز ساخت، محاسبه‌‌‌‌‌هایی انجام دهیم. مثلاً برای تولید رینگ‌های خودرو، باید محاسبات اولیه‌ای انجام دهيم تا شرایط مادة مورد نیاز بر حسب نوع خودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.
در این‌‌‌‌‌جا به برخى از اصطلاحات رايج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى مؤثر در بررسى خواص مکانيکى را توضیح می‌دهند.
1. تنش - stress :
عبارت است از «مقدار نيروى وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسيم نيروى وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مى‌آيد. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همانطور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ي نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.
2. خستگى - fatigue :
گاهی در قطعه‌ای از یک ماشین کارخانه، شکستگی‌هایی به وجود می‌آید. ولی پس از بررسی مشخص میشود که میزان تنش وارد بر قطعه، از حد مجاز کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت این پدیده آن است که بطور پيوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد میشود. یعنی مقدار تنش خاصی، به‌دفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگی‌ها، «گسیختگی خستگی» می‌گویند.
3. کُرنش - strain:
به طور کلى، تمام مواد بر اثر نيرويي هرچند ناچيز، دچار تغيير شکل (تغيير ابعاد) مى‌شوند. به تغيير ابعاد يا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش «کُرنش» مى‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.
تعريف‌‌‌‌‌های ذکر شده، اصلی‌ترین مفاهیمِ خواص مکانیکی‌اند. گروهی دیگر از اصطلاحات هستند که از این تعریف‌‌‌‌‌ها ناشی می‌شوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» می‌گویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشيدن، ساییدگی، بُراده‌برداری و بُرش را «سختی» می‌نامند.
فرایندهای شکل‌دهی
پیش از آنکه به فرایندهای شکل‌دهی بپردازیم، باید به این سؤال پاسخ دهیم که اصلاً چرا از شکل‌دهی استفاده می‌کنیم؟
از زمانی که بشر به فکر ساختن ابزار افتاد، راه‌های بسیاری را تجربه کرد. مثلاً گاهی با بُراده‌برداری از چوب، کمان ساخت تا به شکار بپردازد. زمانی قطعات چوب را بُرید یا آن‌‌‌‌‌ها را سوراخ کرد. اما در نهایت، لازم داشت از مادة موجود - بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌ي شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوري‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.
در زير به طور خلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزات می‌پردازیم:
1. خم‌کارى
همة عمليات ورق‌کارى، شامل خم‌کارى هم مى‌شود. در اغلب موارد، خم‌کارى ويژگى اصلى ورق‌کارى به شمار مى‌رود و به همين دليل است که جنبه‌هاى مختلف آن قابل توجه است. اگر در سپرهای فلزی خودروهای قدیمی دقت کرده باشید، می‌توانید آثار خمکاری در محل اتصال سپر با بدنه را ببینید.
نمونه یک شکل به دست آمده با روش خمکاری2. کشش
فرايندى است براى کاهش سطح مقطع در ورق، سيم يا مفتول و ديگر مقاطع استاندارد. کشش از پايه‌اى‌ترين فرايندها در شکل‌دهى به شمار می‌رود. در طول فرایند کشش، ماده از یک جهت کشیده میشود. در نتیجه، از ابعاد دیگر آن کاسته می‌گردد.
یک دستگاه کشش
3. نوردکاری
نوردکارى از جمله فرايندهاى پُرکاربرد در توليد مقاطع استاندارد، مثل ورق، است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها، ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى قطعة کار فقط اندکى افزايش مى‌يابد. از عوامل تأثيرگذار در اين فرايند، مى‌توان به ارتفاع اوليه و ثانوية قطعه، پهناى آن، سرعت چرخش غلتک، جنس غلتک و نيز دماى کار و جنس قطعة کار اشاره کرد. اين فرايند را مى‌توان با چند غلتک و در چند مرحله تا زمانِ رسيدن به ارتفاع و وضعيت مطلوب ادامه داد. مثلاً اگر ورقی با ضخامت 5 میلی‌متر در اختیار دارید و می‌خواهید ضخامت آن را به 1.5 میلی‌متر برسانید، می‌توانید از یک یا چند غلتک که در یک ردیف قرار گرفته‌اند استفاده کنید. باهر بار عبور هر یک از غلتک‌‌‌‌‌ها، اندکی از ضخامت ورق کاسته میشود تا اینکه ضخامت به مقدار دلخواه برسد.
عملیات نوردکاری در چند مرحله متوالی5. فورجينگ یا آهن‌کوبی
فورجينگ که در ادبيات غيرفنى به آهنگرى نيز ترجمه شده است، به فرايندى گفته مى‌شود که در آن، فلز در فضاى بين قالب و ضربة محکم‌ِ پرس قرار می‌گیرد و پس از خارج شدن اضافه‌‌‌‌‌ها به شکل دلخواه درمى‌آيد.
نگاه اجمالی ما به فرایند شکل‌دهی و مسائل مرتبط با آن، در این‌‌‌‌‌جا به پایان می‌رسد. فراموش نکنید که هنوز سخنی از مقیاس به میان نیاورده‌ایم. در واقع، مطالبی که تا کنون خواندید مربوط به مقیاس‌های رایج در صنعت‌اند و در صنایعی نظیر خودروسازی، قالب‌سازی و لوله‌سازی مطرح‌اند. در بخش‌های آینده با کاهش ابعاد به دنیای مایکرو و سپس به دنیای پُررمز و راز نانو خواهیم رسید
بخش اول از این مجموعه مقاله‌‌‌‌‌ها، به شکل‌دهی و شکل‌پذیری مواد و مصالح صنعتی اختصاص داشت. گفتیم مواد بسته به خواص گوناگون آن‌‌‌‌‌ها، کارکردهای مختلفی دارند. یکی از مهم‌‌‌‌‌ترین خواص برای شکل‌دهی، خواص مکانیکی‌اند. به علاوه، برای به دست آوردن محصول دلخواه از راه شکل‌دهی، باید روش‌هایی را تعریف کرد که بیشترین بازده را داشته باشند. همانطور که برای ایجاد انرژی حرکتی در خودروها به دنبال انواع مناسب سوخت و بهینه کردن سیستم احتراق خودرو هستیم، در شکل‌دهی روش‌‌‌‌‌هايي که پُربازده باشند از توجه بيشتری برخوردارند.
خواص مکانیکی مواد
منظور از خواص مکانيکى، واکنش مواد در برابر نيروها و بارهاست. عکس‌العمل مواد در برابر نيروهاى واردشونده، به ساختمان مولکولى آن‌‌‌‌‌ها بستگى دارد. آن قسمت از علم مکانيک که صرفاً به بررسى نيروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتيک» نامیده مى‌شود و بخشی از آن که واکنش ماده به نيروهاى اعمال‌شده و تغيير شکل‌هاى جزئىِ ناشی این از نیروها را مورد بررسى قرار گيرد، «مقاومت مصالح» نام دارد.
قطعات بر اثر اِعمال نیرو نباید از بين بروند؛ بنابراین برای اینکه مطمئن بشویم قطعه مورد نظر خواص فیزیکی لازم را دارد، باید هنگام انتخاب جنس، شکل، اندازه و طرز ساخت، محاسبه‌‌‌‌‌هایی انجام دهیم. مثلاً برای تولید رینگ‌های خودرو، باید محاسبات اولیه‌ای انجام دهيم تا شرایط مادة مورد نیاز بر حسب نوع خودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.
در این‌‌‌‌‌جا به برخى از اصطلاحات رايج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى مؤثر در بررسى خواص مکانيکى را توضیح می‌دهند.
1. تنش - stress :
عبارت است از «مقدار نيروى وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسيم نيروى وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مى‌آيد. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همانطور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ي نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.
2. خستگى - fatigue :
گاهی در قطعه‌ای از یک ماشین کارخانه، شکستگی‌هایی به وجود می‌آید. ولی پس از بررسی مشخص میشود که میزان تنش وارد بر قطعه، از حد مجاز کمتر بوده. اما چرا گسیختگی ایجاد شده است؟ علت این پدیده آن است که بطور پيوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد میشود. یعنی مقدار تنش خاصی، به‌دفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگی‌ها، «گسیختگی خستگی» می‌گویند.
3. کُرنش - strain:
به طور کلى، تمام مواد بر اثر نيرويي هرچند ناچيز، دچار تغيير شکل (تغيير ابعاد) مى‌شوند. به تغيير ابعاد يا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش «کُرنش» مى‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.
تعريف‌‌‌‌‌های ذکر شده، اصلی‌ترین مفاهیمِ خواص مکانیکی‌اند. گروهی دیگر از اصطلاحات هستند که از این تعریف‌‌‌‌‌ها ناشی می‌شوند. مثلاً به مقاومت ماده در برابر تغییر شکل «استحکام» می‌گویند و یا مقاومت ماده در برابر خراشيدن، ساییدگی، بُراده‌برداری و بُرش را «سختی» می‌نامند.
فرایندهای شکل‌دهی
پیش از آنکه به فرایندهای شکل‌دهی بپردازیم، باید به این سؤال پاسخ دهیم که اصلاً چرا از شکل‌دهی استفاده می‌کنیم؟
از زمانی که بشر به فکر ساختن ابزار افتاد، راه‌های بسیاری را تجربه کرد. مثلاً گاهی با بُراده‌برداری از چوب، کمان ساخت تا به شکار بپردازد. زمانی قطعات چوب را بُرید یا آن‌‌‌‌‌ها را سوراخ کرد. اما در نهایت، لازم داشت از مادة موجود - بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌ي شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوري‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.
در زير به طور خلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزات می‌پردازیم:
1. خم‌کارى
همة عمليات ورق‌کارى، شامل خم‌کارى هم مى‌شود. در اغلب موارد، خم‌کارى ويژگى اصلى ورق‌کارى به شمار مى‌رود و به همين دليل است که جنبه‌هاى مختلف آن قابل توجه است. اگر در سپرهای فلزی خودروهای قدیمی دقت کرده باشید، می‌توانید آثار خمکاری در محل اتصال سپر با بدنه را ببینید.
نمونه یک شکل به دست آمده با روش خمکاری
فرايندى است براى کاهش سطح مقطع در ورق، سيم يا مفتول و ديگر مقاطع استاندارد. کشش از پايه‌اى‌ترين فرايندها در شکل‌دهى به شمار می‌رود. در طول فرایند کشش، ماده از یک جهت کشیده میشود. در نتیجه، از ابعاد دیگر آن کاسته می‌گردد.
یک دستگاه کشش
نوردکارى از جمله فرايندهاى پُرکاربرد در توليد مقاطع استاندارد، مثل ورق، است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها، ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى قطعة کار فقط اندکى افزايش مى‌يابد. از عوامل تأثيرگذار در اين فرايند، مى‌توان به ارتفاع اوليه و ثانوية قطعه، پهناى آن، سرعت چرخش غلتک، جنس غلتک و نيز دماى کار و جنس قطعة کار اشاره کرد. اين فرايند را مى‌توان با چند غلتک و در چند مرحله تا زمانِ رسيدن به ارتفاع و وضعيت مطلوب ادامه داد. مثلاً اگر ورقی با ضخامت 5 میلی‌متر در اختیار دارید و می‌خواهید ضخامت آن را به 1.5 میلی‌متر برسانید، می‌توانید از یک یا چند غلتک که در یک ردیف قرار گرفته‌اند استفاده کنید. باهر بار عبور هر یک از غلتک‌‌‌‌‌ها، اندکی از ضخامت ورق کاسته میشود تا اینکه ضخامت به مقدار دلخواه برسد.
عملیات نوردکاری در چند مرحله متوالی
فورجينگ که در ادبيات غيرفنى به آهنگرى نيز ترجمه شده است، به فرايندى گفته مى‌شود که در آن، فلز در فضاى بين قالب و ضربة محکم‌ِ پرس قرار می‌گیرد و پس از خارج شدن اضافه‌‌‌‌‌ها به شکل دلخواه درمى‌آيد.
نگاه اجمالی ما به فرایند شکل‌دهی و مسائل مرتبط با آن، در این‌‌‌‌‌جا به پایان می‌رسد. فراموش نکنید که هنوز سخنی از مقیاس به میان نیاورده‌ایم. در واقع، مطالبی که تا کنون خواندید مربوط به مقیاس‌های رایج در صنعت‌اند و در صنایعی نظیر خودروسازی، قالب‌سازی و لوله‌سازی مطرح‌اند. در بخش‌های آینده با کاهش ابعاد به دنیای مایکرو و سپس به دنیای پُررمز و راز نانو خواهیم رسید
+ نوشته شده در پنجشنبه ۱۳۸۶/۱۰/۲۰ ساعت 0:6 توسط مدیریت:رضا عبدالمالکی-صالحی-یوسفی
|
سلام دوستان.