شکل دادن به فلزات در مقیاس نانو
مقدمه
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 روشهایی که پُربازده باشند از توجه بیشتری برخوردارند.
خواص مکانیکی مواد
منظور از خواص مکانیکى، واکنش مواد در برابر نیروها و بارهاست. عکس‌العمل مواد در برابر نیروهاى واردشونده، به ساختمان مولکولى آن‌‌‌‌‌ها بستگى دارد. آن قسمت از علم مکانیک که صرفاً به بررسى نیروها و واکنش‌ها مى‌پردازد «استاتیک» نامیده مى‌شود و بخشی از آن که واکنش ماده به نیروهاى اعمال‌شده و تغییر شکل‌هاى جزئىِ ناشی این از نیروها را مورد بررسى قرار گیرد، «مقاومت مصالح» نام دارد.
قطعات بر اثر اِعمال نیرو نباید از بین 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 دهیم تا شرایط ماده مورد نیاز بر حسب نوع خودرو، حداکثر سرعت و حداکثر بار قابل حمل توسط آن، مشخص شود.
در این‌‌‌‌‌جا به برخى از اصطلاحات رایج می‌پردازیم که مؤلفه‌هاى مؤثر در بررسى خواص مکانیکى را توضیح می‌دهند.
۱٫ تنش – stress :
عبارت است از «مقدار نیروى وارد بر واحد سطح». مقدار تنش از تقسیم نیروى وارد بر جسم بر مساحت سطح مقطع جسم به دست مى‌آید. شاید فکر کنید این تعریف به مفهوم فشار در فیزیک دبیرستان خیلی نزدیک است، اما همانطور که دقت کرده‌اید، در این‌‌‌‌‌جا شرط عمود بودن مؤلفه‌‌‌‌‌ی نیروی وارد بر سطح، وجود ندارد.
۲٫ 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 پیوسته مقدار بار معینی بر قطعه وارد میشود. یعنی مقدار تنش خاصی، به‌دفعات بر آن وارد شده است. به این گسیختگی‌ها، «گسیختگی خستگی» می‌گویند.
۳٫ کُرنش – strain:
به طور کلى، تمام مواد بر اثر نیرویی هرچند ناچیز، دچار تغییر شکل (تغییر ابعاد) مى‌شوند. به تغییر ابعاد یا اندازه‌های جسم، بر اثر تنش «کُرنش» مى‌گویند؛ مثل فنری که به‌‌‌‌‌واسطه وارد کردن نیرو بر آن کشیده یا فشرده می شود.
تعریف‌‌‌‌‌های 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 خراشیدن، 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 ماده موجود – بدون آنکه از مقدار آن بکاهد – حداکثر استفاده را بکند. فکر اولیه‌‌‌‌‌ی شکل‌دهی از این‌‌‌‌‌جا ناشی شد. البته به مرور زمان این تعریف تغییر کرده است، بطوری‌‌‌‌‌که گاهی طول فرایند شکل‌دهی به مقدار ماده کم می‌شد.
در زیر به طور خلاصه به تعدادی از مشهورترین و متداول‌ترین فرایندها در شکل‌دهی فلزات می‌پردازیم:
۱٫ خم‌کارى
همه عملیات ورق‌کارى، شامل خم‌کارى هم مى‌شود. در اغلب موارد، خم‌کارى ویژگى اصلى ورق‌کارى به شمار مى‌رود و به همین دلیل 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
۲٫ کشش
فرایندى است براى کاهش سطح مقطع در ورق، سیم یا مفتول و دیگر مقاطع استاندارد. کشش از پایه‌اى‌ترین فرایندها در شکل‌دهى به شمار می‌رود. در طول فرایند کشش، ماده از یک جهت کشیده میشود. در نتیجه، از ابعاد دیگر آن کاسته می‌گردد.
۳٫ نوردکاری
نوردکارى از جمله فرایندهاى پُرکاربرد در تولید مقاطع استاندارد، مثل ورق، است. در نوردکارى‌ِ صفحه‌ها، ورق‌ها و تسمه‌ها، پهناى قطعه کار فقط اندکى افزایش مى‌یابد. از عوامل تأثیرگذار در این فرایند، مى‌توان به ارتفاع اولیه و ثانویه قطعه، پهناى آن، سرعت چرخش غلتک، جنس غلتک و نیز دماى کار و جنس قطعه کار اشاره کرد. این فرایند را مى‌توان با چند غلتک و در چند مرحله تا زمانِ رسیدن به ارتفاع و وضعیت مطلوب ادامه داد. مثلاً اگر ورقی با ضخامت ۵ میلی‌متر در اختیار دارید و می‌خواهید ضخامت آن را به ۱٫۵ 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.
۵٫ فورجینگ یا آهن‌کوبی
فورجینگ که در ادبیات غیرفنى به آهنگرى نیز ترجمه شده است، به فرایندى گفته مى‌شود که در آن، فلز در فضاى بین قالب و ضربه محکم‌ِ پرس قرار می‌گیرد و پس از خارج شدن اضافه‌‌‌‌‌ها به شکل دلخواه درمى‌آید.
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 رسی
