آلیاژهای منیزیم و ظرفیت جذب ارتعاشات
منیزیم دوازدهمین عنصر جدول تناوبی عناصر شیمیایی می‌باشد. آلیاژهای منیزیم در سال‌های اخیر به سرعت گسترش یافته‌اند. علت این رشد، مزیت‌های ذاتی این مواد مانند چگالی پایین و استحکام ویژه بالا بود. آلیاژهای منیزیم به عنوان سبک‌ترین آلیاژهای سازه‌ای، وزن کم و قابلیت ماشین‌کاری مناسب را فراهم می‌آورد. آلیاژهای منیزیم بخصوص آلیاژهای سری AZ که حاوی آلومینیوم و روی می‌باشند بطور گسترده در صنایع خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرند.با گسترش پژوهش‌ها در این زمینه، کاربردهای جدید و روزافزونی برای آلیاژهای منیزیم توسعه‌ می‌یابد.
ظرفیت میرایی(Damping Capacity) بیانگر قابلیت یک ماده در مستهلک‌کردن انرژی کرنش الاستیک تحت ارتعاشات مکانیکی می‌باشد. بر این اساس می‌توان مواد را به دو دسته ظرفیت میرایی بالا و پایین طبقه‌بندی نمود. موادی با ظرفیت میرایی پایین در ساخت تجهیزات موسیقی کاربرد دارند. بالعکس مواد با ظرفیت میرایی بالا برای کنترل نویزهای نامطلوب و پایداری سیستم‌ها و تجهیزات حساس کاربرد دارند.
ظرفیت میرایی حاصل اصطکاک درونی ماده که با کشیده‌شدن پیوندهای بین اتمی و تبدیل انرژی الاستیک به گرما حین ارتعاشات مرتبط است. ظرفیت میرایی ویژه با فرمول زیر بیان می‌شود:
formula_1
که در آن Ψ ظرفیت میرایی ویژه، W انرژی مرتبط با جابجایی داخلی یا کرنش ماده و Δw انرژی مستهلک شده در سیکل نوسان است. در جدول زیر ظرفیت میرایی ویژه برخی مواد مهندسی آورده شده است.
خاصیت جذب ارتعاشات، با کنترل ارتعاشات در ماشین‌ها و تجهیزات منجر به پایداری مکانیکی و افزایش طول عمر آن‌ها می‌شود. علاوه‌براین می‌توان مانع از پخش نویز در محیط شود. بیشتر مواد ارگانیک مانند چوب و پلیمرها جذب ارتعاشات بالایی دارند . این درحالیست که این ویژگی برای فلزات معمولا کمتر دیده می‌شود. برای کاربردهایی هم جذب ارتعاشات و هم خواص منحصر به فرد فلزات نیاز باشد از فلزات جاذب ارتعاشات (HIDAMET) استفاده می‌شود. منیزیم خالص قابلیت فوق العاده‌ای در جذب ارتعاشات دارد اما به علت استحکام ناکافی نمی‌توان از آن در کاربردهای سازه‌ای استفاده نمود. موادی که به عنوان مواد مهندسی با میرایی بالا در ساخت سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، باید همزمان با خاصیت ضربه‌گیری، استحکام بالایی نیز داشته باشد. معمولا تغییر خواصی مانند عناصر آلیاژی، فاز ثانویه و اندازه دانه می‌تواند همزمان بر استحکام میرایی ماده اثر گذار باشد. مقدار اتم‌های حل شونده در ساختار ماتریس آلیاژ رابطه مستقیمی با ضریب میرایی دارد .محققان دهه‌های زیادی به مطالعه میرایی آلیاژهای منیزیم پرداخته‌اند اما مطالعه آلیاژهایی با ویژگی استحکام میرایی بالای همزمان، به علت ویژگی‌های خاص آلیاژهای منیزیم هنوز کامل و عمیق نیست.
موادی که خاصیت میرایی بالا دارند می‌توانند ارتعاشات را خنثی و نویزها را کنترل کنند و همزمان پایداری سازه‌ای بالایی داشته‌باشند. منیزیم خالص و برخی آلیاژهای آن مانند آلیاژ منیزیم- زیرکونیوم، منیزیم- سیلیس و منیزیم- نیکل خاصیت میرایی فراتر از معمولی دارند. با این وجود، آلیاژ منیزیم- نیکل مقاومت به خوردگی کمی دارد، دستیابی به آلیاژ منیزیم- زیرکونیوم دشوار است و خاصیت جذب ضربه در آلیاژهای رایج‌تر منیزیم مانند AZ31 و ZK60 مشخصا کمتر از منیزیم خالص است. روش‌های گوناگونی مانند عملیات حرارتی، تغییر شکل پلاستیک و آلیاژسازی برای بهبود خواص آن‌ها بکارگرفته شده‌است. اما این روش‌ها به ندرت هر دو ویژگی خواص مکانیکی خوب و قابلیت جذب بالا را فراهم می‌آورند.
امروزه،معمولا مدل گراناتو-لاک برای توصیف خواص میرایی مواد بکاربرده می‌شود: انرژی مکانیکی منجر به ارتعاش نابجایی‌های کوچک و عیوب داخل ساختار می‌گردد. بنابراین حرکت عیوب داخل ماده در بهبود خواص میرایی ماده تاثیر مثبت دارد. این درحالی است که این ویژگی منجر به تضعیف خواص مکانیکی می‌شود. اینگونه به نظر می‌رسد که در آلیاژهای منیزیم خاصیت میرایی و استحکام به گونه‌ای در تناقض با یکدیگرند. پژوهشی در سال 2003، سنتز آلیاژ منیزیم- مس- منگنز را با روش متالورژی پودر پیشنهاد داد که به موجب آن ظرفیت میرایی بیشتر( در کرنش بالای4x10) و استحکام کششی( 290 مگاپاسکال) نسبت به منیزیم خالص به دست آمد. با این وجود روش متالورژی پودر روشی گران قیمت و پیچیده است.
برخی تحقیقات همچنان بر متعادل کردن خواص میرایی و استحکام با رویکرد عملیات حرارتی، آلیاژسازی و تغییر شکل تمرکز دارد. آلیاژهایی با استحکام قابل قبول مانند منیزیم- روی- زیرکونیوم- یتیریم و آلیاژهایی با ظرفیت میرایی قابل قبول مانند منیزیم-مس- منگنز در حکم کانون تحقیقات بودند.
دانشمندان دیگر معتقد هستند باید تحقیقات پایه‌ای بیشتری برای فهم مکانیزم‌های میرایی در منیزیم خالص صورت گیرد. آن‌ها علاقمند به شناخت مکانیزم‌های میرایی در آلیاژهای منیزیم با ساختار ساده و مشابه منیزیم خالص با مقدار کمی اتم‌های محلول یا نامحلول می‌باشند. با وجود اینها پیشرفت چشمگیری در شناخت مکانیزم‌های میرایی منیزیم حاصل نشده و تحقیقات بیشتری نیاز است.
منیزیم خالص و برخی آلیاژهای آن با خاصیت میرایی و جذب ضربه شناخته می‌شوند. به همین علت با وجود اینکه کاهش وزن علت اساسی بکارگیری این آلیاژهاست، ضربه‌گیری با استفاده از این ترکیبات یکی از بهترین روش‌های کنترل ارتعاشات و نویزها در وسایل نقلیه‌ است. همچنین در کاربردهای بیومکانیکی، ظرفیت میرایی بالا قابلیت جذب ارتعاشات و تنش در سطح تماس بین ایمپلنت و استخوان را فراهم می‌آورد که این امر منجر به بهبود استخوان‌سازی در استفاده از ایمپلنت‌های ارتوپدی می‌شود(میکرو).
تست ارتعاش اجزا یکی از جنبه‌های حیاتی ارزیابی طراحی در مهندسی نوین است. این تست اطمینان می‌دهد که اجزا تحت بار خستگی دچار شکست نمی‌شوند. جدا از تجهیز ایجادکننده ارتعاش، اجزا، پایه‌ها و فیکسچرهای نگهدارنده جزو اجزای کلیدی سیستم تست ازتعاش می‌باشند. این اجزا باید سفت، محکم و سبک بوده و قابلیت جذب ارتعاشات را داشته باشند آلیاژ AZ31B منیزیم یکی از مناسب ‌ترین مواد از نظر تامین خواص فیزیکی و مکانیکی مورد نظر است. قابلیت جذب بالای منیزیم خالص به علت حرکت پذیری بالای نابجایی‌ها در این فلز است. این اثر وابسته به رفتار بسیار پیچیده جذب است که به عواملی چون دما، فرکانس ارتعاشات، اندازه کرنش داخلی نیروی متغیر و تاریخچه بارگذاری‌های پیشین حتی در ناحیه الاستیک بستگی دارد.
منیزیم یکی از کاندیدهای اصلی فلزات توسعه‌یافته با قابلیت جذب ارتعاشات بالا می‌باشد. برای استفاده از خواص جذب ارتعاشات منیزیم، که حاصل حرکت نابجایی‌هاست، و بهره‌گیری همزمان از خواص استحکامی این فلز، آلیاژسازی‌های معمول پاسخگو نخواهدبود. استحکام‌افزایی منیزیم خالص با افزودن الیاف یا ذرات غیرفلزی مناسب یکی از راهکارهای عملی‌ ساخت چنین ماده‌ای بدون افت زیاد خاصیت جذب ارتعاشات است. برای عملی‌کردن این ایده باید رفتار پیچیده جذب ارتعاشات منیزیم خالص مورد توجه قرارگیرد.برای مطالعه بیشتر در زمینه جذب ارتعاشات میتوان به مقالات دینامیک و ارتعاشات و مواد جاذب ارتعاشات مراجعه نمود.