سوپر پلاستیک

سوپر پلاستیک () در علم مواد، حالتی است که در آن یک ماده جامد کریستالی به خوبی فراتر از نقطه شکست معمول خود تغییر شکل می‌دهد، که معمولا در این حالت تغییر شکل کششی بیش از ۲۰۰٪ می‌باشد. سوپر پلاستیسیته اولین بار در سال ۱۹۱۲ مشاهده شدو پس از آن به صورت گسترده در فلزات مورد مطالعه قرار گرفت. یکی از غیر معمول‌ترین ملاحظاتی که در زمینه سوپر پلاستیسیته مشاهده شده احتمالا مشاهده تغیر شکل حدود ۲۰۰٪ در آلیاژ Bi-Sn بود که توسط فردی در سال ۱۹۳۴ در اعلام شد، همچنین او ادعا کرد کرد که لغزش مرز دانه اصلی‌ترین دلیلی است که باعث وقوع پدیده سوپر پلاستیسیته می‌شود. علاقه به مطالعه در زمینه سوپر پلاستیسته زمانی زیاد شد که مشاهده شد این پدیده در طیف گسترده‌ای از مواد از جمله نانو کریستال‌ها، سرامیک آلیاژ فلزات رخ می‌دهد. در فلزات و سرامیک، الزامات برای به وجود آمدن سوپر پلاستیک اندازه دانه‌های مناسب (کمتر از حدود ۲۰ میکرومتر) و پراکندگی ذراتی که از نظر گرمایی پایدار است که برای پین کردن مرزهای دانه و حفظ ساختار دانه‌های خوب در دماهای بالااست همچنین وجود دوفاز مورد نیاز برای تغییر شکل سوپر پلاستیکی ضروری است. علاوه بر همه این خواص مواد باید نرخ کرنش بالایی نیز داشته باشند تا سوپر پلاستیک محسوب شوند. فرایند سوپر پلاستیسیته نه تنها از لحاظ علمی بلکه از لحاظ صنعتی نیز بسیار مورد توجه است که این امکان را برای تولید قطعاتی پیچیده که آهنگری آن‌ها در نرخهای کرنش حتی بالاتر نیز به سادگی صورت نمی‌پذیرد می‌دهد تا توسط این فرایند در دمای بالا تولید شوند. این فرایند مشابه تغییر شکل پوسته زمین در خزش در دما و تنش و نرخ کنشی بالا می‌باشد.
خصوصیات ساختاری سوپر پلاستیک‌ها
ریز ساختار نیز نقش بسزائی در شکل‌گیری فرایند سوپر پلاستیسیته دارد بدین صورت که این فرایند بر روی فلزاتی با دانه‌های ریز و هم محور قابل انجام است. به علاوه زیرساختار باید دارای مقاومت بالایی در برابر رشد اندازه دانه‌ها باشد تا در دمای بالا این فرایند و هم‌زمان با آن ساختار ریزدانه مورد نظر از بین نرود. از این رو علاوه بر فلزات تک فاز ریزدانه عملیات سوپر پلاستیک بر روی فلزات و آلیاژهای دو فاز با مقاومت بالا در برابر رشد دانه نیز قابل انجام است. ساختار سوپر پلاستیک‌ها دارای حساسیت بالا نسبت به نرخ کرنش در حین تغییر شکل کششی هستند. سوپر پلاستیک‌ها معمولا در مواد با نرخ تنش کم از ۰.۰۰۱ تا ۰.۰۰۰۰۱ رخ ی دهد، اما در تحقیقات اخیر گزارش شده که تغییر شکل‌های زیاد در موادی با نرخ تنش بزرگتر از ۰.۰۱ هم رخ داده که بیشتر این مواد آلیاژهای فلزی بودند.
مکانیزم میکروسکوپی تغییر شکل در مواد سوپر پلاستیک هنوز به‌طور کامل درک نشده‌است. از زمان مشاهدات اولیه پیرسون تا امروز مدل‌های بسیاری برای سوپر پلاستیک‌ها ارائه شده‌است؛ که اصلی‌ترین آن‌ها لغزش مرز دانه و جریان‌های نفوذی است، از میان این دو نیز بیشترین مکانیزمی که مورد تایید قرار گرفته‌است لغزش مرز دانه یا (GBS)است.
GBS با فرض اینکه لغزش‌ها با حرکت نابجایی‌ها رخ می‌دهد مدلسازی شده‌است.
این مدل‌ها می‌توانند اندازه دانه، دماو روند نرخ کرنشی را که منجر به شکل‌گیری سوپر پلاستیسیته می‌شوند تخمین بزنند که این موضوع در روش‌های مهندسی مورد اهمیت است. به راستی شکل دهی سوپر پلاستیک آلیاژهای آلومینیوم، تیتانیوم و آلیاژهای پایه نیکل دمای بالا به صورت یکنواخت در صنعت انجام می‌پذیرد. یک مشکل بزرگ این فرایند نرخهای کرنش پایین در تولید است که منجر به بالا رفتن هزینه‌ها می‌شود. در سوپر پلاستیسیته هزینه‌های مربوط به انرژی کاهش پیدا کرده ولی نرخ کرنش و تولید نیز کم می‌شود.
فرم دهی سوپر پلاستیک
فرم دهی سوپر پلاستیک یک روش صنعتی برای تولید مواد پیچیده و گرانبها از بعضی از مواد مخصوصی است. فرایند شکل دهی سوپر پلاستیک یکی از فرآیندهای مهم برای شکل دهی اجزای ورقی نازک و سبک بوده که به کمک آن می‌توان اشکال پیچیده با کمترین دور ریز تولید کرد. در این فرایند، شکل دهی با بهره‌گیری از خصوصیت شکل‌پذیری بالای آلیاژهای سوپر پلاستیک، به کمک فشار گاز و دمای بالا انجام می‌گیرد. از بین روش‌های متعدد شکل دهی سوپر پلاستیک فرایند شکل دهی توسط دمیدن معمول‌ترین زوش شناخته شده‌است. در این فرایند قالب‌ها و ورق معمولا در دمای شکل دهی نگه داشته می‌شوند و فشار گازی که به ورق اعمال می‌شود سبب شکل گرفتن ورق به داخل قالب پایینی می‌شود.
اطلاع از خصوصیات ماده، شرایط شکل دهی، شرایط اصطکاکی و دیگر پارامترهای فرایند برای ساخت و تولید بهینه قطعات ضروری است. بدون چنین اطلاعاتی نمی‌توان ابزارهای شکل دهی را به درستی طراحی کرد و نتیجه فرایند را پیش‌بینی نمود. فرایندهای طراحی بهینه شامل تعیین متغییرهای طراحی مورد نیاز از طریق آنالیز فرایند و بهینه‌سازی با قیدها و ورودی‌های معین می‌باشد. برای مثال، برای بهینه کردن توان حساسیت به نرخ کرنش باید سیکل فشار مناسبی برای کنترل نرخ کرنش در طی شکل دهی انتخاب نمود. برای‌ای کار از نرم‌افزارهای المان محدود به‌طور گسترده استفاده می‌شود.
در شکل دهی سوپر پلاستیک،کنترل توزیع ضخامت مسئله بسیار مهمی است. در فرایند شکل دهی سوپر پلاستیک معمول، غیر یکنواختی در توزیع مشاهده می‌شود. از سال۱۹۸۲، روش‌های کنترل توزیع ضخامت در شکل دهی سوپر پلاستیک توسعه پیدا کرده‌اند. به دلیل خصوصیات فرایند شکل دهی سوپر پلاستیک، توزیع ضخامت محصول غیر یکنواخت می‌باشد و اثر توزیع ضخامت نهایی در فرایند شکل دهی سوپر پلاستیک بر روی خصوصیات مکانیکی محصول بسیار مهم است؛ بنابراین مطلوب است فرایندی طراحی کنیم که توزع ضخامت نهایی یکنواختی داشته باشد. هر چند که مقداری انحراف با توجه به تماس بین ابزار و ورق، اجتناب ناپذیر است. محققین بسیاری اثر پارامترهای مختلف از جمله ضریب اصطکاک، حساسیت به نرخ کرنش را بر روی توزیع ضخامت مطالعه کردند
فرایند فرم دهی سوپر پلاستیک
برای شروع دمای ماده بالا را بالا می‌بریم تا خاصیت سوپر پلاستیسیته را افزایش بدهیم، برای آلیاژهای تیتانیمی و بعضی از فولادهای ضدزنگ ای افزایش دما در حدود ۹۰۰ درجه می‌باشد و برای بعضی از آلیاژهای آلومینیومی این دما بین۴۵۰ تا ۵۳۰ است. در این شرایط مواد بسیار نرم می‌شوند در نتیجه فرایندها که معمولا براساس خواص پلاستیک‌ها می‌باشند اجرا می‌کنیم. این فرایندها اکثرا شکل دهی حرارتی، قالب‌گیری بادی و شکل دهی حرارتی خلاء است. اکنون فشار گاز بی‌اثر در ورقه سوپر پلاستیکی اعمال می‌شود و باعث می‌شود که آن را به یک ماده خرد تبدیل کند.
مزایا و معایب فرم دهی سوپر پلاستیک
اصلی‌ترین مزیت این روش اینست که می‌توانیم قطعات کاری بزرگ و پیچیده را در یک فرایند فرم داد. همچنین دیگر در آن تورفتگی و برآمدگی یا تنش‌های پسماند نیست. در این روش می‌توانیم قطعات بزرگتر با وزن کمتر ساخت که در صنایع هوافضا بسیار پراهمیت است، همان‌طور که مک دونالد داگلاس از طراحی به روش فرم دهی پلاستیک در تولید F-15در دهه ۸۰ میلادی استفاده کرد، آن‌ها از تکنولوژی تولید تجهیزات و ابزارها در سنت لوئیس کردند؛ و با استفاده از هر دو تکنولوژی صفحه گرم و تکنولوژی لامپ کوارتز با رهبری ری کیتلسون، ون مولر و دیوید رائه محصول خود را توسعه دادند.
بزرگترین عیب این روش فرم دهی سرعت پایین انجام این پروسه است. مدت زمان هر سیکل از دو دقیقه تا دو ساعت متفاوت است و به همین دلیل اسیت که برای تولید محصولات با حجم کم استفاده نمی‌شود. یکی دیگر از معایب آن غیر یکنواختی ضخامت محصول تولید شده‌است. هرچند امروزه چند روش جدید هستند که یکنواختی ضخامت در محصولات بسیار بهبود بخشیده‌است که یکی از این روش‌ها استفاده از گاز با فشار متغیر به جای گاز با فشار ثابت است.
فلزکاری
موم‌سانی