ابرمومسان (سوپرپلاستیک) چیست؟

نیاز به استفاده از قطعاتی با حداکثر نسبت استحکام به وزن در برخی صنایع، استفاده از موادی مانند آلیاژهای تیتانیوم، آلومینیوم و منیزیم را افزایش داده است. با توجه به شکل­پذیری کم این مواد، برای شکل­دهی قطعات پیچیده، باید از روش شکل­دهی ابرمومسان استفاده کرد. در این نوع شکل­دهی قابلیت تغییر­شکل بسیار زیاد مواد قبل از شکست نهایی وجود دارد. برخی از آلیاژهای تیتانیوم، الومینیوم ومنیزیم در صورتی که دارای دانه­بندی ریز باشند، در محدوده­ی دمایی بیش از نصف دمای ذوب قابلیت ابرمومسان شدن را دارا می­باشند. این مواد هنگامی که به روش شکل­دهی ابرمومسان تغییر­شکل می­یابند، استحکامی به مراتب پایین­تر از استحکام عادی در دمای محیط از خود نشان می­دهند (نیروی کمتری جهت شکل­دهی لازم دارند) و از ظرفیت بالایی برای تغییر­شکل و ازدیاد طول برخوردار هستند[1]. برای تولید قطعات پیچیده به صورت سوپرپلاستیک، روش­های مختلفی وجود دارد که از آن جمله می­توان به شکل­دهی هیدرواستاتیک-سوپرپلاستیک اشاره کرد. در این روش شکل­دهی، با استفاده از فشار سیال که معمولا گاز می­باشد، ورق درون حفره قالب شکل می­گیرد[2].

سیر تاریخی فرآیند ابرمومسان:

اولین مورد ثبت تغییر فرم ابرمومسان توسط بنگوگ[1] در سال ۱۹۱۲ افزایش طول در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد در آلیاژ مس در موردی غیرعادی ۱۶۳% گزارش گردید، در سال ۱۹۲۸ در فاز یوتکتیک آلیاژ Cd-zn  و آلیاژ Pb-Sn ۳۵۰-۴۰۰% افزایش طول در هنگام کار مکانیکی توسط جنکینز[2] گزارش گردید. در سال ۱۹۳۴ پیرسون[3] ازدیاد طولی برابر با ۱۹۵۰% در دمای محیط برای آلیاژ قلع بیسموت را به ثبت رسانید.

[1] Bengough

[2] Jenkins

[3] Pearson

روابط تنش کرنش در ابرمومسان:

مفهوم ابرمومسان با تنش تسلیم پایین و حساسیت بالاي تنش تسلیم به نرخ کرنش مشهور است. شکل ساده معادله متشکله مواد ابرمومسان عبارت است از: [4]

k: ثابت استحکام است که وابسته به کرنش، دما و خصوصیت ماده میباشد.

e  : نرخ كرنش

m : شاخص حساسيت تنش تسلیم به نرخ کرنش است و مقادیر آن متاثر از ریز ساختار ماده و پارامترهاي

شکل‌دهی می‌باشد. براي رفتارهاي ابرمومسان، مقادير  براي اغلب مواد بين 3/0 تا 8/0 است. [4]

شكل زیر وابستگی رفتار ابرمومسان به  را نشان می‌‌دهد. رفتار مکانیکی مواد ابرمومسان به شدت وابسته به دما و نرخ کرنش است بطوري که افزایش دما و کاهش اندازه دانه تاثیر مشابهی بر تغییر تنش تسلیم ناشی از نرخ کرنش دارند. افزایش دما باعث کاهش تنش تسلیم می‌شود، بخصوص در نرخ کرنش­های پایین، این مسئله شدت می‌‌یابد، بیشینه حساسیت به نرخ کرنش با ازدیاد دما افزایش می‌‌یابد[3]. با توجه به تحقیق‌هاي انجام شده روي مواد داراي خاصیت ابرمومسان، می‌‌توان گفت مهمترین متغییر اثر گذار روي این مواد همان مقدار m می‌‌باشد، شکل زیر اثر مقدار  را بر رفتار ابرمومسان با فرض حداکثر بودن مقدار فشار گاز را نشان می‌‌دهد.

کاربرد ابرمومسان:

در حال حاضر برای تولید تعدادی از اجزای سازنده وسایل نقلیه هوافضا از فناوری شکل‌دهی ابرمومسانی (SPF)[1]  استفاده می‌شود. مهمترین مزیت استفاده از فناوری SPF ، سادگی فرآیند و صرفه اقتصادی در ابزارآلات است. مواد ابرمومسانی متداول مورد استفاده آلیاژهای تیتانیوم و آلیاژهای آلومینیوم هستند که اکثرا در قطعات مربوط به صنعت هوافضا می­باشند.

برخی از مزایاي روش شکل‌دهی ابرمومسان که باعث رشد روزافزون این فرآیند شده است به شرح زیر است:

• تنش تسلیم کم
• کاهش تنش پسماند
• شکل‌دهی قطعات پیچیده در یک مرحله
• کاهش یا عدم نیاز به عملیات اصلاحی
• بهبود یا حذف برگشت فنري

[1] Super Plastic Forming

ابرمومسان آلیاژ­های تیتانیومی:

آلیاژهای تیتانیوم از نظر طبیعت سوپر پلاستيسيته در دمای بالا هستند و همچنین دارای خواص مکانیکی استثنایی از قبیل نسبت مقاومت به وزن ، مقاومت در برابر خستگی خوب، مقاومت در برابر خوردگی بالا، استحکام پیچشی بالا و سازگاری بیولوژیکی عالی هستند که همین امر باعث می‌‌شود که برای کاربردهای هوافضا قابل اطمینان باشند.

پژوهش های صورت گرفته توسط مجموعه  همیارتیم:

با افتخار خدمت همراهان گرامی عرض می­کنیم برای اولین بار در ایران عزیز توسط مدرسین مجموعه همیار­تیم با کمترین امکانات و تلاش فراوان قابلیت تست کشش مواد ابرمومسان در بازه دمایی 1100 درجه سانتی گراد فراهم گردید.

در پژوهش های صورت گرفته خواص ورق از آلیاژ Ti-6AL-4V سنجیده شد. این داده ها می­تواند مبنای شبیه سازی های عددی در نرم افزار هایی مانند Abaqus می­باشند.

همانطور که می­دانید خواص مواد از طریق تست­های کشش در دمای بالا بدست می­آید. انجام تست­های کشش در دمای بالا بسیار مشکل و پر هزینه می­باشد. شما در شکل های زیر می­توانید عکس­هایی از امکانات لازم برای تست­های کشش ابرمومسان که توسط اساتید همیار­تیم ساخته و یا گرد آوری شده را مشاهده کنید.

مراجع:

[1]  Barnes, A., (2007), Superplastic Forming 40 Years and Still Growing, Journal of Materials Engineering & Performance, Vol. 16, No. 4, pp. 440-453.

[2]  Bontcheva, N. and Petzov, G., (2003), Microstructure evolution during metal forming processes, Journal of Computational Materials Science, vol. 28, pp. 563-573.

[3]  Fadi, K., An integrated approach to the Superplastic Forming of light weight alloys, vol.1, Springer, 2008

[4]   Firas, S., New approach to gas pressure profile prediction for high temperature AA5083 Sheet forming, 2010.

[5]  S.N.Patankar, Tan Ming Jen, “Superplastic Forming of Commercial Purity Aluminium” (Scripta Materialia, Vol.38 (1) (1998) pp 145-148)

نویسنده: علی اکبر نامجو منش