تخيل مادة خفيفة كالريشة ولكنها قوية كالفولاذ - مثل هذا الاختراق سيغير الصناعات. توفر سبائك المغنيسيوم هذه الإمكانية الرائعة، لكنها تواجه تحديًا حاسمًا: عندما تزداد قوتها، تقل صلابتها، مما يحد من قدرتها على استبدال المعادن التقليدية. هل هناك طريقة لجعل سبائك المغنيسيوم قوية وصلبة في نفس الوقت؟ تكمن الإجابة في تقنية السفع بالخردق.

في عصر يعطي الأولوية لكفاءة الطاقة والاستدامة البيئية، أصبح التصميم خفيف الوزن ضروريًا. تبرز سبائك المغنيسيوم بين المعادن لنسبة القوة إلى الوزن الاستثنائية، مما يجعلها مثالية لتقليل الوزن دون التضحية بالأداء. في تطبيقات السيارات، يمكن لمكونات المغنيسيوم أن تقلل من وزن السيارة، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود ويقلل الانبعاثات. في مجال الطيران، تعمل هياكل الطائرات الأخف وزنًا على تحسين أداء الطيران وخفض تكاليف التشغيل.

على الرغم من مزاياها، تواجه سبائك المغنيسيوم قيودًا. القضية الرئيسية هي تحقيق التوازن بين القوة والصلابة - "تأثير الأرجوحة" حيث أن تحسين أحدهما غالبًا ما يضعف الآخر. يؤدي التركيب البلوري للمغنيسيوم وأنظمة الانزلاق المحدودة في درجة حرارة الغرفة إلى ضعف مقاومة التشوه البلاستيكي، مما يزيد من خطر الكسر الهش. وهذا يمثل مخاوف تتعلق بالسلامة في التطبيقات عالية الإجهاد.

عندما يصعب تحسين خصائص المواد بشكل عام، يوفر تعديل السطح بديلاً. تظهر الأبحاث أن معظم حالات فشل المواد تنشأ على السطح. من خلال تقوية السطح - وتعزيز مقاومة التآكل، وقوة الإجهاد، والخصائص الأخرى - يمكن للمهندسين إطالة عمر المادة وموثوقيتها بشكل كبير. فكر في الأمر على أنه "درع" واقٍ يحمي المادة من التلف الخارجي.

توفر التطورات الأخيرة في تصميم البنية الدقيقة المتدرجة حلاً واعدًا. يخلق هذا النهج انتقالًا تدريجيًا في حجم الحبيبات والبنية من السطح إلى اللب، مما يجمع بين صلابة السطح والصلابة الداخلية. تخيل كعكة بطبقة كراميل مقرمشة في الخارج وكريمة ناعمة في الداخل - تعمل البنية الدقيقة المتدرجة بالمثل على تحقيق التوازن بين القوة والمرونة.

لإنشاء هذه البنية المتدرجة في سبائك المغنيسيوم، تثبت تقنية السفع بالخردق أنها لا تقدر بثمن. تعالج هذه المعالجة السطحية الفعالة من حيث التكلفة المادة بقذائف دقيقة عالية السرعة (عادةً ما تكون خرزات فولاذية أو سيراميكية)، مما يؤدي إلى تشوه بلاستيكي يغير البنية الدقيقة السطحية والخصائص الميكانيكية. تخيل عددًا لا يحصى من المطارق الصغيرة التي تضغط السطح، مما يجعله أكثر كثافة وصلابة.

يعزز السفع بالخردق أداء المواد من خلال ثلاثة تأثيرات رئيسية:

1. التشوه البلاستيكي: يتسبب تأثير المقذوفات في تصلب السطح، مما يزيد بشكل كبير من القوة والصلابة - مثل إضافة غلاف واقٍ.

2. عيوب الشبكة: تولد العملية إزاحات وشواغر تعيق المزيد من التشوه، مما يعزز القوة - على غرار إنشاء عوائق داخلية.

3. تنقية الحبوب: تؤدي التشوهات الشديدة إلى تكسير حبيبات السطح، وحتى تكوين بلورات نانوية. تعني الحبيبات الأصغر حجمًا المزيد من الحدود، مما يزيد من مقاومة التشوه - على غرار تحويل الصخور إلى حصى.

في حين أن السفع بالخردق التقليدي يحسن بشكل أساسي مقاومة الإجهاد، فإن "السفع بالخردق الشديد" (SSP) يستخدم معلمات عالية الكثافة لإنشاء هياكل متدرجة أعمق وأكثر وضوحًا - مثل تدليك الأنسجة العميقة للمعادن.

AZ31، وهي سبيكة مغنيسيوم مستخدمة على نطاق واسع مع قابلية تشكيل وقابلية لحام ممتازة، تظهر وعدًا خاصًا باستبدال الألومنيوم والفولاذ في المركبات. ومع ذلك، فإن توازن القوة والصلابة يتطلب التحسين. يوفر الصب بالأسطوانة المزدوجة (TRC)، وهي طريقة إنتاج مبتكرة، هياكل حبيبية أدق بتكاليف أقل مقارنة بالدرفلة التقليدية.

اختبر الباحثون صفائح AZ31 المنتجة بتقنية TRC بأحجام خردق مختلفة (0.40–3.18 مم) وضغوط هواء (0.06–0.22 ميجا باسكال)، وحللوا البنية الدقيقة والخصائص الميكانيكية. النتائج الرئيسية:

• خردق أكبر تخلق طبقات تشوه أعمق ولكنها قد تزيد من خشونة السطح.

• ضغوط أعلى تكثف التأثيرات ولكنها تخاطر بتشقق السطح.

• السفع لفترة أطول يعزز الصلابة ولكنه قد يتسبب في تلف الإجهاد.

أدى التلدين بعد السفع عند 150 درجة مئوية إلى تحسين الليونة بشكل أكبر دون التضحية بالقوة.

يفتح السفع بالخردق إمكانيات جديدة لسبائك المغنيسيوم. من خلال التحكم الدقيق في المعلمات، يمكن للمهندسين تصميم هياكل متدرجة لتحسين خصائص متعددة في وقت واحد. مع تطور هذه التكنولوجيا، ستجد سبائك المغنيسيوم استخدامًا أوسع في السيارات والفضاء والإلكترونيات - مما يعزز حلول الهندسة المستدامة خفيفة الوزن.