دلايل اثرگذاري ارتعاشات التراسونيک در فرآيندهاي شکل دهي

به منظور بررسی اثر اعمال ارتعاشات مافوق صوت در فرآیندهای شکل‌دهی لازم است در کنار مشاهده­ها و پدیده‌های ماکروسکوپی، به بررسی مکانیزم‌ها و پدیده‌هایی که به واسطه اعمال ارتعاشات مافوق­صوت در رفتار مواد بوجود می‌آید نیز پرداخته شود. اغلب پدیده‌ها و مکانیزم‌های بیان شده در قالب فرضیه‌هایی می‌باشند که از مشاهدات ماکروسکوپی برگرفته شده‌اند. دلیل این امر، عدم امکانپذیری بررسی میکروسکوپی و میکروساختاری ماده حین تغییر‌شکل به کمک ارتعاشات مافوق­صوت می‌باشد.

براساس مطالعه­های آبرامو، شکل‌دهی مافوق­صوت فلزات به تاثیرات فیزیکی ارتعاش بر حجم و سطح فلز تحت عملیات وابسته است. دامنه این اثرات گسترده است و شامل جذب انرژی، ایجاد نابجایی‌ها و تغییرشکل پلاستیک، نفوذ، ایجاد حرارت، تبدیل فاز، خستگی و تغییر در اصطکاک سطح می‌باشند. در این بین برخی تاثیر ارتعاشات بر رفتار پلاستیک ماده را ناچیز انگاشته و تنها بر برهم نهی تنش‌های استاتیک حاصل از شکل‌دهی و مافوق­صوت در کاهش نیروهای استاتیک تغییر شکل تاکید دارند.

تئوری “برهم نهی تنش‌ها” می‌گوید با اعمال ارتعاشات مافوق­صوت حین شکل‌دهی، تنش‌های مافوق‌صوت به تنش‌های استاتیک اضافه می‌گردند و برهم نهی این دو اتفاق می‌افتد. این فرضیه تاکید می‌نماید که رفتار پلاستیک ماده به واسطه اعمال ارتعاشات مافوق­صوت تغییر نمی‌کند، بلکه کاهش تنش سیلان ماده تنها به دلیل جمع آثار تنش‌های استاتیک و مافوق صوت ایجاد می­شود. برخی از محققان از قبیل کریستوفی، نویل (Nevil) و بروتزن (Brotzen)، سانسومه، پولمن و لهفلدت بر این فرضیه تاکید دارند. 

در فرضیه “ایجاد و تحرک نابجایی‌ها” می‌توان بیان داشت، نابجایی‌هایی که حین تغییرشکل به موانع برخورد می‌نمایند، می‌توانند توسط میدان مافوق­صوت فعال گردند، که این به عنوان پدیده کاهش تنش تسلیم یا نرم‌شوندگی آکوستیکی شناخته می‌شود. قابلیت تحرک نابجایی‌ها به طور قابل ملاحظه‌ای تحت تاثیر میدان مافوق­صوت افزایش می‌یابد و مقاومت کمتری از طرف موانع مشاهده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که اعمال ارتعاش مافوق­صوت موجب افزایش چگالی نابجایی‌ها و تمرکز عیب‌های نقطه‌ای می‌گردد. براساس این فرضیه، اعمال میدان آکوستیک مافوق صوت موجب افزایش چگالی نابجایی­ها از طریق کاهش تنش برشی در سیستم لغزش و نیز تسهیل در حرکت نابجایی­ها می‌گردد.

فرضیه افزایش دمای موضعی بیان می‌دارد با اعمال ارتعاشات مافوق­صوت، انرژی آکوستیک توسط عیوب در ساختار کریستالی فلزات جذب شده و آثار حرارت ناشی از اتلاف انرژی در ماده موجب افزایش دمای موضعی در موقعیت‌های میکروسکوپی مانند مرزدانه‌ها، عیب‌های کریستالی و نابجایی‌ها می‌شوند. در نتیجه این مساله، تسهیل حرکت نابجایی‌ها از موانع حین تغییر شکل و کاهش تنش سیلان ماده را در پی دارد.