فريق البحث يطور سبيكة حديدية جديدة لزيادة القوة والمرونة

قام باحثون من الصين وألمانيا بتطوير 14 نوعًا جديدًا من سبائك الحديد باستخدام المواد المعاد تدويرها، حيث زادت قوة هذه السبائك بشكل ملحوظ، وتكلفتها أقل من البدائل التقليدية بأكثر من 8%. تم تنفيذ المشروع بالتعاون بين جامعة شنغهاي جياوتونغ، وجامعة مدينة هونغ كونغ، وجامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا، وجامعة جنوب الصين، ومعهد ماكس بلانك للمواد المستدامة في ألمانيا. خلال البحث، أنشأ الفريق طريقة تعلم آلي لتحويل الشوائب الموجودة في المواد المعدنية المعاد تدويرها إلى سبائك أقوى، بدلاً من إزالتها. ونتيجة لذلك، تم إنتاج 14 نوعًا جديدًا من سبائك الحديد، حيث زادت قوتها الشد بنسبة 15.2%، أو زادت مرونتها عند الكسر بنسبة 73.2%.

قال ليولي هان (Liuliu Han)، رئيس مجموعة الشركاء في معهد ماكس بلانك للمواد المستدامة وأحد مؤلفي الدراسة: "الطرق التقليدية تعتمد على تخفيف الشوائب في المواد المعدنية المعاد تدويرها من خلال إضافة مواد خام." وقد خفضت الطريقة الجديدة تكاليف الإنتاج بنسبة 8.1%.

الدلالة البيئية للطريقة الجديدة

يتم إنتاج حوالي 2 مليار طن من المعادن عالميًا سنويًا، معظمها من مواد جديدة مستخرجة. ومع ذلك، فإن هذه العملية الإنتاجية تمثل أيضًا حوالي 40% من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الصناعية، و10% من استهلاك الطاقة العالمي. على الرغم من أن إعادة التدوير يمكن أن تقلل بشكل كبير من هذه المشكلة البيئية، إلا أن المواد المعدنية المعاد تدويرها غالبًا ما تحتوي على شوائب، وتختلف تركيبتها الكيميائية. وهذا هو السبب في أن إنتاج سبائك ذات خصائص ميكانيكية قابلة للتنبؤ يصبح معقدًا. عادةً ما يقوم المنتجون بتخفيف الشوائب من خلال إضافة معادن جديدة، ولكن هذه العملية تتطلب طاقة إضافية وتزيد من انبعاثات الكربون. لمعالجة هذا التحدي، اعتبرت إطار عمل التعلم الآلي للباحثين الشوائب كعناصر محتملة مفيدة في السبائك.

يستخدم النظام خوارزميات وشبكات عصبية للبحث عن أفضل مزيج من المعادن وطرق المعالجة، ويحلل عوامل مثل درجة الحرارة، ووقت المعالجة، وقوة الشد، والمرونة، لتوقع أي التركيبات يمكن أن توفر أداءً أفضل. سيتم اختبار التصميمات الأكثر وعدًا، وستُعاد النتائج إلى النظام لتكون مرجعية للتنبؤات المستقبلية.

لاختبار هذه الطريقة، استخدم الفريق مادة صناعية شائعة تتمتع بالقوة والمرونة وقادرة على تحمل الشوائب - الحديد الزهر. يتم إنتاج حوالي 12 مليون طن من الحديد الزهر سنويًا على مستوى العالم. قام العلماء بتقييم 17 تصميمًا للسبائك اقترحها الإطار، حيث أظهرت 14 منها أفضل تركيبة من القوة والمرونة في مجموعة بيانات الحديد المعاد تدويره الحالية. زادت قوة الشد لهذه السبائك الجديدة بنسبة 15.2%، دون فقدان المرونة، أو زادت المرونة بنسبة 73.2% دون التضحية بالقوة. وفقًا للعلماء، تم إنتاج هذه السبائك بالكامل من المواد المعاد تدويرها، دون إضافة الحديد الخام.

إمكانات التطبيقات المستقبلية

هم واثقون من أن هذه التقنية يمكن توسيعها لتشمل إعادة تدوير الفولاذ والألمنيوم والنحاس، وأنها ستجد تطبيقات في مجالات النقل، والبنية التحتية للطاقة، والتصنيع الصناعي.

شرح ليولي هان كيف يمكن لهذه الطريقة تحويل الشوائب المعدنية إلى مزايا. في بيان له، قال: "لذلك، قمنا بتطوير استراتيجية جديدة للتعلم الآلي، تحول هذه الشوائب من مشكلة إلى ميزة، مما يمكننا من تصميم سبائك لا تتحمل فقط الملوثات، بل تستفيد منها." وقد نُشرت هذه الدراسة في مجلة Science Advances.