Når stål, aluminium og andre udbredte metaller eller legeringer passerer gennem industrielle processer såsom bearbejdning, valsning og smedning, undergår deres nanoskalastruktur dramatiske ændringer. Ekstremt hurtige produktionsprocesser gør det vanskeligt at analysere disse ændringer på grund af den store hastighed og lille skala, hvormed de finder sted, men det er nu lykkedes forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA at gøre præcis det, og fastlægge, hvad sker, da der dannes krystalkorn i metallet under ekstrem deformation på nanoskala. Deres arbejde kunne hjælpe med udviklingen af metalstrukturer med forbedrede egenskaber, såsom hårdhed og sejhed.
Generelt gælder det, at jo mindre disse krystalkorn er, jo sejere og stærkere vil metallet være. Metallurger søger ofte at formindske kornstørrelsen ved at anbringe metallerne under belastning. En af de vigtigste teknikker, de bruger til at gøre dette, er omkrystallisation, hvor metallet deformeres ved høj belastning og opvarmes for at producere finere krystaller. I ekstreme tilfælde kan denne proces producere korn med nanoskala dimensioner.
"Ikke kun en laboratorie-kuriositet"
MIT-teamet ledet af Christopher Schuh har nu bestemt, hvordan denne højhastighedsproces i lille skala finder sted. De gjorde dette ved at bruge en laser til at sende kobbermetalmikropartikler på et metal med supersoniske hastigheder og observere, hvad der skete, da partiklerne ramte det. Schuh påpeger, at sådanne høje hastigheder er "ikke blot en laboratorie-kuriositet", med industrielle processer såsom højhastighedsbearbejdning; højenergiformaling af metalpulver; og en belægningsmetode kaldet kold spray, der alle finder sted med lignende hastigheder.
"Vi har forsøgt at forstå den omkrystalliseringsproces under de meget ekstreme hastigheder," forklarer han. "Fordi satserne er så høje, har ingen rigtig været i stand til at grave ind der og se systematisk på den proces før."
I deres eksperimenter varierede forskerne hastigheden og styrken af påvirkningerne og undersøgte derefter de påvirkede steder ved hjælp af avancerede nanoskalamikroskopimetoder såsom elektron-backscatter-diffraktion og scanningstransmissionselektronmikroskopi. Denne tilgang tillod dem at analysere virkningerne af stigende belastningsniveauer.
De fandt ud af, at påvirkningerne dramatisk forfiner metallets struktur og skaber krystalkorn kun nanometer på tværs. De observerede også en omkrystallisationsproces, der blev hjulpet på vej af "nanotwinning" - en variation af et velkendt fænomen i metaller kaldet twinning, hvor en specifik form for defekt dannes, når en del af krystalstrukturen vender sin orientering.
Schuh og kolleger bemærkede, at jo højere virkningsraterne var, desto hyppigere fandt nanotwinning sted. Dette fører til stadigt mindre korn, efterhånden som "tvillingerne" i nanoskala bryder op i nye krystalkorn, siger de. Processen kunne øge metallets styrke med omkring en faktor 10, hvilket Schuh beskriver som ikke-ubetydeligt.
En bedre mekanistisk forståelse
Schuh beskriver holdets resultat som en forlængelse af en kendt effekt kaldet hærdning, der kommer fra hammerslag i almindelig metalsmedning. "Vores effekt er en slags hypersmedende type fænomen," siger han. Selvom resultatet giver mening i den sammenhæng, fortæller Schuh Fysik verden at det kunne føre til en bedre mekanistisk forståelse af, hvordan metalstrukturer dannes, hvilket gør det lettere for ingeniører at designe procesbetingelser for at kontrollere disse strukturer. "De meget små strukturer i nanoskala, vi observerede i vores arbejde, er f.eks. interessante for deres ekstreme styrke," siger han.
Hvorfor gradvist gør det for at maksimere styrken
Ifølge teammedlem Ahmed Tiamiyu, kunne de nye resultater med det samme anvendes direkte til metalproduktion i den virkelige verden. "Graferne produceret fra det eksperimentelle arbejde bør være generelt anvendelige," siger han. "De er ikke kun hypotetiske linjer."
I undersøgelsen, som er offentliggjort i Nature Materials, fokuserede forskerne på at forstå udviklingen af et metals struktur under et sammenstød. Det ville være interessant at studere andre karakteristika, såsom hvordan temperaturen omkring et nedslagssted udvikler sig, siger de. "Vi udfører arbejde i denne retning nu," afslører Schuh.
