Wenn Stahl, Aluminium und andere weit verbreitete Metalle oder Legierungen industrielle Prozesse wie maschinelle Bearbeitung, Walzen und Schmieden durchlaufen, erfährt ihre nanoskalige Struktur dramatische Veränderungen. Extrem schnelle Produktionsprozesse machen es aufgrund der schieren Geschwindigkeit und des geringen Maßstabs, in dem sie stattfinden, schwierig, diese Veränderungen zu analysieren, aber Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA ist es jetzt gelungen, genau das zu tun und genau festzulegen, was Dies geschieht, wenn sich unter extremer Verformung im Nanobereich Kristallkörner im Metall bilden. Ihre Arbeit könnte bei der Entwicklung von Metallstrukturen mit verbesserten Eigenschaften wie Härte und Zähigkeit helfen.
Im Allgemeinen gilt: Je kleiner diese Kristallkörner sind, desto zäher und fester ist das Metall. Metallurgen versuchen oft, die Korngröße zu verringern, indem sie die Metalle unter Spannung setzen. Eine der wichtigsten Techniken, die sie dafür verwenden, ist die Rekristallisation, bei der das Metall unter hoher Spannung verformt und erhitzt wird, um feinere Kristalle zu erzeugen. Im Extremfall können bei diesem Verfahren Körner mit nanoskaligen Abmessungen entstehen.
„Nicht nur eine Laborkuriosität“
Das MIT-Team um Christopher Schuh hat nun ermittelt, wie dieser schnelle Prozess im kleinen Maßstab abläuft. Sie taten dies, indem sie mit einem Laser Kupfermetall-Mikropartikel mit Überschallgeschwindigkeit auf ein Metall schleuderten und beobachteten, was passierte, als die Partikel darauf trafen. Schuh weist darauf hin, dass solch hohe Geschwindigkeiten bei industriellen Prozessen wie der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung „nicht nur eine Kuriosität im Labor“ sind; Hochenergiemahlen von Metallpulver; und eine Beschichtungsmethode namens Kaltspritzen, die alle mit ähnlichen Raten stattfinden.
„Wir haben versucht, diesen Rekristallisationsprozess bei diesen extremen Geschwindigkeiten zu verstehen“, erklärt er. „Weil die Raten so hoch sind, konnte sich noch nie jemand wirklich damit auseinandersetzen und diesen Prozess systematisch untersuchen.“
In ihren Experimenten variierten die Forscher die Geschwindigkeit und Stärke der Einschläge und untersuchten dann die betroffenen Stellen mit fortschrittlichen nanoskaligen Mikroskopiemethoden wie Elektronenrückstreubeugung und Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, die Auswirkungen zunehmender Belastungsniveaus zu analysieren.
Sie fanden heraus, dass die Einschläge die Struktur des Metalls dramatisch verfeinern und Kristallkörner mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern erzeugen. Sie beobachteten auch einen Rekristallisationsprozess, der durch „Nanotwinning“ unterstützt wurde – eine Variation eines bekannten Phänomens bei Metallen namens Zwillinge, bei dem sich eine bestimmte Art von Defekt bildet, wenn ein Teil der Kristallstruktur seine Ausrichtung umkehrt.
Schuh und Kollegen beobachteten, dass Nanotwinning umso häufiger stattfand, je höher die Wirkungsraten waren. Dies führt zu immer kleineren Körnern, da die nanoskaligen „Zwillinge“ in neue Kristallkörner zerfallen, sagen sie. Das Verfahren könnte die Festigkeit des Metalls um etwa den Faktor 10 erhöhen, was Schuh als nicht zu vernachlässigen bezeichnet.
Ein besseres mechanistisches Verständnis
Schuh beschreibt das Ergebnis des Teams als Erweiterung eines bekannten Effekts namens Härten, der von Hammerschlägen beim gewöhnlichen Metallschmieden herrührt. „Unser Effekt ist eine Art Hyper-Forging-Phänomen“, sagt er. Obwohl das Ergebnis in diesem Zusammenhang Sinn macht, sagt Schuh Physik-Welt dass es zu einem besseren mechanistischen Verständnis der Bildung von Metallstrukturen führen könnte, was es Ingenieuren erleichtert, Verarbeitungsbedingungen zur Steuerung dieser Strukturen zu entwerfen. „Die sehr kleinen, nanoskaligen Strukturen, die wir in unserer Arbeit beobachtet haben, sind zum Beispiel wegen ihrer extremen Festigkeit interessant“, sagt er.
Warum tut es das allmählich, um die Kraft zu maximieren?
Laut Teammitglied Ahmed Tiamiyukonnten die neuen Erkenntnisse direkt auf die reale Metallproduktion übertragen werden. „Die aus der experimentellen Arbeit erstellten Grafiken sollten allgemein anwendbar sein“, sagt er. „Das sind nicht nur hypothetische Linien.“
In der Studie, erschienen in Nature Materialskonzentrierten sich die Forscher darauf, die Entwicklung der Struktur eines Metalls während eines Aufpralls zu verstehen. Es wäre interessant, andere Eigenschaften zu untersuchen, beispielsweise wie sich die Temperatur um eine Einschlagstelle herum entwickelt, sagen sie. „Wir arbeiten jetzt in diese Richtung“, verrät Schuh.
