Όταν ο χάλυβας, το αλουμίνιο και άλλα ευρέως χρησιμοποιούμενα μέταλλα ή κράματα περνούν από βιομηχανικές διεργασίες όπως η μηχανική κατεργασία, η έλαση και η σφυρηλάτηση, η δομή τους σε νανοκλίμακα υφίσταται δραματικές αλλαγές. Οι εξαιρετικά γρήγορες διαδικασίες παραγωγής καθιστούν δύσκολη την ανάλυση αυτών των αλλαγών λόγω της απόλυτης ταχύτητας και της μικρής κλίμακας με την οποία πραγματοποιούνται, αλλά οι ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) στις ΗΠΑ κατάφεραν τώρα να κάνουν ακριβώς αυτό, καθορίζοντας τι συμβαίνει καθώς σχηματίζονται κρυσταλλικοί κόκκοι στο μέταλλο υπό ακραία παραμόρφωση σε νανοκλίμακα. Η δουλειά τους θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη μεταλλικών κατασκευών με βελτιωμένες ιδιότητες, όπως η σκληρότητα και η σκληρότητα.
Γενικά, όσο μικρότεροι είναι αυτοί οι κόκκοι κρυστάλλου, τόσο πιο σκληρό και δυνατό θα είναι το μέταλλο. Οι μεταλλουργοί συχνά επιδιώκουν να συρρικνώσουν το μέγεθος των κόκκων τοποθετώντας τα μέταλλα υπό πίεση. Μία από τις κύριες τεχνικές που χρησιμοποιούν για να το κάνουν αυτό είναι η ανακρυστάλλωση, κατά την οποία το μέταλλο παραμορφώνεται σε υψηλή τάση και θερμαίνεται για να παράγει λεπτότερους κρυστάλλους. Σε ακραίες περιπτώσεις, αυτή η διαδικασία μπορεί να παράγει κόκκους με διαστάσεις νανοκλίμακας.
“Όχι απλώς μια εργαστηριακή περιέργεια”
Η ομάδα του MIT με επικεφαλής τον Christopher Schuh έχει τώρα καθορίσει πώς λαμβάνει χώρα αυτή η διαδικασία υψηλής ταχύτητας, μικρής κλίμακας. Το έκαναν αυτό χρησιμοποιώντας ένα λέιζερ για να εκτοξεύσει μικροσωματίδια μετάλλου χαλκού σε ένα μέταλλο με υπερηχητικές ταχύτητες και παρατηρώντας τι συνέβη όταν τα σωματίδια το χτύπησαν. Ο Schuh επισημαίνει ότι τέτοιες υψηλές ταχύτητες «δεν είναι απλώς μια εργαστηριακή περιέργεια», με βιομηχανικές διαδικασίες όπως η μηχανική κατεργασία υψηλής ταχύτητας. άλεση υψηλής ενέργειας μεταλλικής σκόνης. και μια μέθοδος επίστρωσης που ονομάζεται ψυχρός ψεκασμός, όλα γίνονται με παρόμοιους ρυθμούς.
«Προσπαθήσαμε να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία ανακρυστάλλωσης κάτω από αυτούς τους πολύ ακραίους ρυθμούς», εξηγεί. «Επειδή τα ποσοστά είναι τόσο υψηλά, κανείς δεν μπόρεσε πραγματικά να σκάψει εκεί και να εξετάσει συστηματικά αυτή τη διαδικασία στο παρελθόν».
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές διαφοροποίησαν την ταχύτητα και την ισχύ των κρούσεων και στη συνέχεια μελέτησαν τις προσκρουόμενες θέσεις χρησιμοποιώντας προηγμένες μεθόδους μικροσκοπίας νανοκλίμακας, όπως η διάθλαση οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων και η ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης σάρωσης. Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να αναλύσουν τις επιπτώσεις της αύξησης των επιπέδων καταπόνησης.
Ανακάλυψαν ότι οι κρούσεις βελτιώνουν δραματικά τη δομή του μετάλλου, δημιουργώντας κόκκους κρυστάλλου μόλις νανόμετρα. Παρατήρησαν επίσης μια διαδικασία ανακρυστάλλωσης που βοηθήθηκε από το "nanotwinning" - μια παραλλαγή ενός πολύ γνωστού φαινομένου στα μέταλλα που ονομάζεται αδελφοποίηση, στο οποίο σχηματίζεται ένα συγκεκριμένο είδος ελαττώματος όταν μέρος της κρυσταλλικής δομής αντιστρέφει τον προσανατολισμό του.
Ο Schuh και οι συνεργάτες του παρατήρησαν ότι όσο υψηλότερα ήταν τα ποσοστά επιπτώσεων, τόσο πιο συχνά λάμβαναν χώρα η νανοδικτύωση. Αυτό οδηγεί σε όλο και μικρότερους κόκκους καθώς τα «δίδυμα» νανοκλίμακας διασπώνται σε νέους κρυσταλλικούς κόκκους, λένε. Η διαδικασία θα μπορούσε να αυξήσει την αντοχή του μετάλλου κατά περίπου έναν παράγοντα 10, κάτι που ο Schuh περιγράφει ως μη αμελητέο.
Καλύτερη μηχανιστική κατανόηση
Ο Schuh περιγράφει το αποτέλεσμα της ομάδας ως επέκταση ενός γνωστού αποτελέσματος που ονομάζεται σκλήρυνση που προέρχεται από χτυπήματα σφυριού σε συνηθισμένη σφυρηλάτηση μετάλλων. «Το αποτέλεσμά μας είναι ένα είδος φαινομένου υπερ-σφυρηλάτησης», λέει. Αν και το αποτέλεσμα έχει νόημα σε αυτό το πλαίσιο, λέει ο Schuh Κόσμος Φυσικής ότι θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια καλύτερη μηχανιστική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι μεταλλικές κατασκευές, καθιστώντας ευκολότερο για τους μηχανικούς να σχεδιάσουν τις συνθήκες επεξεργασίας για τον έλεγχο αυτών των κατασκευών. «Οι πολύ μικρές δομές νανοκλίμακας που παρατηρήσαμε στη δουλειά μας παρουσιάζουν ενδιαφέρον για την εξαιρετική τους ισχύ, για παράδειγμα», λέει.
Γιατί το κάνει σταδιακά για μεγιστοποίηση της δύναμης
Σύμφωνα με μέλος της ομάδας Ahmed Tiamiyu, τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν να εφαρμοστούν άμεσα στην πραγματική παραγωγή μετάλλων. «Τα γραφήματα που παράγονται από την πειραματική εργασία θα πρέπει να είναι γενικά εφαρμόσιμα», λέει. «Δεν είναι απλώς υποθετικές γραμμές».
Στη μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο Φύση Υλικά, οι ερευνητές εστίασαν στην κατανόηση της εξέλιξης της δομής ενός μετάλλου κατά τη διάρκεια μιας πρόσκρουσης. Θα ήταν ενδιαφέρον να μελετήσουμε άλλα χαρακτηριστικά, όπως το πώς εξελίσσεται η θερμοκρασία γύρω από ένα σημείο πρόσκρουσης, λένε. «Διεξάγουμε δουλειά προς αυτή την κατεύθυνση τώρα», αποκαλύπτει ο Schuh.
