Kui teras, alumiinium ja muud laialdaselt kasutatavad metallid või sulamid läbivad tööstuslikke protsesse, nagu töötlemine, valtsimine ja sepistamine, muutub nende nanomõõtmeline struktuur dramaatiliselt. Äärmiselt kiired tootmisprotsessid muudavad nende muudatuste analüüsimise keeruliseks nende toimumise tohutu kiiruse ja väikese ulatuse tõttu, kuid USA Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT) teadlastel on nüüd õnnestunud täpselt see teha, selgitades välja, mis. See juhtub siis, kui metallis tekivad nanomõõtmes äärmise deformatsiooni all kristalliterad. Nende töö võib aidata arendada metallkonstruktsioone, millel on paremad omadused, nagu kõvadus ja sitkus.
Üldiselt, mida väiksemad need kristalliterad on, seda sitkem ja tugevam on metall. Metallurgid püüavad sageli tera suurust vähendada, pannes metallid pinge alla. Üks peamisi tehnikaid, mida nad selleks kasutavad, on ümberkristallimine, mille käigus metall deformeeritakse suure koormuse korral ja kuumutatakse peenemate kristallide saamiseks. Äärmuslikel juhtudel võib see protsess toota nanomõõtmetega terad.
"Mitte ainult labori uudishimu"
Christopher Schuhi juhitud MIT-i meeskond on nüüd kindlaks teinud, kuidas see kiire ja väikesemahuline protsess toimub. Nad tegid seda, kasutades laserit, et lasta ülehelikiirusel metallile vaskmetalli mikroosakesi ja jälgida, mis juhtus, kui osakesed seda tabasid. Schuh juhib tähelepanu sellele, et sellised suured kiirused ei ole „ainult labori uudishimu”, tööstusprotsesside puhul, nagu kiire töötlemine; metallipulbri suure energiaga freesimine; ja katmismeetod, mida nimetatakse külmpihustamiseks, kõik toimub sarnase kiirusega.
"Oleme püüdnud mõista seda ümberkristallimisprotsessi nende väga äärmuslike kiiruste juures, " selgitab ta. "Kuna määrad on nii kõrged, pole keegi varem suutnud sinna süveneda ja seda protsessi süstemaatiliselt vaadata."
Oma katsetes muutsid teadlased löökide kiirust ja tugevust ning seejärel uurisid mõjutatud kohti, kasutades täiustatud nanoskaala mikroskoopia meetodeid, nagu elektronide tagasihajumise difraktsioon ja skaneeriv ülekande elektronmikroskoopia. See lähenemisviis võimaldas neil analüüsida pingetaseme suurenemise mõju.
Nad leidsid, et löögid täpsustavad dramaatiliselt metalli struktuuri, luues vaid nanomeetrised kristalliterad. Samuti jälgisid nad ümberkristallimisprotsessi, mida aitas kaasa nanotoimumine – metallide tuntud nähtuse variatsioon, mida nimetatakse mestimiseks, mille puhul tekib teatud tüüpi defekt, kui osa kristallstruktuurist muudab oma orientatsiooni.
Schuh ja tema kolleegid märkisid, et mida suurem on mõju, seda sagedamini toimus nanotwinning. Nad ütlevad, et see toob kaasa üha väiksemad terad, kuna nanomõõtmelised "kaksikud" lagunevad uuteks kristalliteradeks. Protsess võib suurendada metalli tugevust umbes 10 korda, mida Schuh kirjeldab kui mitteolulist.
Parem mehhaaniline arusaam
Schuh kirjeldab meeskonna tulemust tuntud efekti, mida nimetatakse kõvenemiseks, laiendusena, mis tuleneb haamrilöökidest tavalises metallisepistus. "Meie mõju on omamoodi hüper-sepistav nähtus, " ütleb ta. Kuigi tulemus on selles kontekstis mõistlik, räägib Schuh Füüsika maailm et see võib viia parema mehaanilise arusaamiseni metallkonstruktsioonide moodustumisest, muutes inseneridel lihtsamaks nende konstruktsioonide juhtimiseks töötlemistingimuste kavandamise. "Väga väikesed nanomõõtmelised struktuurid, mida me oma töös täheldasime, pakuvad huvi näiteks nende äärmise tugevuse tõttu, " ütleb ta.
Miks teeb seda järk-järgult jõu maksimeerimiseks
Meeskonnaliikme sõnul Ahmed Tiamiyu, saaks uusi leide otsekohe reaalses metallitootmises rakendada. "Eksperimentaalsest tööst koostatud graafikud peaksid olema üldiselt rakendatavad, " ütleb ta. "Need pole ainult hüpoteetilised jooned."
Uuringus, mis on avaldatud aastal Nature Materials, keskendusid teadlased metalli struktuuri arengu mõistmisele löögi ajal. Nende sõnul oleks huvitav uurida muid omadusi, näiteks seda, kuidas temperatuur mõjukoha ümber muutub. "Teeme praegu tööd selles suunas," avaldab Schuh.
