هنگامی که فولاد، آلومینیوم و سایر فلزات یا آلیاژهای پرکاربرد از طریق فرآیندهای صنعتی مانند ماشینکاری، نورد و آهنگری عبور می کنند، ساختار نانومقیاس آنها دستخوش تغییرات چشمگیری می شود. فرآیندهای تولید بسیار سریع، تجزیه و تحلیل این تغییرات را به دلیل سرعت بسیار و مقیاس کوچکی که در آن اتفاق می‌افتد، دشوار می‌سازد، اما محققان موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در ایالات متحده اکنون موفق شده‌اند دقیقاً این کار را انجام دهند و آنچه را مشخص کنند. زمانی اتفاق می افتد که دانه های کریستال در فلز تحت تغییر شکل شدید در مقیاس نانو شکل می گیرند. کار آنها می تواند به توسعه سازه های فلزی با خواص بهبود یافته مانند سختی و چقرمگی کمک کند.
به طور کلی، هرچه این دانه های کریستال کوچکتر باشند، فلز سخت تر و قوی تر خواهد بود. متالورژی ها اغلب به دنبال کوچک کردن اندازه دانه با قرار دادن فلزات تحت فشار هستند. یکی از تکنیک‌های اصلی که برای انجام این کار استفاده می‌کنند، تبلور مجدد است که در آن فلز در کرنش زیاد تغییر شکل داده و برای تولید کریستال‌های ظریف‌تر حرارت داده می‌شود. در موارد شدید، این فرآیند می تواند دانه هایی با ابعاد نانو تولید کند.
"نه فقط یک کنجکاوی آزمایشگاهی"
تیم MIT به رهبری کریستوفر شوه اکنون تعیین کرده است که این فرآیند با سرعت بالا و مقیاس کوچک چگونه انجام می شود. آنها این کار را با استفاده از لیزر برای پرتاب ریزذرات فلز مس به روی فلز با سرعت مافوق صوت و مشاهده اتفاقاتی که هنگام برخورد ذرات به آن رخ داد انجام دادند. Schuh اشاره می کند که چنین سرعت های بالایی با فرآیندهای صنعتی مانند ماشینکاری با سرعت بالا "فقط یک کنجکاوی آزمایشگاهی نیستند". آسیاب پر انرژی پودر فلز؛ و یک روش پوششی به نام اسپری سرد همه با سرعت های مشابه انجام می شود.
او توضیح می‌دهد: «ما سعی کرده‌ایم فرآیند تبلور مجدد را تحت این نرخ‌های بسیار شدید درک کنیم. "از آنجایی که نرخ ها بسیار بالا هستند، هیچ کس واقعاً نتوانسته است قبلاً در آنجا حفاری کند و به طور سیستماتیک به این روند نگاه کند."
محققان در آزمایش‌های خود سرعت و قدرت ضربه‌ها را تغییر دادند و سپس مکان‌های ضربه‌خورده را با استفاده از روش‌های میکروسکوپ نانومقیاس پیشرفته مانند پراش الکترونی پس پراکنده و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی بررسی کردند. این رویکرد به آنها اجازه داد تا اثرات افزایش سطح کرنش را تجزیه و تحلیل کنند.
آنها دریافتند که این ضربه‌ها ساختار فلز را به‌طور چشمگیری اصلاح می‌کند و دانه‌های کریستالی را فقط نانومتر ایجاد می‌کند. آنها همچنین یک فرآیند تبلور مجدد را مشاهده کردند که با کمک "نانوتوینینگ" به آن کمک کرد - نوعی از یک پدیده شناخته شده در فلزات به نام دوقلویی، که در آن نوع خاصی از نقص زمانی ایجاد می شود که بخشی از ساختار کریستالی جهت خود را تغییر می دهد.
شوه و همکارانش مشاهده کردند که هر چه نرخ تاثیر بیشتر باشد، نانوتخت بیشتر اتفاق می‌افتد. آنها می گویند که این منجر به دانه های کوچکتر می شود زیرا "دوقلوها" در مقیاس نانو به دانه های کریستالی جدید تجزیه می شوند. این فرآیند می تواند استحکام فلز را تا حدود 10 ضریب افزایش دهد که شوه آن را غیر قابل چشم پوشی توصیف می کند.
درک مکانیکی بهتر
Schuh نتیجه تیم را به عنوان گسترش اثر شناخته شده ای به نام سخت شدن توصیف می کند که از ضربات چکش در آهنگری فلزات معمولی حاصل می شود. او می‌گوید: «تأثیر ما نوعی پدیده فراجعل است. شوه می گوید، اگرچه نتیجه در آن زمینه منطقی است دنیای فیزیک که می تواند منجر به درک مکانیکی بهتری از نحوه شکل گیری سازه های فلزی شود و طراحی شرایط پردازش برای کنترل این سازه ها را برای مهندسان آسان تر کند. او می‌گوید: «ساختارهای بسیار کوچک و در مقیاس نانو که در کارمان مشاهده کردیم، برای مثال به دلیل استحکام فوق‌العاده‌شان مورد توجه هستند.
چرا به تدریج این کار را برای به حداکثر رساندن قدرت انجام می دهد
به گفته یکی از اعضای تیم احمد تیامییو، یافته های جدید می تواند مستقیماً در تولید فلز در دنیای واقعی به کار رود. او می‌گوید: «نمودارهای تولید شده از کار آزمایشی باید به طور کلی قابل اجرا باشند. "آنها فقط خطوط فرضی نیستند."
در این مطالعه که در منتشر شده است مواد طبیعت، محققان بر روی درک تکامل ساختار یک فلز در هنگام ضربه متمرکز شدند. آنها می گویند که مطالعه سایر ویژگی ها، مانند چگونگی تکامل دمای اطراف یک محل ضربه، جالب خواهد بود. شوه فاش می‌کند: «ما در حال انجام کار در این راستا هستیم.
