Kun teräs, alumiini ja muut laajalti käytetyt metallit tai seokset kulkevat teollisten prosessien, kuten koneistuksen, valssauksen ja takomisen, läpi, niiden nanomittakaavan rakenne muuttuu dramaattisesti. Äärimmäisen nopeat tuotantoprosessit vaikeuttavat näiden muutosten analysointia niiden tapahtumien suuren nopeuden ja pienen mittakaavan vuoksi, mutta yhdysvaltalaisen Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat ovat nyt onnistuneet tekemään juuri niin ja selvittämään, mitä tapahtuu, kun metalliin muodostuu kiderakeita äärimmäisen muodonmuutoksen alaisena nanomittakaavassa. Heidän työnsä voisi auttaa kehittämään metallirakenteita, joilla on paremmat ominaisuudet, kuten kovuus ja sitkeys.
Yleensä mitä pienempiä nämä kiderakeet ovat, sitä sitkeämpi ja vahvempi metalli on. Metallurgit pyrkivät usein pienentämään raekokoa rasittamalla metalleja. Yksi tärkeimmistä tekniikoista, joita he käyttävät tähän, on uudelleenkiteytys, jossa metalli deformoituu suurella jännityksellä ja kuumennetaan hienompien kiteiden tuottamiseksi. Äärimmäisissä tapauksissa tämä prosessi voi tuottaa jyviä, joilla on nanomittakaava.
"Ei vain laboratoriouteliaisuus"
Christopher Schuhin johtama MIT-tiimi on nyt määrittänyt, kuinka tämä nopea, pienimuotoinen prosessi tapahtuu. He tekivät tämän käyttämällä laseria laukaisemaan kuparimetallimikrohiukkasia metalliin yliäänenopeuksilla ja tarkkailemalla, mitä tapahtui, kun hiukkaset osuivat siihen. Schuh huomauttaa, että tällaiset suuret nopeudet eivät ole "vain laboratoriouteliaisuus" teollisissa prosesseissa, kuten nopeassa koneistuksessa; korkean energian jyrsintä metallijauhetta; ja pinnoitusmenetelmä, jota kutsutaan kylmäsprayksi, kaikki tapahtuu samanlaisilla nopeuksilla.
"Olemme yrittäneet ymmärtää uudelleenkiteytymisprosessia noilla erittäin äärimmäisillä nopeuksilla", hän selittää. "Koska hinnat ovat niin korkeat, kukaan ei ole aiemmin voinut kaivaa sinne ja tarkastella järjestelmällisesti tuota prosessia."
Kokeissaan tutkijat vaihtelivat iskujen nopeutta ja voimakkuutta ja tutkivat sitten iskukohteita kehittyneillä nanomittakaavan mikroskopiamenetelmillä, kuten elektronien takaisinsirontadiffraktiolla ja pyyhkäisyläpäisyelektronimikroskoopilla. Tämä lähestymistapa antoi heille mahdollisuuden analysoida lisääntyvien rasitustasojen vaikutuksia.
He havaitsivat, että iskut jalostavat metallin rakennetta dramaattisesti luoden kiderakeita, joiden halkaisija on vain nanometriä. He havaitsivat myös uudelleenkiteytysprosessin, jota auttoi "nanotwining" - muunnelma tunnetusta metallien ilmiöstä nimeltä twinning, jossa tietynlainen vika muodostuu, kun osa kiderakennetta muuttaa suuntaa.
Schuh ja kollegat havaitsivat, että mitä korkeampi vaikutusaste, sitä useammin nanotwinning tapahtui. Tämä johtaa yhä pienempiin rakeisiin, kun nanomittakaavan "kaksoset" hajoavat uusiksi kiderakeiksi, he sanovat. Prosessi voi lisätä metallin lujuutta noin 10-kertaiseksi, mitä Schuh kuvailee merkityksettömäksi.
Parempi mekaaninen ymmärrys
Schuh kuvailee joukkueen tulosta tunnetun vaikutuksen, jota kutsutaan kovettumiseksi, jatkeeksi, joka syntyy vasaran iskuista tavallisessa metallitakouksessa. "Vaikuteemme on eräänlainen hypertaontatyyppinen ilmiö", hän sanoo. Vaikka tulos on järkevä tässä yhteydessä, Schuh kertoo Fysiikan maailma että se voisi johtaa parempaan mekaaniseen ymmärrykseen metallirakenteiden muodostumisesta, mikä helpottaa insinöörien suunnittelua prosessointiolosuhteiden hallitsemiseksi näiden rakenteiden hallitsemiseksi. "Työssämme havaitsemme erittäin pienet nanomittakaavan rakenteet kiinnostavat esimerkiksi äärimmäisen lujuutensa vuoksi", hän sanoo.
Miksi tekee sen vähitellen maksimoidakseen voimansa
Tiimin jäsenen mukaan Ahmed Tiamiyu, uusia löytöjä voitaisiin soveltaa suoraan todelliseen metallintuotantoon. "Kokeellisesta työstä valmistettujen kaavioiden tulisi olla yleisesti sovellettavia", hän sanoo. "Ne eivät ole vain hypoteettisia linjoja."
Tutkimuksessa, joka on julkaistu v Luonto Materiaalit, tutkijat keskittyivät ymmärtämään metallin rakenteen kehitystä törmäyksen aikana. He sanovat, että olisi mielenkiintoista tutkia muita ominaisuuksia, kuten sitä, kuinka lämpötila iskupaikan ympärillä kehittyy. "Teemme nyt työtä tähän suuntaan", Schuh paljastaa.
