Amikor az acél, alumínium és más széles körben használt fémek vagy ötvözetek ipari folyamatokon, például megmunkáláson, hengerlésen és kovácsoláson mennek keresztül, nanoméretű szerkezetük drámai változásokon megy keresztül. A rendkívül gyors gyártási folyamatok megnehezítik ezeknek a változásoknak az elemzését a végbemenő gyorsaság és kis lépték miatt, de az egyesült államokbeli Massachusetts Institute of Technology (MIT) kutatóinak most pontosan ez sikerült, és rájöttek, hogy akkor történik, amikor kristályszemcsék képződnek a fémben nanoméretű extrém deformáció hatására. Munkájuk segíthet a javított tulajdonságokkal, például keménységgel és szívóssággal rendelkező fémszerkezetek fejlesztésében.
Általában minél kisebbek ezek a kristályszemcsék, annál szívósabb és erősebb lesz a fém. A kohászok gyakran törekednek a szemcseméret csökkentésére a fémek feszültség alá helyezésével. Ennek egyik fő technikája az újrakristályosítás, amelynek során a fémet nagy feszültség hatására deformálják, és felmelegítik, hogy finomabb kristályokat állítsanak elő. Szélsőséges esetekben ezzel az eljárással nanoméretű szemcséket lehet előállítani.
„Nem csak laboratóriumi érdekesség”
A Christopher Schuh vezette MIT-csapat most meghatározta, hogyan zajlik ez a nagy sebességű, kis léptékű folyamat. Ezt úgy tették, hogy lézerrel réz fém mikrorészecskéket indítottak egy fémre szuperszonikus sebességgel, és megfigyelték, mi történik, amikor a részecskék eltalálják. Schuh rámutat arra, hogy az ilyen nagy sebesség „nem csak laboratóriumi érdekesség”, az ipari folyamatok, például a nagy sebességű megmunkálás esetében; fémpor nagy energiájú marása; és a hideg permetezésnek nevezett bevonási módszer, mindez hasonló sebességgel megy végbe.
„Megpróbáltuk megérteni ezt az újrakristályosodási folyamatot ilyen szélsőséges sebesség mellett” – magyarázza. "Mivel az arányok olyan magasak, még senki sem tudott beleásni és szisztematikusan megvizsgálni ezt a folyamatot."
Kísérleteik során a kutatók az ütések sebességét és erősségét változtatták, majd fejlett nanoméretű mikroszkópos módszerekkel, például elektron-visszaszórás-diffrakcióval és pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóppal tanulmányozták az érintett területeket. Ez a megközelítés lehetővé tette számukra a növekvő törzsi szintek hatásainak elemzését.
Azt találták, hogy a behatások drámaian finomítják a fém szerkezetét, mindössze nanométeres kristályszemcséket hozva létre. Megfigyeltek egy újrakristályosodási folyamatot is, amelyet a „nanotwinning” segített végig – a fémekben jól ismert jelenség, az ikerképződmény variációja, amelyben egy sajátos hiba képződik, amikor a kristályszerkezet egy része megfordítja az orientációját.
Schuh és munkatársai megfigyelték, hogy minél nagyobb a hatásarány, annál gyakrabban került sor nanotwinningre. Ez egyre kisebb szemcséket eredményez, ahogy a nanoméretű „ikrek” új kristályszemcsékké bomlanak, mondják. Az eljárás körülbelül 10-szeresére növelheti a fém szilárdságát, ami Schuh szerint nem elhanyagolható.
Jobb mechanikus megértés
Schuh úgy írja le a csapat eredményét, mint egy ismert hatás kiterjesztését, az úgynevezett keményedést, amely a közönséges fémkovácsolás kalapácsütéseiből származik. „A hatásunk egyfajta hiper-kovácsolás típusú jelenség” – mondja. Bár az eredmény ebben az összefüggésben logikus, mondja Schuh Fizika Világa hogy ez a fémszerkezetek kialakulásának jobb mechanikus megértéséhez vezethet, ami megkönnyíti a mérnökök számára a feldolgozási feltételek tervezését ezen szerkezetek ellenőrzéséhez. „A munkánk során megfigyelt nagyon kicsi, nanoméretű szerkezetek például rendkívüli erősségük miatt érdekesek” – mondja.
Miért fokozatosan teszi ezt az erő maximalizálása érdekében?
A csapattag szerint Ahmed Tiamiyu, az új eredmények közvetlenül alkalmazhatók a valós fémgyártásban. „A kísérleti munkából előállított grafikonoknak általánosan alkalmazhatónak kell lenniük” – mondja. "Ezek nem csak hipotetikus vonalak."
A tanulmányban, amely ben jelent meg Természeti anyagok, a kutatók arra összpontosítottak, hogy megértsék a fémszerkezet becsapódás közbeni fejlődését. Érdekes lenne más jellemzőket is tanulmányozni, például azt, hogy hogyan alakul a hőmérséklet a becsapódási hely körül, mondják. „Most ebben az irányban dolgozunk” – árulta el Schuh.
