Ketika baja, aluminium, dan logam atau paduan lain yang banyak digunakan melewati proses industri seperti permesinan, penggulungan, dan penempaan, struktur skala nanonya mengalami perubahan dramatis. Proses produksi yang sangat cepat membuat sulit untuk menganalisis perubahan ini karena kecepatan dan skala kecil yang terjadi, tetapi para peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di AS kini telah berhasil melakukan hal itu, menentukan apa terjadi sebagai bentuk butiran kristal dalam logam di bawah deformasi ekstrim pada skala nano. Pekerjaan mereka dapat membantu dalam pengembangan struktur logam dengan sifat yang lebih baik, seperti kekerasan dan ketangguhan.
Secara umum, semakin kecil butiran kristal ini, semakin keras dan kuat logamnya. Ahli metalurgi sering berusaha mengecilkan ukuran butir dengan menempatkan logam di bawah tekanan. Salah satu teknik utama yang mereka gunakan untuk melakukan ini adalah rekristalisasi, di mana logam dideformasi pada regangan tinggi dan dipanaskan untuk menghasilkan kristal yang lebih halus. Dalam kasus ekstrim, proses ini dapat menghasilkan butiran dengan dimensi nano.
“Bukan hanya keingintahuan laboratorium”
Tim MIT yang dipimpin oleh Christopher Schuh kini telah menentukan bagaimana proses skala kecil berkecepatan tinggi ini berlangsung. Mereka melakukan ini dengan menggunakan laser untuk meluncurkan mikropartikel logam tembaga ke logam dengan kecepatan supersonik dan mengamati apa yang terjadi ketika partikel menabraknya. Schuh menunjukkan bahwa kecepatan tinggi seperti itu "bukan hanya keingintahuan laboratorium", dengan proses industri seperti pemesinan berkecepatan tinggi; penggilingan bubuk logam berenergi tinggi; dan metode pelapisan yang disebut semprotan dingin semua berlangsung dengan kecepatan yang sama.
“Kami telah mencoba memahami proses rekristalisasi di bawah tingkat yang sangat ekstrim itu,” jelasnya. “Karena tarifnya sangat tinggi, tidak ada yang benar-benar bisa menggali di sana dan melihat secara sistematis proses itu sebelumnya.”
Dalam percobaan mereka, para peneliti memvariasikan kecepatan dan kekuatan dampak dan kemudian mempelajari situs yang terkena dampak menggunakan metode mikroskop nano canggih seperti difraksi hamburan balik elektron dan pemindaian mikroskop elektron transmisi. Pendekatan ini memungkinkan mereka untuk menganalisis efek dari peningkatan tingkat regangan.
Mereka menemukan bahwa dampaknya secara dramatis memperbaiki struktur logam, menciptakan butiran kristal hanya berukuran nanometer. Mereka juga mengamati proses rekristalisasi yang dibantu oleh "nanotwinning" - variasi dari fenomena terkenal dalam logam yang disebut kembaran, di mana jenis cacat tertentu terbentuk ketika bagian dari struktur kristal membalik orientasinya.
Schuh dan rekan mengamati bahwa semakin tinggi tingkat dampak, semakin sering nanotwinning terjadi. Ini mengarah pada butiran yang semakin kecil ketika "kembar" skala nano pecah menjadi butiran kristal baru, kata mereka. Proses tersebut dapat meningkatkan kekuatan logam sekitar faktor 10, yang digambarkan Schuh sebagai tidak dapat diabaikan.
Pemahaman mekanistik yang lebih baik
Schuh menjelaskan hasil tim sebagai perpanjangan dari efek yang dikenal yang disebut pengerasan yang berasal dari pukulan palu dalam penempaan logam biasa. “Efek kami adalah semacam fenomena tipe hyper-forging,” katanya. Meskipun hasilnya masuk akal dalam konteks itu, Schuh mengatakan Dunia Fisika bahwa itu dapat mengarah pada pemahaman mekanistik yang lebih baik tentang bagaimana struktur logam terbentuk, sehingga memudahkan para insinyur untuk merancang kondisi pemrosesan untuk mengontrol struktur ini. “Struktur skala nano yang sangat kecil yang kami amati dalam pekerjaan kami menarik karena kekuatan ekstremnya, misalnya,” katanya.
Mengapa secara bertahap melakukannya untuk memaksimalkan kekuatan
Menurut anggota tim Ahmad Tiamiyu, temuan baru ini dapat langsung diterapkan pada produksi logam dunia nyata. “Grafik yang dihasilkan dari karya eksperimental harus dapat diterapkan secara umum,” katanya. "Itu bukan hanya garis hipotetis."
Dalam studi yang dipublikasikan di Bahan Alam, para peneliti berfokus pada pemahaman evolusi struktur logam selama tumbukan. Akan menarik untuk mempelajari karakteristik lain, seperti bagaimana suhu di sekitar lokasi tumbukan berkembang, kata mereka. “Kami sedang melakukan pekerjaan ke arah ini sekarang,” ungkap Schuh.
