Quando l’acciaio, l’alluminio e altri metalli o leghe ampiamente utilizzati passano attraverso processi industriali come la lavorazione meccanica, la laminazione e la forgiatura, la loro struttura su scala nanometrica subisce cambiamenti drammatici. Processi di produzione estremamente rapidi rendono difficile analizzare questi cambiamenti a causa della velocità e della piccola scala con cui avvengono, ma i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti sono ora riusciti a fare esattamente questo, definendo cosa avviene quando i grani di cristallo si formano nel metallo sotto deformazione estrema su scala nanometrica. Il loro lavoro potrebbe aiutare nello sviluppo di strutture metalliche con proprietà migliorate, come durezza e tenacità.
In generale, quanto più piccoli sono i grani di cristallo, tanto più duro e resistente risulterà il metallo. I metallurgisti spesso cercano di ridurre la dimensione dei grani mettendo i metalli sotto tensione. Una delle tecniche principali utilizzate per farlo è la ricristallizzazione, in cui il metallo viene deformato ad alta tensione e riscaldato per produrre cristalli più fini. In casi estremi, questo processo può produrre grani con dimensioni su scala nanometrica.
“Non solo una curiosità da laboratorio”
Il team del MIT guidato da Christopher Schuh ha ora determinato come avviene questo processo ad alta velocità e su piccola scala. Lo hanno fatto utilizzando un laser per lanciare microparticelle di rame metallico su un metallo a velocità supersoniche e osservando cosa accadeva quando le particelle lo colpivano. Schuh sottolinea che velocità così elevate “non sono solo una curiosità di laboratorio”, con processi industriali come la lavorazione ad alta velocità; macinazione ad alta energia di polvere metallica; e un metodo di rivestimento chiamato spray a freddo che avviene tutti a velocità simili.
"Abbiamo cercato di comprendere il processo di ricristallizzazione a velocità così estreme", spiega. "Poiché i tassi sono così alti, nessuno è stato in grado di scavare lì e osservare sistematicamente quel processo prima."
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno variato la velocità e la forza degli impatti e poi hanno studiato i siti colpiti utilizzando metodi avanzati di microscopia su scala nanometrica come la diffrazione di retrodiffusione di elettroni e la microscopia elettronica a trasmissione di scansione. Questo approccio ha permesso loro di analizzare gli effetti dell'aumento dei livelli di deformazione.
Hanno scoperto che gli impatti affinano notevolmente la struttura del metallo, creando grani di cristallo di appena nanometri di diametro. Hanno anche osservato un processo di ricristallizzazione che è stato favorito dal “nanotwinning” – una variazione di un fenomeno ben noto nei metalli chiamato twinning, in cui un tipo specifico di difetto si forma quando parte della struttura cristallina inverte il suo orientamento.
Schuh e colleghi hanno osservato che quanto più alti erano i tassi di impatto, tanto più frequentemente si verificavano i nanotwining. Ciò porta a grani sempre più piccoli man mano che i “gemelli” su scala nanometrica si scompongono in nuovi grani di cristallo, dicono. Il processo potrebbe aumentare la resistenza del metallo di circa un fattore 10, che Schuh descrive come non trascurabile.
Una migliore comprensione meccanicistica
Schuh descrive il risultato del team come un'estensione di un effetto noto chiamato indurimento che deriva dai colpi di martello nella normale forgiatura dei metalli. "Il nostro effetto è una sorta di fenomeno di iperforgiatura", afferma. Anche se il risultato ha senso in quel contesto, dice Schuh Mondo della fisica che potrebbe portare a una migliore comprensione meccanicistica di come si formano le strutture metalliche, rendendo più semplice per gli ingegneri progettare le condizioni di lavorazione per controllare queste strutture. "Le piccolissime strutture su scala nanometrica che abbiamo osservato nel nostro lavoro sono interessanti, ad esempio, per la loro estrema resistenza", afferma.
Perché lo fa gradualmente per massimizzare la forza
Secondo il membro della squadra Ahmed Tiamiyu, le nuove scoperte potrebbero essere applicate direttamente alla produzione di metalli nel mondo reale. "I grafici prodotti dal lavoro sperimentale dovrebbero essere generalmente applicabili", afferma. "Non sono solo linee ipotetiche."
Nello studio, pubblicato in Nature Materials, i ricercatori si sono concentrati sulla comprensione dell'evoluzione della struttura di un metallo durante un impatto. Sarebbe interessante studiare altre caratteristiche, come ad esempio il modo in cui si evolve la temperatura intorno al luogo dell’impatto, dicono. "Stiamo lavorando in questa direzione adesso", rivela Schuh.
