철강, 알루미늄 및 기타 널리 사용되는 금속 또는 합금이 기계 가공, 압연 및 단조와 같은 산업 공정을 거치면 나노 규모의 구조가 극적인 변화를 겪습니다. 매우 빠른 생산 공정은 이러한 변화가 일어나는 속도와 규모가 작기 때문에 이러한 변화를 분석하기 어렵습니다. 그러나 미국 매사추세츠 공과 대학(MIT)의 연구원들은 이제 정확히 그 일을 하는 데 성공하여 어떤 변화가 일어나는지 찾아냈습니다. 나노 스케일에서 극도의 변형 하에서 금속에 결정 입자가 형성될 때 발생합니다. 그들의 작업은 경도 및 인성과 같은 향상된 특성을 가진 금속 구조의 개발에 도움이 될 수 있습니다.
일반적으로 이러한 결정 입자가 작을수록 금속이 더 단단하고 강해집니다. 야금학자들은 종종 금속을 변형시켜 입자 크기를 줄이려고 합니다. 이를 위해 그들이 사용하는 주요 기술 중 하나는 금속이 높은 변형률에서 변형되고 더 미세한 결정을 생성하기 위해 가열되는 재결정화입니다. 극단적인 경우 이 프로세스는 나노 크기의 입자를 생성할 수 있습니다.
“실험실 호기심뿐만 아니라”
Christopher Schuh가 이끄는 MIT 팀은 이제 이 고속의 소규모 프로세스가 어떻게 일어나는지 결정했습니다. 그들은 레이저를 사용하여 구리 금속 미립자를 초음속으로 금속에 발사하고 입자가 금속에 부딪쳤을 때 어떤 일이 일어났는지 관찰함으로써 이를 수행했습니다. Schuh는 이러한 고속은 고속 가공과 같은 산업 공정에서 "단지 실험실의 호기심이 아닙니다"라고 지적합니다. 금속 분말의 고에너지 밀링; 콜드 스프레이라는 코팅 방법이 모두 비슷한 속도로 발생합니다.
"우리는 매우 극단적인 비율에서 재결정화 과정을 이해하려고 노력했습니다."라고 그는 설명합니다. "비율이 너무 높기 때문에 아무도 거기에 파고들어 그 과정을 체계적으로 볼 수 없었습니다."
그들의 실험에서 연구원들은 충돌의 속도와 강도를 변화시킨 다음 전자 후방 산란 회절 및 주사 투과 전자 현미경과 같은 고급 나노 규모 현미경 방법을 사용하여 충돌 부위를 연구했습니다. 이 접근 방식을 통해 그들은 증가하는 변형 수준의 영향을 분석할 수 있었습니다.
그들은 충격이 금속의 구조를 극적으로 개선하여 불과 나노미터 크기의 결정 입자를 생성한다는 것을 발견했습니다. 그들은 또한 결정 구조의 일부가 방향을 뒤집을 때 특정 종류의 결함이 형성되는 쌍정이라고 불리는 금속에서 잘 알려진 현상의 변형인 "나노 결정화"에 의해 도움을 받은 재결정화 과정을 관찰했습니다.
Schuh와 동료들은 충격률이 높을수록 나노쌍정이 더 자주 발생한다는 것을 관찰했습니다. 이것은 나노 규모의 "쌍둥이"가 새로운 결정 입자로 분해됨에 따라 입자가 더 작아지게 한다고 그들은 말합니다. 이 공정은 금속의 강도를 약 10배 증가시킬 수 있으며 Schuh는 이를 무시할 수 없다고 설명합니다.
더 나은 기계적 이해
Schuh는 팀의 결과를 일반 금속 단조에서 해머 타격으로 인해 발생하는 경화라고 하는 알려진 효과의 확장이라고 설명합니다. "우리의 효과는 일종의 초단조 유형의 현상입니다."라고 그는 말합니다. 결과는 그 맥락에서 의미가 있지만 Schuh는 다음과 같이 말합니다. 물리 세계 그것은 금속 구조가 어떻게 형성되는지에 대한 더 나은 기계적 이해로 이어질 수 있으므로 엔지니어가 이러한 구조를 제어하기 위한 처리 조건을 설계하기가 더 쉽습니다. "예를 들어, 우리가 연구에서 관찰한 매우 작은 나노스케일 구조는 극도의 강도로 인해 관심이 있습니다."라고 그는 말합니다.
근력을 최대화하기 위해 서서히 하는 이유
팀원에 따르면 아메드 티아미유, 새로운 발견은 실제 금속 생산에 바로 적용할 수 있습니다. "실험 작업에서 생성된 그래프는 일반적으로 적용할 수 있어야 합니다."라고 그는 말합니다. "그냥 가상의 선이 아닙니다."
에 발표된 연구에서는 자연 재료, 연구원들은 충돌하는 동안 금속 구조의 진화를 이해하는 데 초점을 맞췄습니다. 충돌 지점 주변의 온도가 어떻게 변화하는지와 같은 다른 특성을 연구하는 것은 흥미로울 것이라고 그들은 말합니다. Schuh는 "현재 이 방향으로 작업을 수행하고 있습니다.
