Wanneer staal, aluminium en andere veelgebruikte metalen of legeringen industriële processen doorlopen zoals machinale bewerking, walsen en smeden, ondergaat hun structuur op nanoschaal dramatische veranderingen. Extreem snelle productieprocessen maken het moeilijk om deze veranderingen te analyseren vanwege de snelheid en de kleinschaligheid waarmee ze plaatsvinden, maar onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS zijn er nu in geslaagd om precies dat te doen, door vast te stellen wat gebeurt als kristalkorrels in het metaal worden gevormd onder extreme vervorming op nanoschaal. Hun werk zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van metalen constructies met verbeterde eigenschappen, zoals hardheid en taaiheid.
Over het algemeen geldt dat hoe kleiner deze kristalkorrels zijn, hoe taaier en sterker het metaal zal zijn. Metallurgen proberen vaak de korrelgrootte te verkleinen door de metalen onder spanning te plaatsen. Een van de belangrijkste technieken die ze gebruiken om dit te doen, is herkristallisatie, waarbij het metaal onder hoge spanning wordt vervormd en verwarmd om fijnere kristallen te produceren. In extreme gevallen kan dit proces korrels produceren met afmetingen op nanoschaal.
“Niet zomaar een laboratorium curiositeit”
Het MIT-team onder leiding van Christopher Schuh heeft nu bepaald hoe dit snelle, kleinschalige proces plaatsvindt. Ze deden dit door een laser te gebruiken om koper-metaalmicrodeeltjes met supersonische snelheden op een metaal te lanceren en te observeren wat er gebeurde toen de deeltjes het raakten. Schuh wijst erop dat dergelijke hoge snelheden "niet alleen een laboratoriumnieuwsgierigheid" zijn, met industriële processen zoals hogesnelheidsbewerking; high-energy malen van metaalpoeder; en een coatingmethode genaamd cold spray die allemaal met vergelijkbare snelheden plaatsvindt.
"We hebben geprobeerd dat herkristallisatieproces te begrijpen onder die zeer extreme snelheden", legt hij uit. “Omdat de tarieven zo hoog zijn, heeft niemand zich daar echt eerder kunnen ingraven en systematisch naar dat proces kunnen kijken.”
In hun experimenten varieerden de onderzoekers de snelheid en sterkte van de inslagen en bestudeerden vervolgens de getroffen locaties met behulp van geavanceerde microscopiemethoden op nanoschaal, zoals elektronen-backscatter-diffractie en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie. Deze aanpak stelde hen in staat om de effecten van toenemende stamniveaus te analyseren.
Ze ontdekten dat de inslagen de structuur van het metaal drastisch verfijnen, waardoor kristalkorrels met een diameter van slechts nanometers ontstaan. Ze observeerden ook een herkristallisatieproces dat werd geholpen door "nanotwinning" - een variatie van een bekend fenomeen in metalen dat twinning wordt genoemd, waarbij een specifiek soort defect ontstaat wanneer een deel van de kristalstructuur van richting verandert.
Schuh en collega's merkten op dat hoe hoger de impactpercentages, hoe vaker nanotwinning plaatsvond. Dit leidt tot steeds kleinere korrels omdat de "tweelingen" op nanoschaal uiteenvallen in nieuwe kristalkorrels, zeggen ze. Het proces zou de sterkte van het metaal met ongeveer een factor 10 kunnen verhogen, wat Schuh beschrijft als niet te verwaarlozen.
Een beter mechanisch begrip
Schuh beschrijft het resultaat van het team als een uitbreiding van een bekend effect genaamd verharding dat afkomstig is van hamerslagen in gewoon metaalsmeedwerk. "Ons effect is een soort hypersmedend fenomeen", zegt hij. Hoewel het resultaat in die context logisch is, vertelt Schuh Natuurkunde wereld dat het zou kunnen leiden tot een beter mechanistisch begrip van hoe metalen structuren worden gevormd, waardoor het voor ingenieurs gemakkelijker wordt om verwerkingsomstandigheden te ontwerpen om deze structuren te beheersen. "De zeer kleine structuren op nanoschaal die we in ons werk hebben waargenomen, zijn bijvoorbeeld interessant vanwege hun extreme sterkte", zegt hij.
Waarom doet het het geleidelijk om de kracht te maximaliseren?
Volgens teamlid Ahmed Tiamiyu, zouden de nieuwe bevindingen direct kunnen worden toegepast op de echte metaalproductie. "De grafieken die uit het experimentele werk zijn voortgekomen, moeten algemeen toepasbaar zijn", zegt hij. "Het zijn niet alleen hypothetische lijnen."
In de studie, die is gepubliceerd in Natuur materialen, concentreerden de onderzoekers zich op het begrijpen van de evolutie van de structuur van een metaal tijdens een impact. Het zou interessant zijn om andere kenmerken te bestuderen, zoals hoe de temperatuur rond een inslagplaats evolueert, zeggen ze. "We werken nu in deze richting", onthult Schuh.
