Når stål, aluminium og andre mye brukte metaller eller legeringer går gjennom industrielle prosesser som maskinering, valsing og smiing, gjennomgår deres nanoskalastruktur dramatiske endringer. Ekstremt raske produksjonsprosesser gjør det vanskelig å analysere disse endringene på grunn av den store hastigheten og småskalaen de finner sted i, men forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har nå lykkes med å gjøre akkurat det, og finne ut hva skjer når det dannes krystallkorn i metallet under ekstrem deformasjon på nanoskala. Arbeidet deres kan hjelpe til med utviklingen av metallstrukturer med forbedrede egenskaper, som hardhet og seighet.
Generelt, jo mindre disse krystallkornene er, jo tøffere og sterkere vil metallet være. Metallurger søker ofte å krympe kornstørrelsen ved å sette metallene under belastning. En av hovedteknikkene de bruker for å gjøre dette er rekrystallisering, der metallet deformeres ved høy belastning og varmes opp for å produsere finere krystaller. I ekstreme tilfeller kan denne prosessen produsere korn med nanoskala dimensjoner.
"Ikke bare en laboratorium nysgjerrighet"
MIT-teamet ledet av Christopher Schuh har nå bestemt hvordan denne høyhastighets, småskala prosessen foregår. De gjorde dette ved å bruke en laser for å skyte kobbermetallmikropartikler på et metall i supersoniske hastigheter og observere hva som skjedde da partiklene traff det. Schuh påpeker at slike høye hastigheter er "ikke bare en laboratorium kuriositet", med industrielle prosesser som høyhastighets maskinering; høy-energi fresing av metall pulver; og en belegningsmetode kalt kaldspray som alle finner sted med lignende hastigheter.
"Vi har prøvd å forstå den rekrystalliseringsprosessen under de ekstreme hastighetene," forklarer han. "Fordi prisene er så høye, har ingen virkelig vært i stand til å grave inn der og se systematisk på den prosessen før."
I sine eksperimenter varierte forskerne hastigheten og styrken til påvirkningene og studerte deretter de berørte stedene ved hjelp av avanserte nanoskalamikroskopimetoder som elektron-backscatter-diffraksjon og skanningstransmisjonselektronmikroskopi. Denne tilnærmingen tillot dem å analysere effekten av økende belastningsnivåer.
De fant ut at påvirkningene dramatisk forbedrer strukturen til metallet, og skaper krystallkorn bare nanometer på tvers. De observerte også en rekrystalliseringsprosess som ble hjulpet videre av "nanotwinning" - en variant av et velkjent fenomen i metaller kalt tvilling, der en spesifikk type defekt dannes når en del av krystallstrukturen snur orienteringen.
Schuh og kolleger observerte at jo høyere påvirkningsrater, desto oftere fant nanotvinning sted. Dette fører til stadig mindre korn ettersom "tvillingene" på nanoskala brytes opp til nye krystallkorn, sier de. Prosessen kan øke metallets styrke med omtrent en faktor på 10, noe Schuh beskriver som ikke ubetydelig.
En bedre mekanistisk forståelse
Schuh beskriver lagets resultat som en utvidelse av en kjent effekt kalt herding som kommer fra hammerslag i vanlig metallsmiing. "Vår effekt er en slags hypersmiende type fenomen," sier han. Selv om resultatet gir mening i den sammenhengen, forteller Schuh Fysikkens verden at det kan føre til en bedre mekanistisk forståelse av hvordan metallstrukturer dannes, noe som gjør det lettere for ingeniører å designe prosessforhold for å kontrollere disse strukturene. "De svært små strukturene i nanoskala vi observerte i arbeidet vårt er av interesse for deres ekstreme styrke, for eksempel," sier han.
Hvorfor gradvis gjør det for å maksimere styrke
I følge teammedlem Ahmed Tiamiyu, kan de nye funnene brukes direkte til metallproduksjon i den virkelige verden. "Grafene som er produsert fra det eksperimentelle arbeidet bør være generelt anvendelige," sier han. "De er ikke bare hypotetiske linjer."
I studien, som er publisert i Nature Materials, fokuserte forskerne på å forstå utviklingen av et metalls struktur under et sammenstøt. Det ville vært interessant å studere andre egenskaper, for eksempel hvordan temperaturen rundt et nedslagssted utvikler seg, sier de. "Vi driver arbeid i denne retningen nå," avslører Schuh.
