Kiedy stal, aluminium i inne szeroko stosowane metale lub stopy przechodzą przez procesy przemysłowe, takie jak obróbka skrawaniem, walcowanie i kucie, ich nanoskalowa struktura ulega dramatycznym zmianom. Niezwykle szybkie procesy produkcyjne utrudniają analizę tych zmian ze względu na samą szybkość i małą skalę, w jakiej one zachodzą, ale badaczom z Massachusetts Institute of Technology (MIT) w USA udało się właśnie to zrobić, określając, co Dzieje się tak, gdy w metalu tworzą się ziarna kryształów pod wpływem skrajnego odkształcenia w nanoskali. Ich praca może pomóc w opracowaniu konstrukcji metalowych o ulepszonych właściwościach, takich jak twardość i wytrzymałość.
Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsze są te kryształki, tym twardszy i mocniejszy będzie metal. Metalurdzy często dążą do zmniejszenia wielkości ziarna, poddając metale naprężeniom. Jedną z głównych technik stosowanych w tym celu jest rekrystalizacja, w której metal jest odkształcany przy dużym naprężeniu i podgrzewany w celu wytworzenia drobniejszych kryształów. W skrajnych przypadkach proces ten może wytwarzać ziarna o wymiarach nanoskali.
„Nie tylko laboratoryjna ciekawostka”
Zespół MIT kierowany przez Christophera Schuha ustalił teraz, w jaki sposób przebiega ten szybki, małoskalowy proces. Zrobili to, używając lasera do wystrzeliwania mikrocząstek miedzi z metalem na metal z prędkością ponaddźwiękową i obserwując, co się dzieje, gdy cząstki w niego uderzają. Schuh zwraca uwagę, że takie wysokie prędkości to „nie tylko laboratoryjna ciekawostka”, w przypadku procesów przemysłowych, takich jak obróbka z dużą prędkością; wysokoenergetyczne mielenie proszków metali; oraz metoda powlekania zwana natryskiem na zimno, wszystkie odbywa się w podobnym tempie.
„Próbowaliśmy zrozumieć ten proces rekrystalizacji przy tych bardzo ekstremalnych szybkościach”, wyjaśnia. „Ponieważ stawki są tak wysokie, nikt wcześniej nie był w stanie się tam wkopać i systematycznie przyjrzeć temu procesowi”.
W swoich eksperymentach naukowcy zmieniali prędkość i siłę uderzeń, a następnie badali miejsca, w których nastąpiło uderzenie, przy użyciu zaawansowanych metod mikroskopii w nanoskali, takich jak dyfrakcja wstecznego rozproszenia elektronów i transmisyjna mikroskopia elektronowa skaningowa. Takie podejście pozwoliło im przeanalizować skutki rosnącego poziomu odkształcenia.
Odkryli, że uderzenia radykalnie poprawiają strukturę metalu, tworząc ziarna kryształów o średnicy zaledwie nanometrów. Zaobserwowali również proces rekrystalizacji, który był wspomagany przez „nanotwinning” – odmianę dobrze znanego zjawiska w metalach zwanego bliźniaczą, w którym powstaje specyficzny rodzaj defektu, gdy część struktury krystalicznej zmienia swoją orientację.
Schuh i współpracownicy zaobserwowali, że im wyższy wskaźnik wpływu, tym częściej dochodziło do nanow wygrywania. To prowadzi do coraz mniejszych ziaren, ponieważ „bliźniaki” w nanoskali rozpadają się na nowe ziarna kryształów. Proces ten może zwiększyć wytrzymałość metalu około 10 razy, co Schuh opisuje jako nie do pominięcia.
Lepsze zrozumienie mechaniczne
Schuh opisuje wynik zespołu jako rozszerzenie znanego efektu zwanego hartowaniem, który pochodzi z uderzeń młotka w zwykłym kuciu metalu. „Nasz efekt jest rodzajem zjawiska hiper-kucia” – mówi. Chociaż wynik ma sens w tym kontekście, Schuh mówi: Świat Fizyki że może to doprowadzić do lepszego mechanistycznego zrozumienia powstawania konstrukcji metalowych, ułatwiając inżynierom projektowanie warunków przetwarzania w celu kontrolowania tych struktur. „Na przykład bardzo małe struktury w nanoskali, które zaobserwowaliśmy w naszej pracy, są interesujące ze względu na ich ekstremalną wytrzymałość” – mówi.
Dlaczego stopniowo robi to dla maksymalizacji siły?
Według członka zespołu Ahmeda Tiamiyu, nowe odkrycia można od razu zastosować w rzeczywistej produkcji metali. „Wykresy sporządzone na podstawie pracy eksperymentalnej powinny mieć ogólne zastosowanie” – mówi. „To nie są tylko hipotetyczne linie”.
W badaniu, które zostało opublikowane w Materiały przyrodnicze, naukowcy skupili się na zrozumieniu ewolucji struktury metalu podczas uderzenia. Interesujące byłoby zbadanie innych cech, takich jak ewolucja temperatury wokół miejsca uderzenia. „Obecnie prowadzimy prace w tym kierunku” – ujawnia Schuh.
