Когда сталь, алюминий и другие широко используемые металлы или сплавы проходят промышленные процессы, такие как механическая обработка, прокатка и ковка, их наноструктура претерпевает кардинальные изменения. Чрезвычайно быстрые производственные процессы затрудняют анализ этих изменений из-за огромной скорости и небольшого масштаба, в котором они происходят, но исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США теперь преуспели в том, чтобы точно определить, что происходит по мере того, как кристаллические зерна формируются в металле при экстремальной деформации на наноуровне. Их работа может помочь в разработке металлических конструкций с улучшенными свойствами, такими как твердость и ударная вязкость.
Как правило, чем мельче эти кристаллические зерна, тем жестче и прочнее будет металл. Металлурги часто стремятся уменьшить размер зерна, подвергая металл деформации. Одним из основных методов, который они используют для этого, является перекристаллизация, при которой металл деформируется при высокой деформации и нагревается для получения более мелких кристаллов. В крайних случаях этот процесс может привести к образованию зерен с наноразмерными размерами.
«Не просто лабораторное любопытство»
Команда Массачусетского технологического института под руководством Кристофера Шу теперь определила, как происходит этот высокоскоростной мелкомасштабный процесс. Они сделали это, используя лазер для запуска микрочастиц металлической меди на металл со сверхзвуковой скоростью и наблюдая, что происходит, когда частицы ударяются о металл. Шу указывает, что такие высокие скорости — «не просто лабораторная диковинка» в промышленных процессах, таких как высокоскоростная обработка; высокоэнергетическое измельчение металлического порошка; и метод покрытия, называемый холодным распылением, все происходит с одинаковой скоростью.
«Мы пытались понять этот процесс рекристаллизации при таких экстремальных скоростях», — объясняет он. «Поскольку ставки настолько высоки, никто раньше не мог покопаться в этом и систематически изучить этот процесс».
В своих экспериментах исследователи варьировали скорость и силу ударов, а затем изучали пораженные участки, используя передовые методы наномасштабной микроскопии, такие как дифракция обратного рассеяния электронов и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия. Такой подход позволил им проанализировать последствия повышения уровня деформации.
Они обнаружили, что удары резко улучшают структуру металла, создавая кристаллические зерна размером всего нанометры. Они также наблюдали процесс рекристаллизации, которому способствовало «нанодвойникование» — разновидность хорошо известного явления в металлах, называемого двойникованием, при котором особый тип дефекта образуется, когда часть кристаллической структуры меняет свою ориентацию.
Шух и его коллеги заметили, что чем выше частота ударов, тем чаще происходит нанодвойникование. По их словам, это приводит к образованию все более мелких зерен, поскольку наноразмерные «близнецы» распадаются на новые кристаллические зерна. Этот процесс может увеличить прочность металла примерно в 10 раз, что Шух описывает как незначительное.
Лучшее механистическое понимание
Шух описывает результат команды как расширение известного эффекта, называемого закалкой, который происходит от ударов молотом при обычной ковке металла. «Наш эффект — это своего рода феномен гиперформования», — говорит он. Хотя результат имеет смысл в этом контексте, говорит Шух. Мир физики что это может привести к лучшему механистическому пониманию того, как формируются металлические конструкции, что облегчит инженерам разработку условий обработки для управления этими структурами. «Очень маленькие наноструктуры, которые мы наблюдали в нашей работе, интересны, например, своей чрезвычайной прочностью», — говорит он.
Почему постепенно это происходит для максимальной силы
По словам члена команды Ахмед Тиамию, новые результаты могут быть непосредственно применены к реальному производству металла. «Графики, полученные в результате экспериментальной работы, должны быть общеприменимы», — говорит он. «Это не просто гипотетические линии».
В исследовании, опубликованном в Природа материалы, исследователи сосредоточились на понимании эволюции структуры металла во время удара. По их словам, было бы интересно изучить другие характеристики, такие как изменение температуры вокруг места удара. «Сейчас мы ведем работу в этом направлении, — рассказывает Шух.
