Ko gredo jeklo, aluminij in druge široko uporabljene kovine ali zlitine skozi industrijske postopke, kot so strojna obdelava, valjanje in kovanje, se njihova nanometrska struktura dramatično spremeni. Izjemno hitri proizvodni procesi otežujejo analizo teh sprememb zaradi same hitrosti in majhnega obsega, pri katerem potekajo, vendar je raziskovalcem na Massachusetts Institute of Technology (MIT) v ZDA zdaj uspelo narediti natanko to in ugotoviti, kaj zgodi, ko se kristalna zrna oblikujejo v kovini pod ekstremno deformacijo na nanometru. Njihovo delo bi lahko pomagalo pri razvoju kovinskih struktur z izboljšanimi lastnostmi, kot sta trdota in žilavost.
Na splošno velja, da manjša kot so ta kristalna zrna, trša in močnejša bo kovina. Metalurgi pogosto poskušajo zmanjšati velikost zrn tako, da kovine obremenijo. Ena od glavnih tehnik, ki jih uporabljajo za to, je rekristalizacija, pri kateri se kovina deformira pri visoki obremenitvi in segreva, da nastanejo finejši kristali. V skrajnih primerih lahko ta proces proizvede zrna z dimenzijami v nanometrskem merilu.
"Ne le laboratorijska zanimivost"
Ekipa MIT, ki jo vodi Christopher Schuh, je zdaj ugotovila, kako poteka ta hiter in majhen proces. To so storili tako, da so z laserjem izstrelili kovinske mikrodelce bakra na kovino pri nadzvočnih hitrostih in opazovali, kaj se je zgodilo, ko so delci udarili vanjo. Schuh poudarja, da tako visoke hitrosti "niso samo laboratorijska radovednost" z industrijskimi procesi, kot je strojna obdelava z visoko hitrostjo; visokoenergijsko mletje kovinskega prahu; in metodo premazovanja, imenovano hladno pršenje, vse poteka s podobnimi stopnjami.
"Poskušali smo razumeti ta proces rekristalizacije pri teh zelo ekstremnih hitrostih," pojasnjuje. "Ker so stopnje tako visoke, se še nihče ni uspel poglobiti in sistematično preučiti tega procesa."
V svojih poskusih so raziskovalci spreminjali hitrost in moč udarcev in nato proučevali prizadeta mesta z naprednimi metodami mikroskopije v nanometrskem merilu, kot sta difrakcija povratnega sipanja elektronov in skenirajoča transmisijska elektronska mikroskopija. Ta pristop jim je omogočil analizo učinkov povečanja ravni obremenitev.
Ugotovili so, da udarci dramatično izboljšajo strukturo kovine in ustvarijo kristalna zrna le nanometrov. Opazili so tudi proces rekristalizacije, ki mu je pomagalo "nanotwinning" - različica dobro znanega pojava v kovinah, imenovanega twinning, v katerem nastane posebna vrsta napake, ko del kristalne strukture obrne svojo orientacijo.
Schuh in sodelavci so opazili, da višje kot so stopnje vpliva, pogosteje je prišlo do nanotwinninga. To vodi do vedno manjših zrn, ko se nanometrski "dvojčki" razgradijo v nova kristalna zrna, pravijo. Postopek bi lahko povečal trdnost kovine za približno faktor 10, kar Schuh opisuje kot nezanemarljivo.
Boljše mehanično razumevanje
Schuh opisuje rezultat ekipe kot razširitev znanega učinka, imenovanega utrjevanje, ki izhaja iz udarcev kladiva pri običajnem kovinskem kovanju. "Naš učinek je nekakšen fenomen hiper-kovanja," pravi. Čeprav je rezultat v tem kontekstu smiseln, pravi Schuh Svet fizike da bi lahko vodilo do boljšega mehanističnega razumevanja oblikovanja kovinskih struktur, kar bi inženirjem olajšalo načrtovanje pogojev obdelave za nadzor teh struktur. "Zelo majhne nanometrske strukture, ki smo jih opazili pri našem delu, so na primer zanimive zaradi svoje izjemne moči," pravi.
Zakaj postopoma za povečanje moči
Po besedah člana ekipe Ahmed Tiamiyu, bi lahko nove ugotovitve neposredno uporabili takoj za proizvodnjo kovin v resničnem svetu. "Grafi, izdelani iz eksperimentalnega dela, bi morali biti splošno uporabni," pravi. "Niso le hipotetične črte."
V študiji, ki je objavljena v Nature Materials, so se raziskovalci osredotočili na razumevanje razvoja strukture kovine med udarcem. Zanimivo bi bilo preučiti druge značilnosti, na primer, kako se razvija temperatura okoli mesta udarca, pravijo. "Trenutno delamo v tej smeri," razkriva Schuh.
