Коли сталь, алюміній та інші широко використовувані метали або сплави проходять промислові процеси, такі як механічна обробка, прокатка та кування, їх нанорозмірна структура зазнає різких змін. Надзвичайно швидкі виробничі процеси ускладнюють аналіз цих змін через величезну швидкість і малий масштаб, у яких вони відбуваються, але дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у США тепер досягли успіху в цьому, визначивши, що відбувається, коли кристалічні зерна утворюються в металі під дією надзвичайної деформації на нанорозмірі. Їхня робота може допомогти в розробці металевих конструкцій з покращеними властивостями, такими як твердість і в'язкість.
Загалом, чим менші ці кристалічні зерна, тим жорсткішим і міцнішим буде метал. Металурги часто прагнуть зменшити розмір зерна, напружуючи метали. Одним із основних методів, які вони використовують для цього, є рекристалізація, під час якої метал деформується під високою деформацією та нагрівається для отримання дрібніших кристалів. У крайніх випадках цей процес може давати зерна з нанорозмірами.
«Не просто лабораторна цікавість»
Команда Массачусетського технологічного інституту на чолі з Крістофером Шухом тепер визначила, як відбувається цей високошвидкісний маломасштабний процес. Вони зробили це, використовуючи лазер для запуску мікрочастинок металу міді на метал із надзвуковою швидкістю та спостерігаючи, що відбувається, коли частинки врізаються в нього. Шух зазначає, що такі високі швидкості є «не лише лабораторною цікавістю» для таких промислових процесів, як високошвидкісна обробка; високоенергетичний помел металевого порошку; і метод покриття, який називається холодним розпиленням, і всі вони відбуваються з однаковою швидкістю.
«Ми намагалися зрозуміти цей процес рекристалізації при таких екстремальних швидкостях», — пояснює він. «Оскільки ставки такі високі, нікому раніше не вдалося заглибитися в це й систематично розглянути цей процес».
У своїх експериментах дослідники змінювали швидкість і силу ударів, а потім вивчали уражені ділянки за допомогою передових методів нанорозмірної мікроскопії, таких як дифракція зворотного розсіювання електронів і просвічуюча скануюча електронна мікроскопія. Цей підхід дозволив їм проаналізувати наслідки збільшення рівня деформації.
Вони виявили, що удари різко покращують структуру металу, створюючи кристалічні зерна лише нанометрів у поперечнику. Вони також спостерігали процес рекристалізації, якому сприяло «нанодвіювання» — різновид добре відомого явища в металах, що називається двійництвом, у якому утворюється певний вид дефекту, коли частина кристалічної структури змінює свою орієнтацію.
Шу та його колеги помітили, що чим вищі показники впливу, тим частіше відбувається нанодвійництво. Це призводить до дедалі менших зерен, оскільки нанорозмірні «близнюки» розпадаються на нові кристалічні зерна, кажуть вони. Цей процес може збільшити міцність металу приблизно в 10 разів, що Шу описує як незначне.
Краще механістичне розуміння
Шух описує результат команди як розширення відомого ефекту під назвою загартування, який виникає внаслідок ударів молотка під час звичайного кування металу. «Наш ефект — це щось на зразок явища гіперпідробки», — каже він. Хоча результат має сенс у цьому контексті, розповідає Шух Світ фізики що це може призвести до кращого механістичного розуміння того, як утворюються металеві конструкції, що полегшить інженерам розробку умов обробки для контролю цих структур. «Дуже малі нанорозмірні структури, які ми спостерігали в нашій роботі, цікаві, наприклад, своєю надзвичайною міцністю», — говорить він.
Чому це робиться поступово для максимізації сили
За словами члена команди Ахмед Тіамію, нові відкриття можуть бути безпосередньо застосовані до реального виробництва металу. «Графіки, отримані в результаті експериментальної роботи, мають бути загальноприйнятими», — каже він. «Це не просто гіпотетичні рядки».
У дослідженні, опублікованому в Матеріали природи, дослідники зосередилися на розумінні еволюції структури металу під час удару. За їх словами, було б цікаво вивчити інші характеристики, наприклад, як змінюється температура навколо місця удару. «Зараз ми ведемо роботу в цьому напрямку», – розповідає Шух.
