Khi thép, nhôm và các kim loại hoặc hợp kim được sử dụng rộng rãi khác trải qua các quy trình công nghiệp như gia công, cán và rèn, cấu trúc cấp nano của chúng sẽ trải qua những thay đổi đáng kể. Quy trình sản xuất cực nhanh khiến việc phân tích những thay đổi này trở nên khó khăn do tốc độ quá nhanh và quy mô nhỏ mà chúng diễn ra, nhưng các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mỹ hiện đã thành công trong việc thực hiện chính xác điều đó, xác định chính xác những gì xảy ra khi các hạt tinh thể hình thành trong kim loại dưới sự biến dạng cực độ ở cấp độ nano. Công việc của họ có thể giúp phát triển các cấu trúc kim loại với các đặc tính được cải thiện, chẳng hạn như độ cứng và độ dẻo dai.
Nói chung, những hạt tinh thể này càng nhỏ thì kim loại sẽ càng cứng và chắc hơn. Các nhà luyện kim thường tìm cách thu nhỏ kích thước hạt bằng cách đặt kim loại dưới sức căng. Một trong những kỹ thuật chính mà họ sử dụng để thực hiện điều này là kết tinh lại, trong đó kim loại bị biến dạng ở độ căng cao và được nung nóng để tạo ra các tinh thể mịn hơn. Trong trường hợp đặc biệt, quá trình này có thể tạo ra các hạt có kích thước nano.
“Không chỉ là sự tò mò trong phòng thí nghiệm”
Nhóm MIT do Christopher Schuh dẫn đầu hiện đã xác định được quá trình quy mô nhỏ, tốc độ cao này diễn ra như thế nào. Họ thực hiện điều này bằng cách sử dụng tia laser để phóng các vi hạt kim loại đồng lên kim loại ở tốc độ siêu âm và quan sát điều gì xảy ra khi các hạt này chạm vào nó. Schuh chỉ ra rằng tốc độ cao như vậy “không chỉ là sự tò mò trong phòng thí nghiệm”, với các quy trình công nghiệp như gia công tốc độ cao; nghiền bột kim loại năng lượng cao; và một phương pháp phủ gọi là phun lạnh đều diễn ra với tốc độ tương tự.
Ông giải thích: “Chúng tôi đã cố gắng tìm hiểu quá trình kết tinh lại đó với tốc độ rất cao đó”. “Bởi vì tỷ lệ quá cao nên trước đây chưa ai thực sự có thể đào sâu vào đó và xem xét quá trình đó một cách có hệ thống.”
Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã thay đổi tốc độ và cường độ của các tác động, sau đó nghiên cứu các vị trí bị tác động bằng các phương pháp kính hiển vi cỡ nano tiên tiến như nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử và kính hiển vi điện tử truyền qua quét. Cách tiếp cận này cho phép họ phân tích tác động của việc tăng mức độ căng thẳng.
Họ phát hiện ra rằng các tác động làm biến đổi đáng kể cấu trúc của kim loại, tạo ra các hạt tinh thể có đường kính chỉ nanomet. Họ cũng quan sát thấy một quá trình kết tinh lại được hỗ trợ bởi “chiến thắng nano” – một biến thể của một hiện tượng nổi tiếng ở kim loại gọi là kết đôi, trong đó một loại khuyết tật cụ thể hình thành khi một phần cấu trúc tinh thể đảo ngược hướng của nó.
Schuh và các đồng nghiệp quan sát thấy rằng tốc độ va chạm càng cao thì quá trình kết đôi nano diễn ra càng thường xuyên hơn. Họ nói, điều này dẫn đến các hạt ngày càng nhỏ hơn khi các “cặp song sinh” có kích thước nano vỡ ra thành các hạt tinh thể mới. Quá trình này có thể làm tăng độ bền của kim loại lên khoảng 10 lần, điều mà Schuh mô tả là không đáng kể.
Một sự hiểu biết cơ học tốt hơn
Schuh mô tả kết quả của nhóm là sự mở rộng của một hiệu ứng đã biết gọi là sự đông cứng xuất phát từ những cú đập búa trong quá trình rèn kim loại thông thường. “Hiệu ứng của chúng tôi là một loại hiện tượng siêu rèn,” ông nói. Mặc dù kết quả có ý nghĩa trong bối cảnh đó, Schuh nói Thế giới vật lý rằng nó có thể mang lại sự hiểu biết cơ học tốt hơn về cách hình thành các cấu trúc kim loại, giúp các kỹ sư thiết kế các điều kiện xử lý để kiểm soát các cấu trúc này dễ dàng hơn. “Ví dụ, những cấu trúc rất nhỏ, có kích thước nano mà chúng tôi quan sát thấy trong nghiên cứu của mình rất đáng quan tâm vì độ bền cực cao của chúng,” ông nói.
Tại sao phải làm dần dần để phát huy tối đa sức mạnh
Theo thành viên trong nhóm Ahmed Tiamiyu, những phát hiện mới có thể được áp dụng trực tiếp vào sản xuất kim loại trong thế giới thực. Ông nói: “Các đồ thị được tạo ra từ công việc thử nghiệm sẽ có thể áp dụng được một cách tổng quát”. “Chúng không chỉ là những dòng giả thuyết.”
Trong nghiên cứu được công bố trên Vật liệu tự nhiên, các nhà nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu sự tiến hóa của cấu trúc kim loại trong quá trình va chạm. Họ nói rằng sẽ rất thú vị khi nghiên cứu các đặc điểm khác, chẳng hạn như nhiệt độ xung quanh khu vực va chạm phát triển như thế nào. Schuh tiết lộ: “Hiện chúng tôi đang tiến hành công việc theo hướng này.
