当钢、铝和其他广泛使用的金属或合金经过机械加工、轧制和锻造等工业过程时，它们的纳米级结构会发生巨大的变化。 由于它们发生的速度和规模非常小，极快的生产过程使得分析这些变化变得很困难，但美国麻省理工学院 (MIT) 的研究人员现在已经成功地做到了这一点，并确定了什么发生在纳米级极端变形下金属中形成晶粒时。 他们的工作可以帮助开发具有改进性能的金属结构，例如硬度和韧性。
一般来说，这些晶粒越小，金属就越强韧。 冶金学家经常通过将金属置于应变下来寻求缩小晶粒尺寸。 他们使用的主要技术之一是再结晶，其中金属在高应变下变形并加热以产生更细的晶体。 在极端情况下，这个过程可以产生纳米尺寸的晶粒。
“不仅仅是实验室的好奇心”
由 Christopher Schuh 领导的麻省理工学院团队现在已经确定了这种高速、小规模的过程是如何发生的。 他们通过使用激光以超音速将铜金属微粒发射到金属上并观察粒子撞击金属时发生的情况来做到这一点。 Schuh 指出，如此高的速度“不仅仅是实验室的好奇心”，在高速加工等工业过程中； 金属粉末的高能研磨； 和一种称为冷喷涂的涂层方法都以相似的速率进行。
“我们试图了解在那些非常极端的速率下的再结晶过程，”他解释道。 “由于利率如此之高，以前没有人真正能够深入挖掘并系统地研究这个过程。”
在他们的实验中，研究人员改变了撞击的速度和强度，然后使用先进的纳米级显微镜方法（如电子背散射衍射和扫描透射电子显微镜）研究了撞击部位。 这种方法使他们能够分析增加应变水平的影响。
他们发现，撞击极大地细化了金属的结构，产生了直径仅为纳米的晶粒。 他们还观察到了由“纳米孪晶”帮助的再结晶过程——这是金属中众所周知的孪晶现象的一种变体，当晶体结构的一部分翻转其取向时，就会形成一种特定的缺陷。
Schuh 及其同事观察到，撞击率越高，纳米孪晶发生的频率越高。 他们说，随着纳米级“双胞胎”分裂成新的晶粒，这会导致晶粒越来越小。 该过程可以将金属的强度提高约 10 倍，Schuh 将其描述为不可忽略的。
更好的机械理解
Schuh 将团队的结果描述为一种称为硬化的已知效应的延伸，这种效应来自普通金属锻造中的锤击。 “我们的效果是一种超锻造现象，”他说。 虽然结果在这种情况下是有意义的，但舒说 物理世界 它可以更好地理解金属结构是如何形成的，从而使工程师更容易设计加工条件来控制这些结构。 “例如，我们在工作中观察到的非常小的纳米级结构因其极高的强度而令人感兴趣，”他说。
为什么要逐渐增加力量
根据团队成员 艾哈迈德·蒂米尤，新发现可以立即直接应用于现实世界的金属生产。 “实验工作产生的图表应该普遍适用，”他说。 “它们不仅仅是假设的线。”
在该研究中，该研究发表在 自然材料，研究人员专注于了解金属在撞击过程中结构的演变。 他们说，研究其他特征会很有趣，例如撞击点周围的温度如何演变。 “我们现在正朝着这个方向开展工作，”Schuh 透露。
