Att hitta nytt, billiga sätt att göra bättre metalllegeringar och kompositer är en av de heliga gralarna i materialforskningsvärlden. Forskare vid U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hittar mycket framgång med hjälp av fastfasbearbetningsmetoder för att skapa material med förbättrade egenskaper. För att förstå vad som händer och varför, de kikar hela vägen till atomnivån i materialens mikrostrukturer. En ny studie publicerades denna månad i Communications Materials.

Genom historien, från bronsåldern, till järnåldern, till modern tid, tekniken för det möjliga inom metallproduktion har i stort sett begränsats till processer där metallen först smälts och sedan utsätts för ett antal energikrävande steg för att producera legeringar och, i sista hand, användbara produkter. Smältbaserade bearbetningsmetoder har varit mycket framgångsrika, men de är begränsade i de typer av metallegeringar och kompositer som kan tillverkas och egenskaperna som kan uppnås.

Vid fastfasbearbetning, metaller smälts inte utan utsätts istället för en mekanisk skjuvkraft. Detta blandar metaller för att skapa legeringar eller kompositer, att lokalt ändra materialegenskaperna, eller för att producera svetsar mellan två material. Skjuvning innebär att man trycker samtidigt som man glider metaller eller material mot varandra. Detta skapar friktion - och därmed värme - för att kombinera och transformera materialen.

Denna studie fokuserade på en lätt aluminiumkisellegering som ofta används i försvaret, flyg, och bilindustrin. Teamet använde skjuvkraft för att omstrukturera legeringen på nano-nivå. Kiselfördelningen ändrades på atomnivå, gör mikrostrukturen mycket mer robust än identiska material som produceras konventionellt, "enligt PNNL -materialforskaren Arun Devaraj.

"Vi analyserade hur skjuvkraft introducerar en hierarkisk nanostruktur, "sa Devaraj." Komprimeringstester visade att nanostrukturen som skapades med skjuvning hade nästan dubbelt styrkan jämfört med mikrostrukturen i samma legering som bildades genom gjutning. "Devaraj och hans team skapade mikropilar av gjutlegeringen före och efter skjuvning och mätte mängden kraft som behövs för att komprimera varje grupp.

I äktenskapet med en aluminium-kisellegering, aluminium är det mjuka, känslig sådan. Kisel är sprött och hårt, med en tendens att bryta. Innan experimentet, kiselpartiklarna i gjutlegeringen var små - cirka 10 mikron i genomsnitt - och fördelade i och mellan de mycket större aluminiumkornen.

Med hjälp av atomprobstomografi och elektronmikroskopi vid EMSL — Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE Office of Science User Facility på PNNL — teamet observerade hur skjuvkraften förändrar legeringens mikrostruktur. Kiselpartiklarna sprack i mindre och mindre bitar tills de nästan löstes upp i aluminiumet. Aluminiumkornen blev mycket mindre. Både aluminium- och kiselfaserna visade ökad blandning till följd av skjuvdeformation.

Att förstå påverkan av extrem skjuvdeformation på en metalllegerings mikrostruktur är avgörande för att optimera nya bearbetningsmetoder för fastfasmaterial. Det är också användbar kunskap för området tribologi, som behandlar interaktioner mellan två ytor i relativ rörelse med varandra, såsom kullager och annan utrustning som används vid transport.

PNNL:s initiativ för fasta bearbetningsvetenskap, en laboratorieinvestering, finansierat denna forskning som en del av sina ansträngningar att främja den grundläggande förståelsen för syntesvägar för fastfasmaterial och för att möjliggöra tillverkning av nästa generations material och komponenter som kan göra skillnad i flera branscher, inklusive flyg, transport, energi, och metallåtervinning.