För första gången har forskare beskrivit hur de små kristallina kornen som utgör de flesta fasta metaller faktiskt bildas. Att förstå denna process, säger de, skulle teoretiskt kunna leda till sätt att producera starkare, lättare versioner av ofta använda metaller som aluminium, stål och titan. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Formning av metall till de former som behövs för olika ändamål kan göras på många sätt, inklusive gjutning, bearbetning, valsning och smide. Dessa processer påverkar storlekarna och formerna på de små kristallina kornen som utgör bulkmetallen, oavsett om det är stål, aluminium eller andra allmänt använda metaller och legeringar.
Nu har forskare vid MIT kunnat studera exakt vad som händer när dessa kristallkorn bildas under en extrem deformationsprocess, i minsta skala, ner till några nanometer tvärs över. De nya rönen kan leda till förbättrade sätt att bearbeta för att producera bättre, mer konsekventa egenskaper som hårdhet och seghet.
De nya rönen, möjliga genom detaljerad analys av bilder från en serie kraftfulla bildsystem, rapporteras idag i tidskriften Nature Materials , i en artikel av tidigare MIT postdoc Ahmed Tiamiyu (nu biträdande professor vid University of Calgary); MIT-professorerna Christopher Schuh, Keith Nelson och James LeBeau; tidigare elev Edward Pang; och nuvarande elev Xi Chen.
"I processen att tillverka en metall ger du den en viss struktur, och den strukturen kommer att diktera dess egenskaper vid användning," säger Schuh. I allmänhet, ju mindre kornstorlek, desto starkare blir den resulterande metallen. Att sträva efter att förbättra styrka och seghet genom att göra kornstorlekarna mindre "har varit ett övergripande tema inom all metallurgi, i alla metaller, under de senaste 80 åren", säger han.
Metallurger har länge tillämpat en mängd olika empiriskt utvecklade metoder för att minska storleken på kornen i en bit av solid metall, i allmänhet genom att ge olika typer av spänningar genom att deformera den på ett eller annat sätt. Men det är inte lätt att göra dessa korn mindre.
Den primära metoden kallas omkristallisation, där metallen deformeras och värms upp. Detta skapar många små defekter i hela verket, som är "mycket oordnade och överallt", säger Schuh, som är Danae och Vasilis Salapatas professor i metallurgi.
När metallen deformeras och värms upp kan alla dessa defekter spontant bilda kärnor av nya kristaller. "Du går från den här röriga soppan av defekter till färska kärnförsedda kristaller. Och eftersom de är nykärnade börjar de väldigt små", vilket leder till en struktur med mycket mindre korn, förklarar Schuh.
Det som är unikt med det nya verket, säger han, är att bestämma hur denna process sker i mycket hög hastighet och i minsta skala. Medan typiska metallformningsprocesser som smide eller plåtvalsning kan vara ganska snabba, tittar denna nya analys på processer som är "flera storleksordningar snabbare", säger Schuh.
"Vi använder en laser för att skjuta upp metallpartiklar i överljudshastigheter. Att säga att det händer på ett ögonblick skulle vara en otrolig underdrift, eftersom du kan göra tusentals av dessa på ett ögonblick", säger Schuh.
En sådan höghastighetsprocess är inte bara en laboratorienyfikenhet, säger han. "Det finns industriella processer där saker händer i den hastigheten." Dessa inkluderar höghastighetsbearbetning; högenergifräsning av metallpulver; och en metod som kallas kallspray, för att bilda beläggningar. I sina experiment "har vi försökt förstå den där omkristalliseringsprocessen under de där extrema hastigheterna, och eftersom hastigheterna är så höga har ingen riktigt kunnat gräva in där och titta systematiskt på den processen tidigare", säger han.
Genom att använda ett laserbaserat system för att skjuta 10-mikrometer partiklar på en yta, kunde Tiamiyu, som utförde experimenten, "skjuta dessa partiklar en i taget och verkligen mäta hur snabbt de går och hur hårt de slår", Schuh säger. Han skjuter partiklarna i allt snabbare hastigheter och skär sedan upp dem för att se hur kornstrukturen utvecklats, ner till nanometerskalan, med hjälp av en mängd olika sofistikerade mikroskopitekniker vid MIT.nano-anläggningen, i samarbete med mikroskopispecialister.
Resultatet var upptäckten av vad Schuh säger är en "ny väg" genom vilken korn bildades ner till nanometerskalan. Den nya vägen, som de kallar nano-twinning assisterad omkristallisation, är en variant av ett känt fenomen i metaller som kallas tvilling, en speciell typ av defekt där en del av den kristallina strukturen vänder sin orientering. Det är en "spegelsymmetriflip, och det slutar med att du får dessa randiga mönster där metallen vänder sin orientering och vänder tillbaka igen, som ett fiskbensmönster", säger han. Teamet fann att ju högre frekvensen av dessa effekter, desto mer ägde denna process rum, vilket ledde till allt mindre korn när dessa nanoskala "tvillingar" bröts upp till nya kristallkorn.
I de experiment de gjorde med koppar kunde processen att bombardera ytan med dessa små partiklar i hög hastighet öka metallens styrka omkring tio gånger. "Detta är inte en liten förändring i egenskaper", säger Schuh, och det resultatet är inte förvånande eftersom det är en förlängning av den kända härdningseffekten som kommer från hammarslagen från vanligt smide. "Det här är en typ av hypersmide typ av fenomen som vi pratar om."
I experimenten kunde de tillämpa ett brett utbud av avbildningar och mätningar på exakt samma partiklar och nedslagsplatser, säger Schuh:"Så vi får en multimodal vy. Vi får olika linser på samma exakta område och material. , och när du sätter ihop allt det där, har du bara en mängd kvantitativa detaljer om vad som händer som en enda teknik ensam inte skulle ge."
Eftersom de nya rönen ger vägledning om graden av deformation som behövs, hur snabbt den deformationen sker och de temperaturer som ska användas för maximal effekt för en given specifik metall eller bearbetningsmetoder, kan de direkt appliceras direkt på verklig metallproduktion , säger Tiamiyu. De grafer som de producerade från experimentarbetet bör vara allmänt tillämpliga. "De är inte bara hypotetiska linjer," säger Tiamiyu. För alla givna metaller eller legeringar, "om du försöker avgöra om nanokorn kommer att bildas, om du har parametrarna, sätt bara in det där" i formlerna de utvecklade, och resultaten bör visa vilken typ av kornstruktur som kan vara förväntas från givna slaghastigheter och givna temperaturer. + Utforska vidare
