Bøjning af reglerne:En revolutionerende ny måde, hvorpå metaller kan formes

I næsten 100 år, videnskabsmænd troede, at de forstod alt, hvad der var at vide om, hvordan metaller bøjer. De tog fejl.

Materialevidenskab og ingeniørforskere ved University of Wisconsin-Madison har vist, at reglerne for metalbøjning ikke er så hårde og hurtige trods alt. De beskrev deres fund 9. august i journalen Naturkommunikation .

Deres overraskende opdagelse ændrer ikke kun tidligere forestillinger om, hvordan metaller deformeres, men kunne hjælpe med at guide skabelsen af ​​stærkere, mere holdbare materialer.

"Dette skaber nye muligheder for materialedesign, " siger Izabela Szlufarska, professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison. "Det tilføjer endnu en parameter, vi kan kontrollere for at muliggøre styrke og duktilitet."

Duktilitet er et metals evne til at bøje. De fleste tilgange til at øge et metals styrke gør det på bekostning af fleksibilitet - og efterhånden som metaller bliver mere modstandsdygtige over for bøjning, de er mere tilbøjelige til at revne under pres.

Imidlertid, forskernes nye bøjningsmekanisme kan gøre det muligt for ingeniører at styrke et materiale uden at risikere at brud.

Det er et fremskridt, der har særlig interesse for den amerikanske hær, som har et akut behov for stærke og holdbare materialer for at holde tropperne sikre i kampzoner.

"Professor Szlufarska har åbnet et helt nyt område for udforskning af strukturelle materialer forarbejdning og design, sagde Michael Bakas, programleder for syntese og behandling ved Army Research Office i US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "Ved at gøre en så storslået opdagelse, Professor Szlufarska har potentielt lagt det tekniske grundlag for udviklingen af ​​en ny generation af avancerede strukturelle materialer, der i sidste ende kan anvendes i fremtidens hærens udstyr og køretøjer."

Ingeniører manipulerer typisk styrken af ​​et metal gennem teknikker som koldbearbejdning eller udglødning, som udøver deres virkninger gennem små, dog vigtigt, strukturelle uregelmæssigheder kaldet dislokationer.

"Alle i metalsamfundet ved, at forskydninger er kritiske, " siger Szlufarska.

Det er en truisme, der har eksisteret siden 1934, da tre forskere uafhængigt indså, at dislokation forklarede et ældgammelt paradoks:Metaller er meget nemmere at bøje end deres molekylære strukturer - som typisk tager form af regelmæssigt gentagne tredimensionelle gitter - ville antyde.

Dislokationer er små uregelmæssigheder i et metals ellers velordnede krystalgitter. De opstår som følge af små uoverensstemmelser – se for siderne i en bog som rækker af atomer, og forestil dig, hvordan den pæne stak papir nogensinde bliver så lidt forvrænget på det sted, hvor nogen indsætter et bogmærke.

Normale metaller bøjer, fordi dislokationer er i stand til at bevæge sig, tillader et materiale at deformere uden at rive hver eneste binding i dets krystalgitter fra hinanden på én gang.

Styrketeknikker begrænser typisk bevægelsen af ​​dislokationer. Så det var noget af et chok, da Szlufarska og kolleger opdagede, at materialet samariumkobolt - kendt som en intermetallisk - let bøjede sig, selvom dens dislokationer var låst på plads.

"Det blev antaget, at metalliske materialer i sig selv ville være sprøde, hvis dislokationsglidning er sjælden, "siger Hubin Luo, en tidligere ansat videnskabsmand i Szlufarskas laboratorium, der nu arbejder på Ningbo Institute of Industrial Technology i Kina. "Imidlertid, vores nylige undersøgelse viser, at et intermetallisk materiale kan deformeres plastisk i en betydelig mængde, selv når dislokationsglidningen er fraværende."

I stedet, bøjning af samarium-kobolt fik smalle bånd til at danne sig inde i krystalgitteret, hvor molekyler antog en "amorf" konfiguration i fri form i stedet for den normale, gitterlignende struktur i resten af ​​metallet.

Disse amorfe bånd tillod metallet at bøje.

"Det er næsten som smøring, " siger Szlufarska. "Vi forudsagde dette i simuleringer, og vi så også de amorfe forskydningsbånd i vores deformationsundersøgelser og transmissionselektronmikroskopiske eksperimenter."

En kombination af beregningssimuleringer og eksperimentelle undersøgelser var afgørende for at forklare det forvirrende resultat, derfor var Szlufarska og hendes gruppe usædvanligt egnede til at åbne mysteriet.

"Det er ofte lettere at udføre teoretiske simuleringer for at forklare eksisterende eksperimentelle resultater, " siger Hongliang Zhang, en UW-Madison postdoc. "Her, vi forudsagde først teoretisk eksistensen af ​​forskydningsbånd og deres rolle i plasticitet i samarium-kobolt; det var helt overraskende fænomener. Vi bekræftede derefter disse resultater eksperimentelt med mange forskellige typer eksperimenter for at teste vores teori og for at være sikre på, at det forudsagte fænomen faktisk kan observeres i naturen."

Forskerne planlægger at søge efter andre materialer, der også kan bøje på denne ejendommelige måde. Til sidst, de håber at bruge fænomenet til at justere et materiales egenskaber for styrke og fleksibilitet.

"Dette kan ændre den måde, du leder efter optimering af materialeegenskaber på, " siger Szlufarska. "Vi ved, det er anderledes, vi ved det er nyt, og vi tror, ​​vi kan bruge det."