Forskere afslører en hemmelighed bag stærkere metaller

Formning af metal til de former, der er nødvendige til forskellige formål, kan udføres på mange måder, herunder støbning, bearbejdning, valsning og smedning. Disse processer påvirker størrelserne og formerne af de små krystallinske korn, der udgør bulkmetallet, uanset om det er stål, aluminium eller andre meget anvendte metaller og legeringer.

Nu har forskere ved MIT været i stand til at studere præcis, hvad der sker, når disse krystalkorn dannes under en ekstrem deformationsproces, i de mindste skalaer, ned til et par nanometer på tværs. De nye resultater kan føre til forbedrede måder at forarbejde for at producere bedre, mere ensartede egenskaber såsom hårdhed og sejhed.

De nye resultater, der er muliggjort af detaljeret analyse af billeder fra en række kraftfulde billedbehandlingssystemer, rapporteres i dag i tidsskriftet Nature Materials , i et papir af tidligere MIT postdoc Ahmed Tiamiyu (nu assisterende professor ved University of Calgary); MIT-professorerne Christopher Schuh, Keith Nelson og James LeBeau; tidligere studerende Edward Pang; og nuværende studerende Xi Chen.

"I processen med at fremstille et metal, giver du det en bestemt struktur, og den struktur vil diktere dets egenskaber i brug," siger Schuh. Generelt gælder det, at jo mindre kornstørrelsen er, jo stærkere er det resulterende metal. At stræbe efter at forbedre styrke og sejhed ved at gøre kornstørrelserne mindre "har været et overordnet tema i al metallurgi, i alle metaller, i de sidste 80 år," siger han.

Metallurger har længe anvendt en række empirisk udviklede metoder til at reducere størrelsen af ​​kornene i et stykke fast metal, generelt ved at påføre forskellige former for belastning ved at deformere det på den ene eller anden måde. Men det er ikke nemt at gøre disse korn mindre.

Den primære metode kaldes omkrystallisation, hvor metallet deformeres og opvarmes. Dette skaber mange små defekter i hele værket, som er "meget uordnede og over det hele," siger Schuh, der er Danae og Vasilis Salapatas-professor i metallurgi.

Når metallet deformeres og opvarmes, kan alle disse defekter spontant danne kerner af nye krystaller. "Du går fra denne rodede suppe af defekter til frisk nye kerneholdige krystaller. Og fordi de er friske kerneformede, starter de meget småt," hvilket fører til en struktur med meget mindre korn, forklarer Schuh.

Det unikke ved det nye arbejde, siger han, er at bestemme, hvordan denne proces foregår ved meget høj hastighed og i mindste skalaer. Mens typiske metalformningsprocesser som smedning eller pladevalsning kan være ret hurtige, ser denne nye analyse på processer, der er "flere størrelsesordener hurtigere," siger Schuh.

"Vi bruger en laser til at affyre metalpartikler med supersoniske hastigheder. At sige, at det sker på et øjeblik, ville være en utrolig underdrivelse, for du kunne gøre tusindvis af disse på et øjeblik," siger Schuh.

Sådan en højhastighedsproces er ikke bare en laboratorie-kuriositet, siger han. "Der er industrielle processer, hvor tingene sker med den hastighed." Disse omfatter højhastighedsbearbejdning; højenergiformaling af metalpulver; og en metode kaldet kold spray, til dannelse af belægninger. I deres eksperimenter "har vi forsøgt at forstå den omkrystalliseringsproces under de meget ekstreme hastigheder, og fordi hastighederne er så høje, har ingen rigtig været i stand til at grave ind der og se systematisk på den proces før," siger han.

Ved at bruge et laserbaseret system til at skyde 10 mikrometer partikler på en overflade kunne Tiamiyu, der udførte eksperimenterne, "skyde disse partikler en ad gangen og virkelig måle, hvor hurtigt de kører, og hvor hårdt de rammer," Schuh siger. Ved at skyde partiklerne med stadig hurtigere hastigheder ville han derefter skære dem op for at se, hvordan kornstrukturen udviklede sig, ned til nanometerskalaen, ved hjælp af en række sofistikerede mikroskopiteknikker på MIT.nano-anlægget i samarbejde med mikroskopispecialister.

Resultatet var opdagelsen af, hvad Schuh siger er en "ny vej", hvorved korn blev dannet ned til nanometerskalaen. Den nye vej, som de kalder nano-twinning assisteret rekrystallisering, er en variation af et kendt fænomen i metaller kaldet twinning, en særlig form for defekt, hvor en del af den krystallinske struktur vender sin orientering. Det er en "spejlsymmetriflip, og du ender med at få disse stribede mønstre, hvor metallet vender sin orientering og vender tilbage igen, som et sildebensmønster," siger han. Holdet fandt ud af, at jo højere hastigheden af ​​disse påvirkninger var, jo mere fandt denne proces sted, hvilket førte til stadigt mindre korn, da disse "tvillinger" på nanoskala brød op i nye krystalkorn.

I de eksperimenter, de lavede med kobber, kunne processen med at bombardere overfladen med disse små partikler ved høj hastighed øge metallets styrke omkring tidoblet. "Dette er ikke en lille ændring i egenskaber," siger Schuh, og det resultat er ikke overraskende, da det er en forlængelse af den kendte effekt af hærdning, der kommer fra hammerslagene ved almindelig smedning. "Dette er en slags hypersmedende type fænomen, som vi taler om."

I eksperimenterne var de i stand til at anvende en bred vifte af billeddannelse og målinger på nøjagtig de samme partikler og nedslagssteder, siger Schuh:"Så vi ender med at få et multimodalt billede. Vi får forskellige linser på det samme nøjagtige område og materiale. , og når du sætter alt det sammen, har du bare en rigdom af kvantitative detaljer om, hvad der foregår, som en enkelt teknik alene ikke ville give."

Fordi de nye resultater giver vejledning om graden af ​​deformation, der er nødvendig, hvor hurtigt den deformation finder sted, og de temperaturer, der skal bruges for at opnå maksimal effekt for et givent specifikt metall eller forarbejdningsmetoder, kan de anvendes direkte til virkelighedens metalproduktion , siger Tiamiyu. De grafer, de producerede fra det eksperimentelle arbejde, bør være generelt anvendelige. "De er ikke bare hypotetiske linjer," siger Tiamiyu. For alle givne metaller eller legeringer, "hvis du forsøger at bestemme, om nanokorn vil dannes, hvis du har parametrene, skal du bare sætte det ind der" i de formler, de udviklede, og resultaterne skulle vise, hvilken slags kornstruktur der kan være forventes ud fra givne påvirkningshastigheder og givne temperaturer. + Udforsk yderligere

Undersøgelse viser, hvordan man får sprøjtede metalbelægninger til at klæbe