鋼、アルミニウム、およびその他の広く使用されている金属または合金が機械加工、圧延、鍛造などの工業プロセスを通過すると、それらのナノスケール構造は劇的な変化を遂げます。 非常に速い生産プロセスは、そのスピードと規模が小さいため、これらの変化を分析することを困難にしますが、米国のマサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者は、正確にそれを行うことに成功し、何が何であるかを突き止めました。ナノスケールでの極端な変形下で金属に結晶粒が形成されるときに起こります。 彼らの研究は、硬度や靭性などの特性が改善された金属構造の開発に役立つ可能性があります。
一般に、これらの結晶粒が小さいほど、金属は強靭で強くなります。 冶金学者は、金属にひずみを加えることで結晶粒度を縮小しようとすることがよくあります。 これを行うために彼らが使用する主な技術の XNUMX つは再結晶です。この方法では、金属を高ひずみで変形させ、加熱してより細かい結晶を生成します。 極端な場合、このプロセスはナノスケールの粒子を生成する可能性があります。
「単なる実験室の好奇心ではない」
Christopher Schuh が率いる MIT チームは、この高速で小規模なプロセスがどのように行われるかを特定しました。 彼らは、レーザーを使用して超音速で金属に銅の金属微粒子を発射し、粒子が衝突したときに何が起こったのかを観察することでこれを行いました。 Schuh 氏は、高速機械加工などの工業プロセスでは、このような高速化は「単なる実験室の好奇心ではありません」と指摘しています。 金属粉末の高エネルギー粉砕; コールドスプレーと呼ばれるコーティング方法はすべて同じ速度で行われます。
「私たちは、非常に極端な速度での再結晶プロセスを理解しようとしました」と彼は説明します。 「率が非常に高いため、これまで誰もそのプロセスを深く掘り下げて体系的に調べることができませんでした。」
実験では、研究者は衝撃の速度と強さを変化させ、その後、電子後方散乱回折や走査型透過電子顕微鏡などの高度なナノスケール顕微鏡法を使用して、衝撃を受けた部位を調べました。 このアプローチにより、彼らはひずみレベルの増加の影響を分析することができました。
彼らは、衝撃が金属の構造を劇的に改善し、直径わずかナノメートルの結晶粒を作り出すことを発見しました。 彼らはまた、結晶構造の一部がその方向を反転させるときに特定の種類の欠陥が形成される、双晶と呼ばれる金属のよく知られた現象のバリエーションである「ナノトウィニング」によって助けられた再結晶化プロセスも観察しました。
Schuhらは、衝突率が高いほど、ナノ双晶がより頻繁に起こることを観察しました。 これにより、ナノスケールの「双子」が新しい結晶粒に分裂するため、粒子がさらに小さくなると彼らは言います。 このプロセスにより、金属の強度が約 10 倍向上する可能性があり、Schuh 氏はこれを無視できないと説明しています。
より良いメカニズムの理解
Schuh 氏は、チームの結果を、通常の金属鍛造におけるハンマー打撃から生じる硬化と呼ばれる既知の効果の延長として説明しています。 「私たちの効果は一種の超鍛造型の現象です」と彼は言います。 結果はその文脈では理にかなっていますが、シューは言います 物理学の世界 これにより、金属構造がどのように形成されるかについて機械的な理解が深まり、エンジニアがこれらの構造を制御するための処理条件を設計しやすくなる可能性があります。 「私たちが研究で観察した非常に小さいナノスケールの構造は、例えば、その極度の強度のために興味深いものです」と彼は言います。
強度を最大化するために徐々に行う理由
チームメンバーによると アーメド・ティアミユ、新しい発見は、実際の金属生産にすぐに適用できます。 「実験作業から作成されたグラフは、一般的に適用できるはずです」と彼は言います。 「それらは単なる架空の線ではありません。」
で発表された研究では、 ネイチャーマテリアルズ、研究者は衝突中の金属の構造の進化を理解することに焦点を当てました。 衝突地点周辺の温度がどのように変化するかなど、他の特性を研究することは興味深いだろうと彼らは言います。 「私たちは現在、この方向で作業を進めています」と Schuh 氏は明かします。
