När stål, aluminium och andra allmänt använda metaller eller legeringar passerar genom industriella processer som bearbetning, valsning och smide, genomgår deras struktur i nanoskala dramatiska förändringar. Extremt snabba produktionsprocesser gör det svårt att analysera dessa förändringar på grund av den stora hastigheten och småskaligheten som de äger rum i, men forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har nu lyckats göra just det och slå fast vad sker när kristallkorn bildas i metallen under extrem deformation på nanoskala. Deras arbete skulle kunna bidra till utvecklingen av metallstrukturer med förbättrade egenskaper, såsom hårdhet och seghet.
I allmänhet gäller att ju mindre dessa kristallkorn är, desto segare och starkare blir metallen. Metallurger försöker ofta krympa kornstorleken genom att utsätta metallerna under belastning. En av de viktigaste teknikerna de använder för att göra detta är omkristallisation, där metallen deformeras vid hög belastning och upphettas för att producera finare kristaller. I extrema fall kan denna process producera korn med dimensioner i nanoskala.
"Inte bara en laboratorienyfikenhet"
MIT-teamet under ledning av Christopher Schuh har nu bestämt hur denna snabba, småskaliga process äger rum. De gjorde detta genom att använda en laser för att skicka kopparmetallmikropartiklar på en metall i överljudshastigheter och observera vad som hände när partiklarna träffade den. Schuh påpekar att sådana höga hastigheter är "inte bara en laboratorium kuriosa", med industriella processer som höghastighetsbearbetning; högenergifräsning av metallpulver; och en beläggningsmetod som kallas kall spray som alla sker med liknande hastigheter.
"Vi har försökt förstå den omkristalliseringsprocessen under de där extrema hastigheterna", förklarar han. "Eftersom priserna är så höga har ingen riktigt kunnat gräva in där och titta systematiskt på den processen tidigare."
I sina experiment varierade forskarna hastigheten och styrkan av nedslagen och studerade sedan de drabbade platserna med hjälp av avancerade mikroskopimetoder i nanoskala som elektronbackscatter-diffraktion och skanningstransmissionselektronmikroskopi. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att analysera effekterna av ökande stamnivåer.
De fann att effekterna dramatiskt förfinar metallens struktur och skapar kristallkorn bara nanometer tvärs över. De observerade också en omkristalliseringsprocess som hjälptes åt av "nanotwinning" - en variant av ett välkänt fenomen i metaller som kallas tvilling, där en specifik typ av defekt bildas när en del av kristallstrukturen vänder sin orientering.
Schuh och kollegor observerade att ju högre effektfrekvenserna var, desto oftare skedde nanotwinning. Detta leder till allt mindre korn när "tvillingarna" i nanoskala bryts upp till nya kristallkorn, säger de. Processen kan öka metallens hållfasthet med ungefär en faktor 10, vilket Schuh beskriver som icke försumbar.
En bättre mekanistisk förståelse
Schuh beskriver lagets resultat som en förlängning av en känd effekt som kallas härdning som kommer från hammarslag i vanligt metallsmide. "Vår effekt är en sorts hypersmide typ av fenomen", säger han. Även om resultatet är vettigt i det sammanhanget, berättar Schuh Fysikvärlden att det skulle kunna leda till en bättre mekanistisk förståelse av hur metallstrukturer bildas, vilket gör det lättare för ingenjörer att utforma processförhållanden för att kontrollera dessa strukturer. "De mycket små strukturer i nanoskala vi observerade i vårt arbete är till exempel intressanta för deras extrema styrka", säger han.
Varför gradvis gör det för att maximera styrkan
Enligt teammedlem Ahmed Tiamiyu, skulle de nya rönen kunna tillämpas direkt på verklig metallproduktion. "Graferna som produceras från experimentarbetet bör vara allmänt tillämpliga", säger han. "De är inte bara hypotetiska linjer."
I studien, som publiceras i Naturmaterial, fokuserade forskarna på att förstå utvecklingen av en metalls struktur under en kollision. Det skulle vara intressant att studera andra egenskaper, som hur temperaturen runt en nedslagsplats utvecklas, säger de. "Vi bedriver ett arbete i den här riktningen nu," avslöjar Schuh.
