Формование металла в формы, необходимые для различных целей, может осуществляться разными способами, включая литье, механическую обработку, прокатку и ковку. Эти процессы влияют на размеры и форму мельчайших кристаллических зерен, из которых состоит объемный металл, будь то сталь, алюминий или другие широко используемые металлы и сплавы.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института смогли точно изучить, что происходит, когда эти кристаллические зерна формируются в процессе экстремальной деформации в самых крошечных масштабах, вплоть до нескольких нанометров в поперечнике. Новые результаты могут привести к улучшению способов обработки для получения более качественных и стабильных свойств, таких как твердость и ударная вязкость.
О новых результатах, ставших возможными благодаря подробному анализу изображений, полученных с помощью набора мощных систем обработки изображений, сообщается сегодня в журнале Nature Materials в статье бывшего постдока Массачусетского технологического института Ахмеда Тиамиу (ныне доцент Университета Калгари); профессора Массачусетского технологического института Кристофер Шу, Кит Нельсон и Джеймс ЛеБо; бывший студент Эдвард Пэнг; и нынешний студент Си Чен.
«В процессе изготовления металла вы наделяете его определенной структурой, и эта структура будет определять его свойства при эксплуатации», — говорит Шух. Как правило, чем меньше размер зерна , тем прочнее получаемый металл. Стремление улучшить прочность и ударную вязкость за счет уменьшения размера зерна «было главной темой во всей металлургии, во всех металлах на протяжении последних 80 лет», — говорит он.
Металлурги уже давно применяют различные эмпирически разработанные способы уменьшения размеров зерен в куске твердого металла, как правило, путем придания ему разного рода деформации путем его той или иной деформации. Но сделать эти зерна меньше не так-то просто.
Основной метод называется рекристаллизацией, при которой металл деформируют и нагревают. Это создает множество мелких дефектов по всему изделию, которые «сильно беспорядочны и разбросаны повсюду», — говорит Шух, профессор металлургии Данаи и Василиса Салапатас.
При деформации и нагревании металла все эти дефекты могут самопроизвольно образовать зародыши новых кристаллов. «Вы переходите от этого беспорядочного супа из дефектов к новым кристаллам с зародышами. И поскольку они только что зародились, они начинаются очень маленькими», что приводит к структуре с гораздо меньшими зернами, объясняет Шух.
По его словам, уникальность новой работы заключается в определении того, как этот процесс происходит на очень высокой скорости и в самых маленьких масштабах. В то время как типичные процессы обработки металлов давлением, такие как ковка или листовая прокатка, могут быть довольно быстрыми, этот новый анализ рассматривает процессы, которые «на несколько порядков быстрее», — говорит Шух.
«Мы используем лазер для запуска металлических частиц со сверхзвуковой скоростью. Сказать, что это происходит в мгновение ока, было бы невероятным преуменьшением, потому что вы могли бы сделать тысячи таких в мгновение ока», — говорит Шух.
По его словам, такой высокоскоростной процесс — не просто лабораторная диковинка. «Есть промышленные процессы, в которых все происходит с такой скоростью». К ним относятся высокоскоростная обработка; высокоэнергетическое измельчение металлического порошка; и метод, называемый холодным распылением, для формирования покрытий. В своих экспериментах «мы пытались понять этот процесс рекристаллизации при этих очень экстремальных скоростях, и поскольку скорости настолько высоки, никто раньше не мог копаться в этом и систематически изучать этот процесс», — говорит он.
Используя систему на основе лазера для выстреливания 10-микрометровых частиц на поверхность, Тиамию, который проводил эксперименты, «мог стрелять в эти частицы по одной за раз и действительно измерять, насколько быстро они движутся и как сильно они ударяются», — сказал Шух. говорит. Стреляя частицами на все более высоких скоростях, он затем разрезал их, чтобы увидеть, как эволюционировала зернистая структура вплоть до нанометрового масштаба, используя различные сложные методы микроскопии на объекте MIT.nano в сотрудничестве со специалистами по микроскопии.
Результатом стало открытие, по словам Шуха, «нового пути», по которому формировались зерна вплоть до нанометрового масштаба. Новый путь, который они называют рекристаллизацией с помощью нанодвойникования, представляет собой разновидность известного явления в металлах, называемого двойникованием, особого рода дефекта, при котором часть кристаллической структуры меняет свою ориентацию. Это «переворот зеркальной симметрии, и вы в конечном итоге получаете эти полосатые узоры, когда металл меняет свою ориентацию и снова переворачивается, как узор в елочку», — говорит он. Команда обнаружила, что чем выше скорость этих ударов, тем больше происходил этот процесс, что приводило к образованию все более мелких зерен, поскольку эти наноразмерные «близнецы» распадались на новые кристаллические зерна.
В экспериментах, которые они провели с медью, процесс бомбардировки поверхности этими крошечными частицами на высокой скорости мог увеличить прочность металла примерно в десять раз. «Это не маленькое изменение свойств», — говорит Шух, и этот результат не удивителен, поскольку он является продолжением известного эффекта упрочнения, возникающего при ударах молотом при обычной ковке. «Это своего рода явление типа гиперформовки, о котором мы говорим».
В экспериментах они смогли применить широкий спектр изображений и измерений к одним и тем же частицам и местам ударов, говорит Шух: «Итак, мы получаем мультимодальное представление. Мы используем разные линзы для одной и той же области и материала. , и когда вы соберете все это вместе, у вас будет просто огромное количество количественных деталей о том, что происходит, чего не может дать один метод».
Поскольку новые результаты дают представление о необходимой степени деформации, скорости ее возникновения и температурах, которые следует использовать для достижения максимального эффекта для любых конкретных металлов или методов обработки, их можно сразу же непосредственно применять в реальном производстве металлов. , — говорит Тиамию. Графики, полученные ими в результате экспериментальной работы, должны быть общеприменимы. «Это не просто гипотетические линии, — говорит Тиамию. Для любого заданного металла или сплава «если вы пытаетесь определить, будут ли образовываться нанозерна, если у вас есть параметры, просто вставьте их туда» в разработанные ими формулы, и результаты должны показать, какая структура зерен может быть. ожидаемых от заданных скоростей воздействия и заданных температур.
