Учените откриват нови механизми за създаване на по-силни метали

Металът може да бъде оформен в различни дизайни по различни начини, като леене, механична обработка, валцуване и коване. Тези механизми оказват влияние върху размерите и формите на малките кристални зърна, които съставляват насипния метал, независимо дали е стомана, алуминий или друг често използван метал или сплав.

За първи път изследователите описват как се образуват малките кристални зърна, които съставляват повечето твърди метали. Разбирането на този процес, казват те, може теоретично да доведе до начини за производство на по-здрави, по-леки версии на широко използвани метали като алуминий, стомана и титан. Кредит на изображението: с любезното съдействие на изследователите.

Учените от MIT вече са успели да проучат какво се случва, когато тези кристални зърна се образуват по време на интензивна деформация в най-малки мащаби, до няколко нанометра в диаметър. Последните открития биха могли да доведат до по-добри методи за обработка, които произвеждат добри, по-дълготрайни свойства като твърдост и здравина.

Бившият пост-докторант на MIT Ахмед Тиамию (понастоящем асистент в Университета в Калгари), Кристофър Шу, Кийт Нелсън и Джеймс Лебо (преподаватели на MIT), бивш студент Едуард Панг и настоящ студент Си Чен публикуваха констатациите, станали възможни от задълбочен анализ на изображения от набор от мощни системи за изображения, в Естествени материали.

В процеса на изработване на метал вие го дарявате с определена структура и тази структура ще диктува свойствата му в експлоатация..

Кристофър Шу, професор Данай и Василис Салапатас, Металургия, Масачузетски технологичен институт

Колкото по-малък е размерът на зърното, толкова по-здрав е полученият метал. Стремеж към подобряване на здравината и издръжливостта чрез намаляване на размера на зърното”е доминираща тема в цялата металургия, във всички метали през последните 80 години,” той казва.

Металурзите отдавна използват емпирично разработени методи за минимизиране на размера на зърното в част от твърд метал, обикновено чрез придаване на различни видове деформация чрез разпадането му по някакъв начин. Трудно е обаче да направите тези зърна по-тесни.

Основният механизъм е рекристализация, която се състои в деформиране и нагряване на метала. Това води до множество дребни недостатъци в цялото парче, което е “много разхвърляно и навсякъдеказва Шух.

Всички тези дефекти могат спонтанно да произведат ядрата на нови кристали, когато металът се огъва и нагрява. “Преминавате от тази разхвърляна супа от недостатъци към прясно нови кристали с ядра. И тъй като те са прясно образувани, те започват много малки“, което води до структура с много по-малки зърна, обяснява Шух.

Той казва, че настоящата работа е изключителна в идентифицирането на това как този процес протича при изключително високи скорости и минутни мащаби. Докато традиционните операции по формоване на метал, като коване или валцуване на ламарина, могат да бъдат сравнително бързи, това ново проучване разглежда процеси, които са „с няколко порядъка по-бързоказва Шух.

Използваме лазер за изстрелване на метални частици със свръхзвукова скорост. Да се ​​каже, че това се случва за миг, би било невероятно подценяване, тъй като бихте могли да спечелите хиляди с мигване на окото..

Кристофър Шу, професор Данай и Василис Салапатас, Металургия, Масачузетски технологичен институт

Той твърди, че такъв бърз процес не е просто лабораторно увлечение. “Има индустриални процеси, при които нещата се случват с тази скорост

Те включват високоскоростна механична обработка, смилане на високоенергийни метални прахове и процес на нанасяне на покритие със студено пръскане. В изследванията,ние се опитвахме да разберем този процес на прекристализация при тези много екстремни скорости и тъй като скоростите са толкова високи, никой не е успял да се задълбочи в това и систематично да разгледа този процес преди,” той казва.

Използвайки базирана на лазер система за изстрелване на 10-микрометрови частици върху повърхност, Тиамию, който проведе експериментите, “може да изстрелва тези частици една по една и да измерва колко бързо вървят и колко силно се удрятказва Шух.

Използвайки набор от усъвършенствани техники за микроскопия в съоръжението MIT.nano в партньорство с експерти по микроскопия, той застреля частиците с все по-бързи скорости и след това ги наряза, за да проучи как се променя структурата на зърното до нанометров мащаб.

Резултатът беше идентифицирането на “нов път” за образуване на зърно до нанометрова скала, според Шух. Новият подход, наречен рекристализация с помощта на нанодвойници, е версия на побратимяване, добре познат феномен в металите, при който част от кристалната структура променя ориентацията.

Това е “обърнете симетрията на огледалото и в крайна сметка получавате тези райета, където металът обръща ориентацията си и се обръща отново, като шарка рибена кост“, казва той. Изследователите откриха, че колкото по-бързо се случват тези сблъсъци, толкова повече се случва този процес, което води до по-малки зърна, тъй като наномащабните “близнаци” се разделят на свежи кристални зърна.

Техниката за пясъкоструене на повърхността с тези малки частици при високи скорости може да увеличи устойчивостта на метала десетократно при техните тестове върху мед. “Това не е малка промяна в имотитеказва Шух и това не е изненадващо, тъй като това е продължение на известния ефект на втвърдяване, причинен от конвенционалните удари с ковашки чук. “Това е някакъв феномен на хиперковане, за който говорим

Изследователите успяха да използват различни техники за изобразяване и измерване на едни и същи частици и места на удар в тестовете.

Така че в крайна сметка получаваме мултимодален изглед. Получаваме различни лещи в един и същ регион и един и същ материал и когато съберете всичко това, вие просто имате много количествени подробности за това какво се случва, че една техника сама по себе си не би осигурила..

Кристофър Шу, професор Данай и Василис Салапатас, Металургия, Масачузетски технологичен институт

Най-новото изследване може незабавно да се приложи към реалния свят на производството на метали, тъй като помага да се определи степента на необходимата деформация, колко бързо настъпва тази деформация и температурите, които да се използват за максимален ефект за метал. или дадена техника на обработка, според Тиамию. Изследователите трябва да могат да използват графики, които са създали от опита си в други ситуации.

Това не са само хипотетични линииказва Тиамию. За всеки даден метал или сплав, “ако се опитвате да определите дали ще се образуват нанозърна, ако имате параметрите, просто ги вмъкнетевъв формулите, които са установили, а резултатите трябва да илюстрират какъв вид структура на зърното може да се предвиди при различни скорости и температури на удар.

Министерството на енергетиката на САЩ, Службата за военноморски изследвания и Съветът за естествени науки и инженерни изследвания на Канада допринесоха за изследването.

Референтен журнал:

Тиамию, А.А., et al. (2022) Динамична рекристализация, подпомагана от нанопобедител, при високи деформации и скорости на деформация. Естествени материали. doi.org/10.1038/s41563-022-01250-0.

Източник: https://web.mit.edu/

Add Comment