Cercetările au dezvăluit secretul realizării de metale rezistente

Aducerea metalelor în formele necesare pentru diverse scopuri se poate face în mai multe moduri, de exemplu turnare, prelucrare, laminare sau forjare. Aceste procese afectează dimensiunile și formele cristalelor minuscule care alcătuiesc metalul, fie că este vorba de oțel, aluminiu sau alte metale și aliaje utilizate la scară largă. Studiul acestor cristale ar putea duce la crearea de metale rezistente.

Cercetătorii de la MIT au putut studia cu exactitate ce se întâmplă atunci când aceste granule de cristal se formează în timpul unui proces de deformare extremă, la cele mai mici scări, de până la câțiva nanometri. Noile descoperiri ar putea duce la moduri îmbunătățite de procesare pentru a produce metale rezistente.

• JWST a descoperit o galaxie spirală asemănătoare Căii Lactee undeva unde nu ar trebui să existe
• ESA intensifică cercetarea Pământului pe măsură ce viitorul agențiilor americane devine tot mai incert

Noile descoperiri, făcute posibile prin analiza detaliată a imaginilor dintr-o suită de sisteme de imagistică puternice, sunt publicate în jurnalul Nature Materials, într-o lucrare a lui Ahmed Tiamiyu, cercetător postdoctoral la MIT, acum profesor asistent la Universitatea din Calgary; a profesorilor MIT Christopher Schuh, Keith Nelson și James LeBeau; a fostului student Edward Pang; și a studentului Xi Chen.

Cum erau create până acum metale rezistente?

„În procesul de fabricare a unui metal, îl dotezi cu o anumită structură, iar acea structură îi va dicta proprietățile în utilizare”, spune Schuh. În general, cu cât granulația este mai mică, cu atât metalul rezultat este mai rezistent.

Efortul de a îmbunătăți rezistența și duritatea prin reducerea dimensiunilor granulelor „a fost o temă generală în toată metalurgia, pentru toate metalele, în ultimii 80 de ani”, spune el.

Metalurgiștii au aplicat de mult timp o varietate de metode dezvoltate empiric pentru reducerea dimensiunilor cristalelor dintr-o bucată de metal solid, în general prin deformarea acestuia într-un fel sau altul. Dar nu este ușor să faci aceste granule mai mici, scrie Phys.org.

Metoda primară se numește recristalizare, în aceasta metalul este deformat și încălzit. Acest lucru creează multe mici defecte în întreaga bucată, care sunt „foarte dezordonate și peste tot”, spune Schuh, care este profesor de metalurgie.

Atunci când metalul este deformat și încălzit, toate aceste defecte pot forma spontan nucleele de cristale noi. „Treci de la această supă dezordonată de defecte la cristale nucleate proaspăt noi. Și pentru că sunt proaspăt nucleate, ele sunt foarte mici”, ceea ce duce la o structură cu cristale mult mai mici, explică Schuh.

Noua metodă realizată de cercetători

Ceea ce este unic la noua lor lucrare, spune el, este determinarea modului în care acest proces are loc la viteză foarte mare și la cele mai mici scări. În timp ce procesele tipice de formare a metalelor, cum ar fi forjarea sau laminarea, pot fi destul de rapide, această nouă analiză analizează procesele care sunt „cu câteva ordine de mărime mai rapide”, spune Schuh.

„Folosim un laser pentru a lansa particule de metal la viteze supersonice. A spune că se întâmplă într-o clipă ar fi o subestimare incredibilă, pentru că ai putea face mii de astfel de lansări într-o clipă”, spune Schuh.

Un astfel de proces de mare viteză nu este doar o chestie de laborator, spune el. „Există procese industriale în care lucrurile se întâmplă cu această viteză”. Acestea includ prelucrarea de mare viteză; măcinarea de înaltă energie a pulberii metalice; și o metodă numită spray la rece, pentru formarea lacurilor.

În ce a constat experimentul?

În experimente, „am încercat să înțelegem acel proces de recristalizare în acele rate extreme și, pentru că ratele sunt atât de mari, nimeni nu a putut cu adevărat să studieze acel proces înainte”, spune el.

Folosind un sistem bazat pe laser pentru a trage cu particule de 10 micrometri către o suprafață, Tiamiyu, care a efectuat experimentele, „a putut să tragă cu aceste particule una câte una și să măsoare cu adevărat cât de repede merg ele și cât de tare lovesc”, spune Schuh.

După ce a tras cu particulele la viteze din ce în ce mai mari, le-a tăiat pentru a vedea cum a evoluat structura granulelor, până la scara nanometrică, folosind o varietate de tehnici de microscopie sofisticate de la MIT.nano, în colaborare cu specialiști în microscopie.

Rezultatul a fost descoperirea a ceea ce Schuh spune că este o „nouă cale” prin care se formează cristalele până la scara nanometrică. Noua cale, pe care ei o numesc recristalizare asistată de nano-îmbinare, este o variație a unui fenomen cunoscut în metale numit îmbinare, un tip particular de defect în care o parte a structurii cristaline își schimbă orientarea.

Este o „simetrie în oglindă și ajungi să obții aceste modele cu dungi în care metalul își schimbă orientarea, ca un model în spic”, spune el.

Cum ajută tehnica lor la crearea de metale rezistente?

Echipa a descoperit că cu cât rata acestor impacturi este mai mare, cu atât mai mult are loc acest proces, ceea ce a condus la granule din ce în ce mai mici, pe măsură ce îmbinările la scară nanometrică s-au rupt în noi granule de cristal.

În experimentele pe care le-au făcut folosind cupru, procesul de bombardare a suprafeței cu aceste particule minuscule la viteză mare ar putea crește rezistența metalului de aproximativ zece ori. „Aceasta nu este o schimbare mică a proprietăților”, spune Schuh, iar acest rezultat nu este surprinzător, deoarece este o extensie a efectului cunoscut de întărire care vine de la loviturile de ciocan ale forjării obișnuite. „Acesta este un fel de fenomen de hiper-forjare”, explică el.

În experimente, ei au putut să aplice o gamă largă de imagini și măsurători pe exact aceleași particule și locuri de impact, spune Schuh: „Așadar, ajungem să obținem o vedere multimodală. Punem lentile diferite pe aceeași regiune și exact același material, iar cu toate acestea la un loc avem o multitudine de detalii cantitative despre ceea ce se întâmplă, lucru pe care o singură tehnică nu le-ar oferi”.

Descoperirea poate fi folosită imediat

Deoarece noile descoperiri oferă îndrumări despre gradul de deformare necesar, cât de repede are loc acea deformare și temperaturile de utilizat pentru un efect maxim pentru orice metale specifice sau metode de prelucrare, acestea pot fi aplicate imediat la producția de metale rezistente în viața de zi cu zi, spune Tiamiyu.

Graficele pe care le-au produs în urma lucrărilor experimentale ar trebui să fie aplicabile în general. „Nu sunt doar linii ipotetice”, spune Tiamiyu. Pentru orice metale sau aliaje date, „dacă încercați să determinați dacă se vor forma nanogranule, este suficient să introduceți parametri” în formulele dezvoltate, iar rezultatele ar trebui să arate ce fel de structură de cristale poate fi așteptată de la ratele date de impact și temperaturile date.

Vă recomandăm să citiți și:

Fizicienii au găsit o modalitate de a declanșa strălucirea ciudată a accelerării la viteza Warp

Cum poluează microplasticele din aer cele mai îndepărtate locuri de pe Pământ?

Durata de viață a bateriilor poate fi acum prezisă cu ajutorul învățării automate

7 tehnologii din „Războiul stelelor” pe care cercetătorii le construiesc chiar acum