Het vormen van metaal in de vormen die nodig zijn voor verschillende doeleinden kan op vele manieren worden gedaan, waaronder gieten, machinaal bewerken, walsen en smeden. Deze processen beïnvloeden de afmetingen en vormen van de kleine kristallijne korrels waaruit het bulkmetaal bestaat, of het nu staal, aluminium of andere veelgebruikte metalen en legeringen zijn.

Nu zijn onderzoekers van het MIT in staat geweest om precies te bestuderen wat er gebeurt als deze kristalkorrels zich vormen tijdens een extreem vervormingsproces, op de kleinste schalen, tot enkele nanometers in doorsnee. De nieuwe bevindingen kunnen leiden tot verbeterde verwerkingsmethoden om betere, consistentere eigenschappen zoals hardheid en taaiheid te produceren.

De nieuwe bevindingen, mogelijk gemaakt door gedetailleerde analyse van afbeeldingen van een reeks krachtige beeldvormingssystemen, worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Nature Materials , in een paper van voormalig MIT-postdoc Ahmed Tiamiyu (nu assistent-professor aan de Universiteit van Calgary); MIT-professoren Christopher Schuh, Keith Nelson en James LeBeau; oud-student Edward Pang; en huidige student Xi Chen.

"Tijdens het maken van een metaal geef je het een bepaalde structuur, en die structuur bepaalt de eigenschappen ervan tijdens het gebruik", zegt Schuh. Over het algemeen geldt:hoe kleiner de korrelgrootte, hoe sterker het resulterende metaal. Streven naar het verbeteren van sterkte en taaiheid door de korrelgroottes kleiner te maken "is de afgelopen 80 jaar een overkoepelend thema geweest in alle metallurgie, in alle metalen", zegt hij.

Metallurgen hebben lang een verscheidenheid aan empirisch ontwikkelde methoden toegepast om de grootte van de korrels in een stuk massief metaal te verkleinen, in het algemeen door verschillende soorten spanning te geven door het op de een of andere manier te vervormen. Maar het is niet eenvoudig om deze korrels kleiner te maken.

De primaire methode wordt herkristallisatie genoemd, waarbij het metaal wordt vervormd en verwarmd. Dit zorgt voor veel kleine defecten in het hele stuk, die "zeer ongeordend en overal zijn", zegt Schuh, de Danae en Vasilis Salapatas hoogleraar metallurgie.

Wanneer het metaal wordt vervormd en verwarmd, kunnen al die defecten spontaan de kernen van nieuwe kristallen vormen. "Je gaat van deze rommelige soep van defecten naar vers nieuwe genucleëerde kristallen. En omdat ze vers genucleëerd zijn, beginnen ze heel klein", wat leidt tot een structuur met veel kleinere korrels, legt Schuh uit.

Uniek aan het nieuwe werk, zegt hij, is het bepalen hoe dit proces op zeer hoge snelheid en op de kleinste schaal verloopt. Terwijl typische metaalvormende processen zoals smeden of plaatwalsen vrij snel kunnen zijn, kijkt deze nieuwe analyse naar processen die "verschillende ordes van grootte sneller zijn", zegt Schuh.

"We gebruiken een laser om metaaldeeltjes met supersonische snelheden te lanceren. Zeggen dat het in een oogwenk gebeurt, zou een ongelooflijk understatement zijn, want je zou duizenden van deze in een oogwenk kunnen doen", zegt Schuh.

Zo'n snel proces is niet alleen een curiositeit in het laboratorium, zegt hij. "Er zijn industriële processen waar dingen met die snelheid gebeuren." Deze omvatten machinale bewerking op hoge snelheid; high-energy malen van metaalpoeder; en een methode genaamd koude spray, voor het vormen van coatings. In hun experimenten, "hebben we geprobeerd dat herkristallisatieproces onder die zeer extreme snelheden te begrijpen, en omdat de snelheden zo hoog zijn, is niemand echt in staat geweest om daar eerder in te graven en systematisch naar dat proces te kijken", zegt hij.

Met behulp van een lasergebaseerd systeem om deeltjes van 10 micrometer op een oppervlak te schieten, kon Tiamiyu, die de experimenten uitvoerde, "deze deeltjes een voor een afschieten en echt meten hoe snel ze gaan en hoe hard ze raken," Schuh zegt. Hij schoot de deeltjes met steeds hogere snelheden en sneed ze vervolgens open om te zien hoe de korrelstructuur evolueerde, tot op nanometerschaal, met behulp van een verscheidenheid aan geavanceerde microscopietechnieken in de MIT.nano-faciliteit, in samenwerking met microscopiespecialisten.

Het resultaat was de ontdekking van wat Schuh zegt dat een "nieuw pad" is waardoor korrels zich vormden tot op nanometerschaal. De nieuwe route, die zij door nano-twinning geassisteerde herkristallisatie noemen, is een variatie op een bekend fenomeen in metalen dat twinning wordt genoemd, een bepaald soort defect waarbij een deel van de kristallijne structuur van richting verandert. Het is een "spiegelsymmetrie-flip, en je krijgt uiteindelijk deze gestreepte patronen waarbij het metaal zijn oriëntatie omdraait en weer terugklapt, als een visgraatpatroon", zegt hij. Het team ontdekte dat hoe hoger de snelheid van deze effecten, hoe meer dit proces plaatsvond, wat leidde tot steeds kleinere korrels toen die nanoschaal "tweelingen" uiteenvielen in nieuwe kristalkorrels.

In de experimenten die ze deden met koper, kon het proces van het met hoge snelheid bombarderen van het oppervlak met deze kleine deeltjes de sterkte van het metaal ongeveer vertienvoudigen. "Dit is geen kleine verandering in eigenschappen", zegt Schuh, en dat resultaat is niet verrassend, omdat het een uitbreiding is van het bekende effect van verharding dat afkomstig is van de hamerslagen van gewoon smeden. "Dit is een soort hyper-smeden soort fenomeen waar we het over hebben."

In de experimenten konden ze een breed scala aan beeldvorming en metingen toepassen op exact dezelfde deeltjes en inslaglocaties, zegt Schuh:"Dus we krijgen uiteindelijk een multimodaal beeld. We krijgen verschillende lenzen op exact dezelfde regio en hetzelfde materiaal , en als je dat allemaal bij elkaar optelt, heb je een schat aan kwantitatieve details over wat er gaande is dat een enkele techniek alleen niet zou bieden."

Omdat de nieuwe bevindingen richtlijnen geven over de mate van vervorming die nodig is, hoe snel die vervorming plaatsvindt en de temperaturen die moeten worden gebruikt voor een maximaal effect voor bepaalde specifieke metalen of verwerkingsmethoden, kunnen ze direct worden toegepast op de echte metaalproductie , zegt Tiamiyu. De grafieken die ze uit het experimentele werk hebben gemaakt, moeten algemeen toepasbaar zijn. "Het zijn niet alleen hypothetische lijnen", zegt Tiamiyu. Voor bepaalde metalen of legeringen geldt:"als je probeert te bepalen of nanokorrels zich zullen vormen, als je de parameters hebt, plaats het dan gewoon erin" in de formules die ze hebben ontwikkeld, en de resultaten zouden moeten laten zien wat voor soort korrelstructuur kan zijn verwacht van de gegeven impactsnelheden en gegeven temperaturen. + Verder verkennen

Studie laat zien hoe gespoten metaalcoatings blijven plakken