Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) в США смогли изучить и описать ранее малоисследованный механизм процесса, при котором кристаллические зерна металла, вплоть до размеров в несколько нанометров, формируются в процессе экстремальной деформации. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
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, составляющих объемный металл, будь то сталь, алюминий или другие широко используемые металлы и сплавы.
Свойства того или иного металла зависят от его структуры – чем меньше размер зерна, тем прочнее получается металл. В течение последних 80 лет основной тенденцией в металлургии было уменьшение размера зерна для повышения прочности и ударной вязкости. Для этой цели часто используется метод перекристаллизации. Процесс включает в себя деформацию и нагрев муки, создавая небольшие дефекты по всему куску. Эти дефекты могут спонтанно образовывать зародыши новых кристаллов.
Новое исследование MIT позволило в подробностях изучить механизм, при котором кристаллические зерна формируются в процессе экстремальной деформации. Важными особенностями этой работы стало определение того, как этот процесс происходит с очень высокой скоростью и в самых малых масштабах, вплоть до уровня размеров в несколько нанометров. Исследование MIT было поддержано Министерством энергетики США, Управлением военно-морских исследований и Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады.
Профессор MIT Кристофер Шу сказал: «Мы используем лазер для запуска металлических частиц со сверхзвуковой скоростью. Столь высокоскоростной режим – не просто лабораторная диковинка: есть промышленные процессы, в которых все происходит именно с такой скоростью. К ним относятся высокоскоростная механическая обработка, высокоэнергетическое измельчение металлического порошка и метод холодного напыления для формирования покрытий. В своих экспериментах мы пытались изучить этот процесс рекристаллизации в столь жестких условиях, поскольку никто раньше не имел подобной технической возможности».
Ученые использовали систему на основе лазера, чтобы стрелять в поверхность частицами размером 10 микрометров. «Бомбардировка» такими частицами далее предполагала измерять, насколько быстро они движутся и насколько сильно ударяются. Затем применялись различные сложные методы микроскопии, чтобы увидеть эволюцию структуры зерен в нанометровом масштабе.
«Новый путь исследований, который был назван рекристаллизацией с помощью нанодвойникования, представляет собой разновидность ранее известного явления, при котором часть кристаллической структуры меняет свою ориентацию. Это своеобразный «переворот» с зеркальной симметрией, и в итоге получаются полосатые узоры наподобие «елочки», когда металл меняет свою ориентацию и снова переворачивается», – пояснил Шу.
Команда ученых обнаружила, что чем выше скорость этих ударов, тем в более широких масштабах происходил этот процесс. Причем это приводило к образованию все более мелких зерен, поскольку образуемые наноразмерные «двойники» распадались на новые кристаллические зерна.
В экспериментах, которые исследователи MIT провели с медью, процесс бомбардировки поверхности этими крошечными частицами на высокой скорости мог увеличить прочность металла примерно в десять раз. По словам Шу, это «значительное изменение в свойствах», и такой результат не удивителен, поскольку он является расширением известного эффекта упрочнения, возникающего при ударах молотом при обычной ковке.
Поскольку новые результаты дают представление о необходимой степени деформации, скорости ее возникновения и температурах, которые следует использовать для достижения максимального эффекта у любых конкретных металлов или методов обработки, их можно сразу же непосредственно применять в реальном производстве металлов.
Постдоктор MIT Ахмед Тиамиу, один из участников исследования, отметил: для любого металла или сплава «если потребуется определить, будут ли образовываться нанозерна, достаточно просто вставить имеющиеся параметры» в разработанные формулы, и результаты должны показать, какая структура зерен может быть ожидаемой в зависимости от заданных скоростей воздействия и температур.