Per la prima volta, i ricercatori hanno descritto come si formano effettivamente i minuscoli grani cristallini che costituiscono la maggior parte dei metalli solidi. Comprendere questo processo, dicono, potrebbe teoricamente portare a modi per produrre versioni più forti e leggere di metalli ampiamente utilizzati come alluminio, acciaio e titanio. Credito:Massachusetts Institute of Technology
La formatura del metallo nelle forme necessarie per vari scopi può essere eseguita in molti modi, tra cui fusione, lavorazione meccanica, laminazione e forgiatura. Questi processi influenzano le dimensioni e le forme dei minuscoli grani cristallini che compongono il metallo sfuso, sia esso acciaio, alluminio o altri metalli e leghe ampiamente utilizzati.
Ora i ricercatori del MIT sono stati in grado di studiare esattamente cosa succede quando questi grani di cristallo si formano durante un processo di deformazione estrema, alle scale più piccole, fino a pochi nanometri di diametro. Le nuove scoperte potrebbero portare a metodi migliori di lavorazione per produrre proprietà migliori e più coerenti come durezza e tenacità.
Le nuove scoperte, rese possibili dall'analisi dettagliata delle immagini da una suite di potenti sistemi di imaging, sono riportate oggi sulla rivista Nature Materials , in un articolo dell'ex postdoc del MIT Ahmed Tiamiyu (ora assistente professore all'Università di Calgary); i professori del MIT Christopher Schuh, Keith Nelson e James LeBeau; l'ex studente Edward Pang; e l'attuale studente Xi Chen.
"Nel processo di creazione di un metallo, lo stai dotando di una certa struttura e quella struttura determinerà le sue proprietà in servizio", afferma Schuh. In generale, più piccola è la granulometria, più forte sarà il metallo risultante. Sforzarsi di migliorare la resistenza e la tenacità riducendo le dimensioni dei grani "è stato un tema generale in tutta la metallurgia, in tutti i metalli, negli ultimi 80 anni", afferma.
I metallurgisti hanno applicato da tempo una varietà di metodi sviluppati empiricamente per ridurre le dimensioni dei grani in un pezzo di metallo solido, generalmente impartendo vari tipi di deformazione deformandolo in un modo o nell'altro. Ma non è facile rimpicciolire questi grani.
Il metodo principale è chiamato ricristallizzazione, in cui il metallo viene deformato e riscaldato. Questo crea molti piccoli difetti in tutto il pezzo, che sono "molto disordinati e dappertutto", dice Schuh, che è il professore di metallurgia Danae e Vasilis Salapatas.
Quando il metallo viene deformato e riscaldato, allora tutti quei difetti possono formare spontaneamente i nuclei di nuovi cristalli. "Si passa da questa zuppa disordinata di difetti a cristalli nucleati appena nuovi. E poiché sono nucleati di recente, iniziano molto piccoli", portando a una struttura con grani molto più piccoli, spiega Schuh.
La particolarità del nuovo lavoro, dice, è determinare come questo processo avvenga a velocità molto elevate e su scale più piccole. Mentre i tipici processi di formatura dei metalli come la forgiatura o la laminazione di lamiere possono essere piuttosto veloci, questa nuova analisi prende in esame processi che sono "diversi ordini di grandezza più veloci", afferma Schuh.
"Usiamo un laser per lanciare particelle di metallo a velocità supersoniche. Dire che accade in un batter d'occhio sarebbe un incredibile eufemismo, perché potresti farne migliaia in un batter d'occhio", afferma Schuh.
Un processo così ad alta velocità non è solo una curiosità di laboratorio, dice. "Ci sono processi industriali in cui le cose accadono a quella velocità". Questi includono la lavorazione ad alta velocità; fresatura ad alta energia di polvere di metallo; e un metodo chiamato cold spray, per formare rivestimenti. Nei loro esperimenti, "abbiamo cercato di capire quel processo di ricristallizzazione sotto quei tassi molto estremi, e poiché i tassi sono così alti, nessuno è stato davvero in grado di scavare lì e guardare sistematicamente quel processo prima", dice.
Utilizzando un sistema basato su laser per sparare particelle da 10 micrometri su una superficie, Tiamiyu, che ha condotto gli esperimenti, "poteva sparare a queste particelle una alla volta e misurare davvero la velocità con cui vanno e quanto duramente colpiscono", Schuh dice. Scattando le particelle a velocità sempre più elevate, le apriva per vedere come si è evoluta la struttura del grano, fino alla scala nanometrica, utilizzando una varietà di sofisticate tecniche di microscopia presso la struttura del MIT.nano, in collaborazione con specialisti di microscopia.
Il risultato è stata la scoperta di quello che secondo Schuh è un "nuovo percorso" attraverso il quale i grani si stavano formando fino alla scala nanometrica. Il nuovo percorso, che chiamano ricristallizzazione assistita da nano gemellaggio, è una variazione di un fenomeno noto nei metalli chiamato gemellaggio, un particolare tipo di difetto in cui parte della struttura cristallina cambia orientamento. È un "capovolgimento della simmetria speculare, e finisci per ottenere questi motivi a strisce in cui il metallo inverte il suo orientamento e torna indietro, come un motivo a spina di pesce", dice. Il team ha scoperto che maggiore è il tasso di questi impatti, più questo processo ha avuto luogo, portando a grani sempre più piccoli poiché quei "gemelli" su scala nanometrica si sono frantumati in nuovi grani di cristallo.
Negli esperimenti che hanno fatto usando il rame, il processo di bombardamento della superficie con queste minuscole particelle ad alta velocità potrebbe aumentare di dieci volte la forza del metallo. "Questo non è un piccolo cambiamento nelle proprietà", dice Schuh, e il risultato non è sorprendente poiché è un'estensione del noto effetto dell'indurimento che deriva dai colpi di martello della normale forgiatura. "Si tratta di un tipo di fenomeno di cui stiamo parlando iper-contraffazione."
Negli esperimenti, sono stati in grado di applicare un'ampia gamma di immagini e misurazioni alle stesse identiche particelle e siti di impatto, afferma Schuh:"Quindi, finiamo per ottenere una vista multimodale. Otteniamo obiettivi diversi sulla stessa regione e materiale esatti , e quando metti tutto insieme, hai solo una ricchezza di dettagli quantitativi su ciò che sta succedendo che una singola tecnica da sola non fornirebbe."
Poiché le nuove scoperte forniscono indicazioni sul grado di deformazione necessario, sulla velocità con cui avviene tale deformazione e sulle temperature da utilizzare per ottenere il massimo effetto per qualsiasi metallo o metodo di lavorazione specifico, possono essere applicate direttamente alla produzione di metalli nel mondo reale , dice Tiamiyu. I grafici che hanno prodotto dal lavoro sperimentale dovrebbero essere generalmente applicabili. "Non sono solo linee ipotetiche", dice Tiamiyu. Per qualsiasi metallo o lega, "se stai cercando di determinare se si formeranno nanograni, se hai i parametri, inseriscilo lì" nelle formule che hanno sviluppato e i risultati dovrebbero mostrare che tipo di struttura del grano può essere previsto da date velocità di impatto e date temperature. + Esplora ulteriormente
