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麻省理工學(xué)院:研究人員揭開了更強(qiáng)金屬的秘密

發(fā)布時(shí)間:2022-05-22瀏覽次數(shù):4974

研究表明,當(dāng)金屬中的晶粒在納米尺度上重新形成,從而改善金屬性能時(shí)會發(fā)生什么。

可以通過多種方式將金屬成型為各種用途所需的形狀,包括鑄造、機(jī)加工、軋制和鍛造。這些過程會影響構(gòu)成大塊金屬的微小晶粒的尺寸和形狀,無論是鋼、鋁還是其他廣泛使用的金屬和合金。


現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)能夠準(zhǔn)確研究這些晶粒在極端變形過程中形成的過程,在小的尺度上,小到幾納米。新發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致改進(jìn)加工方法,以產(chǎn)生更好、更一致的特性,如硬度和韌性。


通過對來自一套強(qiáng)大的成像系統(tǒng)的圖像進(jìn)行詳細(xì)分析,這一新發(fā)現(xiàn)成為可能,今天發(fā)表在《自然材料》雜志上,由前麻省理工學(xué)院博士后 Ahmed Tiamiyu(現(xiàn)為卡爾加里大學(xué)助理教授)撰寫;麻省理工學(xué)院教授 Christopher Schuh、Keith Nelson 和 James LeBeau;以前的學(xué)生 Edward Pang;和現(xiàn)在的學(xué)生陳曦。


“在制造金屬的過程中,你賦予它某種結(jié)構(gòu),而這種結(jié)構(gòu)將決定它在使用中的特性,”Schuh 說。一般來說,晶粒尺寸越小,所得金屬越強(qiáng)。他說,努力通過減小晶粒尺寸來提高強(qiáng)度和韌性“在過去 80 年中一直是所有冶金學(xué)、所有金屬的首要主題”。

冶金學(xué)家長期以來一直應(yīng)用各種經(jīng)驗(yàn)開發(fā)的方法來減小一塊固體金屬中的晶粒尺寸,通常是通過以一種或另一種方式變形來施加各種應(yīng)變。但要讓這些顆粒變小并不容易。

主要方法稱為再結(jié)晶,其中金屬變形和加熱。這會在整個(gè)作品中產(chǎn)生許多小缺陷,這些缺陷“高度無序且到處都是,”Danae 和 Vasilis Salapatas 冶金學(xué)教授 Schuh 說。   

當(dāng)金屬變形和加熱時(shí),所有這些缺陷都會自發(fā)形成新晶體的晶核。“你從這種雜亂無章的缺陷湯變成了新的有核晶體。而且因?yàn)樗鼈兪切鲁珊说?,所以它們開始時(shí)非常小,“導(dǎo)致結(jié)構(gòu)具有更小的晶粒,Schuh 解釋道。


他說,這項(xiàng)新工作的獨(dú)特之處在于確定了這個(gè)過程如何以非常高的速度和小的規(guī)模發(fā)生。Schuh 說,雖然鍛造或薄板軋制等典型的金屬成型工藝可能非???,但這項(xiàng)新分析著眼于“快幾個(gè)數(shù)量級”的工藝。


“我們使用激光以超音速發(fā)射金屬粒子。說它發(fā)生在眨眼之間是一種令人難以置信的輕描淡寫,因?yàn)槟憧梢栽谡Q壑g完成數(shù)千個(gè)這樣的事情,”舒赫說。


他說,如此高速的過程不僅僅是實(shí)驗(yàn)室的好奇心。“在某些工業(yè)過程中,事情確實(shí)以這種速度發(fā)生?!?nbsp;其中包括高速加工;金屬粉末的高能研磨;以及一種稱為冷噴涂的方法,用于形成涂層。在他們的實(shí)驗(yàn)中,“我們試圖了解在那些非常極端的速率下的再結(jié)晶過程,而且由于速率如此之高,以前沒有人真正能夠深入挖掘并系統(tǒng)地研究這個(gè)過程,”他說。


使用基于激光的系統(tǒng)在表面上發(fā)射 10 微米的粒子,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的 Tiamiyu “可以一次發(fā)射一個(gè)粒子,并真正測量它們的速度和撞擊的強(qiáng)度,”Schuh說。他以越來越快的速度射擊這些粒子,然后將它們切開,以觀察晶粒結(jié)構(gòu)如何演變到納米級,在 MIT.nano 設(shè)施中使用各種復(fù)雜的顯微鏡技術(shù),與顯微鏡專家合作。


結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了 Schuh 所說的“新途徑”,通過該途徑,晶粒形成了納米級。他們稱之為納米孿晶輔助重結(jié)晶的新途徑是金屬中已知現(xiàn)象的一種變體,稱為孿晶,這是一種特殊類型的缺陷,其中部分晶體結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)其方向。這是“鏡面對稱翻轉(zhuǎn),你終會得到這些條紋圖案,其中金屬翻轉(zhuǎn)其方向并再次翻轉(zhuǎn),就像人字形圖案一樣,”他說。研究小組發(fā)現(xiàn),這些影響的速率越高,這個(gè)過程發(fā)生的越多,隨著這些納米級“雙胞胎”分裂成新的晶粒,導(dǎo)致晶粒越來越小。


在他們使用銅進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,用這些微小顆粒高速轟擊表面的過程可以將金屬的強(qiáng)度提高約十倍。“這不是一個(gè)小的性能變化,”Schuh 說,這個(gè)結(jié)果并不令人驚訝,因?yàn)樗瞧胀ㄥ懺戾N擊所產(chǎn)生的已知硬化效應(yīng)的延伸。“這是我們正在談?wù)摰囊环N超鍛造現(xiàn)象?!?/span>


在實(shí)驗(yàn)中,他們能夠?qū)ν耆嗤牧W雍妥矒舻攸c(diǎn)進(jìn)行廣泛的成像和測量,Schuh 說:“因此,我們終獲得了多模態(tài)視圖。我們在相同的區(qū)域和材料上獲得了不同的鏡頭,當(dāng)你把所有這些放在一起時(shí),你就會得到關(guān)于正在發(fā)生的事情的大量定量細(xì)節(jié),而單靠一種技術(shù)是無法提供的?!?/span>


由于新發(fā)現(xiàn)提供了有關(guān)所需變形程度、變形發(fā)生速度以及任何給定特定金屬或加工方法的效果所用溫度的指導(dǎo),因此它們可以立即直接應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界的金屬生產(chǎn), 蒂米尤說。他們從實(shí)驗(yàn)工作中產(chǎn)生的圖表應(yīng)該是普遍適用的。“它們不僅僅是假設(shè)的線條,”Tiamiyu 說。對于任何給定的金屬或合金,“如果你想確定是否會形成納米顆粒,如果你有參數(shù),就把它插進(jìn)去”到他們開發(fā)的公式中,結(jié)果應(yīng)該顯示什么樣的晶粒結(jié)構(gòu)可以是根據(jù)給定的影響率和給定的溫度預(yù)期。


該研究得到了美國能源部、海軍研究辦公室和加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會的支持。


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