Co decyduje o wytrzymałości metali? Naukowcy MIT odkrywają ich sekrety

Naukowcy z MIT po raz pierwszy w historii opisali, jak powstają kryształki, z których składa się większość metali. Zrozumienie tego procesu może doprowadzić do powstania wytrzymalszych i lżejszych stopów.

Metale potrafią przybierać różne formy, które można im nadać na różne sposoby: odlewanie, skrawanie, walcowanie czy kucie. Procesy te wpływają na kształty maleńkich ziaren krystalicznych tworzących wszystkie metale, niezależnie od rodzaju – naukowcy z MIT zbadali, co dokładnie się z nimi dzieje podczas w najmniejszych skalach, rzędu nanometrów. To może pozwolić na ulepszenie metod wytwarzania stopów metali o określonych właściwościach. Szczegóły opisano w Nature Materials.

W procesie wytwarzania metalu nadajemy mu pewną strukturę, która będzie dyktować jego właściwości w trakcie eksploatacji. Ogólnie rzecz biorąc, im mniejsza wielkość ziarna, tym mocniejszy jest otrzymany metal. Dążenie do poprawy wytrzymałości i ciągliwości poprzez zmniejszanie wielkości ziaren „było tematem przewodnim w całej metalurgii, we wszystkich metalach, przez ostatnie 80 lat.Prof. Christopher Schuh z MIT

Metalurdzy mają swoje sposoby na zmniejszenie rozmiarów ziaren kryształów w litym metalu, ale nie można ich pomniejszać w nieskończoność. Podstawową metodą jest tzw. rekrystalizacja, w której metal jest odkształcany i podgrzewany. Powstają liczne defekty, które są „wysoce nieuporządkowane i rozproszone”. Gdy metal zostanie zdeformowany i podgrzany, defekty mogą wytworzyć zalążki nowych kryształów.

Czytaj też: Mamy prawdziwy przełom. Ten metal może naśladować inne

Przechodzimy od tej nieuporządkowanej zupy defektów do świeżo zarodkowanych kryształów. A ponieważ są one świeżo zarodkowane, zaczynają się bardzo małe, co prowadzi do powstania struktury o znacznie mniejszych ziarnach.Prof. Christopher Schuh

Teraz naukowcy z MIT jako pierwsi na świecie opisali, jak proces ten przebiega w najmniejszych (nano)skalach. Nowa analiza dotyczy procesów, które zachodzą bardzo szybko.

Używamy lasera do wystrzeliwania cząstek metalu z prędkością ponaddźwiękową. Stwierdzenie, że dzieje się to w mgnieniu oka, byłoby niewiarygodnym niedopowiedzeniem, ponieważ w mgnieniu oka można by wykonać ich tysiące. Istnieją procesy przemysłowe, w których rzeczy dzieją się z taką prędkością. Obejmują one obróbkę skrawaniem z dużymi prędkościami, wysokoenergetyczne frezowanie proszków metalowych oraz metodę formowania powłok zwaną natryskiwaniem na zimno. W swoich eksperymentach staraliśmy się zrozumieć proces rekrystalizacji przy tak ekstremalnych prędkościach, a ponieważ prędkości są tak duże, nikt wcześniej nie był w stanie zagłębić się w ten proces i przyjrzeć mu się w sposób systematyczny.Prof. Christopher Schuh

Eksperymenty przeprowadzone na miedzi pozwoliły na zwiększenie wytrzymałości metalu nawet dziesięciokrotnie. To rzutuje na zmianę właściwości metalu. Odkrycie można od razu zastosować w rzeczywistej produkcji metali.