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(huì)發(fā)生什么。

可以通過(guò)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(guò)程會(huì)影響構(gòu)成大塊金屬的微小晶粒的尺寸和形狀，無(wú)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(guò)程中形成的過(guò)程，在小的尺度上，小到幾納米。新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)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(guò)對(duì)來(lái)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(xiě)；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(guò)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(shuō)。一般來(lái)說(shuō)，晶粒尺寸越小，所得金屬越強(qiáng)。他說(shuō)，努力通過(guò)減小晶粒尺寸來(lái)提高強(qiáng)度和韌性“在過(guò)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(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用各種經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的方法來(lái)減小一塊固體金屬中的晶粒尺寸，通常是通過(guò)以一種或另一種方式變形來(lái)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(chēng)為再結(jié)晶，其中金屬變形和加熱。這會(huì)在整個(gè)作品中產(chǎn)生許多小缺陷，這些缺陷“高度無(wú)序且到處都是，”Danae 和 Vasilis Salapatas 冶金學(xué)教授 Schuh 說(shuō)。   

當(dāng)金屬變形和加熱時(shí)，所有這些缺陷都會(huì)自發(fā)形成新晶體的晶核。“你從這種雜亂無(wú)章的缺陷湯變成了新的有核晶體。而且因?yàn)樗鼈兪切鲁珊说模运鼈冮_(kāi)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(shuō)，這項(xiàng)新工作的獨(dú)特之處在于確定了這個(gè)過(guò)程如何以非常高的速度和小的規(guī)模發(fā)生。Schuh 說(shuō)，雖然鍛造或薄板軋制等典型的金屬成型工藝可能非常快，但這項(xiàng)新分析著眼于“快幾個(gè)數(shù)量級(jí)”的工藝。

“我們使用激光以超音速發(fā)射金屬粒子。說(shuō)它發(fā)生在眨眼之間是一種令人難以置信的輕描淡寫(xiě)，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(shuō)。

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

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(cè)量它們的速度和撞擊的強(qiáng)度，”Schuh說(shuō)。他以越來(lái)越快的速度射擊這些粒子，然后將它們切開(kāi)，以觀察晶粒結(jié)構(gòu)如何演變到納米級(jí)，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(zhuān)家合作。

結(jié)果是發(fā)現(xiàn)了 Schuh 所說(shuō)的“新途徑”，通過(guò)該途徑，晶粒形成了納米級(jí)。他們稱(chēng)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(chēng)為孿晶，這是一種特殊類(lèi)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(duì)稱(chēng)翻轉(zhuǎn)，你終會(huì)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(shuō)。研究小組發(fā)現(xiàn)，這些影響的速率越高，這個(gè)過(guò)程發(fā)生的越多，隨著這些納米級(jí)“雙胞胎”分裂成新的晶粒，導(dǎo)致晶粒越來(lái)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(guò)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(shuō)，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。”

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(cè)量，Schuh 說(shuō)：“因此，我們終獲得了多模態(tài)視圖。我們?cè)谙嗤膮^(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(huì)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(wú)法提供的。”

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(shuō)。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(shuō)。對(duì)于任何給定的金屬或合金，“如果你想確定是否會(huì)形成納米顆粒，如果你有參數(shù)，就把它插進(jìn)去”到他們開(kāi)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(guó)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(huì)的支持。