Forscher enthüllen ein Geheimnis stärkerer Metalle

Das Formen von Metall in die für verschiedene Zwecke benötigten Formen kann auf viele Arten erfolgen, einschließlich Gießen, Bearbeiten, Walzen und Schmieden. Diese Prozesse beeinflussen die Größe und Form der winzigen kristallinen Körner, aus denen das Massenmetall besteht, sei es Stahl, Aluminium oder andere weit verbreitete Metalle und Legierungen.

Jetzt konnten Forscher am MIT genau untersuchen, was passiert, wenn sich diese Kristallkörner während eines extremen Verformungsprozesses in kleinsten Größenordnungen bis zu einem Durchmesser von wenigen Nanometern bilden. Die neuen Erkenntnisse könnten zu verbesserten Verarbeitungsverfahren führen, um bessere und gleichmäßigere Eigenschaften wie Härte und Zähigkeit zu erzielen.

Die neuen Erkenntnisse, die durch eine detaillierte Analyse von Bildern aus einer Reihe leistungsstarker Bildgebungssysteme ermöglicht wurden, werden heute in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien, in einem Artikel des ehemaligen MIT-Postdocs Ahmed Tiamiyu (jetzt Assistenzprofessor an der Universität von Calgary); MIT-Professoren Christopher Schuh, Keith Nelson und James LeBeau; ehemaliger Student Edward Pang; und derzeitiger Student Xi Chen.

„Bei der Herstellung eines Metalls verleiht man ihm eine bestimmte Struktur, und diese Struktur bestimmt seine Eigenschaften im Gebrauch“, sagt Schuh. Im Allgemeinen gilt, je kleiner die Korngröße, desto fester das resultierende Metall. Das Streben nach einer Verbesserung der Festigkeit und Zähigkeit durch Verkleinerung der Korngrößen „ist seit 80 Jahren ein übergreifendes Thema in der gesamten Metallurgie, in allen Metallen“, sagt er.

Metallurgen wenden seit langem eine Vielzahl empirisch entwickelter Methoden an, um die Größe der Körner in einem Stück massivem Metall zu verringern, im Allgemeinen durch Aufbringen verschiedener Arten von Spannungen durch Verformen auf die eine oder andere Weise. Aber es ist nicht einfach, diese Körner kleiner zu machen.

Die primäre Methode heißt Rekristallisation, bei der das Metall verformt und erhitzt wird. Dadurch entstehen viele kleine Defekte im gesamten Stück, die „hochgradig ungeordnet und überall verteilt sind“, sagt Schuh, der Professor für Metallurgie bei Danae und Vasilis Salapatas ist.

Wenn das Metall verformt und erhitzt wird, können all diese Defekte spontan die Keime neuer Kristalle bilden. „Sie gehen von dieser unordentlichen Suppe von Defekten zu frisch neuen kernhaltigen Kristallen. Und weil sie frisch nukleiert sind, beginnen sie sehr klein“, was zu einer Struktur mit viel kleineren Körnern führt, erklärt Schuh.

Das Einzigartige an der neuen Arbeit, sagt er, ist die Bestimmung, wie dieser Prozess mit sehr hoher Geschwindigkeit und in kleinsten Maßstäben abläuft. Während typische Umformprozesse wie Schmieden oder Blechwalzen recht schnell sein können, betrachtet diese neue Analyse Prozesse, die „um mehrere Größenordnungen schneller sind“, sagt Schuh.

„Wir verwenden einen Laser, um Metallpartikel mit Überschallgeschwindigkeit zu verschießen. Zu sagen, dass dies im Handumdrehen passiert, wäre eine unglaubliche Untertreibung, denn das könnte man im Handumdrehen zu Tausenden machen“, sagt Schuh.

Ein solcher Hochgeschwindigkeitsprozess sei nicht nur eine Kuriosität im Labor, sagt er. „Es gibt industrielle Prozesse, in denen Dinge mit dieser Geschwindigkeit passieren.“ Dazu gehören Hochgeschwindigkeitsbearbeitung; Hochenergiemahlen von Metallpulver; und ein als Kaltspritzen bezeichnetes Verfahren zum Bilden von Beschichtungen. In ihren Experimenten „haben wir versucht, diesen Rekristallisationsprozess unter diesen sehr extremen Raten zu verstehen, und weil die Raten so hoch sind, war niemand wirklich in der Lage, dort einzudringen und diesen Prozess vorher systematisch zu untersuchen“, sagt er.

Tiamiyu, der die Experimente durchführte, nutzte ein laserbasiertes System, um 10-Mikrometer-Partikel auf eine Oberfläche zu schießen, „diese Partikel einzeln zu schießen und wirklich zu messen, wie schnell sie fliegen und wie hart sie auftreffen“, sagte Schuh sagt. Er schoss die Partikel mit immer schnelleren Geschwindigkeiten und schnitt sie dann auf, um zu sehen, wie sich die Kornstruktur bis in den Nanometerbereich entwickelte, indem er eine Vielzahl von ausgeklügelten Mikroskopietechniken in der MIT.nano-Einrichtung in Zusammenarbeit mit Mikroskopiespezialisten einsetzte.

Das Ergebnis war die Entdeckung eines, wie Schuh sagt, „neuartigen Weges“, durch den sich Körner bis in den Nanometerbereich bildeten. Der neue Weg, den sie Nano-Twinning-unterstützte Rekristallisation nennen, ist eine Variation eines bekannten Phänomens bei Metallen, das als Zwillinge bezeichnet wird, eine besondere Art von Defekt, bei dem ein Teil der Kristallstruktur seine Orientierung umkehrt. Es ist ein „Spiegelsymmetrie-Flip, und am Ende erhält man diese Streifenmuster, bei denen das Metall seine Ausrichtung ändert und wieder zurückkehrt, wie ein Fischgrätenmuster“, sagt er. Das Team stellte fest, dass dieser Prozess umso häufiger stattfand, je höher die Rate dieser Einschläge war, was zu immer kleineren Körnern führte, wenn sich diese nanoskaligen „Zwillinge“ in neue Kristallkörner auflösten.

In den Experimenten, die sie mit Kupfer durchführten, konnte der Prozess des Beschusses der Oberfläche mit diesen winzigen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit die Festigkeit des Metalls etwa verzehnfachen. „Das ist keine kleine Veränderung der Eigenschaften“, sagt Schuh, und das Ergebnis ist nicht verwunderlich, da es sich um eine Erweiterung des bekannten Härtungseffekts handelt, der von den Hammerschlägen des gewöhnlichen Schmiedens ausgeht. „Wir sprechen hier von einer Art Hyper-Forging-Phänomen.“

In den Experimenten konnten sie eine Vielzahl von Abbildungen und Messungen auf genau dieselben Partikel und Aufprallstellen anwenden, sagt Schuh: „So erhalten wir am Ende eine multimodale Ansicht. Wir bekommen verschiedene Linsen auf genau dieselbe Region und dasselbe Material , und wenn man all das zusammenfasst, hat man nur eine Fülle quantitativer Details darüber, was vor sich geht, die eine einzelne Technik allein nicht liefern würde.“

Da die neuen Erkenntnisse Hinweise zum erforderlichen Umformgrad, zur Geschwindigkeit dieser Umformung und zu den für die maximale Wirkung einzusetzenden Temperaturen für bestimmte Metalle oder Verarbeitungsverfahren geben, können sie direkt auf die reale Metallproduktion angewendet werden , sagt Tiamiyu. Die Graphen, die sie aus den experimentellen Arbeiten erstellt haben, sollten allgemein anwendbar sein. „Das sind nicht nur hypothetische Linien“, sagt Tiamiyu. Für beliebige Metalle oder Legierungen „wenn Sie versuchen festzustellen, ob sich Nanokörner bilden, wenn Sie die Parameter haben, fügen Sie sie einfach dort ein“ in die von ihnen entwickelten Formeln, und die Ergebnisse sollten zeigen, welche Art von Kornstruktur sein kann erwartet von gegebenen Aufprallgeschwindigkeiten und gegebenen Temperaturen.