Investigadores revelan un secreto de metales más fuertes

Investigadores revelan un secreto de metales más fuertes


21 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Dar forma al metal en las formas necesarias para varios propósitos se puede hacer de muchas maneras, incluyendo fundición, maquinado, laminado y forjado. Estos procesos afectan el tamaño y la forma de los diminutos granos cristalinos que componen el metal a granel, ya sea acero, aluminio u otros metales y aleaciones comunes.

Los investigadores del MIT ahora han podido investigar exactamente qué sucede cuando estos granos de cristal se forman durante un proceso de deformación extrema en los órdenes de magnitud más pequeños hasta un diámetro de unos pocos nanómetros. Los nuevos hallazgos podrían conducir a métodos de procesamiento mejorados para lograr propiedades mejores y más consistentes, como dureza y tenacidad.

Los nuevos hallazgos, que fueron posibles gracias a un análisis detallado de imágenes de una variedad de potentes sistemas de imágenes, se publican hoy en la revista. materiales naturales («Recristalización dinámica asistida por nanoobtención a altas deformaciones y velocidades de deformación»), en un artículo del ex postdoctorado del MIT Ahmed Tiamiyu (ahora profesor asistente en la Universidad de Calgary); los profesores del MIT Christopher Schuh, Keith Nelson y James LeBeau; el ex alumno Edward Pang; y el estudiante actual Xi Chen. pequeños granos cristalinos forman la mayoría de los metales sólidos Los investigadores han descrito por primera vez cómo se forman realmente los diminutos granos cristalinos que componen la mayoría de los metales sólidos. Comprender este proceso, dicen, teóricamente podría conducir a formas de hacer versiones más fuertes y livianas de metales comunes como el aluminio, el acero y el titanio. (Imagen: Cortesía de los investigadores)

«Cuando fabricas un metal, le das cierta estructura, y esta estructura determina sus propiedades en uso», dice Schuh. En general, cuanto menor sea el tamaño del grano, más fuerte será el metal resultante. La búsqueda para mejorar la resistencia y la tenacidad a través de tamaños de grano más pequeños «ha sido un tema generalizado en toda la metalurgia, en todos los metales, durante 80 años», dice.

Los metalúrgicos han utilizado durante mucho tiempo una variedad de métodos desarrollados empíricamente para reducir el tamaño de los granos en una pieza de metal sólido, generalmente aplicando varios tipos de tensión a través de la deformación de una forma u otra. Pero no es fácil hacer estos granos más pequeños.

El método principal se llama recristalización, en el que el metal se deforma y se calienta. Esto crea muchos pequeños defectos en toda la pieza que están «altamente desordenados y distribuidos por todas partes», dice Schuh, profesor de metalurgia en Danae y Vasilis Salapatas.

Cuando el metal se deforma y se calienta, todos estos defectos pueden nuclear espontáneamente nuevos cristales. “Pasan de esta sopa desordenada de defectos a cristales nucleados nuevos y frescos. Y debido a que están recién nucleados, comienzan siendo muy pequeños», explica Schuh, lo que da como resultado una estructura con granos mucho más pequeños.

Lo que es único sobre el nuevo trabajo, dice, es cómo este proceso funciona a velocidades muy altas y en las escalas más pequeñas. Si bien los procesos de formación típicos, como el forjado o el laminado de láminas de metal, pueden ser bastante rápidos, este nuevo análisis analiza los procesos que son «varios órdenes de magnitud más rápidos», dice Schuh.

“Usamos un láser para disparar partículas de metal a velocidades supersónicas. Decir que sucede en un abrir y cerrar de ojos sería una subestimación increíble porque podrías hacerlo por miles en un abrir y cerrar de ojos”, dice Schuh.

Un proceso de tan alta velocidad no es solo una curiosidad en el laboratorio, dice. “Hay procesos industriales en los que las cosas suceden a esta velocidad.” Estos incluyen el mecanizado de alta velocidad; molienda de alta energía de polvo metálico; y un método para formar revestimientos denominado pulverización en frío. En sus experimentos, «estábamos tratando de entender este proceso de recristalización a estas tasas tan extremas, y debido a que las tasas son tan altas, nadie pudo realmente entrar y estudiar este proceso sistemáticamente antes», dice.

Tiamiyu, quien realizó los experimentos, usó un sistema basado en láser para disparar partículas de 10 micrones a una superficie, «dispara esas partículas una a la vez y realmente mide qué tan rápido vuelan y qué tan fuerte golpean», Schuh dice. Disparó las partículas a velocidades cada vez más rápidas, luego las abrió para ver cómo la estructura del grano evolucionó hasta la escala nanométrica utilizando una variedad de técnicas de microscopía sofisticadas en las instalaciones de MIT.nano en colaboración con especialistas en microscopía.

El resultado fue el descubrimiento de lo que Schuh llama una «forma novedosa» por la cual se forman granos hasta la escala nanométrica. La nueva vía, a la que llaman recristalización asistida por nano-hermanamiento, es una variación de un fenómeno bien conocido en los metales llamado hermanamiento, un tipo especial de defecto en el que parte de la estructura cristalina invierte su orientación. Es un «cambio de simetría de espejo, y terminas con estos patrones de rayas donde el metal cambia de orientación y regresa, como un patrón de espiga», dice. El equipo descubrió que cuanto mayor era la tasa de estos impactos, más frecuente era este proceso, lo que resultaba en granos cada vez más pequeños a medida que estos ‘gemelos’ a nanoescala se descomponían en nuevos granos de cristal.

En los experimentos que realizaron con cobre, el proceso de bombardear la superficie con estas diminutas partículas a altas velocidades podría aumentar la resistencia del metal unas diez veces. «No es un cambio pequeño en las propiedades», dice Schuh, y el resultado no es sorprendente, ya que es una extensión del conocido efecto de endurecimiento producido por los golpes de martillo en la forja ordinaria. «Estamos hablando de una especie de fenómeno de hiperforja aquí».

En los experimentos, pudieron aplicar una amplia gama de imágenes y mediciones exactamente a las mismas partículas y sitios de impacto, dice Schuh: «Al final, obtenemos una vista multimodal. Obtenemos diferentes lentes para exactamente la misma región y el mismo material, y cuando los pones todos juntos, solo tienes una gran cantidad de detalles cuantitativos sobre lo que está sucediendo que una sola técnica por sí sola no podría proporcionar”.

Debido a que los nuevos hallazgos brindan orientación sobre el grado de deformación requerido, la tasa de esa deformación y las temperaturas que deben usarse para metales específicos o métodos de procesamiento para obtener el máximo efecto, pueden aplicarse directamente a la producción de metales del mundo real, dice Tiamiyu. . Los gráficos que crearon a partir del trabajo experimental deberían ser de aplicación general. «Estas no son solo líneas hipotéticas», dice Tiamiyu. Para cualquier metal o aleación, «si está tratando de determinar si se formarán nanogranos, si tiene los parámetros, simplemente conéctelos allí» en las fórmulas que han desarrollado, y los resultados deberían mostrar qué tipo de estructura de grano es. presente puede esperarse de velocidades de impacto dadas y temperaturas dadas.



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