纳米尺度的极端探索
纳米尺度的极端探索Original Gaviota
原理 2022-05-27 05:30 Posted on 浙江
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMOhJzy8lbiaEknuf0Yk2ia46Ypj5ib8UcILntcZl6vGC82rbJTOrEhDulfeN4PnDb2h2LluIiaK8TAOw/640?wx_fmt=jpeg
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_png/tqOuxs8dsHMOhJzy8lbiaEknuf0Yk2ia46P6vrh0t9fC1kDjMsAjSXIoicibghqSlas6fvOWdhh0BPrFTQWxPWvTXQ/640?wx_fmt=png
人们已经找到了许多种方式，能够将金属加工成各种用途所需的形状，比如浇铸、机器加工、轧制和锻造等等。
如果从更微观的层面来看，这些过程会影响构成大块金属的微小晶粒的大小和形状，无论是钢和铝，还是其他广泛使用的金属和合金都是如此。
近日，一组研究团队借助一套强大的成像系统以及对图像的详细分析，已经能够准确地研究在一个极端形变的过程中，这些晶粒在最微小的尺度上（最小到几纳米）形成时发生了什么。这些新发现可能会带来加工方法的改进，从而带来更好、更一致的特性，比如更高的硬度和韧性。论文已于近日发表在《自然·材料》杂志上。
再结晶
制造一种金属的过程，其实也正赋予它某种结构，而这种结构将决定它在使用中的特性。一般来说，从微观层面来说，晶粒尺寸越小，产生的金属强度就越高。
在过去的几十年间，无论针对哪种金属，努力通过缩小晶粒尺寸来提高强度和韧性，一直是所有冶金学的首要课题之一。
长期以来，冶金学家一直采用各种根据经验得出的方法，缩小一块固体金属中的晶粒尺寸，通常的做法是以某种方式让它变形，从而产生各种应变。
但要让这些晶粒变小并不容易。一种主要的方法被称为再结晶，在这个过程中，金属会变形并被加热。这种方法会在整块金属上产生许多小瑕疵，这些瑕疵非常无序，可以说到处都是。在形变和加热时，所有这些瑕疵会自发地形成新的晶体核。由于它们是新形成的，开始时通常很小，因此结构中带有的晶粒就变得小得多。
然而，在典型的金属成形过程中，比如锻造或者薄板轧制时，这种过程发生得可能相当快。如何确定这一过程在非常高的速度下和最小的尺度上发生的细节，成了这些研究人员挑战的目标。
极端速度下的过程
在这项新的实验中，研究团队试图了解那些非常极端的速度下的再结晶过程。在此之前，还没有人真正能深入其中并系统地观察这一过程。
研究人员使用一个基于激光的系统，向一块表面以超音速的速度发射10微米的金属粒子，并测量它们的速度和撞击的力度。用科学家的话说，“眨眼之间”这样的词都无法准确描述这种速度。
探索类似的极端速度过程不仅仅是出于好奇，因为随着技术的进步，一些工业过程确实会在这种速度水平下发生，比如高速加工、金属粉末的高能研磨，以及一种被称为冷喷射的形成涂层的方法。
研究人员在实验中以越来越快的速度射出这些粒子，然后将把它们切开，借助各种精密的显微技术，观察晶粒结构是如何演变的，甚至可以深入到纳米尺度。
他们能够对完全相同的颗粒和撞击位置进行广泛的成像和测量，因此最终得到了一个多模态的视图。这就好比是用许多个机位对准了舞台中央的主角，全方位地进行观察。把所有这些信息放在一起时，就得到了有关整个过程的丰富的定量细节。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHMOhJzy8lbiaEknuf0Yk2ia46qXHZE8ulcaI1dzlwXqiar3b9OLhOdhOle7wyUDEHqpAaZPCmhde8aibQ/640?wx_fmt=jpeg研究人员首次描述了构成大多数固体金属的微小晶粒是如何形成的。了解这一过程，理论上就可以找到生产更强、更轻的广泛使用的金属（比如铝、钢和钛）的方法。（图／MIT）
他们发现了一条晶粒形成的新路径，并称之为纳米孪晶辅助的再结晶（nano-twinning assisted recrystallization）。这其实是金属中已知的孪晶现象的一种“变体”。孪晶可以理解成一种特殊的瑕疵，其中部分晶体结构翻转了方向。
团队注意到，撞击的速度越高，这种过程发生得也就越多，而随着纳米级的“双胞胎”分解成新的晶粒，晶粒也就变得越小。
在针对铜的实验中，用这些微小颗粒高速轰击表面的过程，可以让金属的强度增加约10倍。这是一种巨大的变化，但这样的结果也并不算完全出乎意料，因为它本质上就像我们平时用锤子敲打金属让它变得更坚硬一样，类似这种效果的延伸。
直接的应用
研究人员表示，这些来自实验研究的图表并不是一些假设性的线条，而是普遍适用的。
这些新发现为所需的变形程度、变形发生的速度，以及得到任何特定金属或加工方法的最大效果而使用的温度提供了指导，它们可以直接应用在现实世界的金属生产中。对于任何金属或合金，如果想知道纳米晶粒是否会形成，都可以找到在给定的撞击速率和温度下可以预期出现什么样的晶粒结构。
#创作团队：
编译：Gaviota排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2022/crystalline-grains-metals-0520#图片来源：
封面图&首图：MIT
页:
[1]