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Los científicos descubren nuevos mecanismos para crear metales más fuertes

El metal se puede formar en diferentes diseños en una variedad de formas, como fundición, mecanizado, laminado y forjado. Estos mecanismos afectan los tamaños y formas de los pequeños granos de cristal que componen la masa metálica, ya sea acero, aluminio o cualquier otro metal o aleación de uso común.

Por primera vez, los investigadores describen cómo se forman los finos granos cristalinos que componen la mayoría de los minerales sólidos. Dicen que comprender este proceso teóricamente podría conducir a formas de producir versiones más fuertes y livianas de metales ampliamente utilizados como el aluminio, el acero y el titanio. Crédito de la imagen: cortesía de los investigadores.

Instituto de Tecnología de Massachusetts Los científicos ahora han podido examinar qué sucede cuando estos granos de cristal se forman durante una deformación extrema en la escala más pequeña, hasta unos pocos nanómetros. Estos últimos resultados podrían conducir a mejores métodos de procesamiento que produzcan propiedades buenas y más sostenibles, como la dureza y la resistencia.

El ex postdoctorado del MIT Ahmed Tiamio (actualmente profesor asistente en la Universidad de Calgary), Christopher Shaw, Keith Nelson, James Lebow (profesores del MIT), el ex alumno Edward Pang y el actual estudiante Shi Chen han publicado los descubrimientos que permitieron a través de un estudio integral análisis de imágenes de un grupo de potentes sistemas de imagen, en materiales de la naturaleza.

En el proceso de fabricación del metal, le das cierta estructura, y esta estructura determinará sus propiedades en servicio..

Christopher Shaw, Danai y Vasilis Salabatas Profesor, Mineralogía, MIT

Cuanto más pequeño es el tamaño del grano, de hecho, más fuerte es el metal producido. Esforzarse por mejorar la resistencia y la durabilidad mediante la reducción del tamaño del grano.Ha sido un tema general en todos los metales, en todos los metales, durante los últimos 80 años.,» Él dice.

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Los metalúrgicos han utilizado durante mucho tiempo métodos experimentalmente sofisticados para reducir el tamaño de los granos en una porción de un metal sólido, generalmente impartiendo diferentes tipos de estrés al disolverlos de alguna manera. Sin embargo, es difícil hacer estos granos más estrechos.

El mecanismo principal es la recristalización, que consiste en deformar y calentar el metal. Esto da como resultado varias imperfecciones menores en toda la pieza, a saber, «Muy turbulento en todas partes‘, dice Schuh.

Todos estos defectos pueden producir espontáneamente nuevos núcleos de cristal cuando el metal se dobla y se calienta. «De esta sopa desordenada de imperfecciones pasas a nuevos cristales nucleados. Y debido a que es un núcleo, comienza muy pequeño.”, lo que da como resultado una estructura con granos mucho más pequeños, explica Schuh.

Afirma que el trabajo actual es excepcional porque describe cómo ocurre este proceso a velocidades extremadamente altas y en las escalas más pequeñas. Si bien los procesos tradicionales de formación de metales, como la forja o el laminado de láminas, pueden ser relativamente rápidos, este nuevo estudio analiza los procesos que «Varios órdenes de magnitud más rápidoShaw dice.

Usamos un láser para disparar partículas de metal a una velocidad supersónica. Decir que esto sucedió en un abrir y cerrar de ojos sería una subestimación increíble porque puedes hacer miles de esos en un abrir y cerrar de ojos..

Christopher Shaw, Danai y Vasilis Salabatas Profesor, Mineralogía, MIT

Afirma que un proceso tan rápido no es solo magia de laboratorio. «Hay procesos industriales donde las cosas pasan tan rápido. «

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Incluye procesamiento de alta velocidad, molienda de polvo metálico de alta energía y proceso de recubrimiento por pulverización en frío. en busca , «Hemos tratado de entender que el proceso de recristalización es a esos ritmos muy intensos, y debido a que los ritmos son tan altos, nadie ha podido investigarlo y observarlo sistemáticamente en ese proceso antes.,» Él dice.

Usando un sistema basado en láser para disparar partículas de 10 μm en una superficie, Tiameo, quien realizó los experimentos, «Puede liberar estas partículas una por una, midiendo qué tan rápido son y qué tan fuerte chocanShaw dice.

Usando un conjunto de tecnologías de microscopía avanzada en la instalación MIT.nano en asociación con expertos en microscopía, dispararía partículas a velocidades cada vez más rápidas y luego las separaría para estudiar cómo cambia la estructura del grano, hasta la escala nanométrica.

El resultado fue la identificación de un «nuevo camino» para la formación de granos hasta la nanoescala, según Schuh. El nuevo enfoque, llamado recristalización asistida por nanotecnología, es una versión del maclado, un evento muy conocido en los minerales en el que parte de la estructura cristalina cambia de dirección.

Eso «La simetría del espejo cambia, y terminas obteniendo estos patrones de rayas donde el metal cambia de dirección y viceversa, como un patrón de espiga«, dice. Los investigadores descubrieron que cuanto más rápido ocurren estas colisiones, más rápido ocurre este proceso, lo que resulta en granos más pequeños a medida que los «gemelos» de nanopartículas se dividen en nuevos granos de cristal.

La tecnología de chorrear la superficie con estas pequeñas partículas a alta velocidad puede aumentar diez veces la resistencia del metal en las pruebas de cobre. «Esto no es un simple cambio en las características.Eso no es sorprendente, dice Schuh, porque es una extensión del conocido efecto de endurecimiento de los golpes de martillo tradicionales. «Esta es una especie de falsificación excesiva del fenómeno del que estamos hablando.. «

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Los investigadores pudieron usar una variedad de técnicas de imagen y medición en partículas idénticas y sitios de impacto en los experimentos.

Entonces, terminamos obteniendo una presentación multimedia. Obtenemos diferentes lentes en exactamente la misma área y material, y cuando los pones todos juntos tienes una gran cantidad de detalles cuantitativos sobre lo que está pasando que una sola tecnología no proporciona..

Christopher Shaw, Danai y Vasilis Salabatas Profesor, Mineralogía, MIT

La investigación más reciente se puede aplicar de inmediato a la fabricación de metales en el mundo real, ya que ayuda con el grado de deformación requerido, la rapidez con que se produce esa deformación y las temperaturas que se deben usar para lograr el efecto máximo de cualquier metal o tecnología de procesamiento, según Tiamiyu. . Los investigadores deben poder utilizar los gráficos que han creado a partir de sus experiencias en otras situaciones.

«No son solo fuentes virtuales‘ dice Tiamiyu. Para cualquier metal o aleación en particular, ‘Si está tratando de determinar si se formarán nanopartículas o no, si tiene los parámetros, simplemente ingréselos allí.«En las fórmulas que crearon, y los resultados deberían mostrar qué tipo de estructura de grano se puede esperar a diferentes velocidades y temperaturas de impacto.

El Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Investigación Naval y el Consejo de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá contribuyeron al estudio.

Referencia de la revista:

Tiamiyú, AA, y otros. (2022) Recristalización dinámica asistida por nanohermanamiento a altas deformaciones y velocidades de deformación. materiales de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41563-022-01250-0.

fuente: https://web.mit.edu/