科学家找到生产更轻、更硬、更强金属的方法

金属在受到极端变形过程中，其构成的微小晶粒会如何变化？麻省理工学院的研究人员探究了背后的秘密，这可能导致生产更轻、更硬、更强的金属版本，如钢、铝、钛和合金的方法。

将金属塑造成各种用途所需的特定形状有许多方法，包括铸造、加工、锻造和轧制。这些过程会影响构成大块金属的微小晶粒的尺寸和形状，无论是钢、铝、钛，还是其他广泛使用的金属和合金。

麻省理工学院的研究人员现在已经能够准确地分析在极端变形过程中这些晶粒形成时发生的情况，这些晶粒在最微小的尺度上，最小的直径为几纳米。新的发现可能会导致改进加工方法，以产生更好、更一致的性能，如硬度和韧性。

这些新发现是通过对一套强大的成像系统的图像进行详细分析而实现的，相关成果发表在《Nature Materials》上。作者是麻省理工学院前博士后 Ahmed Tiamiyu（现为卡尔加里大学助理教授）；麻省理工学院教授 Christopher Schuh、Keith Nelson和James LeBeau；前学生 Edward Pang；以及现任学生 Xi Chen。

Schuh 说：“在制造一种金属的过程中，你正在赋予它某种结构，而这种结构将决定它在使用中的特性。一般来说，晶粒尺寸越小，产生的金属就越强。通过缩小晶粒尺寸来努力提高强度和韧性。在过去80年里，一直是所有冶金学和所有金属的首要主题”。

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。他们说，了解这一过程，理论上可以为广泛使用的金属，如铝、钢和钛，提供生产更强、更轻版本的方法。

冶金学家长期以来一直在应用各种根据经验开发的方法来减少一块固体金属中的晶粒尺寸，通常是通过以这种或那种方式使其变形而产生各种应变。但要使这些晶粒变小并不容易。

主要的方法被称为再结晶（recrystallization），其中金属被变形和加热。这在整个作品中产生了许多小缺陷，Schuh 说这些缺陷是“高度无序的，到处都是”。

Schuh 说：“当金属被变形和加热时，所有这些缺陷可以自发地形成新的晶体核。你从这个混乱的缺陷汤到新鲜的新晶体核。由于它们是新形成的晶核，它们开始时非常小，导致结构中的晶粒小得多”。

他说，这项新工作的独特之处在于确定这一过程是如何在非常高的速度和最小的尺度上发生的。典型的金属成型过程，如锻造或轧制，可能相当快，而这项新的分析着眼于"快几个数量级"的过程。