Pionierskie badanie wykazało, że metale stają się mocniejsze, gdy są gorące

Dziękuję. Posłuchaj tego artykułu, korzystając z odtwarzacza powyżej. ✖

W kowalstwie metale są podgrzewane w celu zmielenia i rozciągnięcia w inne, bardziej złożone kształty. Dzieje się tak, ponieważ metale stają się bardziej miękkie i plastyczne pod wpływem temperatury.

Ale ta rzekoma podstawowa fizyka może nie być całą historią.

W nowym badaniu naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) odkryli, że sytuacja jest odwrotna, gdy metal uderza szybko poruszający się pocisk – im cieplejszy jest metal, tym silniejszy jest uderzenie. Po podgrzaniu do wystarczająco wysokich temperatur efekt ten jest tak silny, że miedź, zwykle bardzo miękki metal, może stać się tak wytrzymała jak stal.

Wyniki badania opublikowane w NaturaNaukowcy twierdzą, że może to prowadzić do nowego podejścia do projektowania materiałów przeznaczonych do stosowania w trudnych warunkach. Może to obejmować nowy opancerzenie do ochrony statków kosmicznych lub samolotów hipersonicznych, a także zaawansowany sprzęt do szybkich procesów produkcyjnych.

Gorące metale wytrzymują uderzenia

W swoich nowych eksperymentach naukowcy z MIT wykorzystali moc lasera do wystrzelenia maleńkich kawałków szafiru o średnicy zaledwie 10 do 20 mikronów na płaskie blachy. Korzystając z szybkich kamer, zespół był w stanie zbadać zachowanie cząsteczek podczas zderzeń i odbijania się od metalowych powierzchni.

Mierząc zmianę prędkości pomiędzy podejściem cząstek a późniejszym odbiciem od metalowych powierzchni, badacze byli w stanie obliczyć, ile energii zostało przeniesione do metalowych celów, co jest dobrym wskaźnikiem wytrzymałości powierzchniowej. Decydując się na wystrzeliwanie w metal bardzo małych cząstek, badacze byli także w stanie wyeliminować wszelkie komplikacje spowodowane przez fale uderzeniowe o dużym ciśnieniu.

W badaniu wykorzystano trzy różne płytki metalowe – miedzianą, tytanową i złotą – które uczulono w temperaturze pokojowej, 100°C i 177°C. Naukowcy odkryli, że wraz ze wzrostem temperatury testowania cząstki rubinu zaczęły silniej odbijać się, co wskazuje, że wytrzymałość powierzchniowa minerałów wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Według naukowców jest to pierwszy bezpośredni dowód eksperymentalny na ten sprzeczny z intuicją efekt termiczny.

Dlaczego ekstremalne warunki zwiększają wytrzymałość metalu?

Ten niezwykły efekt termiczny prawdopodobnie wynika ze sposobu, w jaki zorganizowane rzędy atomów w krystalicznej strukturze metalu zachowują się pod ciśnieniem.

Istnieją trzy główne efekty kontrolujące odkształcenie metali pod ciśnieniem. Pierwsze dwa – termiczny i termiczny – mają tu mniejsze znaczenie, gdyż zachowują się zgodnie z tradycyjną zależnością, w której odkształcenie wzrasta w wyższych temperaturach. Jednak trzeci czynnik, znany jako wzmocnienie oporu, wydaje się odbiegać od tego, gdy szybkość deformacji przekracza pewien próg – w tym przypadku jest to spowodowane zderzeniem z dużą prędkością z bardzo małą cząstką.

Poza tym złączem wysoka temperatura zwiększa aktywność fononów – kwazicząstek związanych z wibracjami sieci krystalicznej – w metalu. Fonony te mogą wchodzić w interakcje z zakłóceniami w sieci krystalicznej minerału, ograniczając jego zdolność do poruszania się i powodując zniekształcenia. „Im szybciej się poruszasz, tym mniej turbulencji może zareagować”. Powiedział Iana Dowdingaabsolwent MIT i pierwszy autor badania.

Naukowcy wiedzą, że musi istnieć górna granica temperatury dla tego efektu, ale nadal nie wiadomo, gdzie następuje to przed temperaturą topnienia metalu.

Mówią, że pogłębienie naszej wiedzy na temat działania tego efektu może być bardzo ważne przy projektowaniu nowych części i urządzeń, które będą narażone na trudne warunki.

„Gdybyś leciał helikopterem podczas burzy piaskowej, wiele cząstek piasku osiągnęłoby duże prędkości po uderzeniu w ostrza” – mówi Dowding, zauważając, że temperatury na głębokiej pustyni mogą być wystarczająco wysokie, aby wywołać dziwne zachowanie zwiększające opór powietrza.

Chociaż zjawisko to może być interesujące przy opracowywaniu nowych innowacji technicznych związanych z częściami metalowymi, badacze postrzegają je również jako znak, że należy bliżej zbadać inne pozornie „oczywiste” zachowania materiałów w ekstremalnych warunkach. Jeśli te właściwości zostaną po prostu ekstrapolowane na podstawie tego, co obecnie wiemy, może to prowadzić do poważnie błędnych przewidywań dotyczących zachowania części i materiałów pod ekstremalnymi naprężeniami.

odniesienie: Dowding I, Schuh ok. Metale wzmacniają się wraz ze wzrostem temperatury przy ekstremalnych szybkościach odkształcenia. Natura. 2024: 1-5. doi: 10.1038/s41586-024-07420-1

Ten artykuł jest parafrazą komunikat prasowy Opublikowane przez Massachusetts Institute of Technology. Materiał został zredagowany pod względem długości i treści.