Un nuovo studio descrive la formazione dei “grani cristallini”, e apre la strada a versioni più leggere e duttili di metalli come alluminio, acciaio e titanio
MIT Technology Review Italia
La formatura del metallo può essere eseguita in molti modi, tra cui fusione, lavorazione meccanica, laminazione e forgiatura. Questi processi influenzano le dimensioni e le forme dei minuscoli grani cristallini che compongono il metallo sfuso, sia esso acciaio, alluminio o altri metalli e leghe ampiamente utilizzati. I ricercatori del MIT hanno studiato cosa succede quando questi grani di cristallo si formano durante un processo di deformazione estrema, alle scale più piccole, fino a pochi nanometri di diametro.
La ricerca, che indica soluzioni per sviluppare qualità come la durezza e la tenacità nei materiali, è apparsa su “Nature Materials”. “Nel processo di creazione di un metallo”, afferma uno degli autori, il professore del MIT Christopher Schuh, “più piccola è la granulometria, più robusto sarà il metallo risultante. Sforzarsi di migliorare la resistenza e la tenacità riducendo le dimensioni dei grani è stato un tema generale in tutta la metallurgia negli ultimi 80 anni“.
I metallurgisti hanno applicato da tempo una varietà di metodi sviluppati empiricamente per ridurre le dimensioni dei grani in un pezzo di metallo solido, generalmente sottoponendolo a vari tipi di deformazione. Ma non è facile rimpicciolire questi grani. Il metodo principale è chiamato ricristallizzazione, in cui il metallo viene deformato e riscaldato, creando molte sottili imperfezioni che possono formare spontaneamente i nuclei di nuovi cristalli. Si passa da questa zuppa disordinata di anomalie a cristalli nucleati nuovi e di conseguenza piccoli.
La particolarità di questo lavoro, continua Schuh, è determinare come questo processo avvenga a velocità molto elevate e su scale più piccole. Mentre i tipici processi di formatura dei metalli come la forgiatura o la laminazione di lamiere possono a loro volta essere rapidi, questa nuova analisi esamina processi che sono diversi ordini di grandezza più veloci.
Con il laser, spiega Schuh, lanciamo particelle di metallo a velocità supersoniche. Ma questo tipo di processi non accadono solo in laboratorio, perché ci sono procedimenti industriali in cui si verifica esattamente la stessa cosa, come nel caso delle lavorazioni ad alta velocità, la fresatura ad alta energia di polvere di metallo e un metodo chiamato cold spray, per formare rivestimenti.
Durante gli esperimenti, grazie a un sistema basato su laser per sparare particelle da 10 micrometri su una superficie, Ahmed Tiamiyu, un ex ricercatore del MIT ora alla Calgary University, ha potuto misurare la loro velocità e la loro forza. Utilizzando una varietà di sofisticate tecniche di microscopia presso la struttura del MIT.nano, è stato in grado di esaminare la struttura del grano, fino alla scala nanometrica.
Il risultato è stata la scoperta di un nuovo percorso, che i ricercatori hanno chiamato ricristallizzazione assistita da nano gemellaggio. Si tratta di una variazione di un fenomeno noto nei metalli chiamato gemellaggio, un particolare tipo di imperfezione in cui parte della struttura cristallina cambia orientamento. Il team ha scoperto che maggiore è il tasso di questi impatti, più questo processo si è diffuso, portando a grani sempre più piccoli poiché i “gemelli” su scala nanometrica si sono frantumati in nuovi grani di cristallo.
“Si tratta di un cambiamento delle proprietà di una certa rilevanza”, dice Schuh, “e il risultato non è sorprendente poiché è un’estensione del noto effetto dell’indurimento legata ai colpi di martello della normale forgiatura.
“Poiché le nuove scoperte forniscono indicazioni sul grado di deformazione necessario, sulla velocità con cui avviene tale deformazione e sulle temperature da utilizzare per ottenere il massimo effetto per qualsiasi metallo o metodo di lavorazione specifico”, conclude Tiamiyu, “possono essere applicate direttamente alla produzione di metalli nel mondo reale”.
Immagine: Pixabay, Kepinator
(rp)