Điểm cách mạng trong công nghệ uốn vật liệu kim loại?

Trong gần 100 năm, các nhà khoa học nghĩ rằng họ hiểu mọi thứ cần biết về cách kim loại uốn cong. Họ đã sai.

Các nhà nghiên cứu khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Wisconsin-Madison đã chứng minh rằng các quy tắc uốn kim loại không quá khó và nhanh chóng. Họ đã mô tả phát hiện của họ vào ngày 9 tháng 8 trên tạp chí Nature Communications.

Khám phá đáng ngạc nhiên của họ không chỉ nâng cao các quan niệm trước đây về cách kim loại biến dạng, mà còn có thể giúp hướng dẫn việc tạo ra các vật liệu mạnh hơn, bền hơn.

"Điều này tạo ra những cơ hội mới cho thiết kế vật liệu", ông Izabela Szlufarska, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UW-Madison, nói. "Nó thêm một tham số khác mà chúng ta có thể kiểm soát để kích hoạt độ bền và độ dẻo."

Độ dẻo là khả năng uốn cong của kim loại. Hầu hết các cách tiếp cận để tăng độ bền của kim loại đều phải làm như vậy với chi phí linh hoạt và khi kim loại trở nên bền hơn với khả năng uốn cong, chúng có nhiều khả năng bị nứt dưới áp lực.

Tuy nhiên, cơ chế uốn cong mới của các nhà nghiên cứu có thể cho phép các kỹ sư tăng cường vật liệu mà không có nguy cơ nứt.

Đó là một tiến bộ dành sự quan tâm đặc biệt cho Quân đội Hoa Kỳ, nơi có nhu cầu cấp thiết về các vật liệu mạnh và bền để giữ an toàn cho quân đội trong các khu vực chiến đấu.

"Giáo sư Szlufarska đã mở ra một khu vực hoàn toàn mới để thăm dò thiết kế và xử lý vật liệu kết cấu", Michael Bakas, giám đốc chương trình tổng hợp và xử lý tại Văn phòng nghiên cứu quân sự thuộc Phòng thí nghiệm nghiên cứu phát triển khả năng chiến đấu của quân đội Hoa Kỳ cho biết. "Bằng cách thực hiện một khám phá có tác động cao như vậy, Giáo sư Szlufarska đã có khả năng đặt nền tảng kỹ thuật để phát triển một thế hệ vật liệu kết cấu tiên tiến mới mà cuối cùng có thể được sử dụng trong các thiết bị và phương tiện của Quân đội trong tương lai."

Các kỹ sư thường điều khiển độ bền của kim loại thông qua các kỹ thuật như gia công nguội hoặc ủ, tạo ra hiệu ứng của chúng thông qua các điểm dị tinh thể, nhưng quan trọng.

"Mọi người trong cộng đồng kim loại đều biết rằng sự sai lệch là rất quan trọng", ông Szlufarska nói.

Đó là một sự thật được tổ chức từ năm 1934, khi ba nhà nghiên cứu độc lập nhận ra rằng sự sai lệch đã giải thích một nghịch lý lâu đời: Kim loại dễ uốn cong hơn nhiều so với cấu trúc phân tử của chúng, thường có dạng lặp lại lưới ba chiều thường xuyên.

Dị tinh thể là những bất thường nhỏ trong mạng tinh thể được sắp xếp tốt của kim loại. Chúng phát sinh từ sự không phù hợp nhỏ. Hình ảnh các trang của một cuốn sách như những hàng nguyên tử, và tưởng tượng làm thế nào chồng giấy gọn gàng trở nên méo mó tại chỗ mà ai đó chèn dấu trang.

Các kim loại bình thường uốn cong vì các điểm dị tinh thể có thể di chuyển, cho phép một vật liệu biến dạng mà không bị xé toạc mọi liên kết đơn lẻ bên trong mạng tinh thể của nó cùng một lúc.

Tăng cường kỹ thuật thường hạn chế chuyển động của dị tinh thể. Vì vậy, thật là một cú sốc khi Szlufarska và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng vật liệu coban là một vật liệu đối xứng uốn cong dễ dàng, mặc dù sự sai lệch của nó đã bị khóa tại chỗ.

Hubin Luo, cựu nhà khoa học nhân viên tại phòng thí nghiệm của Szlufarska, hiện đang làm việc tại Viện Công nghệ Công nghiệp Ninh Ba, Trung Quốc, cho biết: "Người ta tin rằng vật liệu kim loại sẽ dễ vỡ hơn nếu trượt điểm dị tinh thể là rất hiếm". "Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây của chúng tôi cho thấy rằng một inter-metallic có thể bị biến dạng dẻo bởi một lượng đáng kể ngay cả khi không có dấu vết dị tinh thể."

Thay vào đó, uốn cong coban làm cho các dải hẹp hình thành bên trong mạng tinh thể, trong đó các phân tử giả định cấu hình "vô định hình" tự do thay vì cấu trúc dạng lưới thông thường trong phần còn lại của kim loại.

Những dải vô định hình cho phép kim loại uốn cong.

"Nó gần giống như bôi trơn," Szlufarska nói. "Chúng tôi dự đoán điều này trong các mô phỏng, và chúng tôi cũng đã thấy các dải cắt vô định hình trong các nghiên cứu biến dạng và thí nghiệm kính hiển vi điện tử truyền qua của chúng tôi."

Một sự kết hợp giữa mô phỏng tính toán và nghiên cứu thực nghiệm là rất quan trọng để giải thích kết quả mơ hồ, đó là lý do tại sao Szlufarska và nhóm của cô đặc biệt phù hợp để giải mã bí ẩn.

"Thường dễ dàng hơn để thực hiện các mô phỏng lý thuyết để giải thích các kết quả thí nghiệm hiện có", Hongliang Zhang, một học giả sau tiến sĩ của UW-Madison nói. "Ở đây, trước tiên chúng tôi dự đoán về mặt lý thuyết sự tồn tại của các dải cắt và vai trò của chúng trong tính dẻo trong samarium coban; đây là những hiện tượng hoàn toàn đáng ngạc nhiên. Sau đó, chúng tôi đã xác nhận những kết quả này bằng thực nghiệm với nhiều loại thí nghiệm khác nhau để kiểm tra lý thuyết của chúng tôi và chắc chắn rằng dự đoán đó là dự đoán hiện tượng thực sự có thể được quan sát trong tự nhiên. "

Các nhà nghiên cứu có kế hoạch tìm kiếm các vật liệu khác cũng có thể uốn cong theo cách kỳ dị này. Cuối cùng, họ hy vọng sẽ sử dụng hiện tượng này để điều chỉnh các tính chất của vật liệu cho độ bền và tính linh hoạt.

"Điều này có thể thay đổi cách bạn tìm kiếm để tối ưu hóa các thuộc tính vật liệu", Szlufarska nói. "Chúng tôi biết nó khác biệt, chúng tôi biết nó mới và chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể sử dụng nó."