麻省理工学院科学家揭开了更强金属的秘密

诸平

Fig. 1 Researchers at MIT have discovered exactly how the tiny crystalline grains that make up metal form when subjected to an extreme deformation process. This can lead to ways of producing lighter, harder, and stronger versions of metals such as steel, aluminum, titanium, and alloys.

Fig. 2 For the first time, researchers have described how the tiny crystalline grains that make up most solid metals actually form. Understanding this process, they say, could theoretically lead to ways of producing stronger, lighter versions of widely used metals such as aluminum, steel, and titanium. Credit: Courtesy of the researchers

据美国麻省理工学院大卫·钱德勒（ David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年5月22日报道，麻省理工学院科学家揭开了更强金属的秘密（MIT Scientists Unveil a Secret of Stronger Metals）。麻省理工学院的研究人员已经准确地发现了构成金属的微小晶体颗粒在受到极端变形过程时是如何形成的(Fig. 1)。这样就可以生产出更轻、更硬、更坚固的金属，如钢、铝、钛和合金。

新的研究表明，当金属中的晶粒在纳米尺度上发生改变时，会发生什么，从而改善金属性能。

将金属成形成各种用途所需的特定形状有多种方法，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大小和形状，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(MIT)的研究人员现在已经能够准确分析在极端变形过程中，这些晶体颗粒形成时发生了什么，在最小的尺度上，直径可达几纳米。这些新发现可能导致加工方法的改进，以生产更好、更一致的性能，如硬度和韧性。

这项新发现是通过对一套功能强大的成像系统的图像进行详细分析而得以实现的，相关研究结果于2022年5月19日已经在《自然材料》(Nature Materials)杂志网站发表——Ahmed A. Tiamiyu, Edward L. Pang, Xi Chen, James M. LeBeau, Keith A. Nelson, Christopher A. Schuh. Nanotwinning-assisted dynamic recrystallization at high strains and strain rates. Nature Materials, Published: 19 May 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01250-0. https://www.nature.com/articles/s41563-022-01250-0

在这篇论文中，第一作者是麻省理工学院前博士后艾哈迈德·提亚米尤(Ahmed A. Tiamiyu)，现为加拿大卡尔加里大学（University of Calgary, Alberta, Canada）的助理教授;麻省理工学院克里斯托弗·舒赫（ Christopher A. Schuh）教授、基思·尼尔森（Keith Nelson）教授和詹姆斯·勒博（James LeBeau）教授;前学生 Edward L. Pang以及在读生陈曦（Xi Chen音译）。

通讯作者克里斯托弗·舒赫教授说：“在制造金属的过程中，你赋予了它某种特定的结构，而这种结构将决定它在使用中的性能。”一般来说，晶粒越小，得到的金属越硬。他说，努力通过减小晶粒尺寸来提高强度和韧性“在过去80年里一直是所有冶金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体颗粒是如何形成的。他们说，了解这一过程，理论上可以找到生产更坚固、更轻的广泛使用的金属的方法，如铝、钢和钛。详见研究人员提供的照片图2（Fig. 2）所示。

冶金学家长期以来一直应用各种经验开发的方法来减小一块固体金属中晶粒的尺寸，通常是通过以这样或那样的方式使其变形，从而施加各种应变。但让这些颗粒变小并不容易。

最主要的方法是再结晶，即对金属进行变形和加热。这在整件作品中造成了许多小缺陷，这些缺陷“非常无序，到处都是，”克里斯托弗·舒赫教授说，他是Danae和Vasilis Salapatas的冶金学教授（Danae and Vasilis Salapatas Professor of Metallurgy）。

当金属变形并受热时，所有这些缺陷就会自发地形成新的晶核。“你从这一团杂乱的缺陷变成了新的有核晶体。因为它们是新成核的，所以一开始很小，”这导致了颗粒更小的结构，克里斯托弗·舒赫解释说。

他说，这项新工作的独特之处在于，它确定了这一过程是如何在非常高速和最小的尺度下发生的。虽然典型的金属成形过程，如锻造或薄板轧制，可能是相当快的，但这项新的分析着眼于过程是“快了几个数量级，”克里斯托弗·舒赫说，“我们使用激光以超音速（supersonic speeds）发射金属粒子。说它发生在一眨眼之间是一个难以置信的轻描淡写，因为你可以在一眨眼的瞬间里，有成千上万个这样的事情已经完成。”

他说，这样一个高速的过程不仅仅是实验室里的奇事。“在某些工业过程中，事情确实会以这种速度发生。”这些包括高速加工（high-speed machining）;金属粉末的高能研磨（high-energy milling of metal powder）;还有一种叫做冷喷涂（cold spray）的方法，用来形成涂层。在他们的实验中，“我们试图理解在极端速率下的再结晶过程，因为速率如此之高，以前没有人真正能够深入研究并系统地观察这个过程，”他说。

使用基于激光的系统向表面发射10 μm的粒子，进行此实验的艾哈迈德·提亚米尤说，“可以一次发射一个粒子，并真正测量它们的速度和撞击的强度。”他以更快的速度发射这些粒子，然后将它们切开，利用麻省理工学院各种复杂的显微镜技术，与显微镜专家合作，观察颗粒结构是如何进化到纳米级别的。

结果发现了克里斯托弗·舒赫教授所说的一种“新途径”，通过这种途径，颗粒可以形成纳米级别。他们称之为纳米孪晶辅助再结晶（nano-twinning assisted recrystallization）的新途径，是一种已知的金属孪晶现象的变体，这是一种特殊的缺陷，在这种缺陷中，部分晶体结构翻转了方向。这是一种“镜像对称翻转（mirror symmetry flip），当金属翻转方向后，你最终会得到这些条纹图案，就像人字纹一样，”他说。研究小组发现，撞击的频率越高，这一过程发生的越多，导致颗粒越来越小，因为这些纳米级的“孪生子”分裂成新的晶体颗粒。

在他们用铜做的实验中，用这些微小颗粒高速轰击表面的过程可以使金属的强度增加约十倍。“这在性能上不是一个小的变化，”克里斯托弗·舒赫说，这个结果并不令人惊讶，因为这是已知的来自普通锻件锤击的硬化效应的延伸。“这是一种我们正在谈论的超锻造现象（hyper-forging type of phenomenon）。”

在实验中，他们能够对完全相同的粒子和撞击地点应用广泛的成像和测量，克里斯托弗·舒赫说:“所以，我们最终得到了一个多模态视图（multimodal view）。我们在相同的区域和材料上获得了不同的镜头，当你把所有这些放在一起时，你就有了关于发生了什么事情的丰富的定量细节，这是单一技术无法提供的。”

艾哈迈德·提亚米尤说，由于新发现提供了关于所需变形程度、变形发生的速度以及为任何特定金属或加工方法发挥最大效果所需的温度的指导，它们可以直接应用于现实世界的金属生产。他们从实验工作中得出的图表应该是普遍适用的。“它们不只是假设的台词，”艾哈迈德·提亚米尤说。对于任何给定的金属或合金,“如果你想确定纳米颗粒将如何形成,如果你有参数,就把它输入到”为他们开发的公式中,结果应该显示什么类型的晶粒结构，可以从给定的撞击率和温度来进行预测的。

这项研究得到了美国能源部（U.S. Department of Energy：DE-SC0018091）、海军研究办公室（Office of Naval Research DURIP：grant no. N00014-13-1-0676 ）、空军科学研究处（Air Force Office of Scientific Research：FA9550-20-0066）、美国国家科学基金会研究生研究资助项目（NSF Graduate Research Fellowship Program: no. DGE-1745302）、美国国家科学基金会（National Science Foundation under NSF award no. ECCS-2025158）；加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada）以及加拿大自然科学与工程研究理事会博士后奖学金（Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada Postdoctoral Fellowship）的资助。

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Abstract

Grain refinement is a widely sought-after feature of many metal production processes and frequently involves a process of recrystallization. Some processing methods use very high strain rates and high strains to refine the grain structure into the nanocrystalline regime. However, grain refinement processes are not clear in these extreme conditions, which are hard to study systematically. Here, we access those extreme conditions of strain and strain rate using single copper microparticle impact events with a laser-induced particle impact tester. Using a combined dictionary-indexing electron backscatter diffraction and scanning transmission electron microscopy approach for postmortem characterization of impact sites, we systematically explore increasing strain levels and observe a recrystallization process that is facilitated by nanotwinning, which we term nanotwinning-assisted dynamic recrystallization. It achieves much finer grain sizes than established modes of recrystallization and therefore provides a pathway to the finest nanocrystalline grain sizes through extreme straining processes.