शोधकर्ताओं ने मजबूत धातुओं के रहस्य का खुलासा किया

21 मई 2022

(नैनोवर्क समाचार) विभिन्न प्रयोजनों के लिए आवश्यक आकृतियों में धातु का निर्माण कई तरीकों से किया जा सकता है, जिसमें कास्टिंग, मशीनिंग, रोलिंग और फोर्जिंग शामिल हैं। ये प्रक्रियाएं छोटे क्रिस्टलीय अनाज के आकार और आकार को प्रभावित करती हैं जो थोक धातु बनाते हैं, चाहे वह स्टील, एल्यूमीनियम या अन्य व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली धातु और मिश्र धातु हो।

अब एमआईटी के शोधकर्ता यह अध्ययन करने में सक्षम हैं कि क्या होता है क्योंकि ये क्रिस्टल अनाज अत्यधिक विरूपण प्रक्रिया के दौरान, सबसे छोटे पैमाने पर, कुछ नैनोमीटर तक नीचे होते हैं। नए निष्कर्षों से बेहतर, अधिक सुसंगत गुणों जैसे कठोरता और क्रूरता का उत्पादन करने के लिए प्रसंस्करण के बेहतर तरीके हो सकते हैं।

शक्तिशाली इमेजिंग सिस्टम के एक सूट से छवियों के विस्तृत विश्लेषण द्वारा संभव किए गए नए निष्कर्ष आज जर्नल में रिपोर्ट किए गए हैं प्रकृति सामग्री (“नैनोटविनिंग-असिस्टेड डायनेमिक रीक्रिस्टलाइज़ेशन एट हाई स्ट्रेन एंड स्ट्रेन रेट्स”), पूर्व एमआईटी पोस्टडॉक अहमद तियामियू (अब कैलगरी विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर) के एक पेपर में; एमआईटी के प्रोफेसर क्रिस्टोफर शुह, कीथ नेल्सन और जेम्स लेब्यू; पूर्व छात्र एडवर्ड पैंग; और वर्तमान छात्र शी चेन। छोटे क्रिस्टलीय अनाज सबसे ठोस धातु बनाते हैं पहली बार, शोधकर्ताओं ने वर्णन किया है कि सबसे ठोस धातु बनाने वाले छोटे क्रिस्टलीय अनाज वास्तव में कैसे बनते हैं। वे कहते हैं कि इस प्रक्रिया को समझने से सैद्धांतिक रूप से एल्यूमीनियम, स्टील और टाइटेनियम जैसी व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली धातुओं के मजबूत, हल्के संस्करणों के उत्पादन के तरीकों का नेतृत्व किया जा सकता है। (छवि: शोधकर्ताओं के सौजन्य से)

“एक धातु बनाने की प्रक्रिया में, आप इसे एक निश्चित संरचना के साथ संपन्न कर रहे हैं, और यह संरचना सेवा में इसके गुणों को निर्देशित करेगी,” शूह कहते हैं। सामान्य तौर पर, अनाज का आकार जितना छोटा होता है, परिणामी धातु उतनी ही मजबूत होती है। अनाज के आकार को छोटा करके ताकत और कठोरता में सुधार करने का प्रयास “पिछले 80 वर्षों से सभी धातुओं में, सभी धातुओं में एक व्यापक विषय रहा है,” वे कहते हैं।

धातुकर्मी लंबे समय से ठोस धातु के एक टुकड़े में अनाज के आकार को कम करने के लिए विभिन्न प्रकार के अनुभवजन्य रूप से विकसित तरीकों को लागू करते हैं, आमतौर पर इसे एक या दूसरे तरीके से विकृत करके विभिन्न प्रकार के तनाव प्रदान करते हैं। लेकिन इन अनाजों को छोटा करना आसान नहीं है।

प्राथमिक विधि को पुन: क्रिस्टलीकरण कहा जाता है, जिसमें धातु को विकृत और गर्म किया जाता है। यह पूरे टुकड़े में कई छोटे दोष पैदा करता है, जो “अत्यधिक अव्यवस्थित और सभी जगह” हैं, शू कहते हैं, जो धातु विज्ञान के डाने और वासिलिस सलापाटस प्रोफेसर हैं।

जब धातु को विकृत और गर्म किया जाता है, तो वे सभी दोष स्वतः ही नए क्रिस्टल के नाभिक का निर्माण कर सकते हैं। “आप दोषों के इस गन्दा सूप से ताजा ताजा न्यूक्लियेटेड क्रिस्टल में जाते हैं। और क्योंकि वे हौसले से न्यूक्लियेटेड हैं, वे बहुत छोटे से शुरू करते हैं, “बहुत छोटे अनाज के साथ एक संरचना की ओर अग्रसर, शुह बताते हैं।

उनका कहना है कि नए काम के बारे में जो अनोखा है, वह यह निर्धारित कर रहा है कि यह प्रक्रिया बहुत तेज गति और सबसे छोटे पैमाने पर कैसे होती है। जबकि फोर्जिंग या शीट रोलिंग जैसी विशिष्ट धातु बनाने की प्रक्रिया काफी तेज हो सकती है, यह नया विश्लेषण उन प्रक्रियाओं को देखता है जो “तीव्र परिमाण के कई क्रम” हैं, शू कहते हैं।

“हम सुपरसोनिक गति से धातु के कणों को लॉन्च करने के लिए लेजर का उपयोग करते हैं। यह कहना कि यह पलक झपकते ही होता है, एक अविश्वसनीय समझ होगी, क्योंकि आप इनमें से हजारों पलक झपकते ही कर सकते हैं, ”शूह कहते हैं।

वे कहते हैं कि इस तरह की हाई-स्पीड प्रक्रिया सिर्फ एक प्रयोगशाला जिज्ञासा नहीं है। “ऐसी औद्योगिक प्रक्रियाएं हैं जहां चीजें उस गति से होती हैं।” इनमें हाई-स्पीड मशीनिंग शामिल है; धातु पाउडर की उच्च ऊर्जा मिलिंग; और कोटिंग बनाने के लिए कोल्ड स्प्रे नामक एक विधि। अपने प्रयोगों में, “हमने यह समझने की कोशिश की है कि बहुत ही चरम दरों के तहत पुनर्रचना प्रक्रिया, और क्योंकि दरें इतनी अधिक हैं, कोई भी वास्तव में वहां खुदाई करने और उस प्रक्रिया को पहले व्यवस्थित रूप से देखने में सक्षम नहीं है,” वे कहते हैं।

सतह पर 10-माइक्रोमीटर कणों को शूट करने के लिए एक लेजर-आधारित प्रणाली का उपयोग करते हुए, तियामियू, जिन्होंने प्रयोग किए, “इन कणों को एक बार में शूट कर सकते थे, और वास्तव में माप सकते थे कि वे कितनी तेजी से जा रहे हैं और वे कितनी मेहनत करते हैं,” शूह कहते हैं। कणों को हमेशा तेज गति से शूटिंग करते हुए, वह माइक्रोस्कोपी विशेषज्ञों के सहयोग से एमआईटी.नैनो सुविधा में विभिन्न परिष्कृत माइक्रोस्कोपी तकनीकों का उपयोग करके, नैनोमीटर पैमाने पर अनाज संरचना कैसे विकसित हुई, यह देखने के लिए उन्हें खोल देगा।

नतीजा यह था कि शू जो कहते हैं, वह एक “उपन्यास मार्ग” है जिसके द्वारा अनाज नैनोमीटर पैमाने पर बन रहे थे। नया मार्ग, जिसे वे नैनो-ट्विनिंग असिस्टेड रीक्रिस्टलाइज़ेशन कहते हैं, ट्विनिंग नामक धातुओं में एक ज्ञात घटना का रूपांतर है, एक विशेष प्रकार का दोष जिसमें क्रिस्टलीय संरचना का हिस्सा अपने अभिविन्यास को फ़्लिप करता है। यह एक “दर्पण समरूपता फ्लिप है, और आप अंत में इन धारीदार पैटर्न प्राप्त करते हैं जहां धातु अपने अभिविन्यास को फ़्लिप करता है और हेरिंगबोन पैटर्न की तरह फिर से फ़्लिप करता है,” वे कहते हैं। टीम ने पाया कि इन प्रभावों की दर जितनी अधिक होगी, यह प्रक्रिया उतनी ही अधिक होगी, जिससे छोटे अनाज बन गए क्योंकि वे नैनोस्केल “जुड़वां” नए क्रिस्टल अनाज में टूट गए।

तांबे का उपयोग करते हुए उन्होंने जो प्रयोग किए, उनमें इन छोटे कणों के साथ उच्च गति पर सतह पर बमबारी करने की प्रक्रिया धातु की ताकत को लगभग दस गुना बढ़ा सकती है। “यह गुणों में एक छोटा बदलाव नहीं है,” शू कहते हैं, और यह परिणाम आश्चर्यजनक नहीं है क्योंकि यह सामान्य फोर्जिंग के हथौड़े के वार से आने वाले सख्त के ज्ञात प्रभाव का विस्तार है। “यह एक हाइपर-फोर्जिंग प्रकार की घटना है जिसके बारे में हम बात कर रहे हैं।”

प्रयोगों में, वे ठीक उसी कणों और प्रभाव साइटों पर इमेजिंग और माप की एक विस्तृत श्रृंखला को लागू करने में सक्षम थे, शू कहते हैं: “तो, हम एक बहुआयामी दृश्य प्राप्त करते हैं। हमें एक ही सटीक क्षेत्र और सामग्री पर अलग-अलग लेंस मिलते हैं, और जब आप उन सभी को एक साथ रखते हैं, तो आपके पास मात्रात्मक विवरण की समृद्धि होती है कि क्या हो रहा है जो कि केवल एक तकनीक प्रदान नहीं करेगी। ”

चूंकि नए निष्कर्ष आवश्यक विरूपण की डिग्री के बारे में मार्गदर्शन प्रदान करते हैं, विरूपण कितनी तेजी से होता है, और किसी भी विशिष्ट धातु या प्रसंस्करण विधियों के लिए अधिकतम प्रभाव के लिए तापमान का उपयोग करने के लिए, उन्हें सीधे वास्तविक दुनिया धातु उत्पादन पर लागू किया जा सकता है , तियामियू कहते हैं। प्रायोगिक कार्य से उनके द्वारा बनाए गए रेखांकन आम तौर पर लागू होने चाहिए। “वे सिर्फ काल्पनिक रेखाएँ नहीं हैं,” तियामियू कहते हैं। किसी दिए गए धातु या मिश्र धातुओं के लिए, “यदि आप यह निर्धारित करने की कोशिश कर रहे हैं कि क्या नैनोग्रेन बनेंगे, यदि आपके पास पैरामीटर हैं, तो बस इसे वहां स्लॉट करें” उनके द्वारा विकसित किए गए सूत्रों में, और परिणाम दिखाना चाहिए कि किस प्रकार की अनाज संरचना हो सकती है प्रभाव की दी गई दरों और दिए गए तापमान से अपेक्षित।

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