金屬在受到極端變形過程中，其構成的微小晶粒會如何變化？麻省理工學院的研究人員探究了背後的秘密，這可能導致生產更輕、更硬、更強的金屬版本，如鋼、鋁、鈦和合金的方法。
將金屬塑造成各種用途所需的特定形狀有許多方法，包括鑄造、加工、鍛造和軋制。這些過程會影響構成大塊金屬的微小晶粒的尺寸和形狀，無論是鋼、鋁、鈦，還是其他廣泛使用的金屬和合金。
麻省理工學院的研究人員現在已經能夠準確地分析在極端變形過程中這些晶粒形成時發生的情況，這些晶粒在最微小的尺度上，最小的直徑為幾納米。新的發現可能會導致改進加工方法，以產生更好、更一致的性能，如硬度和韌性。
這些新發現是通過對一套強大的成像系統的圖像進行詳細分析而實現的，相關成果發表在《Nature Materials》上。作者是麻省理工學院前博士后 Ahmed Tiamiyu（現為卡爾加里大學助理教授）；麻省理工學院教授 Christopher Schuh、Keith Nelson和James LeBeau；前學生 Edward Pang；以及現任學生 Xi Chen。
Schuh 說：“在製造一種金屬的過程中，你正在賦予它某種結構，而這種結構將決定它在使用中的特性。一般來說，晶粒尺寸越小，產生的金屬就越強。通過縮小晶粒尺寸來努力提高強度和韌性。在過去80年裡，一直是所有冶金學和所有金屬的首要主題”。
研究人員首次描述了構成大多數固體金屬的微小晶粒是如何形成的。他們說，了解這一過程，理論上可以為廣泛使用的金屬，如鋁、鋼和鈦，提供生產更強、更輕版本的方法。
冶金學家長期以來一直在應用各種根據經驗開發的方法來減少一塊固體金屬中的晶粒尺寸，通常是通過以這種或那種方式使其變形而產生各種應變。但要使這些晶粒變小並不容易。
主要的方法被稱為再結晶（recrystallization），其中金屬被變形和加熱。這在整個作品中產生了許多小缺陷，Schuh 說這些缺陷是“高度無序的，到處都是”。
Schuh 說：“當金屬被變形和加熱時，所有這些缺陷可以自發地形成新的晶體核。你從這個混亂的缺陷湯到新鮮的新晶體核。由於它們是新形成的晶核，它們開始時非常小，導致結構中的晶粒小得多”。
他說，這項新工作的獨特之處在於確定這一過程是如何在非常高的速度和最小的尺度上發生的。典型的金屬成型過程，如鍛造或軋制，可能相當快，而這項新的分析着眼於”快幾個數量級”的過程。