בתגלית מנוגדת לאינטואיציה של חוקרי MIT, מתכות שנפגעו על ידי עצמים במהירויות סופר גבוהות עולות בחוזקה עם עליית הטמפרטורות, מה שמשנה את אפקט הריכוך הרגיל שנראה בתנאים רגילים. הבנה חדשה זו, המבוססת על ניסויים באמצעות חלקיקי ספיר זעירים שנורו במתכות, עשויה לחולל מהפכה בעיצובי חומרים עבור סביבות קיצוניות כגון מגני חלליות או תהליכי ייצור מהירים.
MIT מדענים מצאו שמתכות כמו נחושת יכולות להתחזק כשהן מחוממות ומושפעות במהירויות גבוהות, מאתגרות את ההשקפות המסורתיות ויכולות לשפר חומרים עבור סביבות קיצוניות כמו חלל וייצור מהיר.
מתכות נעשות רכות יותר כאשר הן מחוממות, ובכך נפחים יכולים ליצור ברזל לצורות מורכבות על ידי חימום אדום לוהט. ומי שמשווה חוט נחושת עם מתלה פלדה יבחין במהירות שנחושת היא הרבה יותר גמישה מפלדה.
אבל מדענים ב-MIT גילו שכאשר מתכת נפגעת על ידי חפץ שנע במהירות סופר גבוהה, קורה ההיפך: ככל שהמתכת חמה יותר, כך היא חזקה יותר. בתנאים האלה, שמפעילים לחץ קיצוני על המתכת, נחושת יכולה להיות חזקה בדיוק כמו פלדה. התגלית החדשה עשויה להוביל לגישות חדשות לתכנון חומרים עבור סביבות קיצוניות, כמו מגנים המגנים על חלליות או מטוסים היפרסוניים, או ציוד לתהליכי ייצור מהירים.
הממצאים מתוארים במאמר שפורסם לאחרונה ב טֶבַעמאת איאן דאודינג, סטודנט לתואר שני ב-MIT, וכריסטופר שוה, לשעבר ראש המחלקה למדע והנדסת חומרים ב-MIT, כיום דיקן ההנדסה ב-MIT האוניברסיטה הצפון מערבית ופרופסור אורח ב-MIT.
תוצאות נוגדות אינטואיציה ויישומים פוטנציאליים
הממצא החדש, כותבים המחברים, "מנוגד לאינטואיציה ועומד בסתירה לעשרות שנים של מחקרים בתנאים פחות קיצוניים". התוצאות הבלתי צפויות עלולות להשפיע על מגוון יישומים מכיוון שהמהירויות הקיצוניות הכרוכות בפגיעות אלו מתרחשות באופן שגרתי בפגיעות מטאוריטים על חלליות במסלול ובפעולות עיבוד מהירות גבוהות המשמשות בייצור, התזת חול, וכמה תהליכי ייצור תוספים (הדפסת תלת מימד).
הניסויים שבהם השתמשו החוקרים כדי למצוא את האפקט הזה כללו ירי של חלקיקים זעירים של ספיר, רק מיליוניות המטר לרוחב, לעבר יריעות מתכת שטוחות. מונעים באמצעות קרני לייזר הגיעו החלקיקים למהירויות גבוהות, בסדר גודל של כמה מאות מטרים לשנייה. בעוד חוקרים אחרים ביצעו מדי פעם ניסויים במהירויות גבוהות דומות, הם נטו להשתמש במשפיענים גדולים יותר, בקנה מידה של סנטימטרים או יותר. מכיוון שהשפעות גדולות יותר אלו נשלטו על ידי השפעות ההלם של הפגיעה, לא הייתה דרך להפריד בין ההשפעות המכניות והתרמיות.
כיתוב: מדעני MIT גילו שכאשר מתכות מעוותות בקצב קיצוני על ידי עצם שנע במהירויות גבוהות, טמפרטורות חמות יותר הופכות את המתכת לחזקה יותר, לא לחלשה יותר. כאן, 3 חלקיקים פוגעים במשטח מתכתי בערך באותה מהירות. ככל שהטמפרטורה הראשונית של המתכת גדלה, הריבאונד מהיר יותר, והחלקיק קופץ גבוה יותר מכיוון שהמתכת נעשית קשה יותר ולא רכה יותר. קרדיט: באדיבות החוקרים
הצוות השתמש במצלמות מהירות במיוחד כדי לעקוב אחר חלקיקים. רצף זה, מנתוני מחקר, מראה חלקיק שעף פנימה ומתרחק ממנו. קרדיט: MIT
החלקיקים הזעירים במחקר החדש אינם יוצרים גל לחץ משמעותי כאשר הם פוגעים במטרה. אבל נדרשו עשור של מחקר ב-MIT כדי לפתח שיטות להנעת חלקיקים מיקרוסקופיים כאלה במהירויות כה גבוהות. "ניצלנו את זה", אומר Schuh, יחד עם טכניקות חדשות אחרות לצפייה בהשפעה המהירה עצמה.
תצפיות וממצאים
הצוות השתמש במצלמות מהירות במיוחד "כדי לצפות בחלקיקים כשהם נכנסים וכשהם עפים משם", הוא אומר. כשהחלקיקים קופצים מעל פני השטח, ההבדל בין המהירויות הנכנסות והיוצאות "אומר לך כמה אנרגיה הופקדה" למטרה, המהווה אינדיקטור לחוזק פני השטח.
החלקיקים הזעירים שבהם השתמשו היו עשויים מאלומינה, או ספיר, והם "קשים מאוד", אומר דאודינג. בקוטר של 10 עד 20 מיקרון (מיליוניות המטר), אלה הם בין עשירית לחמישית מעובי שערה אנושית. כאשר משטח השיגור מאחורי אותם חלקיקים נפגע על ידי קרן לייזר, חלק מהחומר מתאדה, ויוצר סילון אדים שמניע את החלקיק בכיוון ההפוך.
הצוות השתמש במצלמות מהירות במיוחד כדי לעקוב אחר חלקיקים. רצף זה, מנתוני מחקר, מראה חלקיק שעף פנימה ומתרחק ממנו. קרדיט: MIT
החוקרים ירו את החלקיקים בדגימות של נחושת, טיטניום וזהב, והם מצפים שהתוצאות שלהם יחולו גם על מתכות אחרות. הם אומרים שהנתונים שלהם מספקים את הראיה הניסויית הישירה הראשונה להשפעה תרמית חריגה זו של חוזק מוגבר עם חום גדול יותר, אם כי רמזים להשפעה כזו דווחו בעבר.
נראה שהאפקט המפתיע נובע מהאופן שבו מערכי האטומים המסודרים המרכיבים את המבנה הגבישי של מתכות נעים בתנאים שונים, לפי ניתוח החוקרים. הם מראים כי ישנן שלוש השפעות נפרדות השולטות כיצד מתכת מתעוותת במתח, ובעוד ששתיים מהן עוקבות אחר המסלול החזוי של הגדלת דפורמציה בטמפרטורות גבוהות יותר, זו ההשפעה השלישית, הנקראת חיזוק גרר, שהופכת את השפעתה כאשר קצב העיוות חוצה. סף מסוים.
גרור אפקט חיזוק
מעבר לנקודת הצלבה זו, הטמפרטורה הגבוהה יותר מגבירה את פעילות הפונונים – גלי קול או חום – בתוך החומר, ופונונים אלו מקיימים אינטראקציה עם נקעים בסריג הגבישי באופן שמגביל את יכולתם להחליק ולהתעוות. ההשפעה מתגברת עם מהירות הפגיעה והטמפרטורה מוגברת, אומר דאודינג, כך ש"ככל שאתה הולך מהר יותר, כך הנקעים מסוגלים להגיב פחות."
כמובן, בשלב מסוים, הטמפרטורה המוגברת תתחיל להמיס את המתכת, ובנקודה זו, ההשפעה תתהפך שוב ותוביל לריכוך. "יהיה גבול" לאפקט המחזק הזה, אומר דאודינג, "אבל אנחנו לא יודעים מה זה."
הממצאים עשויים להוביל לבחירות שונות של חומרים בעת תכנון מכשירים שעלולים להיתקל בלחצים קיצוניים כאלה, אומר Schuh. לדוגמה, מתכות שבדרך כלל עשויות להיות הרבה יותר חלשות, אבל שהן פחות יקרות או קלות יותר לעיבוד, עשויות להיות שימושיות במצבים שבהם אף אחד לא היה חושב להשתמש בהן קודם לכן.
התנאים הקיצוניים שחקרו החוקרים אינם מוגבלים לחלליות או לשיטות ייצור קיצוניות. "אם אתה מטיס מסוק בסופת חול, הרבה מחלקיקי החול האלה יגיעו למהירויות גבוהות כשהם פוגעים בלהבים", אומר דאודינג, ובתנאי מדבר הם עלולים להגיע לטמפרטורות הגבוהות שבהן השפעות ההתקשות הללו מתחילות.
ניתן ליישם את הטכניקות בהן השתמשו החוקרים כדי לחשוף תופעה זו על מגוון חומרים ומצבים אחרים, כולל מתכות וסגסוגות אחרות. תכנון חומרים שישמשו בתנאים קיצוניים פשוט על ידי אקסטרפולציה ממאפיינים ידועים בתנאים פחות קיצוניים עלול להוביל לציפיות מוטעות קשות לגבי האופן שבו חומרים יתנהגו במתח קיצוני, הם אומרים.
המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי.
