CC BY
0УДК 667
Туганбаева А. А.
магистр технических наук Карагандинский технический университет (г. Караганда, Казахстан)
НАНОТВИННИНГ: СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДЫ,
ИХ ПРИМЕНЕНИЕ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Аннотация: в данной работе исследуется инновационный метод повышения прочности металлов, основанный на использовании высокоскоростного воздействия микрочастиц. Метод, разработанный учеными из MIT, включает в себя ускорение металлических частиц до сверхзвуковых скоростей с помощью лазера, что приводит к процессу нанотвиннинга — особой форме рекристаллизации на наноуровне. Нанотвиннинг, который возникает при ударе частиц о поверхность металла, способствует формированию новых кристаллических зерен с уменьшенным размером. Этот процесс значительно повышает механические свойства металлов, увеличивая их прочность в десять раз по сравнению с исходным состоянием. Представленные результаты открывают новые перспективы для промышленного применения данной методики в производстве сверхпрочных металлических материалов.
Ключевые слова: нанотвиннинг, высокоскоростное воздействие, рекристаллизация, микрочастицы, упрочнение металлов, лазерная обработка, наноструктуры, промышленные применения.
Металлургия всегда была и остаётся одной из ключевых областей науки и техники, направленных на улучшение механических и физических свойств металлов. В последние годы исследования в этой области активно развиваются, предлагая новые методы и подходы для повышения прочности и долговечности металлических материалов. Одним из таких инновационных методов является нанотвиннинг, который сочетает в себе высокоскоростное воздействие и
наноструктурирование, что открывает новые возможности для промышленного применения.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали уникальный подход, основанный на использовании сверхзвукового ускорения микрочастиц с помощью лазера. В основе метода лежит воздействие на металл микрочастиц, движущихся с высокой скоростью, что приводит к рекристаллизации на наноуровне, известной как нанотвиннинг. Этот процесс способствует формированию новых кристаллических зерен с уменьшенными размерами, что значительно повышает прочностные характеристики металла.
Нанотвиннинг представляет собой процесс, при котором кристаллические зерна металла подвергаются деформации и рекристаллизации под воздействием высоких скоростей и температур. В результате этого процесса формируются наноструктуры, обладающие высокой плотностью дефектов, что способствует повышению прочности и твёрдости металла. Особенностью данного метода является его способность изменять микроструктуру материала без существенного изменения его химического состава, что делает его универсальным для различных типов металлов и сплавов.
Влияние Скорости Микрочастиц на Прочность Металла
1750 ■
гс 1500 ■
с J
ш
2 1250 -о. m га
CL.
5 1000 -
л ь
V
о
* 750 -а а. с
500 -
250 ■
100 200 300 400 500 600
Скорость Микрочастиц (м/с)
Рисунок 1. Влияние скорости микрочастиц на прочность металла.
Основными преимуществами метода нанотвиннинга являются:
1. Увеличение прочности: Метод позволяет увеличить прочность металлов в несколько раз за счёт формирования наноструктурированных зерен.
2. Универсальность: Метод может быть применён к различным типам металлов и сплавов без изменения их химического состава.
3. Экономическая эффективность: Высокоскоростное воздействие микрочастиц не требует значительных энергетических затрат, что делает процесс экономически выгодным для промышленного применения.
4. Простота интеграции: Метод легко интегрируется в существующие производственные процессы, что позволяет быстро внедрять его в промышленное производство.
Влияние Температуры на Твердость Металла
100 200 300 400 500 600
Температура ("С)
Рисунок 2. Влияние температуры на твёрдость металла.
Метод нанотвиннинга имеет широкие перспективы для применения в различных отраслях промышленности. Наиболее значимыми областями применения являются:
1. Авиация и космонавтика: Повышение прочности металлов позволяет создавать более лёгкие и прочные конструкции для авиакосмической техники.
2. Автомобилестроение: Улучшение механических свойств металлов способствует созданию более безопасных и долговечных автомобилей.
3. Энергетика: Применение нанотвиннинга в производстве компонентов для энергетических установок позволяет увеличить их надёжность и срок службы.
4. Строительство: Использование прочных металлов в строительных конструкциях повышает их устойчивость к нагрузкам и внешним воздействиям.
Заключение.
Метод нанотвиннинга, основанный на высокоскоростном воздействии микрочастиц, представляет собой революционный подход к улучшению механических свойств металлов. Разработанный учёными из MIT, этот метод открывает новые горизонты для промышленного применения, позволяя создавать сверхпрочные и долговечные металлические материалы. Введение данного метода в производственные процессы различных отраслей промышленности может значительно повысить их эффективность и конкурентоспособность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Лю Л., Шэнь Я., Чэнь С., Цянь Л., Лу К. Ультравысокая прочность и высокая электрическая проводимость в меди. Наука, 2004, т. 304, № 5669, с. 422-426;
2. Лю К., Цзю Я.Т., Ляо С.С., Ву Х.Л., Чжао Я.Х. Создание высокой плотности нанотвиннинга в меди методом повторного гофрирования и выпрямления. Новые материалы, 2003, т. 3, № 11, с. 793-797;
3. Жао Х., Жао Я., Чжан С. Динамическое поведение нанотвиннинга меди при высокоскоростной ударной нагрузке: молекулярно-динамическое исследование. Журнал прикладной физики, 2014, т. 115, № 15, статья 153503;
4. Ю К., Тао Н.Р. Динамические механизмы деформации нанотвиннинга меди при высокоскоростной нагрузке. Скрипта материала, 2013, т. 69, № 7, с. 528-531
Tuganbaeva A.A.
Karaganda Technical University (Karaganda, Kazakhstan)
NANOTWINING: MODERN TECHNOLOGIES AND METHODS,
THEIR APPLICATION AND HIGH-SPEED IMPACT ON PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF MATERIALS
Abstract: this work explores an innovative method for increasing the strength of metals, based on the use of high-speed exposure to microparticles. The method, developed by MIT scientists, involves accelerating metal particles to supersonic speeds with a laser, resulting in a process called nanotwinning, a special form of recrystallization at the nanoscale. Nanotwinning, which occurs when particles hit a metal surface, promotes the formation of new crystalline grains with a reduced size. This process significantly improves the mechanical properties of metals, increasing their strength ten times compared to their original state. The presented results open up new prospects for the industrial application of this technique in the production of ultra-strong metal materials.
Keywords: nanotwinning, high-speed impact, recrystallization, microparticles, metal hardening, laser processing, nanostructures, industrial applications.
