In caso di impatti estremi, i metalli diventano più forti se riscaldati

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I ricercatori del MIT hanno fatto una scoperta inaspettata, che potrebbe rivoluzionare la progettazione di schermature per veicoli spaziali o di applicazioni meccaniche ad alta velocità.

I metalli diventano più morbidi quando vengono riscaldati: è così che si modellano. Ora gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT), negli Stati Uniti, hanno scoperto che quando il metallo viene colpito da un oggetto che si muove ad altissima velocità, accade il contrario: più è caldo, più diventa forte. In queste condizioni, che sottopongono il metallo a uno stress estremo, il rame può effettivamente essere resistente quanto l’acciaio.

La nuova scoperta potrebbe cambiare l’approccio alla progettazione di materiali per ambienti estremi, come scudi che proteggono veicoli spaziali o aerei ipersonici, oppure apparecchiature per processi di produzione ad alta velocità, perché le velocità estreme coinvolte in questi impatti si verificano regolarmente negli impatti di meteoriti su veicoli spaziali in orbita e in alcune operazioni di lavorazione utilizzate nell’industria, nella sabbiatura e in diversi processi di produzione additiva.

I ricercatori hanno sparato particelle minuscole particelle di zaffiro, appena milionesimi di metro di diametro, su campioni di rame, titanio e oro, ma si aspettano che i loro risultati possano applicarsi anche ad altri metalli. L’effetto sorprendente sembra derivare dal modo in cui le schiere ordinate di atomi che compongono la struttura cristallina dei metalli si muovono in condizioni diverse. Essi mostrano che ci sono tre effetti separati che governano il modo in cui il metallo si deforma sotto stress e due di questi seguono la traiettoria prevista di aumento della deformazione a temperature più elevate; il terzo effetto, chiamato rafforzamento della resistenza, inverte il suo esito quando il tasso di deformazione incrocia una certa soglia. Oltre questo punto di incrocio, la temperatura più elevata aumenta l’attività dei fononi (onde sonore o di calore) all’interno del materiale, ed essi interagiscono con le dislocazioni nel reticolo cristallino in un modo che limita la loro capacità di scivolare e deformarsi. L’effetto aumenta con l’aumentare della velocità e della temperatura dell’impatto. Naturalmente, a un certo punto l’incremento di temperatura inizierà a sciogliere il metallo e in quel momento l’effetto si invertirà nuovamente, rendendo il metallo morbido.

Nuove frontiere

I risultati dello studio del MIT potrebbero influire sulla scelta dei materiali durante lo sviluppo di dispositivi soggetti a sollecitazioni così estreme. Per esempio, i metalli, che normalmente sono molto più deboli, ma anche meno costosi o più facili da lavorare, potrebbero essere utili in situazioni inedite. Le tecniche utilizzate dai ricercatori per scoprire questo fenomeno sono adottabili a una varietà di altri materiali e situazioni, inclusi altri metalli e leghe.

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