Hvorfor blir noen legeringer sterkere ved romtemperatur?

En legering er vanligvis et metall som minst ett annet element er tilsatt. Fysiker Adrian Lervik sa at vi allerede vet at aluminiumslegeringer kan bli sterkere når de lagres i romtemperatur.

Den tyske metallurgen Alfred Wilm oppdaget denne egenskapen allerede i 1906. Men hvorfor er det slik? Foreløpig vet man lite om dette fenomenet, men nå har Lervik og hans kolleger fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) og Skandinavias største uavhengige forskningsinstitusjon SINTEF løst det. Dette problemet er løst ("Atomstruktur av oppløste stoffer i Al – Zn – Mg-legeringer").

Lervik fullførte nylig sin doktorgrad i fysikk ved NTNU. Arbeidet hans forklarer en viktig del av dette mysteriet.

På slutten av 1800-tallet forsøkte Wilm å øke styrken til aluminium, et lettmetall som først nylig hadde dukket opp. Han smeltet og støpte mange forskjellige legeringer og testet forskjellige kjølehastigheter som er vanlige i stålproduksjon for å oppnå best styrke. sa Lervik.

Will kom tilbake til laboratoriet for å fortsette strekktestingen av en legering som består av aluminium, kobber og magnesium. Han fant ut at styrken til denne legeringen har økt betydelig i løpet av helgen.

I løpet av denne tiden holdes denne legeringen kun i romtemperatur, men etter lang tid vil den ikke kunne fullføre oppgaven.

I dag kalles dette fenomenet naturlig aldring.

Den amerikanske metallurgen Paul Merica foreslo i 1919 at dette fenomenet skyldes dannelsen av en slags nedbør i legeringen av små partikler av forskjellige elementer. Men det fantes ingen eksperimentell metode for å bevise dette på den tiden.

Lervik sa at frem til slutten av 1930-tallet kunne ikke røntgendiffraksjonsmetoder bevise at legeringselementer samlet seg til små klynger på nanoskala.

Rent aluminium er sammensatt av mange krystaller. En krystall kan betraktes som et rutenett, og hvert kvadrat i rutenettet har et atom. Styrken måles ved motstanden til arkene mot å gli mot hverandre.

I en legering er bare en liten del av kvadratet okkupert av andre elementer, noe som gjør det vanskeligere å gli mellom arkene og dermed øke styrken.

Som Lervik forklarte, er tilslaget som en liten dråpe maling i en gitterblokk. Legeringselementene samler seg og okkuperer dusinvis av tilstøtende firkanter, som strekker seg til flere ark. Sammen med aluminium danner de et mønster. Disse dråpene har en annen atomstruktur enn aluminium, noe som gjør det vanskeligere for flakene i gitterblokken å skli ved dislokasjoner.

Aggregering av legeringselementer kalles"klynger". På fagspråk kalles de Ginier-Preston District (GP), oppkalt etter de to forskerne som først beskrev dem. På 1960-tallet så folk først fastlegeregioner gjennom et elektronmikroskop, men de har ikke blitt sett på enkeltatomnivå før nå.

Praktisk anvendelse er det viktigste

De siste årene har mange forskere utforsket sammensetningen av aggregater, men lite arbeid har blitt gjort for å forstå deres kjernefysiske struktur. I stedet har mange studier fokusert på å optimalisere legeringer ved å eksperimentere med aldersherding ved forskjellige temperaturer og forskjellige tider, sa Lervik.

I et industrielt miljø er aldersherding og produksjon av sterke metallblandinger åpenbart svært viktig. Det er imidlertid få forskere og industriinnsidere som bryr seg om hva disse stjernehopene faktisk består av. De er for små til å bevise.

Lervik og kollegene har ulike tanker.

Lervik sa at gjennom våre eksperimentelle metoder brukte vi med suksess Trondheims transmisjonselektronmikroskop til å ta bilder på atomnivå av aggregater for første gang i 2018.

Forskerteamet brukte også atomsondetomografiinstrumentet som nylig ble installert ved NTNU for å bestemme den kjemiske sammensetningen til aggregatene. Forskningsrådets infrastrukturprosjekt gjorde dette funnet mulig. Denne investeringen har ført til en ny forståelse av det grunnleggende i metaller.

Forskere studerte legeringer av aluminium, sink og magnesium, kalt 7xxx-serien aluminiumslegeringer. Disse lettmetalllegeringene blir stadig viktigere i bil- og romfartsindustrien.

Vi fant klynger av partikler med en radius på 1,9 nanometer i aluminium. Selv om de er mange, er de vanskelige å observere under et mikroskop. Vi kan bare bestemme atomstrukturen under spesielle eksperimentelle forhold.

Dette er noe av grunnen til at ingen har gjort dette før. Eksperimentet er komplisert og krever avansert moderne eksperimentelt utstyr.

Vi har opplevd mange ganger hvor vanskelig dette er. Selv om vi lyktes i å ta bilder av stjernehopene og hente ut litt informasjon om deres sammensetning, tok det oss flere år å lære nok informasjon til å kunne beskrive strukturen til kjernen, sa Lervik.

Så hva gjør dette arbeidet så spesielt? Tidligere trodde man at tilslag var sammensatt av legeringselementer og kanskje mer eller mindre tilfeldig ordnede ledige plasser (tomme ruter).

Lervik sa at vi fant ut at vi kan beskrive alle aggregatene vi observerer i form av en unik geometrisk romlig figur kalt et avkortet terningoktaeder.

For å forstå denne oppdagelsen må vi først innrømme at aluminiumskrystaller (firkantede blokker) kan sees på som en stabel kuber, hver med 8 hjørner og 6 flater med atomer.

Denne strukturen er et sidesentrert kubisk gitter av atomer. Denne geometriske figuren er som en kube, og et skall er dannet av de omkringliggende kubene. Vi beskriver det som tre skjell som omgir den sentrale kuben: ett er siden, ett er hjørnet og det ytterste laget. Disse skjellene er henholdsvis sammensatt av 6 sinkatomer, 8 magnesiumatomer og 24 sinkatomer.

Denne figuren forklarer videre alle de større klyngeenhetene, som kan kobles sammen og utvides i tre definerte retninger. Dette bildet forklarer også observasjonene tidligere rapportert av andre. Disse klyngeenhetene bidrar til å øke styrken under aldersherding.

Dette er viktig for å forstå varmebehandling

Disse legeringene vil også gjennomgå endelig varmebehandling ved høyere temperaturer (130-200°C) for å danne større utfellinger med en klar krystallstruktur. De holder atomplanet (arket) tettere sammen og styrker det kraftig.

Vi tror at forståelsen av atomstrukturen til atomklynger dannet av naturlig aldring er avgjørende for ytterligere forståelse av nedbørsdannelsesprosessen som bestemmer egenskapene til så mange materialer. Under varmebehandlingen, dannes nedbøren på klyngene eller blir klyngene til nedbør? Hvordan optimalisere og bruke det? Vårt videre arbeid vil prøve å svare på disse spørsmålene, sa Lervik.