De ce unele aliaje devin mai puternice la temperatura camerei?

Un aliaj este de obicei un metal la care s-a adăugat cel puțin un alt element. Fizicianul Adrian Lervik a spus că știm deja că aliajele de aluminiu pot deveni mai puternice atunci când sunt depozitate la temperatura camerei.

Metalurgistul german Alfred Wilm a descoperit această caracteristică încă din 1906. Dar de ce este așa? Până în prezent, se știe puțin despre acest fenomen, dar acum Lervik și colegii săi de la Universitatea Norvegiană de Știință și Tehnologie (NTNU) și cea mai mare instituție independentă de cercetare din Scandinavia SINTEF l-au rezolvat. Această problemă este rezolvată ("Structura atomică a grupurilor de solut din aliaje Al - Zn - Mg").

Lervik și-a finalizat recent doctoratul în fizică la NTNU. Opera sa explică o parte importantă a acestui mister.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, Wilm a încercat să crească rezistența aluminiului, un metal ușor care a apărut abia recent. El a topit și a turnat multe aliaje diferite și a testat diferite rate de răcire obișnuite în producția de oțel pentru a obține cea mai bună rezistență. Spuse Lervik.

Will s-a întors la laborator pentru a continua testarea la tracțiune a unui aliaj compus din aluminiu, cupru și magneziu. El a descoperit că rezistența acestui aliaj a crescut semnificativ în weekend.

În acest timp, acest aliaj este păstrat doar la temperatura camerei, dar după o lungă perioadă de timp, nu va putea finaliza sarcina.

Astăzi, acest fenomen se numește îmbătrânire naturală.

Metalurgistul american Paul Merica a propus în 1919 că acest fenomen se datorează formării unui fel de precipitații în aliaj de către particule mici de diferite elemente. Dar nu exista nicio metodă experimentală care să demonstreze acest lucru la acea vreme.

Lervik a spus că până la sfârșitul anilor 1930, metodele de difracție cu raze X nu au putut dovedi că elementele de aliere s-au agregat în grupuri mici pe nanoscală.

Aluminiu pur este compus din multe cristale. Un cristal poate fi privit ca o rețea și fiecare pătrat al rețelei are un atom. Rezistența se măsoară prin rezistența foilor la alunecarea una împotriva celeilalte.

Într-un aliaj, doar o mică parte a pătratului este ocupată de alte elemente, ceea ce face mai dificilă alunecarea între foi, crescând astfel rezistența.

După cum a explicat Lervik, agregatul este ca o picătură mică de vopsea într-un bloc de rețea. Elementele de aliere se acumulează și ocupă zeci de pătrate adiacente, care se extind la mai multe foi. Împreună cu aluminiul, formează un model. Aceste picături au o structură atomică diferită de aluminiu, ceea ce face mai dificilă alunecarea fulgilor din blocul de rețea prin luxații.

Agregarea elementelor de aliere se numește "clustere". În limbaj tehnic, acestea sunt numite districtul Ginier-Preston (GP), numit după cei doi oameni de știință care i-au descris pentru prima dată. În anii 1960, oamenii au văzut pentru prima dată regiunile GP printr-un microscop electronic, dar nu au fost văzute până acum la nivelul unui singur atom.

Aplicarea practică este cea mai importantă

În ultimii ani, mulți oameni de știință au explorat compoziția agregatelor, dar s-a făcut puțină muncă pentru a înțelege structura lor nucleară. În schimb, multe studii s-au concentrat pe optimizarea aliajelor prin experimentarea cu întărirea vârstei la diferite temperaturi și momente diferite, a spus Lervik.

Într-un mediu industrial, întărirea în funcție de vârstă și producția de amestecuri metalice puternice sunt evident foarte importante. Cu toate acestea, puțini cercetători și persoane din industrie au grijă în ce constau de fapt aceste grupuri de stele. Sunt prea mici pentru a dovedi.

Lervik și colegii săi au idei diferite.

Lervik a spus că, prin metodele noastre experimentale, am folosit cu succes microscopul electronic de transmisie Trondheim pentru a realiza fotografii la nivel atomic ale agregatelor pentru prima dată în 2018.

Echipa de cercetare a folosit, de asemenea, instrumentul de tomografie cu sondă atomică instalat recent la NTNU pentru a determina compoziția chimică a agregatelor. Proiectul de infrastructură al Consiliului Norvegian de Cercetare a făcut posibilă această descoperire. Această investiție a condus la o nouă înțelegere a fundamentelor metalelor.

Cercetătorii au studiat aliajele de aluminiu, zinc și magneziu, numite aliaje de aluminiu din seria 7xxx. Aceste aliaje de metal ușor devin din ce în ce mai importante în industria auto și aerospațială.

Am găsit grupuri de particule cu o rază de 1,9 nanometri în aluminiu. Deși sunt numeroase, sunt dificil de observat la microscop. Putem determina structura atomică numai în condiții experimentale speciale.

Acesta face parte din motivul pentru care nimeni nu a mai făcut asta înainte. Experimentul este complicat și necesită echipamente experimentale moderne avansate.

Am experimentat de multe ori cât de complicat este acest lucru. Chiar dacă am reușit să facem fotografii ale grupurilor de stele și să extragem câteva informații despre compoziția lor, ne-a trebuit câțiva ani să învățăm suficiente informații pentru a putea descrie structura nucleului, a spus Lervik.

Deci, ce face această lucrare atât de specială? În trecut, oamenii credeau că agregatele erau compuse din elemente de aliere și poate locuri vacante aranjate mai mult sau mai puțin la întâmplare (pătrate goale).

Lervik a spus că am descoperit că putem descrie toate agregatele pe care le observăm în termenii unei figuri spațiale geometrice unice numite octaedru cub trunchiat.

Pentru a înțelege această descoperire, trebuie mai întâi să admitem că cristalele de aluminiu (blocuri pătrate) pot fi văzute ca un teanc de cuburi, fiecare cu 8 colțuri și 6 fețe cu atomi.

Această structură este o rețea cubică laterală centrată de atomi. Această figură geometrică este ca un cub, iar o cochilie este formată din cuburile din jur. Îl descriem ca fiind trei cochilii care înconjoară cubul central: unul este lateral, unul este colțul și stratul cel mai exterior. Aceste cochilii sunt compuse respectiv din 6 atomi de zinc, 8 atomi de magneziu și 24 de atomi de zinc.

Această figură explică în continuare toate unitățile de cluster mai mari, care pot fi conectate și extinse în trei direcții definite. Această imagine explică, de asemenea, observațiile raportate anterior de alții. Aceste unități de cluster ajută la creșterea rezistenței în timpul întăririi vârstei.

Acest lucru este important pentru înțelegerea tratamentului termic

Aceste aliaje vor fi supuse și tratamentului termic final la temperaturi mai ridicate (130-200 ° C) pentru a forma precipitate mai mari cu o structură cristalină limpede. Ei țin planul atomic (foaia) mai aproape unul de celălalt și îl întăresc foarte mult.

Credem că înțelegerea structurii atomice a clusterelor atomice formate prin îmbătrânire naturală este esențială pentru înțelegerea în continuare a procesului de formare a precipitațiilor care determină proprietățile a atât de multe materiale. În timpul tratamentului termic, precipitațiile se formează pe clustere sau clusterele se transformă în precipitații? Cum să-l optimizăm și să-l folosim? Lucrările noastre ulterioare vor încerca să răspundă la aceste întrebări, a spus Lervik.