Hvorfor blir noen legeringer sterkere ved romtemperatur?

En legering er vanligvis et metall som det er tilsatt en liten prosentandel av minst ett annet element. Noen aluminiumslegeringer har en tilsynelatende merkelig egenskap.

“Vi vet at aluminiumslegeringer kan bli sterkere hvis de lagres ved romtemperatur, det er ikke ny informasjon,” sier Adrian Lervik, en fysiker ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU).

Den tyske metallurg Alfred Wilm oppdaget denne eiendommen allerede i 1906. Men hvorfor skjer det? Hittil har fenomenet ikke vært godt forstått, men nå har Lervik og hans kolleger ved NTNU og SINTEF, Skandinavias største uavhengige forskningsinstitutt, tatt opp det spørsmålet.

Lervik fullførte nylig doktorgraden ved NTNUs institutt for fysikk. Hans arbeid forklarer en viktig del av dette mysteriet. Men først litt bakgrunn, for Lervik har også undersøkt noe forhistorie.

“På slutten av 1800-tallet jobbet Wilm for å prøve å øke styrken til aluminium, et lett metall som nylig hadde blitt tilgjengelig. Han støpte og støpte flere forskjellige legeringer og testet forskjellige kjølehastigheter som var vanlige i stålproduksjon for å oppnå best mulig motstand,” sier Lervik.

En helg da været var fint, bestemte Wilm seg for å ta en pause fra eksperimentene sine og i stedet ta en tidlig helg for å seile langs elven Havel.

“Han kom tilbake til laboratoriet mandag og fortsatte å gjøre strekkprøver på en aluminium-kobber-magnesiumlegering som hadde startet uken før. Han fant at legeringens styrke hadde økt betydelig i løpet av helgen.

Denne legeringen ble ganske enkelt holdt ved romtemperatur i løpet av den tiden. Tiden hadde utført arbeid som ingen andre avkjølingsmetoder kunne gjøre.

I dag kalles dette fenomenet naturlig aldring.

Den amerikanske metallurg Paul Merica foreslo i 1919 at fenomenet må skyldes små partikler av de forskjellige elementene som danner en slags nedbør i legeringen. Men på den tiden var det ingen eksperimentelle metoder som kunne bevise dette.

“Først mot slutten av 1930-tallet var røntgendiffraksjonsmetoden i stand til å vise at legeringselementer samlet seg i små klynger i nanoskalaen,” sier Lervik.

READ  Puls og alder - FasterSkier.com

Ren aluminium består av mange krystaller. En krystall kan sees på som en blokk med rutenett, hvor ett atom er i hvert kvadrat i rutenettet. Kraft måles i arkets motstand mot å gli over hverandre.

I en legering er en liten prosentandel av rutene okkupert av andre elementer, noe som gjør det litt vanskelig for arkene å gli mot hverandre og øker styrken.

Som Lervik forklarer: “Et aggregat er som en liten malingblokk på rutenettet. Legeringselementene akkumuleres og opptar noen titalls nabofelt som er spredt over flere ark. Sammen med aluminiumet danner de et mønster. Disse dråpene har en annen atomstruktur enn aluminium og gjør det vanskelig for arkene å gli på rutenettet. “

Aggregatene av legeringselementer er kjent som “klynger”. På teknisk språk blir de kalt Guinier-Preston (GP) soner etter de to forskerne som først beskrev dem. På 1960-tallet var det mulig å se fastlegeområdene gjennom et elektronmikroskop for første gang. tid, men det har tatt til nå å se dem på nivået av et enkelt atom.

“De siste årene har mange forskere utforsket sammensetningen av tilslag, men lite arbeid har blitt gjort for å forstå deres kjernestruktur. I stedet har mange studier fokusert på å optimalisere legeringer ved å eksperimentere med aldersherding ved forskjellige temperaturer og i forskjellige tidsperioder, “sier Lervik.

Aldersherding og dannelse av sterke metallblandinger er helt klart veldig viktig i en industriell sammenheng. Men veldig få forskere og mennesker i bransjen har tenkt mye på hva klynger egentlig består av. De var rett og slett for små til å teste.

Lervik og kollegene hans tenkte annerledes.

– Med våre moderne eksperimentelle metoder klarte vi å ta bilder på atomnivå av klyngene med overføringselektronmikroskopet i Trondheim for første gang i 2018, sier Lervik.

READ  Ikoniske gjenstander å se når vi går #BackToMuseums

“Han og teamet hans studerte aluminium, sink og magnesiumlegeringer. Disse blir stadig viktigere i bil- og luftfartsindustrien.”

Forskergruppen bestemte også den kjemiske sammensetningen av gruppene ved hjelp av det nylig installerte atom-probe-tomografiinstrumentet ved NTNU. Norges forskningsråds infrastrukturprogram gjorde denne oppdagelsen mulig. Denne investeringen har allerede bidratt til ny grunnleggende kunnskap om metaller.

Forskerne studerte aluminium-, sink- og magnesiumlegeringer, kjent som legeringer i Al 7xxx-serien. Disse lettmetalllegeringene blir stadig viktigere i bil- og luftfartsindustrien.

“Vi fant klynger med en radius på 1,9 nanometer begravd i aluminiumet. Selv om de er mange, er de vanskelige å observere med et mikroskop. Vi klarte bare å identifisere atomstrukturen under spesielle eksperimentelle forhold,” sier Lervik.

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

“Vi opplevde hvor komplisert dette var flere ganger. Selv om vi klarte å ta et bilde av klyngene og klarte å hente ut litt informasjon om deres sammensetning, tok det flere år før vi forsto nok til å kunne beskrive atomstrukturen,” sier Lervik.

Så hva gjør denne jobben så spesiell? Tidligere har folk antatt at tilslag består av elementer av legering, aluminium og kanskje ledige plasser (tomme firkanter) som er ordnet mer eller mindre tilfeldig.

“Vi fant ut at vi kan beskrive alle gruppene vi har observert basert på en enkelt geometrisk romlig figur kalt en” avkortet terningoktaeder “, sier Lervik.

Akkurat her kan alle uten bakgrunn innen fysikk eller kjemi ønske å skumme gjennom de følgende avsnittene eller hoppe direkte til den sentrale overskriften “Viktig for å forstå varmebehandling.”

For å forstå illustrasjonen ovenfor, må vi først akseptere at en aluminiumskrystall (kvadratblokk) kan visualiseres som en kubestabel, hver med atomer i 8 hjørner og 6 sider.

Denne strukturen er et sidesentrert kubisk atomgitter. Den geometriske figuren er som en terning, med et ytre skall som består av kubene rundt. Vi beskriver det som tre lag rundt den sentrale kuben: ett for sidene, et for hjørnene og det ytterste laget. Disse lagene består av henholdsvis 6 sinkatomer, 8 magnesium og 24 sink.

READ  Cruise line som utvider cruisesesongen til mai 2021

Midten av kroppen (kuben) kan inneholde et ekstra atom, et “interstitial”, som i denne illustrasjonen kan beskrives som plassert mellom mellomrommene (kvadratene) av aluminium.

Denne enkeltfiguren forklarer ytterligere alle de største klyngeenhetene ved deres evne til å koble til og utvide i tre definerte retninger. Bildet forklarer også observasjoner som tidligere er rapportert av andre. Disse klyngeenhetene er det som bidrar til å øke styrken under aldring.

Viktig for å forstå varmebehandling

“Hvorfor er det bra? Det er flott fordi naturlig aldring vanligvis ikke er det siste trinnet i prosessering av en legering før den er klar til bruk,” sier Lervik.

Disse legeringene gjennomgår også en sluttvarmebehandling ved høyere temperaturer (130-200 ° C) for å danne større bunnfall med definerte krystallinske strukturer. De slutter seg til atomplanene (arkene) enda tettere og styrker det betydelig.

“Vi tror at forståelse av atomstrukturen til klynger dannet av naturlig aldring er viktig for å bedre forstå prosessen med dannelse av bunnfallene som bestemmer mye av materialets egenskaper. Er bunnfall dannet i klynger eller transformeres klynger? I bunnfall under varmebehandling? Hvordan kan det optimaliseres og brukes? Vårt fremtidige arbeid vil prøve å svare på disse spørsmålene, “sier Lervik.

###

Referanser: A. Lervik, E. Thronsen, J. Friis, CD Marioara, S. Wenner, A. Bendo, K. Matsuda, R. Holmestad, SJ Andersen. Atomstruktur av grupper av oppløste stoffer i Al-Zn-Mg legeringer. laget i materiale, Bind 205, 15. februar 2021, 116574. https: //gjør jeg.org /10.1016 /j.actamat.2020.116574

Legg att eit svar

Epostadressa di blir ikkje synleg. Påkravde felt er merka *