Dlaczego niektóre stopy stają się mocniejsze w temperaturze pokojowej?

Stop to zazwyczaj metal, do którego dodano co najmniej jeden inny pierwiastek. Fizyk Adrian Lervik powiedział, że wiemy już, że stopy aluminium mogą stać się mocniejsze, jeśli są przechowywane w temperaturze pokojowej.

Niemiecki metalurg Alfred Wilm odkrył tę cechę już w 1906 roku. Ale dlaczego tak się dzieje? Jak dotąd niewiele wiadomo na temat tego zjawiska, ale teraz Lervik i jego koledzy z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (NTNU) oraz największej niezależnej skandynawskiej instytucji badawczej SINTEF rozwiązali go. Ten problem został rozwiązany ("Struktura atomowa klastrów substancji rozpuszczonych w stopach Al – Zn – Mg").

Lervik niedawno obronił doktorat z fizyki na NTNU. Jego dzieło wyjaśnia ważną część tej tajemnicy.

Pod koniec XIX wieku Wilm próbował zwiększyć wytrzymałość aluminium, metalu lekkiego, który pojawił się dopiero niedawno. Topił i odlewał wiele różnych stopów oraz testował różne szybkości chłodzenia typowe dla produkcji stali, aby osiągnąć najlepszą wytrzymałość. – stwierdził Lervik.

Will wrócił do laboratorium, aby kontynuować próbę rozciągania stopu składającego się z aluminium, miedzi i magnezu. Odkrył, że wytrzymałość tego stopu znacznie wzrosła w ciągu weekendu.

W tym czasie stop ten przetrzymuje się jedynie w temperaturze pokojowej, lecz po dłuższym czasie nie będzie w stanie spełnić swojego zadania.

Dziś zjawisko to nazywa się naturalnym starzeniem.

Amerykański metalurg Paul Merica zaproponował w 1919 roku, że zjawisko to wynika z powstawania w stopie swego rodzaju wytrąceń z małych cząstek różnych pierwiastków. Nie było jednak wówczas żadnej metody eksperymentalnej, która mogłaby to udowodnić.

Lervik stwierdził, że do końca lat trzydziestych XX wieku metody dyfrakcji promieni rentgenowskich nie mogły wykazać, że pierwiastki stopowe agregują w małe klastry w nanoskali.

Czyste aluminium składa się z wielu kryształów. Kryształ można uznać za siatkę, a w każdym kwadracie siatki znajduje się atom. Wytrzymałość mierzy się odpornością arkuszy na wzajemne ślizganie się.

W stopie tylko niewielką część kwadratu zajmują inne pierwiastki, co utrudnia przesuwanie się pomiędzy blachami, zwiększając w ten sposób wytrzymałość.

Jak wyjaśnił Lervik, kruszywo jest jak mała kropla farby w bloku siatki. Pierwiastki stopowe gromadzą się i zajmują dziesiątki sąsiednich kwadratów, które rozciągają się na kilka arkuszy. Razem z aluminium tworzą wzór. Krople te mają inną strukturę atomową niż aluminium, co utrudnia poślizg płatków w bloku siatki w wyniku dyslokacji.

Nazywa się agregacją pierwiastków stopowych"klastry". W języku technicznym nazywa się je dystryktem Ginier-Preston (GP), nazwany na cześć dwóch naukowców, którzy jako pierwsi je opisali. W latach sześćdziesiątych XX wieku ludzie po raz pierwszy zobaczyli regiony GP za pomocą mikroskopu elektronowego, ale aż do teraz nie widziano ich na poziomie pojedynczego atomu.

Praktyczne zastosowanie jest najważniejsze

W ostatnich latach wielu naukowców badało skład agregatów, ale niewiele pracy włożono w zrozumienie ich struktury jądrowej. Zamiast tego wiele badań skupiało się na optymalizacji stopów poprzez eksperymenty z utwardzaniem wydzieleniowym w różnych temperaturach i różnych momentach, powiedział Lervik.

W środowisku przemysłowym utwardzanie wydzieleniowe i produkcja mocnych mieszanek metali są oczywiście bardzo ważne. Jednak niewielu badaczy i znawców branży interesuje się tym, z czego tak naprawdę składają się te gromady gwiazd. Są za małe, żeby to udowodnić.

Lervik i jego współpracownicy mają odmienne pomysły.

Lervik powiedział, że dzięki naszym metodom eksperymentalnym w 2018 roku z powodzeniem wykorzystaliśmy transmisyjny mikroskop elektronowy w Trondheim do wykonania po raz pierwszy zdjęć agregatów na poziomie atomowym.

Zespół badawczy wykorzystał także zainstalowany niedawno w NTNU instrument do tomografii z sondą atomową do określenia składu chemicznego kruszywa. Projekt infrastrukturalny Norweskiej Rady ds. Badań Naukowych umożliwił to odkrycie. Inwestycja ta doprowadziła do nowego zrozumienia podstaw metali.

Naukowcy badali stopy aluminium, cynku i magnezu, zwane stopami aluminium serii 7xxx. Te stopy metali lekkich zyskują coraz większe znaczenie w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.

W aluminium znaleźliśmy skupiska cząstek o promieniu 1,9 nanometra. Choć jest ich wiele, trudno je zaobserwować pod mikroskopem. Budowę atomu możemy określić jedynie w specjalnych warunkach eksperymentalnych.

Jest to jeden z powodów, dla których nikt wcześniej tego nie zrobił. Eksperyment jest skomplikowany i wymaga zaawansowanej, nowoczesnej aparatury eksperymentalnej.

Wielokrotnie przekonaliśmy się, jakie to trudne. Nawet jeśli udałoby nam się zrobić zdjęcia gromad gwiazd i uzyskać pewne informacje na temat ich składu, zajęłoby nam kilka lat zdobycie wystarczającej ilości informacji, aby móc opisać strukturę jądra, powiedział Lervik.

Co więc czyni tę pracę tak wyjątkową? W przeszłości uważano, że kruszywa składają się z pierwiastków stopowych i być może mniej lub bardziej losowo rozmieszczonych wolnych miejsc (pustych kwadratów).

Lervik powiedział, że odkryliśmy, że wszystkie obserwowane przez nas agregaty możemy opisać za pomocą unikalnej geometrycznej figury przestrzennej zwanej ośmiościanem ściętego sześcianu.

Aby zrozumieć to odkrycie, musimy najpierw przyznać, że kryształy aluminium (kwadratowe bloki) można postrzegać jako stos sześcianów, każdy z 8 narożnikami i 6 ścianami z atomami.

Struktura ta jest sześcienną siecią atomów skupioną na boku. Ta figura geometryczna przypomina sześcian, a otaczające ją sześciany tworzą skorupę. Opisujemy to jako trzy powłoki otaczające centralny sześcian: jedna to bok, druga to róg i najbardziej zewnętrzna warstwa. Powłoki te składają się odpowiednio z 6 atomów cynku, 8 atomów magnezu i 24 atomów cynku.

Rysunek ten dodatkowo wyjaśnia wszystkie większe jednostki klastra, które można łączyć i rozszerzać w trzech określonych kierunkach. To zdjęcie wyjaśnia również obserwacje zgłoszone wcześniej przez innych. Te jednostki klastrowe pomagają zwiększyć wytrzymałość podczas utwardzania wydzieleniowego.

Jest to ważne dla zrozumienia obróbki cieplnej

Stopy te zostaną również poddane końcowej obróbce cieplnej w wyższych temperaturach (130-200°C) w celu utworzenia większych osadów o przejrzystej strukturze krystalicznej. Utrzymują płaszczyznę atomową (arkusz) bliżej siebie i znacznie ją wzmacniają.

Wierzymy, że zrozumienie struktury atomowej klastrów atomowych powstałych w wyniku naturalnego starzenia jest niezbędne do dalszego zrozumienia procesu powstawania opadów, który determinuje właściwości tak wielu materiałów. Czy podczas obróbki cieplnej opady powstają na klastrach, czy też klastry zamieniają się w opady? Jak zoptymalizować i wykorzystać? W naszych dalszych pracach spróbujemy odpowiedzieć na te pytania, powiedział Lervik.