Zakaj nekatere zlitine postanejo močnejše pri sobni temperaturi?

Zlitina je običajno kovina, ki ji je dodan vsaj še en element. Fizik Adrian Lervik je dejal, da že vemo, da lahko aluminijeve zlitine postanejo močnejše, če jih hranimo pri sobni temperaturi.

Nemški metalurg Alfred Wilm je to lastnost odkril že leta 1906. Toda zakaj je temu tako? Do zdaj je o tem pojavu malo znanega, zdaj pa so ga Lervik in njegovi kolegi z Norveške univerze za znanost in tehnologijo (NTNU) in največje skandinavske neodvisne raziskovalne ustanove SINTEF rešili. Ta problem je rešen ("Atomska struktura klasterjev topljencev v zlitinah Al – Zn – Mg").

Lervik je pred kratkim doktoriral iz fizike na NTNU. Njegovo delo pojasnjuje pomemben del te skrivnosti.

Konec 19. stoletja je Wilm poskušal povečati trdnost aluminija, lahke kovine, ki se je pojavila šele pred kratkim. Talil in ulival je veliko različnih zlitin ter testiral različne stopnje hlajenja, ki so običajne pri proizvodnji jekla, da bi dosegel najboljšo trdnost. je rekel Lervik.

Will se je vrnil v laboratorij, da bi nadaljeval natezno testiranje zlitine, sestavljene iz aluminija, bakra in magnezija. Ugotovil je, da se je moč te zlitine med vikendom močno povečala.

V tem času se ta zlitina hrani le na sobni temperaturi, vendar po dolgem času ne bo mogla opraviti naloge.

Danes ta pojav imenujemo naravno staranje.

Ameriški metalurg Paul Merica je leta 1919 predlagal, da je ta pojav posledica tvorbe neke vrste obarjanja v zlitini z majhnimi delci različnih elementov. Toda takrat ni bilo eksperimentalne metode, ki bi to dokazala.

Lervik je dejal, da do konca tridesetih let prejšnjega stoletja metode rentgenske difrakcije niso mogle dokazati, da se legirni elementi združujejo v majhne grozde na nanometru.

Čisti aluminij je sestavljen iz številnih kristalov. Kristal lahko obravnavamo kot mrežo in vsak kvadrat mreže ima atom. Trdnost se meri z odpornostjo plošč proti drsenju drug proti drugemu.

V zlitini le majhen del kvadrata zasedajo drugi elementi, kar oteži drsenje med ploščami in s tem poveča trdnost.

Kot je pojasnil Lervik, je agregat kot majhna kapljica barve v bloku mreže. Legirni elementi se kopičijo in zasedajo na desetine sosednjih kvadratov, ki segajo na več listov. Skupaj z aluminijem tvorijo vzorec. Te kapljice imajo drugačno atomsko strukturo od aluminija, zaradi česar kosmiči v mrežnem bloku težje zdrsnejo zaradi dislokacij.

Agregacija legirnih elementov se imenuje"grozdi". V tehničnem jeziku se imenujejo okrožje Ginier-Preston (GP), poimenovano po znanstvenikih, ki sta jih prva opisala. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so ljudje prvič videli regije GP skozi elektronski mikroskop, vendar jih do zdaj niso videli na ravni enega atoma.

Praktična uporaba je najpomembnejša

V zadnjih letih je veliko znanstvenikov raziskovalo sestavo agregatov, vendar je bilo opravljenega malo dela za razumevanje njihove jedrske strukture. Namesto tega so se številne študije osredotočile na optimizacijo zlitin z eksperimentiranjem s staranjem pri različnih temperaturah in različnih časih, je dejal Lervik.

V industrijskem okolju sta staranje in proizvodnja močnih kovinskih mešanic očitno zelo pomembna. Vendar le malo raziskovalcev in poznavalcev industrije zanima, iz česa so te zvezdne kopice dejansko sestavljene. Premajhni so za dokazovanje.

Lervik in njegovi kolegi imajo drugačne zamisli.

Lervik je dejal, da smo z našimi eksperimentalnimi metodami leta 2018 prvič uspešno uporabili Trondheimov prenosni elektronski mikroskop za fotografiranje agregatov na atomski ravni.

Raziskovalna skupina je uporabila tudi instrument za tomografijo atomske sonde, ki je bil nedavno nameščen na NTNU, da bi določil kemično sestavo agregatov. To odkritje je omogočil infrastrukturni projekt Norveškega raziskovalnega sveta. Ta naložba je pripeljala do novega razumevanja osnov kovin.

Raziskovalci so preučevali zlitine aluminija, cinka in magnezija, imenovane aluminijeve zlitine serije 7xxx. Te zlitine lahkih kovin postajajo vse bolj pomembne v avtomobilski in vesoljski industriji.

V aluminiju smo našli skupke delcev s polmerom 1,9 nanometra. Čeprav jih je veliko, jih je težko opazovati pod mikroskopom. Atomsko zgradbo lahko določimo le v posebnih eksperimentalnih pogojih.

To je del razloga, zakaj tega ni storil še nihče. Eksperiment je zapleten in zahteva napredno sodobno eksperimentalno opremo.

Kako kočljivo je to, smo že večkrat izkusili. Tudi če nam je uspelo posneti zvezdne kopice in izluščiti nekaj informacij o njihovi sestavi, smo potrebovali več let, da smo izvedeli dovolj informacij, da smo lahko opisali zgradbo jedra, je dejal Lervik.

Zakaj je torej to delo tako posebno? V preteklosti so ljudje mislili, da so agregati sestavljeni iz legirnih elementov in morda bolj ali manj naključno razporejenih prostih mest (praznih kvadratkov).

Lervik je dejal, da smo ugotovili, da lahko opišemo vse agregate, ki jih opazujemo, v smislu edinstvene geometrijske prostorske figure, imenovane prisekani kockasti oktaeder.

Da bi razumeli to odkritje, moramo najprej priznati, da lahko aluminijeve kristale (kvadratne bloke) vidimo kot kup kock, od katerih ima vsaka 8 vogalov in 6 ploskev z atomi.

Ta struktura je stransko osredotočena kubična mreža atomov. Ta geometrijska figura je kot kocka, lupina pa je sestavljena iz okoliških kock. Opisujemo jo kot tri lupine, ki obdajajo osrednjo kocko: ena je stranica, ena je vogal in najbolj zunanja plast. Te lupine so sestavljene iz 6 atomov cinka, 8 atomov magnezija in 24 atomov cinka.

Ta slika nadalje pojasnjuje vse večje enote gruče, ki jih je mogoče povezati in razširiti v treh definiranih smereh. Ta slika tudi pojasnjuje opažanja, ki so jih prej poročali drugi. Te enote grozdov pomagajo povečati moč med staranjem.

To je pomembno za razumevanje toplotne obdelave

Te zlitine bodo podvržene tudi končni toplotni obdelavi pri višjih temperaturah (130-200 °C), da se tvorijo večje oborine z jasno kristalno strukturo. Držijo atomsko ploskev (list) tesneje skupaj in jo močno utrdijo.

Verjamemo, da je razumevanje atomske strukture atomskih grozdov, ki jih tvori naravno staranje, bistveno za nadaljnje razumevanje procesa nastajanja padavin, ki določa lastnosti toliko materialov. Ali med toplotno obdelavo na grozdih nastane oborina ali se grozdi spremenijo v oborino? Kako ga optimizirati in uporabljati? Na ta vprašanja bo poskušalo odgovoriti naše nadaljnje delo, je dejal Lervik.