Hvorfor bliver nogle legeringer stærkere ved stuetemperatur?

En legering er typisk et metal, hvor der er tilføjet nogle få procent af mindst ét ​​andet element. Nogle aluminiumslegeringer har en tilsyneladende mærkelig egenskab.

"Vi har vidst, at aluminiumslegeringer kan blive stærkere ved at blive opbevaret ved stuetemperatur - det er ikke ny information, siger Adrian Lervik, en fysiker ved Norges Tekniske og Naturvidenskabelige Universitet (NTNU).

Den tyske metallurg Alfred Wilm opdagede denne ejendom helt tilbage i 1906. Men hvorfor sker det? Hidtil har fænomenet været dårligt forstået, men nu Lervik og hans kolleger fra NTNU og SINTEF, det største uafhængige forskningsinstitut i Skandinavien, har løst det spørgsmål.

Lervik afsluttede for nylig sin doktorgrad ved NTNU's Institut for Fysik. Hans arbejde forklarer en vigtig del af dette mysterium. Men først lidt baggrund, fordi Lervik også har gravet i noget forhistorie.

"I slutningen af ​​1800-tallet, Wilm arbejdede på at forsøge at øge styrken af ​​aluminium, et letmetal, der for nylig var blevet tilgængeligt. Han smeltede og støbte en række forskellige legeringer og testede forskellige kølehastigheder, der er almindelige i stålproduktion, for at opnå den bedst mulige styrke, siger Lervik.

En weekend, hvor vejret var godt, besluttede Wilm at tage en pause fra sine eksperimenter og i stedet tage en tidlig weekend for at sejle langs Havel-floden.

"Han vendte tilbage til laboratoriet i mandags og fortsatte med at køre træktest af en legering bestående af aluminium, kobber og magnesium, som han havde startet ugen før. Han opdagede, at legeringens styrke var steget betydeligt i løbet af weekenden.

Denne legering havde simpelthen holdt sig ved stuetemperatur i det tidsrum. Tiden havde gjort det arbejde, som alle mulige andre kølemetoder ikke kunne klare.

I dag kaldes dette fænomen naturlig aldring.

Den amerikanske metallurg Paul Merica foreslog i 1919, at fænomenet måtte skyldes små partikler af de forskellige grundstoffer, der danner en slags nedbør i legeringen. Men på det tidspunkt var der ingen eksperimentelle metoder, der kunne bevise dette.

"Først mod slutningen af ​​1930'erne kunne røntgendiffraktionsmetoden bevise, at legeringselementerne akkumulerede i små klynger på nanoskala, siger Lervik.

Rent aluminium består af masser af krystaller. En krystal kan ses som en blok af gitterark, hvor et atom sidder i hvert kvadrat af gitteret. Styrken måles i pladernes modstand mod at glide over hinanden.

I en legering, en lille procent af kvadraterne er optaget af andre elementer, gør det lidt sværere for arkene at glide hen over hinanden og resulterer i øget styrke.

Som Lervik forklarer det, "Et tilslag er som en lille dråbe maling i gitterblokken. Legeringselementerne samler sig og optager et par dusin nabofirkanter, der strækker sig over flere plader. Sammen med aluminiumet de danner et mønster. Disse dråber har en anden atomstruktur end aluminium og gør dislokationsglidning vanskeligere for pladerne i gitterblokken."

Aggregater af legeringselementer er kendt som "klynger. På fagsprog kaldes de Guinier-Preston (GP) zoner efter de to videnskabsmænd, der først beskrev dem. I 1960'erne, det blev muligt at se GP-zoner gennem et elektronmikroskop for første gang, men det har taget indtil nu at se dem på enkeltatom-niveau.

"I de seneste år, talrige videnskabsmænd har undersøgt sammensætningen af ​​aggregater, men lidt arbejde er blevet gjort for at forstå deres nukleare struktur. I stedet, mange undersøgelser har fokuseret på at optimere legeringer ved at eksperimentere med ældningshærdning ved forskellige temperaturer og i forskellige længder af tid, siger Lervik.

Ældningshærdning og skabelse af stærke metalblandinger er klart meget vigtigt i en industriel sammenhæng. Men de færreste forskere og folk i branchen har bekymret sig meget om, hvad klyngerne egentlig består af. De var simpelthen for små til at bevise.

Lervik og hans kolleger tænkte anderledes.

"Med vores moderne eksperimentelle metoder, vi formåede at tage billeder på atomniveau af klyngerne med transmissionselektronmikroskopet i Trondheim for første gang i 2018, siger Lervik.

"Han og hans team studerede legeringer af aluminium, zink og magnesium. Disse bliver stadig vigtigere i bil- og rumfartsindustrien."

Forskerholdet fastslog også klyngernes kemiske sammensætning ved hjælp af instrumentet til atomsondetomografi, der for nylig blev installeret på NTNU. Infrastrukturprogrammet ved Norges Forskningsråd gjorde denne opdagelse mulig. Denne investering har allerede bidraget til ny grundlæggende indsigt i metaller.

Forskerne studerede legeringer af aluminium, zink og magnesium, kendt som 7xxx serie Al-legeringer. Disse letmetallegeringer bliver stadig vigtigere i bil- og rumfartsindustrien.

"Vi fandt klynger med en radius på 1,9 nanometer begravet i aluminiumet. Selvom der er talrige, de er svære at observere under et mikroskop. Vi formåede kun at identificere atomstrukturen under særlige eksperimentelle forhold, siger Lervik.

Dette er en del af grunden til, at ingen har gjort dette før. Det er vanskeligt at udføre eksperimenterne og kræver avanceret moderne eksperimentelt udstyr.

"Vi har oplevet, hvor vanskeligt det her var flere gange. Selvom vi nåede at tage et billede af klyngerne og kunne udtrække nogle oplysninger om deres sammensætning, det tog flere år, før vi forstod nok til at kunne beskrive den nukleare struktur, siger Lervik.

Så hvad gør dette arbejde så specielt? I fortiden, folk har antaget, at tilslag består af legeringselementerne, aluminium og måske ledige pladser (tomme firkanter), der er mere eller mindre tilfældigt opstillet.

"Vi fandt ud af, at vi kan beskrive alle de klynger, vi har observeret, baseret på en unik geometrisk rumlig figur kaldet et 'trunkeret terningoktaeder,' " siger Lervik.

Lige her vil enhver uden baggrund i fysik eller kemi måske skimme de næste afsnit eller springe direkte til den midterste overskrift "Vigtigt for at forstå varmebehandling."

For at forstå illustrationen ovenfor, vi må først acceptere, at en aluminiumkrystal (firkantet blok) kan visualiseres som en stak af terninger, hver med atomer på de 8 hjørner og 6 sider.

Denne struktur er et atomært sidecentreret kubisk gitter. Den geometriske figur er som en terning, med en ydre skal dannet af de omgivende terninger. Vi beskriver det som tre skaller omkring den midterste terning:en til siderne, en til hjørnerne og den yderste skal. Disse skaller består af 6 zink, 8 magnesium- og 24 zinkatomer, henholdsvis.

Midten af ​​kroppen (terningen) kan indeholde et ekstra atom - et 'mellemliggende' - som i denne illustration kan beskrives som værende placeret mellem mellemrummene (firkanterne) af aluminium.

Denne enkelt figur forklarer yderligere alle større klyngeenheder ved deres evne til at forbinde og udvide i tre definerede retninger. Billedet forklarer også observationer, der tidligere er rapporteret af andre. Disse klyngeenheder er det, der bidrager til øget styrke under aldershærdning.

Vigtigt for at forstå varmebehandling

"Hvorfor er det her cool? Det er fedt, fordi naturlig aldring normalt ikke er det sidste trin i behandlingen af ​​en legering, før den er klar til at blive brugt, siger Lervik.

Disse legeringer gennemgår også en endelig varmebehandling ved højere temperaturer (130-200°C) for at danne større bundfald med definerede krystalstrukturer. De binder atomplanerne (arkene) endnu tættere sammen og styrker det betydeligt .

"Vi mener, at forståelsen af ​​atomstrukturen af ​​klyngerne dannet af naturlig ældning er essentiel for yderligere at forstå processen med at danne bundfaldene, der bestemmer så meget af materialets egenskaber. Opstår bundfaldene på klyngerne eller omdannes klyngerne til bundfald i løbet af varmebehandling? Hvordan kan dette optimeres og udnyttes? Vores videre arbejde vil forsøge at besvare disse spørgsmål, siger Lervik.