Proč jsou některé slitiny pevnější při pokojové teplotě?

Slitina je obvykle kov, ke kterému byl přidán alespoň jeden další prvek. Fyzik Adrian Lervik řekl, že již víme, že hliníkové slitiny mohou být pevnější, když jsou skladovány při pokojové teplotě.

Německý metalurg Alfred Wilm objevil tuto charakteristiku již v roce 1906. Ale proč tomu tak je? O tomto fenoménu se zatím ví jen málo, ale nyní to Lervik a jeho kolegové z Norské univerzity vědy a technologie (NTNU) a největší skandinávské nezávislé výzkumné instituce SINTEF vyřešili. Tento problém je vyřešen ("Atomová struktura klastrů rozpuštěných látek ve slitinách Al – Zn – Mg").

Lervik nedávno dokončil doktorát z fyziky na NTNU. Jeho dílo vysvětluje důležitou část této záhady.

Na konci 19. století se Wilm pokusil zvýšit pevnost hliníku, lehkého kovu, který se objevil teprve nedávno. Tavil a odléval mnoho různých slitin a testoval různé rychlosti chlazení běžné při výrobě oceli, aby dosáhl nejlepší pevnosti. řekl Lervik.

Will se vrátil do laboratoře, aby pokračoval v tahovém testování slitiny složené z hliníku, mědi a hořčíku. Zjistil, že pevnost této slitiny se během víkendu výrazně zvýšila.

Během této doby je tato slitina udržována pouze při pokojové teplotě, ale po dlouhé době nebude schopna dokončit úkol.

Dnes se tomuto jevu říká přirozené stárnutí.

Americký metalurg Paul Merica v roce 1919 navrhl, že tento jev je způsoben tvorbou jakési sraženiny ve slitině malými částicemi různých prvků. Ale v té době neexistovala žádná experimentální metoda, která by to dokázala.

Lervik řekl, že až do konce 30. let 20. století metody rentgenové difrakce nemohly prokázat, že se legující prvky agregují do malých shluků v nanoměřítku.

Čistý hliník se skládá z mnoha krystalů. Krystal lze považovat za mřížku a každý čtverec mřížky má atom. Pevnost je měřena odporem plechů proti vzájemnému klouzání.

U slitiny je pouze malá část čtverce obsazena jinými prvky, což ztěžuje klouzání mezi plechy, čímž se zvyšuje pevnost.

Jak vysvětlil Lervik, kamenivo je jako malá kapka barvy v mřížkovém bloku. Legující prvky se hromadí a zabírají desítky sousedních čtverců, které se rozprostírají na několik listů. Spolu s hliníkem tvoří vzor. Tyto kapičky mají odlišnou atomovou strukturu než hliník, což ztěžuje prokluzování vloček v mřížkovém bloku dislokacemi.

Agregace legujících prvků se nazývá"shluky". V odborném jazyce se jim říká Ginier-Preston District (GP), pojmenované po dvou vědcích, kteří je poprvé popsali. V 60. letech 20. století lidé poprvé viděli oblasti GP prostřednictvím elektronového mikroskopu, ale dosud nebyly pozorovány na úrovni jednoho atomu.

Praktická aplikace je nejdůležitější

V posledních letech mnoho vědců prozkoumalo složení agregátů, ale pro pochopení jejich jaderné struktury bylo vykonáno jen málo práce. Místo toho se mnoho studií zaměřilo na optimalizaci slitin experimentováním s tvrzením stárnutím při různých teplotách a různých časech, řekl Lervik.

V průmyslovém prostředí je samozřejmě velmi důležité vytvrzování stárnutím a výroba silných kovových směsí. Jen málo výzkumníků a odborníků z oboru se však zajímá o to, z čeho se tyto hvězdokupy ve skutečnosti skládají. Jsou příliš malí na to, aby to dokázali.

Lervik a jeho kolegové mají jiné představy.

Lervik řekl, že prostřednictvím našich experimentálních metod jsme poprvé v roce 2018 úspěšně použili transmisní elektronový mikroskop Trondheim k pořízení fotografií agregátů na atomové úrovni.

Výzkumný tým také použil atomovou sondu nedávno instalovanou v NTNU k určení chemického složení agregátů. Tento objev umožnil projekt infrastruktury Norské výzkumné rady. Tato investice vedla k novému chápání základů kovů.

Výzkumníci studovali slitiny hliníku, zinku a hořčíku, nazývané hliníkové slitiny řady 7xxx. Tyto slitiny lehkých kovů jsou stále důležitější v automobilovém a leteckém průmyslu.

V hliníku jsme našli shluky částic o poloměru 1,9 nanometru. I když je jich mnoho, je obtížné je pozorovat pod mikroskopem. Strukturu atomu můžeme určit pouze za speciálních experimentálních podmínek.

To je jeden z důvodů, proč to nikdo předtím neudělal. Experiment je komplikovaný a vyžaduje moderní moderní experimentální vybavení.

Mnohokrát jsme zažili, jak je to složité. I když se nám podařilo pořídit snímky hvězdokup a získat nějaké informace o jejich složení, trvalo nám několik let, než jsme se dozvěděli dostatek informací, abychom mohli popsat strukturu jádra, řekl Lervik.

Čím je tedy tato práce tak výjimečná? V minulosti si lidé mysleli, že kamenivo je složeno z legujících prvků a možná více či méně náhodně uspořádaných volných míst (prázdných čtverců).

Lervik řekl, že jsme zjistili, že můžeme popsat všechny agregáty, které pozorujeme, pomocí jedinečného geometrického prostorového útvaru zvaného komolý krychlový osmistěn.

Abychom tomuto objevu porozuměli, musíme nejprve připustit, že hliníkové krystaly (čtvercové bloky) lze vidět jako hromadu kostek, z nichž každá má 8 rohů a 6 ploch s atomy.

Tato struktura je stranově centrovaná kubická mřížka atomů. Tento geometrický obrazec je jako krychle a skořápka je tvořena okolními kostkami. Popisujeme to jako tři skořepiny obklopující centrální krychli: jedna je boční, jedna je rohová a vnější vrstva. Tyto obaly se skládají ze 6 atomů zinku, 8 atomů hořčíku a 24 atomů zinku.

Tento obrázek dále vysvětluje všechny větší klastrové jednotky, které lze spojovat a rozšiřovat ve třech definovaných směrech. Tento obrázek také vysvětluje pozorování dříve hlášená ostatními. Tyto klastrové jednotky pomáhají zvyšovat pevnost během stárnutí.

To je důležité pro pochopení tepelného zpracování

Tyto slitiny také projdou finálním tepelným zpracováním při vyšších teplotách (130-200°C) za vzniku větších precipitátů s čirou krystalickou strukturou. Drží atomovou rovinu (plech) blíže k sobě a značně ji posilují.

Věříme, že pochopení atomové struktury atomových shluků vytvořených přirozeným stárnutím je nezbytné pro další pochopení procesu tvorby precipitací, který určuje vlastnosti tolika materiálů. Vznikají při tepelném zpracování srážky na shlucích nebo se shluky mění ve srážky? Jak jej optimalizovat a používat? Naše další práce se pokusí na tyto otázky odpovědět, řekl Lervik.