Чому деякі сплави стають міцнішими при кімнатній температурі?

Сплав – це зазвичай метал, до якого додано принаймні ще один елемент. Фізик Адріан Лервік сказав, що ми вже знаємо, що алюмінієві сплави можуть ставати міцнішими при зберіганні при кімнатній температурі.

Німецький металург Альфред Вільм відкрив цю характеристику ще в 1906 році. Але чому це так? Поки що про це явище відомо небагато, але тепер Лервік і його колеги з Норвезького університету науки і технологій (NTNU) і найбільшого незалежного дослідницького інституту Скандинавії SINTEF розгадали його. Ця проблема вирішується ("Атомна структура кластерів розчиненої речовини в сплавах Al – Zn – Mg").

Лервік нещодавно захистив докторську дисертацію з фізики в NTNU. Його робота пояснює важливу частину цієї таємниці.

Наприкінці 19 століття Вільм намагався підвищити міцність алюмінію, легкого металу, який лише недавно з’явився. Він розплавив і відлив багато різних сплавів і випробовував різні швидкості охолодження, поширені у виробництві сталі, щоб досягти найкращої міцності. – сказав Лервік.

Вілл повернувся до лабораторії, щоб продовжити випробування на розтяг сплаву, що складається з алюмінію, міді та магнію. Він виявив, що міцність цього сплаву значно зросла під час вихідних.

Протягом цього часу цей сплав зберігається лише при кімнатній температурі, але через тривалий час він не зможе виконати завдання.

Сьогодні це явище називають природним старінням.

У 1919 році американський металург Пол Меріка припустив, що це явище пов'язане з утворенням у сплаві свого роду опадів дрібними частинками різних елементів. Але на той час не було експериментального методу, щоб довести це.

Лервік сказав, що до кінця 1930-х років методи дифракції рентгенівських променів не могли довести, що легуючі елементи збираються в невеликі кластери на нанорозмірі.

Чистий алюміній складається з багатьох кристалів. Кристал можна розглядати як сітку, і в кожному квадраті сітки є атом. Міцність вимірюється опором листів ковзанню один об одного.

У сплаві лише невелика частина квадрата зайнята іншими елементами, що ускладнює ковзання між листами, тим самим збільшуючи міцність.

Як пояснив Лервік, заповнювач схожий на маленьку краплю фарби в блоці сітки. Легуючі елементи накопичуються і займають десятки сусідніх квадратів, які поширюються на кілька листів. Разом з алюмінієм вони утворюють малюнок. Ці краплі мають атомну структуру, відмінну від атомної структури алюмінію, що ускладнює ковзання пластівців у блоці сітки через дислокації.

Агрегація легуючих елементів наз"кластери". Технічною мовою вони називаються районом Джіньє-Престон (GP), названим на честь двох вчених, які першими їх описали. У 1960-х роках люди вперше побачили області GP через електронний мікроскоп, але досі їх не бачили на рівні одного атома.

Практичне застосування – найважливіше

В останні роки багато вчених досліджували склад агрегатів, але мало було зроблено для розуміння їх ядерної структури. Замість цього багато досліджень зосереджено на оптимізації сплавів шляхом експериментів із старінням при різних температурах і різний час, сказав Лервік.

У промисловому середовищі зміцнення на старіння та виробництво міцних металевих сумішей, очевидно, дуже важливі. Однак небагатьох дослідників і галузевих інсайдерів цікавить, з чого насправді складаються ці зоряні скупчення. Вони занадто малі, щоб довести.

У Лервіка та його колег різні ідеї.

Лервік сказав, що за допомогою наших експериментальних методів ми успішно використали трансмісійний електронний мікроскоп Тронхейма, щоб вперше в 2018 році зробити фотографії агрегатів на атомному рівні.

Дослідницька група також використовувала томографічний прилад атомного зонду, нещодавно встановлений в NTNU, щоб визначити хімічний склад агрегатів. Інфраструктурний проект Норвезької дослідницької ради зробив це відкриття можливим. Ця інвестиція призвела до нового розуміння основ металів.

Дослідники вивчали сплави алюмінію, цинку та магнію, які називаються алюмінієвими сплавами серії 7xxx. Ці сплави легких металів стають все більш важливими в автомобільній та аерокосмічній промисловості.

Ми виявили кластери частинок радіусом 1,9 нанометра в алюмінії. Хоча їх багато, їх важко спостерігати під мікроскопом. Ми можемо визначити структуру атома лише в спеціальних експериментальних умовах.

Це частково причина, чому ніхто раніше цього не робив. Експеримент складний і вимагає передового сучасного експериментального обладнання.

Ми багато разів відчували, наскільки це складно. Навіть якщо нам вдалося сфотографувати зоряні скупчення та отримати деяку інформацію про їхній склад, нам знадобилося кілька років, щоб отримати достатньо інформації, щоб описати структуру ядра, сказав Лервік.

Отже, що робить цю роботу такою особливою? У минулому люди вважали, що агрегати складаються з легуючих елементів і, можливо, більш-менш випадково розташованих вакансій (порожніх квадратів).

Лервік сказав, що ми виявили, що можемо описати всі агрегати, які ми спостерігаємо, в термінах унікальної геометричної просторової фігури, яка називається усіченим кубічним октаедром.

Щоб зрозуміти це відкриття, ми повинні спочатку визнати, що кристали алюмінію (квадратні блоки) можна розглядати як стопку кубів, кожен з яких має 8 кутів і 6 граней з атомами.

Ця структура являє собою кубічну решітку атомів з боковим центром. Ця геометрична фігура схожа на куб, а оболонка утворена оточуючими кубиками. Ми описуємо це як три оболонки, що оточують центральний куб: одна є стороною, одна є кутом і зовнішнім шаром. Ці оболонки складаються відповідно з 6 атомів цинку, 8 атомів магнію та 24 атомів цинку.

Цей малюнок додатково пояснює всі більші одиниці кластера, які можна з’єднувати та розширювати у трьох визначених напрямках. Ця картина також пояснює спостереження, про які раніше повідомляли інші. Ці кластерні одиниці сприяють збільшенню міцності під час вікового зміцнення.

Це важливо для розуміння термічної обробки

Ці сплави також пройдуть остаточну термічну обробку при більш високих температурах (130-200°C) з утворенням більших виділень із чіткою кристалічною структурою. Вони зближують атомну площину (лист) і значно зміцнюють її.

Ми вважаємо, що розуміння атомної структури атомних кластерів, утворених природним старінням, має важливе значення для подальшого розуміння процесу утворення опадів, який визначає властивості багатьох матеріалів. Під час термообробки на гронах утворюється осад чи грона перетворюються в осад? Як його оптимізувати та використовувати? Наша подальша робота спробує відповісти на ці запитання, – сказав Лервік.