Warum werden manche Legierungen bei Raumtemperatur fester?
Eine Legierung ist normalerweise ein Metall, dem mindestens ein weiteres Element hinzugefügt wurde. Der Physiker Adrian Lervik sagte, dass wir bereits wissen, dass Aluminiumlegierungen fester werden können, wenn sie bei Raumtemperatur gelagert werden.
Bereits 1906 entdeckte der deutsche Metallurg Alfred Wilm diese Eigenschaft. Aber warum ist das so? Bisher ist über dieses Phänomen wenig bekannt, doch nun haben Lervik und seine Kollegen von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) und Skandinaviens größter unabhängiger Forschungseinrichtung SINTEF es gelöst. Dieses Problem ist gelöst ("Atomstruktur von gelösten Clustern in Al – Zn – Mg-Legierungen").
Lervik hat kürzlich seinen Doktortitel in Physik an der NTNU abgeschlossen. Seine Arbeit erklärt einen wichtigen Teil dieses Mysteriums.
Ende des 19. Jahrhunderts versuchte Wilm, die Festigkeit des erst kürzlich entstandenen Leichtmetalls Aluminium zu erhöhen. Er schmolz und vergoss viele verschiedene Legierungen und testete verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten, die in der Stahlproduktion üblich sind, um die beste Festigkeit zu erreichen. sagte Lervik.
Will kehrte ins Labor zurück, um die Zugprüfung einer Legierung aus Aluminium, Kupfer und Magnesium fortzusetzen. Er stellte fest, dass die Festigkeit dieser Legierung während des Wochenendes deutlich zugenommen hat.
Während dieser Zeit wird diese Legierung nur bei Raumtemperatur gehalten, aber nach längerer Zeit wird sie die Aufgabe nicht erfüllen können.
Heute wird dieses Phänomen als natürliches Altern bezeichnet.
Der amerikanische Metallurg Paul Merica schlug 1919 vor, dass dieses Phänomen auf die Bildung einer Art von Ausscheidung in der Legierung durch kleine Partikel verschiedener Elemente zurückzuführen ist. Aber es gab damals keine experimentelle Methode, um dies zu beweisen.
Lervik sagte, dass Röntgenbeugungsmethoden bis Ende der 1930er Jahre nicht beweisen konnten, dass sich Legierungselemente zu kleinen Clustern im Nanobereich aggregieren.
Reines Aluminium besteht aus vielen Kristallen. Ein Kristall kann als Gitter betrachtet werden, und jedes Quadrat des Gitters hat ein Atom. Die Festigkeit wird durch den Widerstand der Bleche gegen das Gleiten gegeneinander gemessen.
In einer Legierung wird nur ein kleiner Teil des Quadrats von anderen Elementen eingenommen, was das Gleiten zwischen den Blechen erschwert und dadurch die Festigkeit erhöht.
Wie Lervik erklärte, ist das Aggregat wie ein kleiner Farbtropfen in einem Gitterblock. Die Legierungselemente sammeln sich an und besetzen Dutzende benachbarter Quadrate, die sich auf mehrere Bleche erstrecken. Zusammen mit Aluminium bilden sie ein Muster. Diese Tröpfchen haben eine andere Atomstruktur als Aluminium, was das Verrutschen der Flocken im Gitterblock durch Versetzungen erschwert.
Die Aggregation von Legierungselementen heißt "Cluster". In der Fachsprache werden sie Ginier-Preston District (GP) genannt, benannt nach den beiden Wissenschaftlern, die sie erstmals beschrieben haben. In den 1960er Jahren sahen die Menschen erstmals GP-Regionen durch ein Elektronenmikroskop, aber bis jetzt wurden sie noch nicht auf der Ebene einzelner Atome gesehen.
Praktische Anwendung ist das Wichtigste
In den letzten Jahren haben viele Wissenschaftler die Zusammensetzung von Aggregaten erforscht, aber es wurde wenig Arbeit geleistet, um ihre Kernstruktur zu verstehen. Stattdessen konzentrierten sich viele Studien auf die Optimierung von Legierungen durch Experimente mit der Auslagerung bei unterschiedlichen Temperaturen und zu unterschiedlichen Zeiten, sagte Lervik.
Im industriellen Umfeld kommt der Auslagerung und der Herstellung von starken Metallmischungen natürlich eine große Bedeutung zu. Allerdings interessieren sich nur wenige Forscher und Branchenkenner dafür, woraus diese Sternhaufen tatsächlich bestehen. Sie sind zu klein, um sie zu beweisen.
Lervik und seine Kollegen haben unterschiedliche Vorstellungen.
Laut Lervik haben wir 2018 mit unseren experimentellen Methoden das Transmissionselektronenmikroskop von Trondheim erfolgreich eingesetzt, um erstmals Fotos von Aggregaten auf atomarer Ebene aufzunehmen.
Das Forschungsteam nutzte auch das kürzlich am NTNU installierte Atomsonden-Tomographiegerät, um die chemische Zusammensetzung der Aggregate zu bestimmen. Das Infrastrukturprojekt des Norwegischen Forschungsrats machte diese Entdeckung möglich. Diese Investition hat zu einem neuen Verständnis der Grundlagen von Metallen geführt.
Die Forscher untersuchten Legierungen aus Aluminium, Zink und Magnesium, die als Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx bezeichnet werden. Diese Leichtmetalllegierungen gewinnen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie zunehmend an Bedeutung.
Wir fanden Cluster von Partikeln mit einem Radius von 1,9 Nanometern in Aluminium. Obwohl sie zahlreich sind, sind sie unter dem Mikroskop schwer zu beobachten. Den atomaren Aufbau können wir nur unter speziellen experimentellen Bedingungen bestimmen.
Dies ist einer der Gründe, warum dies noch niemand getan hat. Das Experiment ist kompliziert und erfordert fortschrittliche moderne experimentelle Ausrüstung.
Wie knifflig das ist, haben wir schon oft erlebt. Selbst wenn es uns gelang, die Sternhaufen zu fotografieren und einige Informationen über ihre Zusammensetzung zu gewinnen, brauchten wir mehrere Jahre, um genügend Informationen zu erhalten, um die Struktur des Kerns beschreiben zu können, sagte Lervik.
Was also macht diese Arbeit so besonders? Früher dachte man, Aggregate seien aus Legierungselementen und vielleicht mehr oder weniger zufällig angeordneten Leerstellen (leere Quadrate) zusammengesetzt.
Lervik sagte, dass wir herausgefunden haben, dass wir alle Aggregate, die wir beobachten, in Form einer einzigartigen geometrischen Raumfigur beschreiben können, die als abgestumpftes Würfeloktaeder bezeichnet wird.
Um diese Entdeckung zu verstehen, müssen wir zunächst zugeben, dass Aluminiumkristalle (quadratische Blöcke) als Stapel von Würfeln mit jeweils 8 Ecken und 6 Flächen mit Atomen betrachtet werden können.
Diese Struktur ist ein seitenzentriertes kubisches Gitter von Atomen. Diese geometrische Figur ist wie ein Würfel, und die umgebenden Würfel bilden eine Schale. Wir beschreiben es als drei Schalen, die den zentralen Kubus umgeben: eine ist die Seite, eine ist die Ecke und die äußerste Schicht. Diese Schalen bestehen jeweils aus 6 Zinkatomen, 8 Magnesiumatomen und 24 Zinkatomen.
Diese Abbildung erklärt weiter alle größeren Cluster-Einheiten, die in drei definierten Richtungen verbunden und erweitert werden können. Dieses Bild erklärt auch die Beobachtungen, die zuvor von anderen berichtet wurden. Diese Cluster-Einheiten helfen, die Festigkeit während der Auslagerung zu erhöhen.
Dies ist wichtig für das Verständnis der Wärmebehandlung
Diese Legierungen werden auch einer abschließenden Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen (130-200°C) unterzogen, um größere Ausscheidungen mit einer klaren Kristallstruktur zu bilden. Sie halten die Atomebene (Blatt) enger zusammen und verstärken sie stark.
Wir glauben, dass das Verständnis der atomaren Struktur von Atomclustern, die durch natürliche Alterung gebildet werden, für ein weiteres Verständnis des Niederschlagsbildungsprozesses, der die Eigenschaften so vieler Materialien bestimmt, unerlässlich ist. Bildet sich während der Wärmebehandlung der Niederschlag an den Clustern oder werden die Cluster zu Niederschlag? Wie optimiert und verwendet man es? Unsere weitere Arbeit wird versuchen, diese Fragen zu beantworten, sagte Lervik.
