Почему некоторые сплавы становятся прочнее при комнатной температуре?

Сплав обычно представляет собой металл, к которому был добавлен по крайней мере еще один элемент. Физик Адриан Лервик сказал, что мы уже знаем, что алюминиевые сплавы могут стать прочнее при хранении при комнатной температуре.

Немецкий металлург Альфред Вильм открыл эту особенность еще в 1906 году. Но почему это так? Пока об этом явлении известно немного, но теперь Лервик и его коллеги из Норвежского университета науки и технологий (NTNU) и крупнейшего независимого исследовательского учреждения Скандинавии СИНТЕФ решили его. Эта проблема решена ("Атомная структура кластеров растворенных веществ в сплавах Al - Zn - Mg").

Лервик недавно защитил кандидатскую диссертацию по физике в НТНУ. Его работа объясняет важную часть этой тайны.

В конце 19 века Вильм попытался повысить прочность алюминия, легкого металла, который появился совсем недавно. Он плавил и отливал множество различных сплавов и тестировал различные скорости охлаждения, используемые при производстве стали, чтобы добиться максимальной прочности. - сказал Лервик.

Уилл вернулся в лабораторию, чтобы продолжить испытания на растяжение сплава, состоящего из алюминия, меди и магния. Он обнаружил, что прочность этого сплава значительно выросла за выходные.

В течение этого времени этот сплав хранится только при комнатной температуре, но по прошествии длительного времени он не сможет выполнить поставленную задачу.

Сегодня это явление называют естественным старением.

Американский металлург Пол Мерика в 1919 году предположил, что это явление связано с образованием в сплаве своего рода осадков из мелких частиц различных элементов. Но в то время не было экспериментального метода, подтверждающего это.

Лервик сказал, что до конца 1930-х годов методы дифракции рентгеновских лучей не могли доказать, что легирующие элементы собираются в небольшие кластеры на наномасштабе.

Чистый алюминий состоит из множества кристаллов. Кристалл можно рассматривать как сетку, и в каждом квадрате сетки есть атом. Прочность измеряется сопротивлением листов скольжению друг относительно друга.

В сплаве только небольшая часть площади занята другими элементами, что затрудняет скольжение между листами, тем самым увеличивая прочность.

Как объяснил Лервик, заполнитель похож на небольшую каплю краски в блоке сетки. Легирующие элементы накапливаются и занимают десятки смежных квадратов, которые доходят до нескольких листов. Вместе с алюминием они образуют узор. Эти капли имеют атомную структуру, отличную от алюминиевой, что затрудняет скольжение чешуек в сеточном блоке дислокациями.

Совокупность легирующих элементов называется "кластеры". На техническом языке они называются округом Жинье-Престон (GP) в честь двух ученых, которые первыми описали их. В 1960-х годах люди впервые увидели области GP через электронный микроскоп, но до сих пор они не наблюдались на одноатомном уровне.

Практическое применение - самое главное

В последние годы многие ученые исследовали состав агрегатов, но мало что было сделано для понимания их ядерной структуры. Вместо этого многие исследования были сосредоточены на оптимизации сплавов путем экспериментов с упрочнением при старении при разных температурах и в разное время, сказал Лервик.

Очевидно, что в промышленных условиях очень важны старение и производство прочных металлических смесей. Однако немногих исследователей и инсайдеров отрасли волнует, из чего на самом деле состоят эти звездные скопления. Они слишком малы, чтобы их доказать.

У Лервика и его коллег разные взгляды.

Лервик сказал, что с помощью наших экспериментальных методов мы успешно использовали просвечивающий электронный микроскоп Тронхейма, чтобы впервые в 2018 году сделать фотографии агрегатов на атомном уровне.

Исследовательская группа также использовала прибор атомно-зондовой томографии, недавно установленный в НТНУ, для определения химического состава агрегатов. Это открытие стало возможным благодаря инфраструктурному проекту Норвежского исследовательского совета. Эти вложения привели к новому пониманию основ металлов.

Исследователи изучали сплавы алюминия, цинка и магния, названные алюминиевыми сплавами серии 7ххх. Эти легкие металлические сплавы приобретают все большее значение в автомобильной и авиакосмической промышленности.

Мы обнаружили скопления частиц радиусом 1,9 нанометра в алюминии. Хотя их много, их трудно наблюдать под микроскопом. Определить атомную структуру можно только в специальных экспериментальных условиях.

Это одна из причин, почему этого раньше никто не делал. Эксперимент сложен и требует передового современного экспериментального оборудования.

Мы много раз видели, насколько это сложно. «Даже если нам удалось сфотографировать звездные скопления и получить некоторую информацию об их составе, нам потребовалось несколько лет, чтобы получить достаточно информации, чтобы описать структуру ядра», - сказал Лервик.

Так что же делает эту работу такой особенной? В прошлом люди думали, что агрегаты состоят из легирующих элементов и, возможно, более или менее случайно расположенных вакансий (пустых квадратов).

Лервик сказал, что мы обнаружили, что можем описать все наблюдаемые совокупности в терминах уникальной геометрической пространственной фигуры, называемой октаэдром усеченного куба.

Чтобы понять это открытие, мы должны сначала признать, что кристаллы алюминия (квадратные блоки) можно рассматривать как стопку кубиков, каждый из которых имеет 8 углов и 6 граней с атомами.

Эта структура представляет собой центрированную по бокам кубическую решетку атомов. Эта геометрическая фигура похожа на куб, а оболочка образована окружающими кубиками. Мы описываем его как три оболочки, окружающие центральный куб: одна - сторона, другая - угол и самый внешний слой. Эти оболочки состоят соответственно из 6 атомов цинка, 8 атомов магния и 24 атомов цинка.

Этот рисунок дополнительно объясняет все более крупные кластерные блоки, которые можно подключать и расширять в трех определенных направлениях. Эта картина также объясняет наблюдения, ранее сообщенные другими. Эти кластерные блоки помогают увеличить прочность при старении.

Это важно для понимания термической обработки.

Эти сплавы также будут подвергаться окончательной термообработке при более высоких температурах (130-200 ° C) с образованием более крупных выделений с прозрачной кристаллической структурой. Они удерживают атомную плоскость (лист) ближе друг к другу и сильно ее укрепляют.

Мы считаем, что понимание атомной структуры атомных кластеров, образованных естественным старением, необходимо для дальнейшего понимания процесса образования осадков, который определяет свойства многих материалов. Во время термообработки на кластерах образуются осадки или кластеры переходят в осадки? Как его оптимизировать и использовать? «Наша дальнейшая работа будет пытаться ответить на эти вопросы», - сказал Лервик.