EPFL-onderzoekers hebben modellen van magnesiumlegeringen ontwikkeld om te begrijpen hoe het metaal buigzamer kan worden gemaakt. Magnesium is het lichtste metaal op aarde, maar laat zich niet gemakkelijk omvormen tot bruikbare vormen. De onderzoekers hopen dat de modellen zullen leiden tot de ontdekking van nieuwe, meer kneedbare legeringen, zodat autofabrikanten lichtere voertuigen kunnen maken die minder energie verbruiken.

Scheer slechts 100 kilogram af van het gewicht van een auto en u verhoogt de energie-efficiëntie met ongeveer 3,5 procent. Het maken van lichtere machines en apparatuur is een doel van fabrikanten in industrieën variërend van automobiel tot ruimtevaart. En de sleutel zou gewoon magnesium kunnen zijn - een metaal dat niet alleen vier keer lichter is dan staal, maar is ook makkelijk te vinden. De vangst is dat puur magnesium moeilijk uit te rekken en te vormen is en dus niet als zodanig kan worden gebruikt. Dus, onderzoekers van EPFL's Laboratory for Multiscale Mechanics Modeling ontwikkelden een model om te voorspellen hoe het metaal zich gedraagt ​​wanneer het wordt gemengd met verschillende elementen om te bepalen welk type legering de vervormingscapaciteit biedt die nodig is voor industriële toepassingen. Hun onderzoek is vandaag gepubliceerd in Wetenschap .

Aansteker, meer kneedbare legeringen

"Magnesium wordt veel kneedbaarder als je een paar atomen van zeldzame aardmetalen toevoegt, calcium, of mangaan, " zegt William Curtin, een professor aan EPFL's School of Engineering. "We wilden begrijpen wat er gaande is in deze legeringen op atomair niveau, zodat we kunnen bepalen welke elementen moeten worden toegevoegd en in welke hoeveelheden om het metaal buigzaam te maken." Magnesium kan worden gewaardeerd om zijn ultralage gewicht, maar het heeft ook een zeer lage ductiliteit. "Dat betekent dat het gemakkelijk kan breken als het vervormd is, en dus kan het staal of aluminium nog niet vervangen, ", zegt Curtin. De oplossing is om goedkope, gemakkelijk beschikbare mineralen die kunnen worden gebruikt om magnesiumlegeringen te maken. Zeldzame aardmetalen zoals yttrium en cerium zijn zeer effectief, maar voldoen verder niet aan deze criteria.

Deze onderzoekers identificeerden eerder de fysieke eigenschappen die puur magnesium moeilijk te vormen maken. Het was bekend dat het toevoegen van bepaalde elementen het kneedbaarder kan maken. Maar onderzoekers hebben geen goed begrip van de fysieke mechanismen die plaatsvinden - wat betekent dat ze het moeilijk hebben om te voorspellen wat de beste legeringen zouden zijn. "Ingenieurs ontwerpen en testen vaak nieuwe legeringen van staal en aluminium, de meest gebruikte metalen, lichter te ontwikkelen, meer vaste of meer kneedbare verbindingen, ", zegt Curtin. Maar de factoren die de taaiheid van een legering beïnvloeden, blijven een mysterie en veel materialen worden nog steeds experimenteel ontwikkeld.

Metalen bestuderen op atomaire schaal

De EPFL-onderzoekers bestudeerden de interacties tussen magnesiumatomen en de atomen van de elementen die werden toegevoegd om de legeringen te maken. Ze ontdekten dat bepaalde atomen een proces in gang zetten dat het mechanisme dat magnesium moeilijk te vormen maakt "opheft". De lage ductiliteit van magnesium is te wijten aan het lage aantal beweegbare dislocaties, dat zijn de lineaire defecten die ervoor zorgen dat metalen plastisch vloeien en waardoor het minder snel breekt als het wordt vervormd. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van bepaalde elementen het aantal beweegbare dislocaties aanzienlijk verhoogt en daardoor de vervormingscapaciteit van het metaal verbetert. Vervolgens hebben ze een aantal maanden gebruikt om EPFL's High Performance Computing-systeem te gebruiken om via kwantummechanica te berekenen welke combinaties van atomen de hoogste ductiliteit opleveren. "We hadden echt geluk dat we toegang hadden tot deze apparatuur, waardoor we meteen aan de slag konden, ' zegt Curtijn.

Voorlopig bevinden de legeringen zich nog in de modelleringsfase. De volgende stap is fabricage in het lab om te kijken of ze de juiste eigenschappen hebben voor industrieel gebruik en op grote schaal kunnen worden vervaardigd.