Een legering is meestal een metaal waaraan een paar procent van ten minste één ander element is toegevoegd. Sommige aluminiumlegeringen hebben een schijnbaar vreemde eigenschap.

"We weten dat aluminiumlegeringen sterker kunnen worden door ze bij kamertemperatuur te bewaren - dat is geen nieuwe informatie, " zegt Adrian Lervik, een natuurkundige aan de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU).

De Duitse metallurg Alfred Wilm ontdekte dit pand al in 1906. Maar waarom gebeurt het? Tot nu toe is het fenomeen slecht begrepen, maar nu Lervik en zijn collega's van NTNU en SINTEF, het grootste onafhankelijke onderzoeksinstituut in Scandinavië, hebben die vraag aangepakt.

Lervik voltooide onlangs zijn doctoraat bij de afdeling Natuurkunde van NTNU. Zijn werk verklaart een belangrijk deel van dit mysterie. Maar eerst een beetje achtergrond, want Lervik heeft zich ook in de prehistorie gegraven.

"Aan het einde van de 19e eeuw Wilm probeerde de sterkte van aluminium te vergroten, een licht metaal dat onlangs beschikbaar was gekomen. Hij smolt en goot een aantal verschillende legeringen en testte verschillende koelsnelheden die gebruikelijk zijn in de staalproductie om de best mogelijke sterkte te bereiken, ’ zegt Lervik.

Op een weekend toen het mooi weer was, besloot Wilm een ​​pauze te nemen van zijn experimenten en in plaats daarvan een vroeg weekend te nemen om langs de rivier de Havel te zeilen.

"Hij keerde maandag terug naar het laboratorium en ging door met het uitvoeren van trekproeven van een legering bestaande uit aluminium, koper en magnesium waarmee hij de week ervoor was begonnen. Hij ontdekte dat de sterkte van de legering in het weekend aanzienlijk was toegenomen.

Deze legering was in die tijd gewoon op kamertemperatuur gebleven. De tijd had het werk gedaan dat allerlei andere koelingsmethoden niet konden doen.

Tegenwoordig wordt dit fenomeen natuurlijke veroudering genoemd.

De Amerikaanse metallurg Paul Merica suggereerde in 1919 dat het fenomeen te wijten moet zijn aan kleine deeltjes van de verschillende elementen die een soort neerslag vormen in de legering. Maar in die tijd waren er geen experimentele methoden die dit konden bewijzen.

"Pas tegen het einde van de jaren dertig kon de methode van röntgendiffractie bewijzen dat de legeringselementen zich ophoopten in kleine clusters op nanoschaal, ’ zegt Lervik.

Zuiver aluminium bestaat uit veel kristallen. Een kristal kun je zien als een blok rasterplaten, waar een atoom in elk vierkant van het raster zit. De sterkte wordt gemeten in de weerstand van de platen tegen het over elkaar schuiven.

In een legering, een klein percentage van de vierkanten wordt ingenomen door andere elementen, waardoor het een beetje moeilijker wordt voor de vellen om over elkaar te schuiven en wat resulteert in meer sterkte.

Zoals Lervik het uitlegt, "Een aggregaat is als een kleine druppel verf in het rasterblok. De legeringselementen hopen zich op en nemen enkele tientallen aangrenzende vierkanten in beslag die zich uitstrekken over meerdere platen. Samen met het aluminium, ze vormen een patroon. Deze druppels hebben een andere atomaire structuur dan het aluminium en maken het verschuiven van dislocaties moeilijker voor de platen in het roosterblok."

Aggregaten van legeringselementen staan ​​bekend als "clusters. In technische taal worden ze Guinier-Preston (GP) -zones genoemd, naar de twee wetenschappers die ze voor het eerst beschreven. het voor het eerst mogelijk werd om GP-zones door een elektronenmicroscoop te zien, maar het heeft tot nu toe geduurd om ze op het niveau van één atoom te bekijken.

"In recente jaren, talrijke wetenschappers hebben de samenstelling van aggregaten onderzocht, maar er is weinig werk verzet om hun nucleaire structuur te begrijpen. In plaats daarvan, veel studies hebben zich gericht op het optimaliseren van legeringen door te experimenteren met verouderingsharding bij verschillende temperaturen en voor verschillende tijdsduur, ’ zegt Lervik.

Verouderingsverharding en het maken van sterke metaalmengsels zijn duidelijk erg belangrijk in een industriële context. Maar heel weinig onderzoekers en mensen in de industrie hebben er veel om gegeven waar de clusters eigenlijk uit bestaan. Ze waren gewoon te klein om te bewijzen.

Lervik en zijn collega's dachten daar anders over.

"Met onze moderne experimentele methoden, we zijn erin geslaagd om in 2018 voor het eerst foto's op atomair niveau van de clusters te maken met de transmissie-elektronenmicroscoop in Trondheim, ’ zegt Lervik.

"Hij en zijn team bestudeerden legeringen van aluminium, zink en magnesium. Deze worden steeds belangrijker in de auto- en ruimtevaartindustrie."

Het onderzoeksteam bepaalde ook de chemische samenstelling van de clusters met behulp van het instrument voor atomaire sondetomografie dat onlangs bij NTNU is geïnstalleerd. Het infrastructuurprogramma van de Onderzoeksraad van Noorwegen maakte deze ontdekking mogelijk. Deze investering heeft al bijgedragen aan nieuwe fundamentele inzichten in metalen.

De onderzoekers bestudeerden legeringen van aluminium, zink en magnesium, bekend als 7xxx-serie Al-legeringen. Deze lichte metaallegeringen worden steeds belangrijker in de auto- en ruimtevaartindustrie.

"We vonden clusters met een straal van 1,9 nanometer begraven in het aluminium. Hoewel talrijk, ze zijn moeilijk waar te nemen onder een microscoop. We zijn er alleen in geslaagd om de atomaire structuur te identificeren onder speciale experimentele omstandigheden, ’ zegt Lervik.

Dit is een deel van de reden waarom niemand dit eerder heeft gedaan. Het uitvoeren van de experimenten is lastig en vereist geavanceerde moderne experimentele apparatuur.

"We hebben meerdere keren ervaren hoe lastig dit was. Hoewel we erin slaagden een foto van de clusters te maken en wat informatie over hun samenstelling konden extraheren, het duurde enkele jaren voordat we genoeg begrepen om de nucleaire structuur te kunnen beschrijven, ’ zegt Lervik.

Wat maakt dit werk nu precies zo bijzonder? Vroeger, mensen hebben aangenomen dat aggregaten bestaan ​​uit de legeringselementen, aluminium en misschien vacatures (lege vierkanten) die min of meer willekeurig zijn gerangschikt.

"We ontdekten dat we alle clusters die we hebben waargenomen kunnen beschrijven op basis van een unieke geometrische ruimtelijke figuur die een 'afgeknotte kubus-octaëder' wordt genoemd. ', zegt Lervik.

Hier kan iedereen zonder een achtergrond in natuurkunde of scheikunde de volgende secties doorbladeren of direct naar de middelste kop "Belangrijk voor het begrijpen van warmtebehandeling" springen.

Om de bovenstaande afbeelding te begrijpen, we moeten eerst accepteren dat een aluminiumkristal (vierkant blok) kan worden gevisualiseerd als een stapel kubussen, elk met atomen op de 8 hoeken en 6 zijden.

Deze structuur is een atomair zijgecentreerd kubisch rooster. De geometrische figuur is als een kubus, met een buitenste schil gevormd uit de omringende kubussen. We beschrijven het als drie schelpen rond de middelste kubus:één voor de zijkanten, een voor de hoeken en de buitenste schil. Deze schelpen bestaan ​​uit 6 zink, 8 magnesium- en 24 zinkatomen, respectievelijk.

Het midden van het lichaam (kubus) kan een extra atoom bevatten - een 'interstitiaal' - dat in deze illustratie kan worden beschreven als zijnde gelegen tussen de ruimtes (vierkanten) van aluminium.

Deze enkele figuur verklaart alle grotere clustereenheden verder door hun vermogen om in drie gedefinieerde richtingen te verbinden en uit te breiden. De afbeelding verklaart ook waarnemingen die eerder door anderen zijn gemeld. Deze clustereenheden dragen bij aan verhoogde kracht tijdens veroudering.

Belangrijk voor het begrijpen van warmtebehandeling

"Waarom is dit cool? Het is cool omdat natuurlijke veroudering meestal niet de laatste stap is in het verwerken van een legering voordat deze klaar is om te worden gebruikt, ’ zegt Lervik.

Deze legeringen ondergaan ook een laatste warmtebehandeling bij hogere temperaturen (130-200°C) om grotere precipitaten te vormen met gedefinieerde kristalstructuren. Ze binden de atomaire vlakken (vellen) nog strakker aan elkaar en versterken deze aanzienlijk.

"Wij zijn van mening dat het begrijpen van de atomaire structuur van de clusters gevormd door natuurlijke veroudering essentieel is om het proces van vorming van de precipitaten die zoveel van de eigenschappen van het materiaal bepalen, beter te begrijpen. Vormen de precipitaten zich op de clusters of transformeren de clusters in precipitaten tijdens warmtebehandeling? Hoe kan dit worden geoptimaliseerd en gebruikt? Ons verdere werk zal proberen deze vragen te beantwoorden, ’ zegt Lervik.