Perché alcune leghe diventano più forti a temperatura ambiente?

Una lega è solitamente un metallo a cui è stato aggiunto almeno un altro elemento. Il fisico Adrian Lervik ha affermato che sappiamo già che le leghe di alluminio possono diventare più forti se conservate a temperatura ambiente.

Il metallurgista tedesco Alfred Wilm scoprì questa caratteristica già nel 1906. Ma perché è così? Finora si sa poco di questo fenomeno, ma ora Lervik ei suoi colleghi dell'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) e il più grande istituto di ricerca indipendente della Scandinavia SINTEF lo hanno risolto. Questo problema è risolto ("Struttura atomica dei cluster di soluti in leghe Al – Zn – Mg").

Lervik ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca in Fisica alla NTNU. Il suo lavoro spiega una parte importante di questo mistero.

Alla fine del XIX secolo Wilm cercò di aumentare la resistenza dell'alluminio, un metallo leggero emerso solo di recente. Ha fuso e fuso molte leghe diverse e ha testato varie velocità di raffreddamento comuni nella produzione di acciaio per ottenere la migliore resistenza. ha detto Lervik.

Will è tornato in laboratorio per continuare la prova di trazione di una lega composta da alluminio, rame e magnesio. Ha scoperto che la resistenza di questa lega è aumentata in modo significativo durante il fine settimana.

Durante questo periodo, questa lega viene conservata solo a temperatura ambiente, ma dopo molto tempo non sarà in grado di completare l'attività.

Oggi questo fenomeno è chiamato invecchiamento naturale.

Il metallurgista americano Paul Merica propose nel 1919 che questo fenomeno fosse dovuto alla formazione di una sorta di precipitazione nella lega da parte di piccole particelle di vari elementi. Ma all'epoca non esisteva alcun metodo sperimentale per dimostrarlo.

Lervik ha affermato che fino alla fine degli anni '30, i metodi di diffrazione dei raggi X non potevano dimostrare che gli elementi di lega si aggregavano in piccoli ammassi su scala nanometrica.

L'alluminio puro è composto da molti cristalli. Un cristallo può essere considerato come una griglia e ogni quadrato della griglia ha un atomo. La resistenza è misurata dalla resistenza dei fogli allo scorrimento l'uno contro l'altro.

In una lega, solo una piccola parte del quadrato è occupata da altri elementi, il che rende più difficile lo scorrimento tra i fogli, aumentando così la resistenza.

Come ha spiegato Lervik, l'aggregato è come una piccola goccia di vernice in un blocco di griglia. Gli elementi di lega si accumulano e occupano decine di quadrati adiacenti, che si estendono su più fogli. Insieme all'alluminio, formano un motivo. Queste goccioline hanno una struttura atomica diversa dall'alluminio, rendendo più difficile lo scivolamento dei fiocchi nel blocco della griglia per dislocazioni.

L'aggregazione degli elementi di lega è chiamata "grappoli". In linguaggio tecnico vengono chiamati Ginier-Preston District (GP), dal nome dei due scienziati che per primi li descrissero. Negli anni '60, le persone hanno visto per la prima volta le regioni GP attraverso un microscopio elettronico, ma fino ad ora non sono state viste a livello di singolo atomo.

L'applicazione pratica è la cosa più importante

Negli ultimi anni, molti scienziati hanno esplorato la composizione degli aggregati, ma è stato fatto poco per comprendere la loro struttura nucleare. Invece, molti studi si sono concentrati sull'ottimizzazione delle leghe sperimentando l'invecchiamento a diverse temperature e tempi diversi, ha detto Lervik.

In un ambiente industriale, l'invecchiamento e la produzione di miscele metalliche resistenti sono ovviamente molto importanti. Tuttavia, pochi ricercatori e addetti ai lavori si preoccupano di in cosa consistono effettivamente questi ammassi stellari. Sono troppo piccoli per essere dimostrati.

Lervik ei suoi colleghi hanno idee diverse.

Lervik ha affermato che attraverso i nostri metodi sperimentali, abbiamo utilizzato con successo il microscopio elettronico a trasmissione di Trondheim per scattare foto a livello atomico di aggregati per la prima volta nel 2018.

Il team di ricerca ha anche utilizzato lo strumento di tomografia a sonda atomica recentemente installato presso l'NTNU per determinare la composizione chimica degli aggregati. Il progetto infrastrutturale del Consiglio norvegese della ricerca ha reso possibile questa scoperta. Questo investimento ha portato a una nuova comprensione dei fondamenti dei metalli.

I ricercatori hanno studiato leghe di alluminio, zinco e magnesio, chiamate leghe di alluminio della serie 7xxx. Queste leghe di metalli leggeri stanno diventando sempre più importanti nell'industria automobilistica e aerospaziale.

Abbiamo trovato ammassi di particelle con un raggio di 1,9 nanometri in alluminio. Sebbene siano numerosi, sono difficili da osservare al microscopio. Possiamo solo determinare la struttura atomica in speciali condizioni sperimentali.

Questo è uno dei motivi per cui nessuno l'ha fatto prima. L'esperimento è complicato e richiede attrezzature sperimentali moderne e avanzate.

Abbiamo sperimentato molte volte quanto sia difficile. Anche se siamo riusciti a scattare foto degli ammassi stellari e ad estrarre alcune informazioni sulla loro composizione, ci sono voluti diversi anni per apprendere informazioni sufficienti per essere in grado di descrivere la struttura del nucleo, ha detto Lervik.

Quindi cosa rende questo lavoro così speciale? In passato, si pensava che gli aggregati fossero composti da elementi di lega e forse da spazi vacanti disposti più o meno casualmente (quadrati vuoti).

Lervik ha detto che abbiamo scoperto che possiamo descrivere tutti gli aggregati che osserviamo in termini di una figura spaziale geometrica unica chiamata ottaedro cubo troncato.

Per comprendere questa scoperta, dobbiamo prima ammettere che i cristalli di alluminio (blocchi quadrati) possono essere visti come una pila di cubi, ciascuno con 8 angoli e 6 facce con atomi.

Questa struttura è un reticolo cubico di atomi centrato sul lato. Questa figura geometrica è come un cubo e un guscio è formato dai cubi circostanti. Lo descriviamo come tre gusci che circondano il cubo centrale: uno è il lato, uno è l'angolo e lo strato più esterno. Questi gusci sono composti rispettivamente da 6 atomi di zinco, 8 atomi di magnesio e 24 atomi di zinco.

Questa figura spiega ulteriormente tutte le unità cluster più grandi, che possono essere collegate ed espanse in tre direzioni definite. Questa immagine spiega anche le osservazioni precedentemente riportate da altri. Queste unità cluster aiutano ad aumentare la resistenza durante l'invecchiamento.

Questo è importante per comprendere il trattamento termico

Queste leghe subiranno anche un trattamento termico finale a temperature più elevate (130-200°C) per formare precipitati più grandi con una struttura cristallina chiara. Tengono il piano atomico (foglio) più vicino e lo rafforzano notevolmente.

Riteniamo che la comprensione della struttura atomica degli ammassi atomici formati dall'invecchiamento naturale sia essenziale per un'ulteriore comprensione del processo di formazione delle precipitazioni che determina le proprietà di così tanti materiali. Durante il trattamento termico la precipitazione si forma sui grappoli o i grappoli si trasformano in precipitazione? Come ottimizzarlo e utilizzarlo? Il nostro ulteriore lavoro cercherà di rispondere a queste domande, ha detto Lervik.