چرا برخی از آلیاژها در دمای اتاق قوی تر می شوند؟

آلیاژ معمولاً فلزی است که حداقل یک عنصر دیگر به آن اضافه شده است. فیزیکدان آدریان لرویک گفت که ما از قبل می دانیم که آلیاژهای آلومینیوم وقتی در دمای اتاق نگهداری می شوند می توانند قوی تر شوند.

متالورژیست آلمانی آلفرد ویلم در اوایل سال 1906 این ویژگی را کشف کرد. اما چرا اینطور است؟ تاکنون اطلاعات کمی در مورد این پدیده وجود دارد، اما اکنون لرویک و همکارانش از دانشگاه علم و صنعت نروژ (NTNU) و بزرگترین موسسه تحقیقاتی مستقل SINTEF اسکاندیناوی آن را حل کرده‌اند. این مشکل حل شد ("ساختار اتمی خوشه‌های املاح در آلیاژهای ال-روی-Mg").

لرویک اخیراً دکترای خود را در فیزیک در NTNU به پایان رسانده است. کار او بخش مهمی از این رمز و راز را توضیح می دهد.

در پایان قرن نوزدهم، ویلم تلاش کرد تا استحکام آلومینیوم را افزایش دهد، فلز سبکی که به تازگی ظهور کرده بود. او بسیاری از آلیاژهای مختلف را ذوب و ریخته‌گری کرد و برای دستیابی به بهترین استحکام، نرخ‌های خنک‌کننده مختلفی را که در تولید فولاد رایج است آزمایش کرد. لرویک گفت.

ویل برای ادامه آزمایش کشش آلیاژی متشکل از آلومینیوم، مس و منیزیم به آزمایشگاه بازگشت. وی دریافت که استحکام این آلیاژ در آخر هفته به میزان قابل توجهی افزایش یافته است.

در این مدت این آلیاژ فقط در دمای اتاق نگهداری می شود اما پس از مدت ها قادر به انجام کار نخواهد بود.

امروزه این پدیده پیری طبیعی نامیده می شود.

متالورژیست آمریکایی پل مریکا در سال 1919 پیشنهاد کرد که این پدیده به دلیل تشکیل نوعی بارش در آلیاژ توسط ذرات کوچک عناصر مختلف است. اما در آن زمان هیچ روش تجربی برای اثبات این موضوع وجود نداشت.

لرویک گفت که تا پایان دهه 1930، روش‌های پراش اشعه ایکس نمی‌توانست ثابت کند که عناصر آلیاژی در خوشه‌های کوچکی در مقیاس نانو تجمع می‌کنند.

آلومینیوم خالص از کریستال های زیادی تشکیل شده است. یک کریستال را می توان به عنوان یک شبکه در نظر گرفت و هر مربع از شبکه یک اتم دارد. استحکام با مقاومت ورق ها در برابر لغزش روی یکدیگر اندازه گیری می شود.

در یک آلیاژ، تنها قسمت کوچکی از مربع توسط عناصر دیگر اشغال شده است که باعث می شود لغزش بین ورق ها دشوارتر شود و در نتیجه استحکام بیشتر شود.

همانطور که لرویک توضیح داد، سنگدانه مانند یک قطره کوچک رنگ در یک بلوک شبکه است. عناصر آلیاژی ده ها مربع مجاور را جمع می کنند و اشغال می کنند که تا چندین ورق گسترش می یابد. آنها همراه با آلومینیوم یک الگو را تشکیل می دهند. این قطرات ساختار اتمی متفاوتی با آلومینیوم دارند و باعث می‌شود که تکه‌های موجود در بلوک شبکه با نابجایی سر بخورند.

تجمع عناصر آلیاژی نامیده می شود"خوشه ها". در زبان فنی، آنها را منطقه ژینیر-پرستون (GP) می نامند که از نام دو دانشمندی که برای اولین بار آنها را توصیف کردند، نامگذاری شده است. در دهه 1960، مردم برای اولین بار مناطق GP را از طریق میکروسکوپ الکترونی دیدند، اما تا کنون در سطح تک اتمی دیده نشده اند.

کاربرد عملی از همه مهمتر است

در سال های اخیر، بسیاری از دانشمندان ترکیب سنگدانه ها را بررسی کرده اند، اما کار کمی برای درک ساختار هسته ای آنها انجام شده است. لرویک گفت، در عوض، بسیاری از مطالعات بر روی بهینه سازی آلیاژها با آزمایش سخت شدن سن در دماها و زمان های مختلف متمرکز شده اند.

در یک محیط صنعتی، سخت شدن سن و تولید مخلوط های فلزی قوی بدیهی است که بسیار مهم است. با این حال، تعداد کمی از محققین و صاحبان صنعت به این موضوع اهمیت می دهند که این خوشه های ستاره ای در واقع از چه چیزی تشکیل شده اند. آنها برای اثبات کوچکتر از آن هستند.

لرویک و همکارانش عقاید متفاوتی دارند.

لرویک گفت که از طریق روش های تجربی خود، ما با موفقیت از میکروسکوپ الکترونی عبوری تروندهایم برای گرفتن عکس های سطح اتمی از سنگدانه ها برای اولین بار در سال 2018 استفاده کردیم.

تیم تحقیقاتی همچنین از ابزار توموگرافی پروب اتمی که اخیراً در NTNU نصب شده است برای تعیین ترکیب شیمیایی سنگدانه ها استفاده کرد. پروژه زیرساختی شورای تحقیقات نروژ این کشف را ممکن کرد. این سرمایه گذاری منجر به درک جدیدی از مبانی فلزات شده است.

محققان آلیاژهای آلومینیوم، روی و منیزیم را که آلیاژهای آلومینیوم سری 7xxx نامیده می شوند، مورد مطالعه قرار دادند. این آلیاژهای فلزی سبک به طور فزاینده ای در صنایع خودروسازی و هوافضا اهمیت پیدا می کنند.

ما خوشه هایی از ذرات با شعاع 1.9 نانومتر در آلومینیوم پیدا کردیم. اگرچه تعداد آنها زیاد است، اما مشاهده آنها در زیر میکروسکوپ دشوار است. ما فقط می توانیم ساختار اتمی را در شرایط آزمایشی خاص تعیین کنیم.

این بخشی از دلیلی است که هیچ کس قبلاً این کار را انجام نداده است. این آزمایش پیچیده است و به تجهیزات آزمایشی مدرن پیشرفته نیاز دارد.

ما بارها تجربه کرده ایم که چقدر این کار دشوار است. لرویک گفت، حتی اگر موفق به گرفتن عکس از خوشه‌های ستاره‌ای و استخراج اطلاعاتی در مورد ترکیب آن‌ها شویم، چندین سال طول کشید تا اطلاعات کافی را به دست آوریم تا بتوانیم ساختار هسته را توصیف کنیم.

پس چه چیزی این کار را تا این حد خاص می کند؟ در گذشته، مردم فکر می کردند که سنگدانه ها از عناصر آلیاژی و شاید کم و بیش به طور تصادفی جای خالی (مربع های خالی) چیده شده اند.

لرویک گفت که ما متوجه شدیم که می‌توانیم همه انباشته‌هایی را که مشاهده می‌کنیم بر حسب یک شکل فضایی هندسی منحصربه‌فرد به نام هشت وجهی مکعب کوتاه توصیف کنیم.

برای درک این کشف، ابتدا باید بپذیریم که بلورهای آلومینیومی (بلوک های مربعی) را می توان به صورت پشته ای از مکعب ها دید که هر کدام دارای 8 گوشه و 6 وجه با اتم هستند.

این ساختار یک شبکه مکعبی از اتم ها است. این شکل هندسی مانند یک مکعب است و پوسته ای از مکعب های اطراف تشکیل شده است. ما آن را به عنوان سه پوسته که مکعب مرکزی را احاطه کرده اند توصیف می کنیم: یکی کناره، یکی گوشه و بیرونی ترین لایه است. این پوسته ها به ترتیب از 6 اتم روی، 8 اتم منیزیم و 24 اتم روی تشکیل شده اند.

این شکل بیشتر تمام واحدهای خوشه ای بزرگتر را توضیح می دهد که می توانند در سه جهت تعریف شده به هم متصل و گسترش یابند. این تصویر همچنین مشاهداتی را که قبلاً توسط دیگران گزارش شده است توضیح می دهد. این واحدهای خوشه ای به افزایش قدرت در طول سخت شدن سن کمک می کنند.

این برای درک عملیات حرارتی مهم است

این آلیاژها همچنین تحت عملیات حرارتی نهایی در دماهای بالاتر (130-200 درجه سانتیگراد) قرار می گیرند تا رسوبات بزرگتری با ساختار بلوری شفاف تشکیل دهند. آنها صفحه (ورق) اتمی را به هم نزدیکتر نگه می دارند و آن را بسیار تقویت می کنند.

ما معتقدیم که درک ساختار اتمی خوشه‌های اتمی که با پیری طبیعی تشکیل شده‌اند، برای درک بیشتر فرآیند تشکیل بارش که خواص بسیاری از مواد را تعیین می‌کند، ضروری است. در طی عملیات حرارتی، بارش بر روی خوشه ها تشکیل می شود یا خوشه ها تبدیل به بارش می شوند؟ چگونه آن را بهینه سازی و استفاده کنیم؟ لرویک گفت که کار بعدی ما سعی خواهد کرد به این سوالات پاسخ دهد.