Neden bazı alaşımlar oda sıcaklığında daha güçlü hale gelir?

Bir alaşım genellikle en az bir başka elementin eklendiği bir metaldir. Fizikçi Adrian Lervik, alüminyum alaşımlarının oda sıcaklığında saklandığında daha güçlü hale gelebileceğini zaten bildiğimizi söyledi.

Alman metalürji uzmanı Alfred Wilm, bu özelliği 1906 gibi erken bir tarihte keşfetti. Peki bu neden böyle? Şimdiye kadar bu fenomen hakkında çok az şey biliniyor, ancak şimdi Lervik ve Norveç Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden (NTNU) ve İskandinavya'nın en büyük bağımsız araştırma kurumu SINTEF'ten meslektaşları bunu çözdü. Bu sorun çözüldü ("Al – Zn – Mg alaşımlarında çözünen kümelerin atomik yapısı").

Lervik kısa süre önce NTNU'da Fizik alanında doktorasını tamamladı. Çalışmaları bu gizemin önemli bir bölümünü açıklıyor.

19. yüzyılın sonunda Wilm, yeni ortaya çıkan hafif bir metal olan alüminyumun gücünü artırmaya çalıştı. En iyi mukavemeti elde etmek için birçok farklı alaşımı eritip döktü ve çelik üretiminde yaygın olan çeşitli soğutma hızlarını test etti. dedi Lervik.

Will, alüminyum, bakır ve magnezyumdan oluşan bir alaşımın çekme testine devam etmek için laboratuvara geri döndü. Bu alaşımın gücünün hafta sonu boyunca önemli ölçüde arttığını buldu.

Bu süre zarfında bu alaşım sadece oda sıcaklığında tutulur ancak uzun bir süre sonra görevi tamamlayamayacaktır.

Bugün, bu fenomene doğal yaşlanma denir.

Amerikalı metalurji uzmanı Paul Merica, 1919'da bu fenomenin, çeşitli elementlerin küçük parçacıkları tarafından alaşımda bir tür çökelme oluşumundan kaynaklandığını öne sürdü. Ancak o zamanlar bunu kanıtlayacak deneysel bir yöntem yoktu.

Lervik, 1930'ların sonuna kadar X-ışını kırınım yöntemlerinin alaşım elementlerinin nano ölçekte küçük kümeler halinde toplandığını kanıtlayamadığını söyledi.

Saf alüminyum birçok kristalden oluşur. Bir kristal bir ızgara olarak kabul edilebilir ve ızgaranın her karesinde bir atom bulunur. Mukavemet, levhaların birbirine kaymaya karşı gösterdiği dirençle ölçülür.

Bir alaşımda, karenin sadece küçük bir kısmı diğer elementler tarafından işgal edilir, bu da tabakalar arasında kaymayı zorlaştırır, böylece mukavemeti arttırır.

Lervik'in açıkladığı gibi, agrega bir ızgara bloğundaki küçük bir boya damlası gibidir. Alaşım elementleri, birkaç tabakaya uzanan düzinelerce bitişik kareyi biriktirir ve işgal eder. Alüminyum ile birlikte bir desen oluştururlar. Bu damlacıklar alüminyumdan farklı bir atomik yapıya sahiptir ve bu da ızgara bloğundaki pulların dislokasyonlarla kaymasını zorlaştırır.

Alaşım elementlerinin bir araya gelmesine denir. "kümeler". Teknik dilde, onları ilk tanımlayan iki bilim insanının adını taşıyan Ginier-Preston Bölgesi (GP) olarak adlandırılırlar. 1960'larda insanlar ilk olarak GP bölgelerini bir elektron mikroskobu ile gördüler, ancak şimdiye kadar tek atom seviyesinde görülmediler.

Pratik uygulama en önemlisidir

Son yıllarda, birçok bilim adamı agregaların bileşimini araştırdı, ancak nükleer yapılarını anlamak için çok az çalışma yapıldı. Lervik, bunun yerine, birçok çalışmanın farklı sıcaklıklarda ve farklı zamanlarda yaşlandırmayı deneyerek alaşımları optimize etmeye odaklandığını söyledi.

Endüstriyel bir ortamda, yaşlandırma ve güçlü metal karışımlarının üretimi açıkça çok önemlidir. Bununla birlikte, çok az araştırmacı ve endüstri uzmanı, bu yıldız kümelerinin gerçekte nelerden oluştuğunu önemser. Kanıtlamak için çok küçükler.

Lervik ve meslektaşlarının farklı fikirleri var.

Lervik, deneysel yöntemlerle Trondheim'ın transmisyon elektron mikroskobunu 2018'de ilk kez agregaların atomik düzeyde fotoğraflarını çekmek için başarıyla kullandığımızı söyledi.

Araştırma ekibi ayrıca, agregaların kimyasal bileşimini belirlemek için NTNU'da yakın zamanda kurulan atom prob tomografi cihazını da kullandı. Norveç Araştırma Konseyi'nin altyapı projesi bu keşfi mümkün kıldı. Bu yatırım, metallerin temelleri hakkında yeni bir anlayışa yol açmıştır.

Araştırmacılar, 7xxx serisi alüminyum alaşımları olarak adlandırılan alüminyum, çinko ve magnezyum alaşımlarını inceledi. Bu hafif metal alaşımları, otomotiv ve havacılık endüstrilerinde giderek daha önemli hale geliyor.

Alüminyumda 1.9 nanometre yarıçaplı parçacık kümeleri bulduk. Çok sayıda olmalarına rağmen, mikroskop altında gözlemlenmesi zordur. Atom yapısını ancak özel deneysel koşullar altında belirleyebiliriz.

Bu, daha önce kimsenin bunu yapmamasının nedeninin bir parçası. Deney karmaşıktır ve gelişmiş modern deneysel ekipman gerektirir.

Bunun ne kadar zor olduğunu defalarca yaşadık. Lervik, yıldız kümelerinin fotoğraflarını çekmeyi ve bileşimleri hakkında bazı bilgileri çıkarmayı başarmış olsak bile, çekirdeğin yapısını tanımlayabilmek için yeterli bilgiyi öğrenmemizin birkaç yıl sürdüğünü söyledi.

Peki bu işi bu kadar özel yapan ne? Geçmişte, insanlar agregaların alaşım elementlerinden ve belki de az ya da çok rastgele düzenlenmiş boşluklardan (boş kareler) oluştuğunu düşündüler.

Lervik, gözlemlediğimiz tüm kümeleri, kesik bir küp oktahedron adı verilen benzersiz bir geometrik uzamsal şekil açısından tanımlayabileceğimizi bulduğunu söyledi.

Bu keşfi anlamak için öncelikle alüminyum kristallerinin (kare bloklar) her biri 8 köşeli ve 6 atomlu bir küp yığını olarak görülebileceğini kabul etmeliyiz.

Bu yapı, yan merkezli kübik bir atom kafesidir. Bu geometrik şekil bir küp gibidir ve etrafındaki küplerden bir kabuk oluşur. Merkez küpü çevreleyen üç kabuk olarak tanımlıyoruz: biri yan, biri köşe ve en dıştaki katman. Bu kabuklar sırasıyla 6 çinko atomu, 8 magnezyum atomu ve 24 çinko atomundan oluşur.

Bu şekil, üç tanımlı yönde bağlanabilen ve genişletilebilen tüm daha büyük küme birimlerini daha da açıklamaktadır. Bu resim ayrıca daha önce başkaları tarafından bildirilen gözlemleri de açıklamaktadır. Bu küme birimleri, yaş sertleşmesi sırasında gücün artmasına yardımcı olur.

Bu, ısıl işlemi anlamak için önemlidir

Bu alaşımlar ayrıca berrak kristal yapıya sahip daha büyük çökeltiler oluşturmak için daha yüksek sıcaklıklarda (130-200°C) son ısıl işleme tabi tutulacaktır. Atom düzlemini (levhayı) birbirine daha yakın tutar ve büyük ölçüde güçlendirirler.

Doğal yaşlanma ile oluşan atomik kümelerin atomik yapısını anlamanın, pek çok malzemenin özelliklerini belirleyen çökelme oluşum sürecini daha iyi anlamak için gerekli olduğuna inanıyoruz. Isıl işlem sırasında kümeler üzerinde oluşan yağışlar mı yoksa kümeler yağışa mı dönüşüyor? Nasıl optimize edilir ve kullanılır? Lervik, daha sonraki çalışmalarımızın bu soruları cevaplamaya çalışacağını söyledi.