Raka bara 100 kg av bilens vikt och du kommer att öka dess energieffektivitet med cirka 3,5 %. Kredit:iStock
EPFL -forskare har utvecklat modeller av magnesiumlegeringar för att förstå hur man gör metallen mer smidig. Magnesium är den lättaste metallen på jorden men kan inte lätt formas till användbara former. Forskarna hoppas att med modellerna kommer att leda till upptäckten av nya, mer formbara legeringar, så att biltillverkarna kan tillverka lättare fordon som förbrukar mindre energi.
Raka bara 100 kilo av en bils vikt och du kommer att öka dess energieffektivitet med cirka 3,5 procent. Att tillverka lättare maskiner och utrustning är ett mål för tillverkare inom industrier som sträcker sig från fordonsindustrin till flygindustrin. Och nyckeln kan bara vara magnesium - en metall som inte bara är fyra gånger lättare än stål, men är också lätt att hitta. Fångsten är att rent magnesium är svårt att sträcka och bilda och därför inte kan användas som det är. Så, forskare vid EPFL:s Laboratory for Multiscale Mechanics Modeling utvecklade en modell för att förutsäga hur metallen beter sig när den blandas med olika element för att avgöra vilken typ av legering som ger den deformationskapacitet som behövs för industriella tillämpningar. Deras forskning publicerades idag i Vetenskap .
Lättare, mer formbara legeringar
"Magnesium blir mycket mer formbart om du lägger till några atomer av sällsynta jordartsmetaller, kalcium, eller mangan, säger William Curtin, professor vid EPFL:s tekniska högskola. "Vi ville förstå vad som händer i dessa legeringar på atomnivå, så att vi kan identifiera vilka element som ska läggas till och i vilka mängder för att göra metallen böjlig." Magnesium kan uppskattas för sin ultralåga vikt, men den har också mycket låg duktilitet. "Det betyder att den lätt kan gå sönder om den är deformerad, och så det kan ännu inte ersätta stål eller aluminium, " säger Curtin. Lösningen är att hitta låg kostnad, lättillgängliga mineraler som kan användas för att skapa magnesiumlegeringar. Sällsynta jordartsmetaller som yttrium och cerium är mycket effektiva men uppfyller annars inte dessa kriterier.
De två figurerna visar de initiala och slutliga atomkonfigurationerna av "cross-slip"-processen i närvaro av två Yttriumatomer. Blå atomer är Mg-atomer som är nästan i den perfekta Mg-kristallmiljön, gula atomer är Mg-atomer som är långt ifrån den perfekta Mg-kristallmiljön, och så indikerar strukturen och atomerna involverade i "dislokations"-defekten. Röda atomer är två Y -lösta ämnen. Kredit:Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Dessa forskare har tidigare identifierat de fysiska egenskaper som gör rent magnesium svårt att forma. Det var välkänt att lägga till vissa element kan göra det mer formbart. Men forskarna har inte ett bra grepp om de fysiska mekanismerna som äger rum - vilket innebär att de har svårt att förutsäga vilka de bästa legeringarna skulle vara. "Ingenjörer konstruerar och testar ofta nya legeringar av stål och aluminium, de mest använda metallerna, att utveckla lättare, fastare eller mer formbara föreningar, "säger Curtin. Men de faktorer som påverkar legeringens formbarhet förblir ett mysterium och många material utvecklas fortfarande experimentellt.
Studerar metaller i atomär skala
EPFL -forskarna studerade interaktionerna mellan magnesiumatomer och atomerna i elementen som tillsattes för att göra legeringarna. De fann att vissa atomer utlöser en process som "upphäver" mekanismen som gör magnesium svårt att forma. Magnesiums låga duktilitet beror på dess låga antal rörliga dislokationer, som är de linjära defekterna som gör att metaller flyter plastiskt och som gör att det är mindre benäget att gå sönder när det deformeras. Forskarna fann att tillsats av vissa element väsentligt ökar antalet rörliga dislokationer och därför ökar metallens deformationskapacitet. De tillbringade sedan flera månader med att använda EPFLs High Performance Computing-system för att via kvantmekanik beräkna vilka kombinationer av atomer som resulterar i den högsta duktiliteten. "Vi hade verkligen turen att ha tillgång till den här utrustningen, som låt oss börja arbeta direkt, säger Curtin.
För närvarande är legeringarna fortfarande i modelleringsstadiet. Nästa steg blir tillverkning i laboratoriet för att se om de har rätt egenskaper för industriellt bruk och kan tillverkas i stor skala.
