En världsförsta studie ledd av Monash University har upptäckt en teknik och ett fenomen som kan användas för att skapa starkare, lättvikts magnesiumlegeringar som kan förbättra strukturell integritet inom bil- och flygindustrin.

Publicerad i den prestigefyllda Naturkommunikation på fredag, 19 juli, forskare från Monash University, CSIRO och Chongqing University upptäckte ett mönster av segregation av legeringselement i tvillinggränser genom att använda röntgenkartläggning med atomupplösning vid mycket lägre elektronspänning.

Ingenjörer söker ständigt starka, lätta material för användning i bilar, flygplan och i höghastighetsfordon för att förbättra bränsleeffektiviteten, aerodynamik, hastighet och viktbelastning.

Fyndet är betydande, eftersom deformationen av lättviktsmagnesium under termomekaniska processer och applikationer förhindrar att dessa legeringar används mer allmänt i stället för stål. Det har också konsekvenser för andra lätta legeringar som aluminium och titan.

"Lättviktsmagnesium har en enorm potential för energieffektiva och miljövänliga tillämpningar. Men segregationen i dessa material är benägen att skada elektronstrålen, " huvudförfattare professor Jian-Feng Nie, från Monash Universitys institution för materialvetenskap och teknik, sa.

"Elektronstråleskadan är allvarligast när segregerade lösta atomer blir en enda atomär kolumn. Detta påverkar formbarheten, deformationsbeteende och drag-kompressionshållfasthet hos bearbetade magnesiumprodukter.

"Vi visade att det är möjligt att lösa denna svårighet genom att använda röntgenkartläggning med atomupplösning vid en mycket lägre accelererande spänning av elektroner [120kV] istället för 300kV, som är vanligt förekommande.

"Vi upptäckte vidare att det nya segregationsmönstret ökar gränsnålningseffekten med mer än 30 gånger, och växlar migreringsmekanismen för tvillinggränsen från det allmänt accepterade läget till ett nytt."

Forskarna använde en magnesiumlegering bestående av neodym och silver som en del av sin studie. Denna legering innehåller överlägsna mekaniska egenskaper vid både omgivande och förhöjda temperaturer.

De fann betydande förbättringar i skjuvspänning, 33 gånger, och elastisk töjningsgräns inträffade när tvillinggränsen var befolkad med neodym och silver.

Den ökade laddningstätheten mellan silver och neodym med magnesium indikerade en starkare bindning och förstärkning av tvillingen. När kraft appliceras, magnesiumet skjuts mot neodymet och bort från silvret – vilket skapar en starkare, lättviktslegering.

"Vårt arbete visar att analysen i atomär skala av strukturen och kemin för segregering av lösta ämnen i metallegeringar med komplexa sammansättningar nu är möjlig, " sa professor Nie.