En legering är vanligtvis en metall som har några procent av åtminstone ett annat element tillsatt. Vissa aluminiumlegeringar har en till synes konstig egenskap.

"Vi har vetat att aluminiumlegeringar kan bli starkare genom att förvaras i rumstemperatur - det är ingen ny information, säger Adrian Lervik, fysiker vid Norges tekniska universitet (NTNU).

Den tyska metallurgen Alfred Wilm upptäckte den här egenskapen redan 1906. Men varför händer det? Hittills har fenomenet varit dåligt förstått, men nu Lervik och hans kollegor från NTNU och SINTEF, det största oberoende forskningsinstitutet i Skandinavien, har tagit tag i den frågan.

Lervik avslutade nyligen sin doktorsexamen vid NTNU:s institution för fysik. Hans arbete förklarar en viktig del av detta mysterium. Men först lite bakgrund, för Lervik har också grävt in sig i någon förhistoria.

"I slutet av 1800 -talet Wilm arbetade för att försöka öka hållfastheten hos aluminium, en lättmetall som nyligen blivit tillgänglig. Han smälte och gjöt ett antal olika legeringar och testade olika kylhastigheter som är vanliga vid stålproduktion för att uppnå bästa möjliga hållfasthet, säger Lervik.

En helg när det var bra väder bestämde sig Wilm för att ta en paus från sina experiment och istället ta en tidig helg för att segla längs Havelfloden.

"Han återvände till labbet på måndagen och fortsatte att utföra dragprov av en legering bestående av aluminium, koppar och magnesium som han hade börjat veckan innan. Han upptäckte att legeringens styrka hade ökat avsevärt under helgen.

Denna legering hade helt enkelt stannat vid rumstemperatur under den tiden. Tiden hade gjort jobbet som alla möjliga andra kylmetoder inte kunde göra.

Idag kallas detta fenomen naturligt åldrande.

Den amerikanska metallurgen Paul Merica föreslog 1919 att fenomenet måste bero på små partiklar av de olika elementen som bildar en slags nederbörd i legeringen. Men vid den tiden fanns det inga experimentella metoder som kunde bevisa detta.

"Först i slutet av 1930-talet kunde metoden för röntgendiffraktion bevisa att legeringselementen ackumulerades i små kluster på nanoskala, säger Lervik.

Ren aluminium består av massor av kristaller. En kristall kan ses som ett block av rutnät, där en atom sitter i varje kvadrat i rutnätet. Styrka mäts i arkens motstånd mot att glida över varandra.

I en legering, en liten procent av rutorna är upptagna av andra element, vilket gör det lite svårare för arken att glida över varandra och resultera i ökad styrka.

Som Lervik förklarar det, "Ett aggregat är som en liten droppe färg i rutnätet. Legeringselementen ackumuleras och upptar några dussin närliggande rutor som sträcker sig över flera ark. Tillsammans med aluminiumet, de bildar ett mönster. Dessa droppar har en annan atomstruktur än aluminiumet och gör det svårt att glida glidning för arken i rutnätet. "

Aggregat av legeringselement är kända som "kluster. På tekniska språk kallas de Guinier-Preston (GP) zoner efter de två forskare som först beskrev dem. På 1960-talet, det blev möjligt att se GP -zoner genom ett elektronmikroskop för första gången, men det har tagit tills nu att se dem på en atomnivå.

"Under de senaste åren har många forskare har undersökt sammansättningen av aggregat, men lite arbete har gjorts för att förstå deras kärnkraftsstruktur. Istället, många studier har fokuserat på att optimera legeringar genom att experimentera med åldringshärdning vid olika temperaturer och under olika lång tid, säger Lervik.

Åldershärdning och skapande av starka metallblandningar är helt klart mycket viktigt i ett industriellt sammanhang. Men väldigt få forskare och människor i branschen har brytt sig mycket om vad klustren faktiskt består av. De var helt enkelt för små för att bevisa.

Lervik och hans kollegor tänkte annorlunda.

"Med våra moderna experimentella metoder, vi lyckades ta bilder på atomnivå av klustren med transmissionselektronmikroskopet i Trondheim för första gången 2018, säger Lervik.

"Han och hans team studerade legeringar av aluminium, zink och magnesium. Dessa blir allt viktigare inom fordons- och rymdindustrin. "

Forskargruppen bestämde också klustrenas kemiska sammansättning med hjälp av instrumentet för atomsondtomografi som nyligen installerades vid NTNU. Infrastrukturprogrammet vid Norges forskningsråd gjorde denna upptäckt möjlig. Denna investering har redan bidragit till nya grundläggande insikter om metaller.

Forskarna studerade legeringar av aluminium, zink och magnesium, känd som Alloy -legeringar i 7xxx -serien. Dessa lättmetalllegeringar blir allt viktigare inom bil- och rymdindustrin.

"Vi hittade kluster med en radie på 1,9 nanometer begravda i aluminiumet. Även om många, de är svåra att observera under ett mikroskop. Vi lyckades bara identifiera atomstrukturen under speciella experimentella förhållanden, säger Lervik.

Detta är en del av anledningen till att ingen har gjort detta tidigare. Att utföra experimenten är knepigt och kräver avancerad modern experimentell utrustning.

"Vi upplevde hur svårt det här var flera gånger. Även om vi lyckades ta en bild av klustren och kunde extrahera lite information om deras sammansättning, det tog flera år innan vi förstod nog för att kunna beskriva kärnkraftsstrukturen, säger Lervik.

Så vad är det som gör det här arbetet så speciellt? Förr, människor har antagit att aggregat består av legeringselementen, aluminium och kanske lediga platser (tomma rutor) som är mer eller mindre slumpmässigt ordnade.

"Vi fann att vi kan beskriva alla kluster vi har observerat baserat på en unik geometrisk rumslig siffra som kallas en" avkortad kuboktaedra, säger Lervik.

Här kan alla som inte har en bakgrund inom fysik eller kemi kanske skumma de följande avsnitten eller hoppa direkt till mittrubriken "Viktigt för att förstå värmebehandling."

För att förstå illustrationen ovan, vi måste först acceptera att en aluminiumkristall (kvadratblock) kan visualiseras som en bunt med kuber, var och en med atomer på de 8 hörnen och 6 sidorna.

Denna struktur är ett atomiskt sidocentrerat kubiskt gitter. Den geometriska figuren är som en kub, med ett yttre skal bildat av de omgivande kuberna. Vi beskriver det som tre skal runt mittkuben:ett för sidorna, en för hörnen och det yttersta skalet. Dessa skal består av 6 zink, 8 magnesium- och 24 zinkatomer, respektive.

Mitten av kroppen (kuben) kan innehålla en extra atom - en "interstitial" - som i denna illustration kan beskrivas som placerad mellan utrymmena (rutorna) av aluminium.

Denna enda siffra förklarar vidare alla större klusterenheter med deras förmåga att ansluta och expandera i tre definierade riktningar. Bilden förklarar också observationer som tidigare rapporterats av andra. Dessa klusterenheter är det som bidrar till ökad styrka under åldershärdning.

Viktigt för att förstå värmebehandling

"Varför är det här coolt? Det är coolt eftersom naturligt åldrande vanligtvis inte är det sista steget i bearbetning av en legering innan den är klar att användas, säger Lervik.

Dessa legeringar genomgår också en slutlig värmebehandling vid högre temperaturer (130-200 ° C) för att bilda större fällningar med definierade kristallstrukturer. De binder atomplanen (ark) ännu tätare samman och stärker det avsevärt.

"Vi tror att förstå atomstrukturen hos klustren som bildas av naturligt åldrande är avgörande för att ytterligare förstå processen för bildning av fällningarna som bestämmer så mycket av materialets egenskaper. Bildas fällningarna på klustren eller omvandlas klustren till fällningar under värmebehandling? Hur kan detta optimeras och utnyttjas? Vårt fortsatta arbete kommer att försöka svara på dessa frågor, säger Lervik.