Tại sao một số hợp kim trở nên mạnh hơn ở nhiệt độ phòng?

Hợp kim thường là kim loại mà ít nhất một nguyên tố khác đã được thêm vào. Nhà vật lý Adrian Lervik nói rằng chúng ta đã biết rằng các hợp kim nhôm có thể trở nên cứng hơn khi được bảo quản ở nhiệt độ phòng.

Nhà luyện kim người Đức Alfred Wilm đã phát hiện ra đặc điểm này sớm nhất là vào năm 1906. Nhưng tại sao lại như vậy? Cho đến nay, người ta biết rất ít về hiện tượng này, nhưng giờ đây Lervik và các đồng nghiệp của ông từ Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) và tổ chức nghiên cứu độc lập lớn nhất Scandinavia SINTEF đã giải quyết được nó. Vấn đề này đã được giải quyết ("Cấu trúc nguyên tử của các cụm chất tan trong hợp kim Al - Zn - Mg").

Lervik gần đây đã hoàn thành bằng Tiến sĩ Vật lý tại NTNU. Công việc của ông giải thích một phần quan trọng của bí ẩn này.

Vào cuối thế kỷ 19, Wilm đã cố gắng tăng độ bền của nhôm, một kim loại nhẹ chỉ mới xuất hiện gần đây. Ông đã nấu chảy và đúc nhiều hợp kim khác nhau và thử nghiệm các tốc độ làm nguội khác nhau phổ biến trong sản xuất thép để đạt được độ bền tốt nhất. Lervik nói.

Will quay trở lại phòng thí nghiệm để tiếp tục thử độ bền kéo của một hợp kim bao gồm nhôm, đồng và magiê. Ông nhận thấy rằng độ bền của hợp kim này đã tăng lên đáng kể trong cuối tuần.

Trong thời gian này, hợp kim này chỉ được giữ ở nhiệt độ thường, nhưng sau một thời gian dài, nó sẽ không thể hoàn thành nhiệm vụ.

Ngày nay, hiện tượng này được gọi là lão hóa tự nhiên.

Năm 1919, nhà luyện kim người Mỹ Paul Merica đã đề xuất rằng hiện tượng này là do sự hình thành một loại kết tủa trong hợp kim bởi các hạt nhỏ của các nguyên tố khác nhau. Nhưng không có phương pháp thực nghiệm nào chứng minh điều này vào thời điểm đó.

Lervik nói rằng cho đến cuối những năm 1930, các phương pháp nhiễu xạ tia X không thể chứng minh rằng các nguyên tố hợp kim tập hợp thành các cụm nhỏ trên kích thước nano.

Nhôm nguyên chất được cấu tạo bởi nhiều tinh thể. Một tinh thể có thể được coi là một lưới, và mỗi ô vuông của lưới có một nguyên tử. Độ bền được đo bằng khả năng chống trượt của các tấm với nhau.

Trong hợp kim, chỉ một phần nhỏ của hình vuông bị chiếm bởi các phần tử khác, điều này làm cho việc trượt giữa các tấm trở nên khó khăn hơn, do đó làm tăng độ bền.

Như Lervik giải thích, tập hợp giống như một giọt sơn nhỏ trong một khối lưới. Các nguyên tố hợp kim tích tụ và chiếm hàng chục ô vuông liền kề, kéo dài đến một số tờ. Cùng với nhôm, chúng tạo thành một hoa văn. Những giọt này có cấu trúc nguyên tử khác với nhôm, khiến các mảnh trong khối lưới khó trượt hơn do lệch vị trí.

Sự kết hợp của các nguyên tố hợp kim được gọi là "cụm". Trong ngôn ngữ kỹ thuật, chúng được gọi là Quận Ginier-Preston (GP), được đặt theo tên của hai nhà khoa học đầu tiên mô tả chúng. Vào những năm 1960, người ta lần đầu tiên nhìn thấy các vùng GP qua kính hiển vi điện tử, nhưng chúng vẫn chưa được nhìn thấy ở cấp độ đơn nguyên tử cho đến nay.

Ứng dụng thực tế là quan trọng nhất

Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa học đã khám phá thành phần của tập hợp, nhưng rất ít nghiên cứu được thực hiện để hiểu cấu trúc hạt nhân của chúng. Thay vào đó, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc tối ưu hóa các hợp kim bằng cách thử nghiệm độ cứng theo tuổi ở các nhiệt độ khác nhau và thời gian khác nhau, Lervik nói.

Trong môi trường công nghiệp, việc làm cứng tuổi và tạo ra hỗn hợp kim loại mạnh rõ ràng là rất quan trọng. Tuy nhiên, ít nhà nghiên cứu và những người trong ngành quan tâm đến những gì các cụm sao này thực sự bao gồm. Chúng quá nhỏ để chứng minh.

Lervik và các đồng nghiệp của ông có những ý tưởng khác nhau.

Lervik cho biết thông qua các phương pháp thử nghiệm của mình, chúng tôi đã sử dụng thành công kính hiển vi điện tử truyền qua của Trondheim để lần đầu tiên vào năm 2018 chụp ảnh các tập hợp ở cấp độ nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu cũng sử dụng thiết bị chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử được lắp đặt gần đây tại NTNU để xác định thành phần hóa học của các chất kết dính. Dự án cơ sở hạ tầng của Hội đồng Nghiên cứu Na Uy đã thực hiện khám phá này. Khoản đầu tư này đã dẫn đến sự hiểu biết mới về các nguyên tắc cơ bản của kim loại.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các hợp kim của nhôm, kẽm và magiê, được gọi là hợp kim nhôm sê-ri 7xxx. Những hợp kim kim loại nhẹ này ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Chúng tôi tìm thấy các cụm hạt có bán kính 1,9 nanomet trong nhôm. Tuy rất nhiều nhưng chúng rất khó quan sát dưới kính hiển vi. Chúng ta chỉ có thể xác định cấu tạo nguyên tử trong những điều kiện thí nghiệm đặc biệt.

Đây là một phần lý do tại sao chưa có ai làm điều này trước đây. Thí nghiệm phức tạp và đòi hỏi thiết bị thí nghiệm hiện đại tiên tiến.

Chúng tôi đã trải qua nhiều lần điều này khó khăn như thế nào. Ngay cả khi chúng tôi đã thành công trong việc chụp ảnh các cụm sao và trích xuất một số thông tin về thành phần của chúng, chúng tôi phải mất vài năm để tìm hiểu đủ thông tin để có thể mô tả cấu trúc của hạt nhân, Lervik nói.

Vậy điều gì đã khiến tác phẩm này trở nên đặc biệt? Trước đây, người ta nghĩ rằng các tập hợp được cấu tạo bởi các nguyên tố hợp kim và có lẽ ít nhiều các khoảng trống được sắp xếp ngẫu nhiên (ô trống).

Lervik nói rằng chúng tôi thấy rằng chúng tôi có thể mô tả tất cả các tổng thể mà chúng tôi quan sát được dưới dạng một hình không gian hình học độc đáo được gọi là khối bát diện cắt ngắn.

Để hiểu được khám phá này, trước tiên chúng ta phải thừa nhận rằng các tinh thể nhôm (khối vuông) có thể được xem như một chồng các khối lập phương, mỗi khối có 8 góc và 6 mặt có các nguyên tử.

Cấu trúc này là một mạng tinh thể lập phương tâm bên của các nguyên tử. Hình dạng hình học này giống như một khối lập phương, và một lớp vỏ được tạo thành bởi các khối xung quanh. Chúng tôi mô tả nó như ba lớp vỏ bao quanh khối lập phương trung tâm: một là mặt bên, một là góc và lớp ngoài cùng. Các lớp vỏ này lần lượt được cấu tạo bởi 6 nguyên tử kẽm, 8 nguyên tử magie và 24 nguyên tử kẽm.

Hình này giải thích thêm về tất cả các đơn vị cụm lớn hơn, có thể được kết nối và mở rộng theo ba hướng xác định. Bức tranh này cũng giải thích những quan sát được báo cáo trước đó bởi những người khác. Các đơn vị cụm này giúp tăng sức mạnh trong quá trình cứng tuổi.

Điều này rất quan trọng để hiểu về xử lý nhiệt

Các hợp kim này cũng sẽ trải qua quá trình xử lý nhiệt cuối cùng ở nhiệt độ cao hơn (130-200 ° C) để tạo thành các kết tủa lớn hơn với cấu trúc tinh thể rõ ràng. Chúng giữ mặt phẳng nguyên tử (tấm) gần nhau hơn và tăng cường sức mạnh cho nó.

Chúng tôi tin rằng sự hiểu biết về cấu trúc nguyên tử của các cụm nguyên tử được hình thành do quá trình lão hóa tự nhiên là điều cần thiết để hiểu thêm về quá trình hình thành kết tủa quyết định tính chất của rất nhiều vật liệu. Trong quá trình nhiệt luyện, kết tủa được hình thành trên các cụm hay các cụm chuyển thành kết tủa? Làm thế nào để tối ưu hóa và sử dụng nó? Công việc tiếp theo của chúng tôi sẽ cố gắng trả lời những câu hỏi này, Lervik nói.