¿Por qué algunas aleaciones se vuelven más fuertes a temperatura ambiente?

Una aleación suele ser un metal al que se le ha añadido al menos otro elemento. El físico Adrian Lervik dijo que ya sabemos que las aleaciones de aluminio pueden volverse más fuertes cuando se almacenan a temperatura ambiente.

El metalúrgico alemán Alfred Wilm descubrió esta característica ya en 1906. ¿Pero por qué es así? Hasta ahora, se sabe poco sobre este fenómeno, pero ahora Lervik y sus colegas de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) y SINTEF, la institución de investigación independiente más grande de Escandinavia, lo han resuelto. Este problema está resuelto ("Estructura atómica de grupos de solutos en aleaciones de Al - Zn - Mg").

Lervik completó recientemente su doctorado en Física en NTNU. Su trabajo explica una parte importante de este misterio.

A finales del siglo XIX, Wilm intentó aumentar la resistencia del aluminio, un metal ligero que acababa de surgir. Fundió y fundió muchas aleaciones diferentes y probó varias velocidades de enfriamiento comunes en la producción de acero para lograr la mejor resistencia. Dijo Lervik.

Will regresó al laboratorio para continuar las pruebas de tracción de una aleación compuesta de aluminio, cobre y magnesio. Descubrió que la resistencia de esta aleación ha aumentado significativamente durante el fin de semana.

Durante este tiempo, esta aleación solo se mantiene a temperatura ambiente, pero después de mucho tiempo, no podrá completar la tarea.

Hoy en día, este fenómeno se denomina envejecimiento natural.

El metalúrgico estadounidense Paul Merica propuso en 1919 que este fenómeno se debe a la formación de una especie de precipitación en la aleación por pequeñas partículas de varios elementos. Pero no había ningún método experimental para probar esto en ese momento.

Lervik dijo que hasta finales de la década de 1930, los métodos de difracción de rayos X no podían probar que los elementos de aleación se agregaran en pequeños grupos a nanoescala.

El aluminio puro está compuesto por muchos cristales. Un cristal puede considerarse como una cuadrícula, y cada cuadrado de la cuadrícula tiene un átomo. La resistencia se mide por la resistencia de las láminas al deslizamiento entre sí.

En una aleación, solo una pequeña parte del cuadrado está ocupada por otros elementos, lo que dificulta el deslizamiento entre las láminas, aumentando así la resistencia.

Como explicó Lervik, el agregado es como una pequeña gota de pintura en un bloque de rejilla. Los elementos de aleación se acumulan y ocupan decenas de cuadrados adyacentes, que se extienden a varias hojas. Junto con el aluminio, forman un patrón. Estas gotas tienen una estructura atómica diferente a la del aluminio, lo que dificulta que las escamas del bloque de rejilla se deslicen por dislocaciones.

La agregación de elementos de aleación se llama "racimos". En lenguaje técnico, se denominan Distrito de Ginier-Preston (GP), el nombre de los dos científicos que los describieron por primera vez. En la década de 1960, la gente vio por primera vez las regiones GP a través de un microscopio electrónico, pero hasta ahora no se han visto a nivel de un solo átomo.

La aplicación práctica es la más importante

En los últimos años, muchos científicos han explorado la composición de los agregados, pero se ha trabajado poco para comprender su estructura nuclear. En cambio, muchos estudios se han centrado en optimizar las aleaciones experimentando con el endurecimiento por envejecimiento a diferentes temperaturas y diferentes momentos, dijo Lervik.

En un entorno industrial, el endurecimiento por envejecimiento y la producción de mezclas de metales fuertes son obviamente muy importantes. Sin embargo, a pocos investigadores y expertos de la industria les importa en qué consisten realmente estos cúmulos estelares. Son demasiado pequeños para probarlos.

Lervik y sus colegas tienen ideas diferentes.

Lervik dijo que a través de nuestros métodos experimentales, usamos con éxito el microscopio electrónico de transmisión de Trondheim para tomar fotos de agregados a nivel atómico por primera vez en 2018.

El equipo de investigación también utilizó el instrumento de tomografía con sonda atómica instalado recientemente en NTNU para determinar la composición química de los agregados. El proyecto de infraestructura del Consejo de Investigación de Noruega hizo posible este descubrimiento. Esta inversión ha llevado a una nueva comprensión de los fundamentos de los metales.

Los investigadores estudiaron las aleaciones de aluminio, zinc y magnesio, llamadas aleaciones de aluminio de la serie 7xxx. Estas aleaciones de metales ligeros son cada vez más importantes en las industrias automotriz y aeroespacial.

Encontramos grupos de partículas con un radio de 1,9 nanómetros en aluminio. Aunque son numerosos, son difíciles de observar al microscopio. Solo podemos determinar la estructura atómica bajo condiciones experimentales especiales.

Ésta es parte de la razón por la que nadie ha hecho esto antes. El experimento es complicado y requiere equipos experimentales modernos y avanzados.

Hemos experimentado muchas veces lo complicado que es esto. Incluso si logramos tomar fotografías de los cúmulos de estrellas y extraer alguna información sobre su composición, nos tomó varios años aprender suficiente información para poder describir la estructura del núcleo, dijo Lervik.

Entonces, ¿qué hace que este trabajo sea tan especial? En el pasado, la gente pensaba que los agregados se componían de elementos de aleación y quizás vacantes dispuestas más o menos al azar (cuadrados vacíos).

Lervik dijo que descubrimos que podemos describir todos los agregados que observamos en términos de una figura espacial geométrica única llamada octaedro de cubo truncado.

Para comprender este descubrimiento, primero debemos admitir que los cristales de aluminio (bloques cuadrados) pueden verse como una pila de cubos, cada uno con 8 esquinas y 6 caras con átomos.

Esta estructura es una red cúbica de átomos centrada en los lados. Esta figura geométrica es como un cubo, y los cubos circundantes forman un caparazón. Lo describimos como tres conchas que rodean el cubo central: una es el lado, otra es la esquina y la capa más externa. Estas capas están compuestas respectivamente por 6 átomos de zinc, 8 átomos de magnesio y 24 átomos de zinc.

Esta figura explica con más detalle todas las unidades de clúster más grandes, que se pueden conectar y expandir en tres direcciones definidas. Esta imagen también explica las observaciones informadas anteriormente por otros. Estas unidades de racimo ayudan a aumentar la fuerza durante el envejecimiento.

Esto es importante para comprender el tratamiento térmico.

Estas aleaciones también se someterán a un tratamiento térmico final a temperaturas más altas (130-200 ° C) para formar precipitados más grandes con una estructura cristalina clara. Mantienen el plano atómico (hoja) más cerca y lo fortalecen en gran medida.

Creemos que comprender la estructura atómica de los cúmulos atómicos formados por el envejecimiento natural es esencial para comprender mejor el proceso de formación de precipitación que determina las propiedades de tantos materiales. Durante el tratamiento térmico, ¿se forma la precipitación en los racimos o los racimos se convierten en precipitación? ¿Cómo optimizarlo y utilizarlo? Nuestro trabajo futuro tratará de responder a estas preguntas, dijo Lervik.