“Kikkhull” kan slanke biler

Materialkombinasjoner som krymper vekten – og dermed energiforbruket – til kjøretøy, står høyt på ønskelisten til bilfabrikkene. Deriblant deler som består både av stål og lettvekteren aluminium. For å unngå endringene som oppstår i materialer når de sammenføyes ved vanlig sveising, snuser bilindustrien og mange andre bransjer nå på “kalde materialekteskap”.

Det har gitt støtet til et detektivarbeid på atomnivå.   

“Kalde” alternativ til sveising

Flere “kalde” alternativ til vanlig sveising finnes. De kjennetegnes ved at temperaturene som brukes er mye lavere enn ved tradisjonell sveising. Felles for disse metodene er at atomene i de to materialene som sammenføyes, danner bånd seg i mellom som fester materialene til hverandre.     

Når komponenter av eksempelvis stål og aluminium gifter seg slik, dannes en tynn sone mellom dem – en “grenseflate” på fagspråket – som verken er stål eller aluminium. I stedet har vielsen skapt krysninger av de ytterste byggeklossene i ektefellenes kropp.

Ser atomenes samfunnsorden

De nye klossene og forholdet som dannes mellom dem ved kalde “vielsesformer”, kan vi materialforskere i Norge nå se inn i. Det hele takket være et nytt kikkhull vi har fått mot “samfunnsordenen” blant atomene i grenseflater.

Dette har gitt oss et håp om at vi etter hvert kan vise industrien hvilke materialvarianter, pluss metoder og prosedyrer for kald sammenføying som må til for at grenseflater skal tåle kreftene de utsettes for.      

Matematiske mikroskop

Kikkhullet består av en serie datamodeller – “matematiske mikroskop” med ulik forstørrelse – som er sammenkoblet. Datamodeller er verktøy som litt forenklet beskriver utsnitt av verden ved hjelp av likninger, særlig hvordan de utvalgte bitene av virkeligheten reagerer på ytre påvirkninger.

Våre modeller er basert på bilder tatt med elektronmikroskop: “briller” som ser enkeltatomer. Arbeidet med å utvikle modellene har vi gjort i regi av sentrene SFI Manufacturing og SFI CASA, to av Forskningsrådets landslag for forskningsdrevet innovasjon.

Her har vi fra SINTEF og NTNU med oss mange norske og utenlandske industribedrifter. Deriblant   bilprodusenter og produsenter av bildeler, pluss vareprodusenter fra mange andre bransjer. Viten om grenseflater er nemlig relevant for en rekke ulike produkter, som båter, deler til bil, skip og fly, møbler og elektroniske komponenter.

Kunnskapen kan overføres til sammenføyning av andre metaller enn stål og aluminium, og vi planlegger tilsvarende studier av plast.

“Grenseboere” i fokus

Inni metaller ligger atomene mer eller mindre velordnet i stabler. Men i grenseflatene, der de øverste atomlagene møter andre stoffer, brytes mønsteret. Det er som om naboer med ulik muskelstyrke må danne “lenker” der de holder hverandre i hendene. Ett av målene for forskningen vår er se hvordan lenkene må komponeres for at grenseboerne skal holde seg på bena når krefter utenfra haler og drar i dem, slik tilfellet er når en bildel utsettes for påkjenninger under kjøring.

Et annet mål er å forstå friksjonskreftene som virker i grenseflater mellom produksjonsutstyr og produktemner når materialer formes og maskineres. Målet er å utvikle de beste metodene for slik bearbeiding.

Når vi går dypest ned i modellene våre, ser vi hvordan enkeltatomer har organisert seg i grenseflatene vi studerer. Deretter drar vi blikket utover og lar modellen vise oss det indre av de ulike sonene som grenseflaten består av.

Til slutt lar vi modellen se produktet utenfra. Ved å fortelle den hvilken geometrisk form produktet har, og hvilken retning ytre krefter virker i, får vi den siste kunnskapsbiten vi trenger for å forutsi hva lenkene av ørsmå “naboer” tåler før de brister og gir rom for sprekker.

Skal oppskrifter på robuste grenseflater fungere, må vi kartlegge betydningen av mye. Alt fra legeringer i modermaterialene til trykk og temperatur under sammenføyningen. Et digert puslespill! Men resultatene er så lovende at vi tror vi kommer i mål.

Artikkelen sto første gang i Dagens Næringsliv fredag 6. juli 2018 og gjengis her med DNs tillatelse.