Hvorfor blir noen legeringer sterkere i romtemperatur?
I mer enn 100 år har vi visst at noen metallblandinger blir sterkere av å oppbevares i romtemperatur. Men vi har ikke helt kjent detaljene. Før nå.
En legering er typisk et metall tilsatt noen få prosent av minst ett annet grunnstoff. Noen aluminiumslegeringer har en tilsynelatende merkelig egenskap.
– Det er ingen ny sak at legert aluminium kan bli sterkere ved å oppbevares i romtemperatur, sier fysikeren Adrian Lervik.
Den tyske metallurgen Alfred Wilm oppdaget dette allerede i 1906. Men hvorfor er det sånn? Det har vi ikke egentlig visst så mye konkret om. Lervik og hans kolleger fra NTNU og SINTEF har gjort noe med den saken.
Aluminiumlegeringene kan se helt ensartet ut. Men små utfellinger gjør metallet sterkere. Foto: Shutterstock, NTB
Frihelg ga resultater
Fysikeren Lervik tok nylig doktorgraden ved Institutt for fysikk ved NTNU. Arbeidet hans forklarer en viktig del i dette mysteriet. Men først litt historie, for Lervik har gått inn i forhistorien også.
– På slutten av 1800 tallet jobbet Alfred Wilm med å forsøke å øke styrken i det nylig tilgjengelige lettmetallet aluminium. Han smeltet og støpte en rekke legeringer av ulike sammensetninger, og prøvde blant annet ulike nedkjølingshatigheter som var vanlig i stålproduksjonen, for å oppnå best mulig styrke, sier Lervik.
En helg var det bra vær. Wilm bestemte seg derfor for å droppe eksperimenter og heller ta en tidlig helg for å seile langs Havel-elva.
– Han kom tilbake på labben mandag, og fortsatte å gjøre strekktester av en legering bestående av aluminium, kopper og magnesium som han hadde startet på uka før. Da oppdaget han at styrken hadde økt betraktelig over helga.
Denne legeringen hadde bare ligget i romtemperatur de dagene. Tiden hadde gjort jobben som alskens andre nedkjølingsmetoder alene ikke greide.
Dette fenomenet kalles i dag for kaldutherding, på engelsk natural ageing.
- Les også: Norske løsninger for industrigiganter
Flere delforklaringer
Amerikaneren Paul Merica foreslo i 1919 at fenomenet måtte skyldes små utfellinger av de ulike elementene, som danner et slags bunnfall i legeringen. Men på den tida fantes det ikke eksperimentelle metoder som kunne bevise dette.
– Først mot slutten av 1930-tallet kunne en metode kalt “røntgendiffraksjon” bevise at legeringerselementene samlet seg på nanoskala i små aggregater, sier Lervik.
Ren aluminium består av mange krystaller. En krystall kan sees på som en blokk med ruteark, hvor et atom sitter i hver rute. Styrke betyr motstand mot at arkene glir over hverandre.
I en legering er noen prosent av rutene okkupert av andre elementer. Arkene glir dermed litt dårligere over hverandre, noe som resulterer i at styrken øker.
– Et aggregat er som en liten fargedråpe i ruteblokka. Legeringselementene samler seg og okkuperer noen titalls naboruter som strekker seg over flere ark. Sammen med aluminiumet danner de et mønster. Disse dråpene har en annen atomstruktur enn aluminiumet, og gjør at det blir mer vrient for arkene i ruteblokka å gli forbi hverandre, forklarer Lervik.
Et aggregat av legeringselementer kalles på engelsk «clusters». De er kjent på fagspråket som Guinier-Preston (GP)-soner etter dem som først beskrev dem. På 1960-tallet ble det for første gang mulig å se GP-soner i elektronmikroskop, men ikke på enkeltatom-nivå, før nå.
Adrian Lervik med det avanserte elektronmikroskopet som gjorde det mulig å få svar. Foto: Per Henning, NTNU
Praktisk anvendelse har vært viktigst
– De senere årene har flere utforsket sammensetningen til aggregatene, men lite arbeid er gjort for å forstå atomstrukturen. Isteden er det gjort massevis av studier for å optimalisere legeringer ved å eksperimentere med kaldutherding ved ulik temperatur og tid, sier Lervik.
Dette er selvfølgelig fordi kaldutherding, og det å lage sterke metallblandinger, er svært viktig i industriell sammenheng. Men egentlig har de færreste forskere og folk i industrien brydd seg om hva aggregatene egentlig er. De var rett og slett for små til å kunne bevise.
Lervik og hans kolleger tenkte annerledes.
Tok bilder av aggregatene
– Med våre moderne eksperimentelle metoder klarte vi i 2018 for første gang å ta bilder av aggregatene på atomnivå med transmisjonselektronmikroskopet i Trondheim, sier Lervik.
De studerte legeringer av aluminium, sink og magnesium. Disse blir stadig viktigere i bil- og flyindustrien.
De fant også den kjemiske sammensetningen ved å bruke instrumentet for såkalt atomsondetomografi som nylig ble installert ved NTNU. Infrastrukturprogrammet i Forskningsrådet gjorde dette mulig. Denne investeringen har altså allerede bidratt til ny fundamental innsikt i metaller.
De studerte legeringer av aluminium, sink og magnesium, som er kjent som 7xxx-serien. Disse lettmetall-legeringene blir stadig viktigere i bil- og flyindustrien.
– Vi fant aggregater med radius på 1,9 nanometer begravd i aluminiumet. Selv om de er mange, er de vanskelig å observere i mikroskopet. Vi greide bare å få frem atomstrukturen under spesielle eksperimentelle betingelser, sier Lervik.
Dette er litt av grunnen til at ingen har gjort dette før. Det er simpelthen vrient å utføre forsøkene og det krever avansert og moderne eksperimentelt utstyr.
– Dette opplevde vi også flere ganger. Selv om vi klarte å ta bilde av aggregatene, og fikk noe informasjon om sammensetningen, tok det flere år før vi forsto nok til å klare å beskrive atomstrukturen , sier Lervik.
Her er et konvensjonelt bilde av hva du kan se i et TEM, sammenlignet med det folk ved NTNU nå har observert på atomnivå. Illustrasjon: Adrian Lervik, NTNU
Det de fant
Så hva er egentlig det spesielle med dette arbeidet? Tidligere har folk antatt at aggregatene består av legeringselementene, aluminium og kanskje vakanser (tomme ruter), som er, mer eller mindre tilfeldig ordnet.
– Vi fant ut at vi kan beskrive alle aggregatene vi har observert med utgangspunkt i et unikt geometrisk romlig figur kalt et “avstumpet kubeoktaeder”, sier Lervik.
Minste byggekloss av atomer ordnet i forhold til et avstumpet kubeoktaeder på atomgitteret til aluminium. Illustrasjon: NTNU
Akkurat her bør du nok ta en kikk på illustrasjonen, og noen uten bakgrunn innenfor fysikk og kjemi vil kanskje skumme seg gjennom de neste avsnittene. Eller hoppe rett til mellomtittelen kalt “Viktig for å forstå varmutherding”.
Teorien bak
For å forstå denne figuren, må vi først godta at en aluminiumskrystall (ruteblokka) kan sees på som en stabling av terninger, hver med atomer på de 8 hjørnene og 6 sideflatene.
Dette er et såkalt side-sentrert kubisk atomgitter. Den geometriske figuren er som en slik terning, med et ytre skall fra terningene rundt. Vi beskriver det som tre skall rundt terning-senteret: ett for sidene, ett for hjørnene og det ytre skallet. Disse skallene består av henholdsvis 6 sink-, 8 magnesium- og 24 sinkatomer.
I midten av legemet (terningen) kan det finnes et ekstra atom, et ‘interstitiell’, som vi i dette bildet kan si befinner seg mellom plassene (rutene) til aluminium.
Denne enkeltfiguren forklarer videre alle større aggregater ved at de kan koble seg og bygge seg større i tre definerte retninger. Bildet forklarer også observasjoner som tidligere har vært rapportert av andre. Det er disse enhetene som bidrar til økt styrke ved kaldutherding.
Viktig for å forstå varmutherding
– Hvorfor er dette kult? Jo, fordi kaldutherding som oftest ikke er det siste steget i prosesseringen av en legering før den skal brukes, sier Lervik.
Å forstå atomstrukturen er essensielt for å forstå utfellingene som bestemmer mye av materialets egenskaper.
I disse legeringene gjøres i tillegg en endelig varmutherding ved høyere temperaturer (130-200ºC) for å danne større utfellinger med definerte krystallstrukturer. De binder atomplanene (arkene) enda fastere sammen og gjør at styrken blir betraktelig større.
– Vi tror at det å forstå atomstrukturen til aggregatene som dannes ved kaldutherding, er essensielt for videre å forstå prosessen med å danne utfellingene som bestemmer mye av materialets egenskaper. Dannes utfellingene på aggregatene eller transformerer aggregatene til utfellinger under varmutherdinga? Hvordan kan dette optimaliseres og utnyttes? Dette vil det videre arbeidet forsøke å besvare, sier Lervik.
Referanse: A. Lervik, E. Thronsen, J. Friis, C. D. Marioara, S. Wenner, A. Bendo, K. Matsuda, R. Holmestad, S. J. Andersen. Atomic structure of solute clusters in Al–Zn–Mg alloys. Acta Materialia, Volume 205, 15 February 2021, 116574. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116574
