لماذا تصبح بعض السبائك أقوى في درجة حرارة الغرفة؟

عادة ما تكون السبيكة معدنًا تمت إضافة عنصر آخر على الأقل إليه. قال الفيزيائي أدريان ليرفيك أدريان ليرفيك إننا نعلم بالفعل أن سبائك الألومنيوم يمكن أن تصبح أقوى عند تخزينها في درجة حرارة الغرفة.

اكتشف عالم المعادن الألماني ألفريد ويلم هذه الخاصية في وقت مبكر يعود إلى عام 1906. ولكن ما سبب ذلك؟ حتى الآن ، لا يُعرف الكثير عن هذه الظاهرة ، ولكن الآن قام ليرفيك وزملاؤه من الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا (NTNU) وأكبر مؤسسة بحثية مستقلة في الدول الاسكندنافية سينتف بحلها. تم حل هذه المشكلة ("التركيب الذري لعناقيد الذائبة في سبائك الزنك والمغنيسيوم").

أكمل ليرفيك مؤخرًا درجة الدكتوراه في الفيزياء في NTNU. يشرح عمله جزءًا مهمًا من هذا اللغز.

في نهاية القرن التاسع عشر ، حاول ويلم زيادة قوة الألمنيوم ، وهو معدن خفيف ظهر مؤخرًا فقط. قام بصهر وصب العديد من السبائك المختلفة واختبار معدلات التبريد المختلفة الشائعة في إنتاج الصلب لتحقيق أفضل قوة. قال ليرفيك.

سيعود إلى المختبر لمواصلة اختبار الشد لسبائك الألمنيوم والنحاس والمغنيسيوم. وجد أن قوة هذه السبيكة زادت بشكل ملحوظ خلال عطلة نهاية الأسبوع.

خلال هذا الوقت ، يتم الاحتفاظ بهذه السبيكة في درجة حرارة الغرفة فقط ، ولكن بعد وقت طويل ، لن تتمكن من إكمال المهمة.

اليوم ، هذه الظاهرة تسمى الشيخوخة الطبيعية.

اقترح عالم المعادن الأمريكي بول ميريكا في عام 1919 أن هذه الظاهرة ناتجة عن تكوين نوع من الترسيب في السبيكة بواسطة جزيئات صغيرة من عناصر مختلفة. لكن لم تكن هناك طريقة تجريبية لإثبات ذلك في ذلك الوقت.

قال ليرفيك إنه حتى نهاية الثلاثينيات من القرن الماضي ، لم تتمكن طرق حيود الأشعة السينية من إثبات أن عناصر صناعة السبائك تتجمع في مجموعات صغيرة على المقياس النانوي.

يتكون الألمنيوم النقي من العديد من البلورات. يمكن اعتبار البلورة على أنها شبكة ، ولكل مربع من الشبكة ذرة. تقاس القوة بمقاومة الألواح للانزلاق ضد بعضها البعض.

في السبيكة ، تشغل عناصر أخرى جزءًا صغيرًا فقط من المربع ، مما يجعل الانزلاق بين الألواح أكثر صعوبة ، وبالتالي زيادة القوة.

كما أوضح ليرفيك ، فإن الركام يشبه قطرة صغيرة من الطلاء في كتلة شبكية. تتراكم عناصر صناعة السبائك وتشغل عشرات المربعات المجاورة ، والتي تمتد إلى عدة صفائح. جنبا إلى جنب مع الألومنيوم ، فإنها تشكل نمط. تحتوي هذه القطرات على بنية ذرية مختلفة عن الألومنيوم ، مما يزيد من صعوبة انزلاق الرقائق الموجودة في كتلة الشبكة عن طريق الاضطرابات.

يسمى تجميع عناصر صناعة السبائك "عناقيد المجموعات". في اللغة التقنية ، يطلق عليهم منطقة جينير بريستون (GP) ، والتي سميت على اسم العالمين اللذين وصفاها لأول مرة. في الستينيات ، رأى الناس لأول مرة مناطق GP من خلال مجهر إلكتروني ، لكن لم يتم رؤيتها على مستوى الذرة المفردة حتى الآن.

التطبيق العملي هو الأهم

في السنوات الأخيرة ، استكشف العديد من العلماء تكوين المجاميع ، ولكن تم بذل القليل من العمل لفهم بنيتها النووية. بدلاً من ذلك ، ركزت العديد من الدراسات على تحسين السبائك من خلال تجربة التصلب بالعمر في درجات حرارة مختلفة وأوقات مختلفة ، كما قال ليرفيك.

في البيئة الصناعية ، من الواضح أن تصلب العمر وإنتاج مخاليط معدنية قوية مهمان للغاية. ومع ذلك ، فإن قلة من الباحثين والمطلعين على الصناعة يهتمون بما تتكون في الواقع من هذه المجموعات النجمية. هم أصغر من أن يثبتوا.

ليرفيك وزملائه أفكار مختلفة.

قال ليرفيك إنه من خلال أساليبنا التجريبية ، استخدمنا بنجاح مجهر إرسال تروندهايم الإلكتروني لالتقاط صور على المستوى الذري للركام لأول مرة في عام 2018.

استخدم فريق البحث أيضًا أداة التصوير المقطعي بالمسبار الذري التي تم تركيبها مؤخرًا في NTNU لتحديد التركيب الكيميائي للركام. جعل مشروع البنية التحتية لمجلس الأبحاث النرويجي هذا الاكتشاف ممكنًا. أدى هذا الاستثمار إلى فهم جديد لأساسيات المعادن.

درس الباحثون سبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم ، تسمى سبائك الألومنيوم سلسلة 7xxx. أصبحت هذه السبائك المعدنية الخفيفة ذات أهمية متزايدة في صناعات السيارات والطيران.

وجدنا مجموعات من الجسيمات نصف قطرها 1.9 نانومتر في الألومنيوم. على الرغم من تعددها ، إلا أنه من الصعب ملاحظتها تحت المجهر. لا يمكننا تحديد التركيب الذري إلا في ظل ظروف تجريبية خاصة.

هذا جزء من سبب عدم قيام أحد بذلك من قبل. التجربة معقدة وتتطلب معدات تجريبية حديثة ومتطورة.

لقد واجهنا عدة مرات مدى صعوبة هذا. قال ليرفيك إنه حتى لو نجحنا في التقاط صور للعناقيد النجمية واستخراج بعض المعلومات حول تكوينها ، فقد استغرقنا الأمر عدة سنوات لتعلم معلومات كافية لنكون قادرين على وصف بنية النواة.

إذن ما الذي يجعل هذا العمل مميزًا جدًا؟ في الماضي ، اعتقد الناس أن المجاميع تتكون من عناصر صناعة السبائك وربما أماكن شاغرة مرتبة بشكل عشوائي (مربعات فارغة).

قال ليرفيك أننا وجدنا أنه يمكننا وصف جميع المجاميع التي نلاحظها من حيث الشكل الهندسي المكاني الفريد الذي يسمى المكعب المقطوع ثماني السطوح.

لفهم هذا الاكتشاف ، يجب أن نعترف أولاً بأن بلورات الألومنيوم (كتل مربعة) يمكن اعتبارها كومة من المكعبات ، لكل منها 8 زوايا و 6 أوجه بها ذرات.

هذا الهيكل عبارة عن شعرية مكعبة من الذرات مركزها الجانب. هذا الشكل الهندسي يشبه المكعب ، وتتكون القشرة من المكعبات المحيطة. نصفها بثلاث قذائف تحيط بالمكعب المركزي: واحد هو الجانب ، والآخر هو الزاوية والطبقة الخارجية. تتكون هذه القذائف على التوالي من 6 ذرات زنك و 8 ذرات مغنيسيوم و 24 ذرة زنك.

يوضح هذا الشكل أيضًا جميع وحدات الكتلة الأكبر ، والتي يمكن توصيلها وتوسيعها في ثلاثة اتجاهات محددة. تشرح هذه الصورة أيضًا الملاحظات التي أبلغ عنها آخرون سابقًا. تساعد هذه الوحدات العنقودية على زيادة القوة أثناء التصلب مع تقدم العمر.

هذا مهم لفهم المعالجة الحرارية

ستخضع هذه السبائك أيضًا للمعالجة الحرارية النهائية عند درجات حرارة أعلى (130-200 درجة مئوية) لتشكيل رواسب أكبر ذات بنية بلورية صافية. إنهم يربطون المستوى الذري (الصفيحة) ببعضهم البعض ويقويونها بشكل كبير.

نعتقد أن فهم التركيب الذري للعناقيد الذرية التي تكونت نتيجة الشيخوخة الطبيعية أمر ضروري لمزيد من الفهم لعملية تكوين الترسيب التي تحدد خصائص العديد من المواد. أثناء المعالجة الحرارية ، هل يتكون الترسيب على العناقيد أم تتحول العناقيد إلى ترسيب؟ كيف يتم تحسينه واستخدامه؟ قال ليرفيك إن عملنا الإضافي سيحاول الإجابة على هذه الأسئلة.