일부 합금이 실온에서 더 강해지는 이유는 무엇입니까?

합금은 일반적으로 하나 이상의 다른 원소가 추가된 금속입니다. 물리학자 아드리안 Lervik은 알루미늄 합금이 실온에서 보관될 때 더 강해질 수 있다는 것을 이미 알고 있다고 말했습니다.

독일 야금학자 알프레드 Wilm은 일찍이 1906년에 이 특성을 발견했습니다. 그런데 왜 그럴까요? 지금까지 이 현상에 대해 알려진 바가 거의 없지만 이제 Lervik과 노르웨이 과학 기술 대학(NTNU) 및 스칸디나비아 최대의 독립 연구 기관인 SINTEF의 동료들이 이 문제를 해결했습니다. 이 문제가 해결되었습니다("알 – 아연 – 마그네슘 합금에서 용질 클러스터의 원자 구조").

Lervik은 최근 NTNU에서 물리학 박사 학위를 마쳤습니다. 그의 작업은 이 신비의 중요한 부분을 설명합니다.

19세기 말에 Wilm은 최근에야 등장한 경금속인 알루미늄의 강도를 높이려고 했습니다. 그는 최고의 강도를 달성하기 위해 다양한 합금을 녹이고 주조했으며 철강 생산에서 흔히 볼 수 있는 다양한 냉각 속도를 테스트했습니다. 레빅이 말했다.

알루미늄, 구리 및 마그네슘으로 구성된 합금의 인장 시험을 계속하기 위해 실험실로 돌아갑니다. 그는 이 합금의 강도가 주말 동안 크게 증가했음을 발견했습니다.

이 시간 동안 이 합금은 실온에서만 보관되지만 오랜 시간이 지나면 작업을 완료할 수 없습니다.

오늘날 이러한 현상을 자연 노화라고 합니다.

미국 야금학자 폴 Merica는 1919년에 이 현상이 다양한 원소의 작은 입자에 의해 합금에 일종의 침전이 형성되기 때문이라고 제안했습니다. 그러나 당시에는 이를 증명할 실험적 방법이 없었다.

Lervik은 1930년대 말까지 X-선 회절 방법으로 합금 원소가 나노 규모의 작은 클러스터로 응집된다는 것을 증명할 수 없었다고 말했습니다.

순수한 알루미늄은 많은 결정으로 구성됩니다. 결정은 격자로 간주할 수 있으며 격자의 각 사각형에는 원자가 있습니다. 강도는 시트가 서로 미끄러지는 저항으로 측정됩니다.

합금에서 정사각형의 작은 부분만 다른 요소로 채워져 시트 사이에서 미끄러지기가 더 어려워 강도가 증가합니다.

Lervik이 설명했듯이 골재는 그리드 블록에 있는 작은 페인트 방울과 같습니다. 합금 요소는 수십 개의 인접한 사각형이 축적되어 여러 시트로 확장됩니다. 알루미늄과 함께 패턴을 형성합니다. 이 액적은 알루미늄과 다른 원자 구조를 가지므로 그리드 블록의 플레이크가 전위에 의해 미끄러지기가 더 어렵습니다.

합금 원소의 집합체를 "클러스터". 기술적인 언어로, 그것들을 처음 기술한 두 과학자의 이름을 따서 지니에-프레스턴 구역(GP)라고 합니다. 1960년대에 사람들은 전자현미경을 통해 GP 영역을 처음 보았지만 지금까지 단일 원자 수준에서 볼 수 없었습니다.

실제 적용이 가장 중요

최근 몇 년 동안 많은 과학자들이 응집체의 구성을 탐구했지만, 응집체의 핵 구조를 이해하기 위한 작업은 거의 이루어지지 않았습니다. 대신에 많은 연구들이 다양한 온도와 시간에서 시효 경화를 실험하여 합금을 최적화하는 데 초점을 맞추고 있다고 Lervik은 말했습니다.

산업 환경에서 시효 경화 및 강한 금속 혼합물의 생산은 분명히 매우 중요합니다. 그러나 이 성단이 실제로 무엇으로 구성되어 있는지에 대해 관심을 갖는 연구자와 업계 내부자는 거의 없습니다. 증명하기에는 너무 작습니다.

Lervik과 그의 동료들은 생각이 다릅니다.

Lervik은 실험 방법을 통해 2018년 처음으로 트론헤임의 투과 전자 현미경을 사용하여 응집체의 원자 수준 사진을 성공적으로 촬영했다고 말했습니다.

연구팀은 최근 NTNU에 설치된 원자탐사단층촬영장비를 이용해 응집체의 화학적 조성을 파악하기도 했다. 노르웨이 인 연구 Council의 인프라 프로젝트는 이러한 발견을 가능하게 했습니다. 이 투자는 금속의 기초에 대한 새로운 이해로 이어졌습니다.

연구원들은 7xxx 시리즈 알루미늄 합금이라고 하는 알루미늄, 아연 및 마그네슘의 합금을 연구했습니다. 이러한 경금속 합금은 자동차 및 항공우주 산업에서 점점 더 중요해지고 있습니다.

우리는 알루미늄에서 반경 1.9 나노미터의 입자 클러스터를 발견했습니다. 그 수가 많기는 하지만 현미경으로 관찰하기는 어렵습니다. 우리는 특별한 실험 조건에서만 원자 구조를 결정할 수 있습니다.

이것은 이전에 아무도 이것을 하지 않은 이유의 일부입니다. 실험은 복잡하고 첨단 현대 실험 장비가 필요합니다.

이것이 얼마나 까다로운 일인지 우리는 여러 번 경험했습니다. Lervik은 성단의 사진을 찍고 구성에 대한 정보를 추출하는 데 성공하더라도 핵의 구조를 설명할 수 있는 충분한 정보를 배우는 데 몇 년이 걸렸다고 말했습니다.

그렇다면 무엇이 이 작업을 특별하게 만드는 것일까요? 과거에 사람들은 골재가 합금 원소와 다소 무작위로 배열된 빈 공간(빈 사각형)으로 구성되어 있다고 생각했습니다.

Lervik은 우리가 관찰하는 모든 집합체를 잘린 정육면체 팔면체라고 하는 독특한 기하학적 공간 도형으로 설명할 수 있다는 것을 발견했다고 말했습니다.

이 발견을 이해하려면 먼저 알루미늄 결정(정사각형 블록)이 8개의 모서리와 원자가 있는 6개의 면을 가진 큐브 스택으로 볼 수 있다는 점을 인정해야 합니다.

이 구조는 원자의 측면 중심 입방 격자입니다. 이 기하학적 도형은 정육면체와 같으며 주변 정육면체에 의해 껍질이 형성됩니다. 우리는 그것을 중앙 큐브를 둘러싼 세 개의 껍질로 설명합니다. 하나는 측면, 하나는 모서리 및 가장 바깥쪽 레이어입니다. 이 껍질은 각각 6개의 아연 원자, 8개의 마그네슘 원자 및 24개의 아연 원자로 구성됩니다.

이 그림은 세 가지 정의된 방향으로 연결 및 확장할 수 있는 모든 더 큰 클러스터 단위를 추가로 설명합니다. 이 그림은 또한 이전에 다른 사람들이 보고한 관찰을 설명합니다. 이 클러스터 유닛은 시효 경화 동안 강도를 높이는 데 도움이 됩니다.

이것은 열처리를 이해하는 데 중요합니다.

이 합금은 또한 더 높은 온도(130-200°C)에서 최종 열처리를 거쳐 명확한 결정 구조를 가진 더 큰 침전물을 형성합니다. 그들은 원자면(시트)을 서로 가깝게 잡고 크게 강화합니다.

우리는 자연 노화에 의해 형성된 원자 클러스터의 원자 구조를 이해하는 것이 많은 물질의 특성을 결정하는 강수 형성 과정을 더 깊이 이해하는 데 필수적이라고 믿습니다. 열처리 과정에서 클러스터에 석출이 발생합니까 아니면 클러스터에 석출이 발생합니까? 어떻게 최적화하고 사용합니까? 우리의 추가 작업은 이러한 질문에 답하기 위해 노력할 것이라고 Lervik이 말했습니다.