- Oamenii de știință au creat un aliaj de aluminiu super-rezistent prin introducerea unor defecte în structura sa cristalină.
- Acesta ar urma să aibă o gamă largă de aplicații, inclusiv un strat rezistent la coroziune pentru vehicule și instrumente electronice.
- Studiul ne ajută să înțelegem mai bine mecanismul de deformare în cazul metalelor cu energii mari ale defectelor de suprapunere.
Majoritatea aliajelor de aluminiu sunt moi, ușoare și au o rezistență mecanică scăzută, ceea ce limitează gama largă de aplicații industriale. Cu toate acestea, cercetătorii de la Universitatea Purdue au introdus unele defecte în structura cristalină a metalului pentru a-i îmbunătăți rezistența.
Echipa a creat un aliaj de aluminiu puternic, care are o rezistență comparabilă cu cea a oțelului inoxidabil. Astfel de aliaje de înaltă rezistență și ușoare ar putea fi puse la lucru în acoperiri rezistente la coroziune și ar putea revoluționa industria auto și aerospațială.
Haideți să ne dăm seama cum anume au modificat microstructura aluminiului pentru a-i conferi o rezistență și o ductilitate mai mari.
faza 9R
Straturile multiple de atomi de cristal (în cicluri repetate), suprapuse, formează metalele. De obicei, atunci când lipsește un strat din model, apare un “defect de stivuire”. Două straturi de astfel de defecte se numesc “nanotwins” sau “granițe gemene”. Dacă se măresc straturile acestor defecte la nouă, se numește “fază 9R”. Cu alte cuvinte, faza 9R este un defect într-o structură care se repetă pe nouă straturi.
Aceste tipuri de defecte fac ca o substanță să fie mai dură. Astfel, echipa de cercetare a încercat să introducă faza 9R și granițele gemene în aluminiu. Cu toate acestea, a existat o problemă – aluminiul are o energie ridicată a defectelor de stivuire, ceea ce înseamnă că poate corecta defectele de unul singur.
În timp ce introducerea limitelor gemene și a fazei 9R este extrem de dificilă în aluminiul nanograinat, este mai ușor de realizat în metale precum argintul și cuprul. Pentru a reuși, cercetătorii au folosit două tehnici diferite pentru a invoca faza 9R în aluminiu.
1. Tehnica indusă de șocuri
Aceasta include utilizarea unui laser pentru a bombarda straturi foarte subțiri de aluminiu cu particule de dioxid de siliciu. Fasciculul laser ejectează particulele cu o viteză de 600 m/s. Procedeul accelerează rapid testele de depistare a numeroase aliaje pentru aplicații de rezistență la impact.
Astfel, se obține o fază 9R indusă de deformare cu o lățime de zeci de nanometri în aluminiul cu granulație ultrafină, cu o dimensiune medie a grăuntelui de 140 de nanometri.
Mai precis, investigațiile de microscopie electronică de transmisie dezvăluie câteva regiuni de fază 9R cu lățimea de câteva zeci de nanometri în aluminiul cu granulație ultrafină supus impactului și rețele de dislocații abundente, împreună cu fragmentarea și rotația grăunților.
Microstructuri ale filmului subțire de Al | Harta axei de rotație a limitei (BRA) relevă granița geamănă incoerentă (ITB) și granița geamănă coerentă (CTB)
Referință: Nature | doi:10.1038/s41467-017-01729-4 | Rice University
Pentru a se adapta la deformarea plastică în condiții de viteză de deformare mare, formarea fazei 9R prin disocierea granițelor gemene incoerente poate avea loc chiar dacă există o barieră energetică ridicată.
În plus, stabilitatea fazei 9R se bazează pe prezența buclelor Frank sesile. Studiul ne ajută, de asemenea, să înțelegem mai bine mecanismul de deformare în cazul metalelor cu energii mari ale faliei de stivuire.
2. Pulverizarea cu magnetroni
Cea de-a doua tehnică a folosit o metodă cunoscută sub numele de magnetron sputtering pentru a umple structura cristalină a aluminiului cu atomi de fier. Echipa a descoperit că acest aliaj de aluminiu și fier este unul dintre cele mai puternice aliaje de Al construite vreodată.
Microstructura aliajului Al-Fe deformat
Referință: WileyOnlineLibrary | doi: 10.1002/adma.201704629 | Purdue University
Aceste aliaje induse cu faza 9R au o tensiune de curgere care depășește 1,5 GPa. Simulările de dinamică moleculară arată că rezistența ridicată și capacitatea de întărire a acestor aliaje apar în principal din cauza dimensiunilor nanometrice ale grăunților și a densității ridicate a fazei 9R.
Acest aliaj ar putea fi utilizat la scară industrială, pentru o gamă largă de aplicații, inclusiv acoperiri rezistente la coroziune pentru vehicule și instrumente electronice (acoperiri care pot atinge o duritate maximă de 5,5 GPa).
Citește și: 12 cele mai puternice metale de pe Pământ | În funcție de rezistența la curgere și la tracțiune
Cu toate acestea, plasticitatea extinsă a acestor aliaje la compresie nu garantează o bună ductilitate la tracțiune, aspect care rămâne să fie examinat în studiile viitoare.