挪威科技大学 信用:Pixabay/CC0公共域 合金通常是添加了至少百分之几的其他元素的金属
有些铝合金有一种看似奇怪的特性
挪威科技大学(NTNU)的物理学家艾德里安·勒维克说:“我们知道铝合金在室温下储存会变得更坚固——这不是什么新信息。”
德国冶金学家阿尔弗雷德·威尔姆早在1906年就发现了这一特性
但是为什么会这样呢？到目前为止，人们对这一现象还知之甚少，但是现在勒维克和他来自NTNU和SINTEF的同事们，斯堪的纳维亚半岛最大的独立研究机构，已经解决了这个问题
勒维克最近在NTNU物理系完成了他的博士学位
他的工作解释了这个谜的一个重要部分
但首先是一点背景，因为勒维克也挖掘了一些史前史
“在19世纪末，威尔姆努力提高铝的强度，铝是一种轻金属，最近才上市
他熔化并铸造了许多不同的合金，并测试了钢铁生产中常见的各种冷却速度，以获得最佳的强度，”勒维克说
一个周末，天气好的时候，威尔姆决定暂停他的实验，取而代之的是提前一个周末沿着哈维尔河航行
“他周一回到实验室，继续对一种由铝、铜和镁组成的合金进行拉伸试验，这是他一周前开始的
他发现合金的强度在周末大幅增加
在那段时间里，这种合金只是停留在室温下
时间完成了所有其他冷却方法都做不到的工作
今天，这种现象被称为自然衰老
美国冶金学家保罗·梅里卡在1919年提出，这种现象一定是由于合金中形成沉淀的各种元素的小颗粒造成的
但是当时没有实验方法可以证明这一点
“只有在20世纪30年代末，x光衍射方法才能证明合金元素在纳米尺度上以小簇的形式积累，”勒维克说
纯铝由许多晶体组成
一个晶体可以被看作是一个网格块，其中一个原子位于网格的每个正方形中
强度是以钢板相互滑动的阻力来衡量的
在一种合金中，一小部分方块被其他元素占据，使得薄片之间更难滑动，从而增加了强度
正如勒维克所解释的，“一个集合体就像网格块中的一小滴颜料
合金元素积累起来，占据了几十个相邻的方块，这些方块延伸到几块板上
它们和铝一起形成一个图案
这些液滴具有与铝不同的原子结构，使得网格块中的片更难发生位错滑动
" 合金元素的集合体被称为“团簇”
用专业术语来说，它们被称为吉尼斯-普雷斯顿区，以最先描述它们的两位科学家的名字命名
在20世纪60年代，人们第一次可以通过电子显微镜看到GP区，但是直到现在人们才开始在单原子水平上观察它们
“近年来，许多科学家探索了聚集体的组成，但很少有人去了解它们的核结构
勒维克说:“相反，许多研究都集中在通过在不同温度和不同时间长度下进行时效硬化试验来优化合金。”
在工业环境中，时效硬化和生成坚固的金属混合物显然非常重要
但是很少有研究人员和业内人士非常关心集群的实际组成
它们太小了，无法证明
勒维克和他的同事们有不同的想法
勒维克说:“通过我们现代的实验方法，2018年，我们首次在特隆赫姆用透射电子显微镜拍摄了原子团簇的照片。”
“他和他的团队研究铝、锌和镁的合金
这些在汽车和航天工业中越来越重要
" 研究小组还使用最近安装在NTNU的原子探针断层扫描仪器测定了星团的化学成分
挪威研究委员会的基础设施项目使这一发现成为可能
这项投资已经为金属领域带来了新的基本见解
研究人员研究了铝、锌和镁的合金，称为7xx系列铝合金
这些轻金属合金在汽车和航天工业中越来越重要
“我们发现半径为1的星团
埋在铝中的9纳米
尽管数量众多，但在显微镜下很难观察到
“我们只是在特殊的实验条件下才设法确定了原子结构，”勒维克说
这是为什么以前没有人这样做的部分原因
进行实验很棘手，需要先进的现代实验设备
“我们经历过好几次这是多么棘手
勒维克说:“尽管我们设法拍下了星系团的照片，并提取了一些关于它们组成的信息，但我们花了几年时间才理解到足以描述核结构。”
那么到底是什么让这部作品如此特别呢？过去，人们一直认为骨料由合金元素、铝以及或多或少随机排列的空位(空方块)组成
勒维克说:“我们发现，我们可以根据一种叫做‘截顶立方体八面体’的独特几何空间图形来描述我们观察到的所有星团。”
在这里，任何没有物理或化学背景的人都可以浏览下一部分，或者直接跳到中间标题“对理解热处理很重要
" 为了理解上面的说明，我们必须首先接受铝晶体(方形块)可以被可视化为一堆立方体，每个立方体的8个角和6个边上都有原子
这种结构是原子的侧心立方晶格
几何图形就像一个立方体，有一个由周围立方体组成的外壳
我们把它描述为围绕中心立方体的三个壳:一个是边壳，一个是角壳和最外层壳
这些壳分别由6个锌原子、8个镁原子和24个锌原子组成
身体的中间(立方体)可能包含一个额外的原子——一个“间隙”——在这个例子中可以描述为位于铝的空间(正方形)之间
这个单独的图通过它们在三个定义的方向上连接和扩展的能力进一步解释了所有更大的集群单元
这张图片也解释了其他人之前报道的观察结果
这些团簇单元有助于在时效硬化期间增加强度
对理解热处理很重要 “为什么这很酷？勒维克说:“这很酷，因为在准备使用之前，自然老化通常不是加工合金的最后一步。”
这些合金还在较高温度(130-200℃)下进行最终热处理，以形成具有特定晶体结构的较大沉淀物
它们将原子平面(片)更紧密地结合在一起，并大大加强了它
“我们相信，理解自然老化形成的团簇的原子结构，对于进一步理解决定材料性质的沉淀物的形成过程至关重要
沉淀物是在团簇上形成的还是在热处理过程中团簇转化成沉淀物的？如何优化和利用这一点？我们进一步的工作将试图回答这些问题，”勒维克说
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