Aluminium twarde jak stal
Poprzez rozbicie próbki stopu aluminium między dwoma kowadłami z dwóch różnych metali można otrzymać aluminium lekkie, ale o twardości stali.
Wynalazek ten może przynieść nową generację stopów i metali użytecznych w konstrukcji samolotów, samochodów czy nawet kamizelek kuloodpornych czy opancerzenia dla żołnierzy na polu walki.
Główną przewagą aluminium wśród metali jest jego lekkość. Ale ten drugi co do obfitości występowania w skorupie ziemskiej metal ma słabości – łamie się pod wpływem ładunku, który cięższe metale i stopy takie jak stal zniosłyby bez trudu. Przez dziesięciolecia, naukowcy poszukiwali drogi do wyprodukowania aluminiowego odpowiednika tytanu, lekkiego metalu mocniejszego od stali, ale bez wysokich kosztów produkcji, jakie ma tytan.
W nowym badaniu międzynarodowy zespół badawczy zwrócił się w kierunku uzyskującej coraz większe znaczenie techniki zwanej skręcaniem pod wysokim ciśnieniem (HPT- high-pressure torsion). W podstawowym wariancie tej metody, cienki dysk metalowy jest przymocowywany do cylindrycznego kowadła z innego metalu i dociskany kowadłem z trzeciego metalu z siłą 60 tys. kg na cm kw. do momentu wprasowania dysku w podstawę. Badacze obrabiali próbki w temperaturze pokojowej przez miesiąc w procesie zwanym naturalnym starzeniem. Deformacje spowodowane ogromnym ciśnieniem i naturalnym starzeniem metalu spowodowały postarzenie jego struktury w nanoskali w odległościach mierzonych miliardowymi częściami metra.
Kiedy zespół użył stopu aluminium określonego jako aluminium 7075, zawierającego małe dodatki procentowe magnezu i cynku do procesu HPT, otrzymał metal, który osiągnął twardość 1 gigapaskala. Jest co twardość porównywalna z twardością najmocniejszych stopów stali i trzykrotnie wyższa niż tradycyjnego aluminium.
Aby określić dlaczego stop uzyskał taką twardość, zespół sprawdził próbki, używając techniki tomografii poziomu atomowego (APT). Łączy ona w sobie zastosowanie mikroskopii elektronowej i skanera tomograficznego CT. Metoda ta wykazała, że HPT zdeformowało sieć krystaliczną atomów tworząc nowe, bezprecedensowe uporządkowanie. Zamiast normalnej struktury widocznej w zwykłym metalu HPT stworzyła coś, co badacze określili jako nanostrukturę hierarchiczną: wielkość ziaren aluminium została zmniejszona, zaś cynk i magnez zebrały się razem w grupach rozmaitych rozmiarów lokowanych na granicach ziaren aluminium lub w ich wnętrzu.
„Jak to uporządkowanie tworzy mocniejsze aluminium dokładnie nie jest jasne” – powiedział współautor studium Simon Ringer, dyrektor Electron Microscope Unit na University of Sydney w Australii. Dodał, że atomy na granicach ziaren wydają się upakowane ciaśniej niż atomy nie dołączone do granic ziaren. Niezależnie od fizyki tego zjawiska, powiedział, ta hierarchiczna struktura „ma ogromny potencjał dla wzrostu twardości”.
Ringer zauważył, że choć w trakcie eksperymentu wyprodukowano tylko próbki laboratoryjne supermocnego aluminium, sam proces może być szybko zaadaptowany do produkcji małych podzespołów w których konieczna jest twardość, z zachowaniem małej wagi jak choćby implanty biologiczne. Drugi współautor studium, badacz Yuntian Zhu z North Carolina State University w Raleigh w USA zauważył, że istnieją istotne powody do uprzemysłowienia tego procesu, ponieważ stopy aluminium są użyteczne dla „wielu rozwiązań lekkich, zachowujących energię, w przemyśle aerokosmicznym, transporcie i produkcji kamizelek kuloodpornych”.
Eksperyment pozwolił na osiągnięcie „znaczącej twardości” klasycznego stopu aluminiowego, skomentował inżynier materiałowy Terence Langdon z University of Southern California w Los Angeles. Badanie, według niego, zademonstrowało „wyjątkowe możliwości osiągalne poprzez technikę skręcania pod wysokim ciśnieniem”, technikę, nad którą Langdon i inni pracowali od kilku lat.
Zaloguj się Logowanie