Pourquoi certains alliages deviennent plus résistants à température ambiante ?

Un alliage est généralement un métal auquel au moins un autre élément a été ajouté. Le physicien Adrian Lervik a déclaré que nous savons déjà que les alliages d'aluminium peuvent devenir plus résistants lorsqu'ils sont stockés à température ambiante.

Le métallurgiste allemand Alfred Wilm a découvert cette caractéristique dès 1906. Mais pourquoi en est-il ainsi ? Jusqu'à présent, on sait peu de choses sur ce phénomène, mais Lervik et ses collègues de l'Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) et du plus grand institut de recherche indépendant de Scandinavie, SINTEF, l'ont résolu. Ce problème est résolu ("Structure atomique des amas de solutés dans les alliages Al – Zn – Mg").

Lervik a récemment terminé son doctorat en physique à NTNU. Son œuvre explique une partie importante de ce mystère.

À la fin du XIXe siècle, Wilm tenta d’augmenter la résistance de l’aluminium, un métal léger apparu récemment. Il a fondu et coulé de nombreux alliages différents et testé différentes vitesses de refroidissement courantes dans la production d'acier pour obtenir la meilleure résistance. dit Lervik.

Will est retourné au laboratoire pour poursuivre les essais de traction d'un alliage composé d'aluminium, de cuivre et de magnésium. Il a constaté que la résistance de cet alliage a considérablement augmenté au cours du week-end.

Pendant ce temps, cet alliage n’est conservé qu’à température ambiante, mais après une longue période, il ne pourra plus accomplir sa tâche.

Aujourd’hui, ce phénomène est appelé vieillissement naturel.

Le métallurgiste américain Paul Merica a proposé en 1919 que ce phénomène soit dû à la formation d'une sorte de précipitation dans l'alliage par de petites particules de divers éléments. Mais il n’existait à l’époque aucune méthode expérimentale pour le prouver.

Lervik a déclaré que jusqu'à la fin des années 1930, les méthodes de diffraction des rayons X ne pouvaient pas prouver que les éléments d'alliage se regroupaient en petits amas à l'échelle nanométrique.

L'aluminium pur est composé de nombreux cristaux. Un cristal peut être considéré comme une grille et chaque carré de la grille contient un atome. La résistance est mesurée par la résistance des feuilles au glissement les unes contre les autres.

Dans un alliage, seule une petite partie du carré est occupée par d'autres éléments, ce qui rend plus difficile le glissement entre les tôles, augmentant ainsi la résistance.

Comme l'explique Lervik, l'agrégat est comme une petite goutte de peinture dans un bloc de grille. Les éléments d'alliage s'accumulent et occupent des dizaines de carrés adjacents, qui s'étendent sur plusieurs feuillets. Avec l'aluminium, ils forment un motif. Ces gouttelettes ont une structure atomique différente de celle de l’aluminium, ce qui rend plus difficile le glissement des flocons du bloc de grille par dislocations.

L'agrégation des éléments d'alliage est appelée"groupes". En langage technique, on les appelle le district de Ginier-Preston (GP), du nom des deux scientifiques qui les ont décrits les premiers. Dans les années 1960, les premiers humains ont observé les régions GP au microscope électronique, mais jusqu’à présent, elles n’avaient pas été observées au niveau d’un seul atome.

L’application pratique est la plus importante

Ces dernières années, de nombreux scientifiques ont exploré la composition des agrégats, mais peu de travaux ont été réalisés pour comprendre leur structure nucléaire. Au lieu de cela, de nombreuses études se sont concentrées sur l'optimisation des alliages en expérimentant le durcissement par vieillissement à différentes températures et à différents moments, a déclaré Lervik.

Dans un environnement industriel, le durcissement par vieillissement et la production de mélanges métalliques résistants sont évidemment très importants. Cependant, peu de chercheurs et d’initiés de l’industrie se soucient de la composition réelle de ces amas d’étoiles. Ils sont trop petits pour le prouver.

Lervik et ses collègues ont des idées différentes.

Lervik a déclaré que grâce à nos méthodes expérimentales, nous avons utilisé avec succès le microscope électronique à transmission de Trondheim pour prendre des photos d'agrégats au niveau atomique pour la première fois en 2018.

L’équipe de recherche a également utilisé l’instrument de tomographie à sonde atomique récemment installé au NTNU pour déterminer la composition chimique des agrégats. Le projet d'infrastructure du Conseil norvégien de la recherche a rendu cette découverte possible. Cet investissement a conduit à une nouvelle compréhension des principes fondamentaux des métaux.

Les chercheurs ont étudié des alliages d’aluminium, de zinc et de magnésium, appelés alliages d’aluminium de la série 7xxx. Ces alliages de métaux légers deviennent de plus en plus importants dans les industries automobile et aérospatiale.

Nous avons trouvé des amas de particules d'un rayon de 1,9 nanomètres dans l'aluminium. Bien qu’ils soient nombreux, ils sont difficiles à observer au microscope. Nous ne pouvons déterminer la structure atomique que dans des conditions expérimentales particulières.

C’est en partie la raison pour laquelle personne ne l’a fait auparavant. L’expérience est compliquée et nécessite un équipement expérimental moderne et avancé.

Nous avons constaté à plusieurs reprises à quel point cette situation est délicate. Même si nous avons réussi à prendre des photos des amas d'étoiles et à extraire des informations sur leur composition, il nous a fallu plusieurs années pour acquérir suffisamment d'informations pour pouvoir décrire la structure du noyau, a déclaré Lervik.

Alors, qu’est-ce qui rend ce travail si spécial ? Dans le passé, on pensait que les agrégats étaient composés d'éléments d'alliage et peut-être de lacunes disposées de manière plus ou moins aléatoire (carrés vides).

Lervik a déclaré que nous avions découvert que nous pouvions décrire tous les agrégats que nous observons en termes d'une figure spatiale géométrique unique appelée octaèdre de cube tronqué.

Pour comprendre cette découverte, il faut d’abord admettre que les cristaux d’aluminium (blocs carrés) peuvent être vus comme un empilement de cubes comportant chacun 8 coins et 6 faces avec des atomes.

Cette structure est un réseau cubique d’atomes centrés sur les côtés. Cette figure géométrique ressemble à un cube et une coque est formée par les cubes environnants. Nous le décrivons comme trois coques entourant le cube central : l’une est le côté, l’autre est le coin et la couche la plus externe. Ces coquilles sont respectivement composées de 6 atomes de zinc, 8 atomes de magnésium et 24 atomes de zinc.

Cette figure explique en outre toutes les unités de cluster plus grandes, qui peuvent être connectées et étendues dans trois directions définies. Cette image explique également les observations précédemment rapportées par d’autres. Ces unités de cluster contribuent à augmenter la résistance lors du durcissement par le vieillissement.

Ceci est important pour comprendre le traitement thermique

Ces alliages subiront également un traitement thermique final à des températures plus élevées (130-200°C) pour former des précipités plus gros avec une structure cristalline claire. Ils maintiennent le plan atomique (feuille) plus rapproché et le renforcent considérablement.

Nous pensons que comprendre la structure atomique des amas atomiques formés par le vieillissement naturel est essentiel pour mieux comprendre le processus de formation des précipitations qui détermine les propriétés de nombreux matériaux. Lors du traitement thermique, les précipitations se forment-elles sur les amas ou les amas se transforment-ils en précipitations ? Comment l’optimiser et l’utiliser ? Nos futurs travaux tenteront de répondre à ces questions, a déclaré Lervik.