为什么有些合金在室温下会变得更强？

合金通常是添加了至少一种其他元素的金属。物理学家阿德里安·勒维克表示，我们已经知道铝合金在室温下储存时会变得更坚固。

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。但为什么会这样呢？到目前为止，人们对这一现象知之甚少，但现在勒维克和他来自挪威科技大学（NTNU）和斯堪的纳维亚半岛最大的独立研究机构SINTEF的同事已经解决了这个问题。这个问题已经解决了（"Al-Zn-Mg合金中溶质团簇的原子结构").

勒维克最近在挪威科技大学完成了物理学博士学位。他的工作解释了这个谜团的重要部分。

19世纪末，威尔姆试图提高铝这种最近才出现的轻金属的强度。他熔化和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率，以达到最佳强度。勒维克说道。

威尔返回实验室继续对由铝、铜和镁组成的合金进行拉伸测试。他发现这种合金的强度在周末显着增加。

在这段时间里，这种合金只是保持在室温下，但时间长了，它就无法完成任务了。

今天，这种现象被称为自然衰老。

美国冶金学家Paul Merica于1919年提出，这种现象是由于各种元素的小颗粒在合金中形成一种沉淀物所致。但当时并没有实验方法可以证明这一点。

Lervik表示，直到20世纪30年代末，X射线衍射方法都无法证明合金元素在纳米尺度上聚集成小簇。

纯铝由许多晶体组成。晶体可以看作是一个网格，网格的每个方格都有一个原子。强度是通过片材彼此滑动的阻力来测量的。

在合金中，只有一小部分正方形被其他元素占据，这使得片之间滑动更加困难，从而提高了强度。

正如勒维克所解释的，骨料就像网格块中的一小滴油漆。合金元素堆积并占据了数十个相邻的方格，这些方格延伸至几片。它们与铝一起形成图案。这些液滴具有与铝不同的原子结构，使得网格块中的薄片更难以通过位错滑动。

合金元素的聚集体称为"集群"。用技术语言来说，它们被称为吉尼尔-普雷斯顿区 (GP)，以首先描述它们的两位科学家的名字命名。20世纪60年代，人们首次通过电子显微镜看到GP区域，但直到现在才在单原子水平上看到它们。

实际应用最重要

近年来，许多科学家探索了聚集体的组成，但在了解其核结构方面所做的工作却很少。相反，许多研究都集中在通过在不同温度和不同时间进行时效硬化实验来优化合金，勒维克说。

在工业环境中，时效硬化和高强度金属混合物的生产显然非常重要。然而，很少有研究人员和业内人士关心这些星团到底由什么组成。它们太小而无法证明。

勒维克和他的同事有不同的想法。

勒维克表示，通过我们的实验方法，我们在2018年首次成功利用特隆赫姆的透射电子显微镜拍摄了聚集体的原子级照片。

研究小组还使用挪威科技大学最近安装的原子探针断层扫描仪来确定聚集体的化学成分。挪威研究委员会的基础设施项目使这一发现成为可能。这项投资使人们对金属的基本面有了新的认识。

研究人员研究了铝、锌和镁合金，称为 7xxx 系列铝合金。这些轻金属合金在汽车和航空航天工业中变得越来越重要。

我们在铝中发现了半径为 1.9 纳米的颗粒簇。尽管它们数量众多，但很难在显微镜下观察到。我们只能在特殊的实验条件下确定原子结构。

这就是为什么以前没有人这样做的部分原因。实验复杂，需要先进的现代化实验设备。

我们已经多次体会到这是多么棘手。勒维克说，即使我们成功地拍摄了星团的照片并提取了有关其成分的一些信息，我们也需要花费几年的时间才能了解足够的信息来描述核的结构。

那么是什么让这项工作如此特别呢？过去，人们认为聚集体是由合金元素和或多或少随机排列的空位（空方块）组成的。

勒维克说，我们发现我们可以用一种称为截断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聚集体。

为了理解这一发现，我们首先必须承认铝晶体（方形块）可以看作是一堆立方体，每个立方体有8个角和6个面，其中有原子。

该结构是原子的侧心立方晶格。这个几何图形就像一个立方体，周围的立方体形成了一个壳。我们将其描述为围绕中心立方体的三个壳：一个是侧面，一个是角和最外层。这些壳分别由6个锌原子、8个镁原子和24个锌原子组成。

该图进一步解释了所有较大的集群单元，它们可以在三个定义的方向上连接和扩展。这张图也解释了其他人之前报道的观察结果。这些簇单元有助于提高时效硬化过程中的强度。

这对于理解热处理很重要

这些合金还将在更高的温度（130-200°C）下进行最终热处理，以形成具有清晰晶体结构的更大的沉淀物。它们将原子平面（片）紧密地结合在一起并大大增强了它的强度。

我们相信，了解自然老化形成的原子簇的原子结构对于进一步了解决定许多材料特性的沉淀形成过程至关重要。热处理过程中，是团簇上形成沉淀还是团簇转变成沉淀？如何优化和使用？勒维克说，我们的进一步工作将试图回答这些问题。