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什么情况下，铝合金变得更结实？
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物理学家Adrian Lervik认为，深入分析合金团簇的原子结构也对合金性能优化有重要作用。
在合金中，除了金属成分外，还添有其他元素组分。部分铝合金似乎有一种奇特的属性。挪威科技大学（NTNU）物理学家Adrian Lervik说：“铝合金经过室温储存后会变得更坚固。这并不是一件稀罕事。”
早在1906年，德国冶金学家Alfred Wilm就发现了铝合金的这一特性。原因是什么呢？直到最近，Lervik和挪威科技工业研究院（SINTEF）的同事才揭开其谜底。
Lervik说：“Wilm一直希望提高铝的强度。他熔化、铸造了多种合金，并测试了钢铁生产中常见冷却速率对合金强度的影响。在某次旅行之后，Wilm意外地发现一周前制造的铝-铜-镁合金的强度显著提高了。在这段时间里，这种合金只是静静地待在室温实验室中。时间完成了其他冷却工艺无法完成的工作。这就是自然时效现象。”
美国冶金学家Paul Merica在1919年提出，自然时效现象可能与各种元素的小颗粒在合金中形成的沉淀有关。然而，当时的实验技术还无法证明他的假设。
Lervik说：“直到20世纪30年代末，X射线衍射技术才证明了合金元素在纳米尺度上的小团簇式沉积。”
纯铝是由晶体组成的。晶体就像是一个网格，每个网格都含有一颗原子。在合金中，掺杂元素占据了一部分晶格，其原子结构与铝不同，增加了层间错位滑动的阻力，从而提高了合金强度。
合金元素中的团簇也被称作“吉尼尔-普雷斯顿区域”（GP区）。20世纪60年代，人类首次借助电子显微镜观察了GP区。
近几年，科学家们才完成了GP区的单原子水平观察。Lervik说：“许多科学家都探索了团簇的构成，但对其核结构的研究却比较少。他们更关注如何通过不同温度、不同时间长度的实验进行时效硬化，以优化合金性能。我们对此有不同的看法。在2018年，我们团队用透射电镜拍摄下了团簇的原子级照片。”
最近，Lervik团队还利用NTNU的原子探针断层扫描仪，确定了7xxx系列铝合金中团簇的化学成分。Lervik说：“我们在铝合金中发现了半径1.9纳米的团簇。虽然3年前我们就拍下了团簇的照片，但在3年后，我们才收集到足够的信息来描述团簇的核结构——‘截断立方体八面体’可以描述它的特征。”
自然时效通常不是处理合金的最后一道工艺。在这之前，合金还会在130~200℃高温下进行最终热处理，以形成具有明确晶体结构的更大尺寸的沉淀物。沉淀物能让原子面结合得更紧密，进而增强合金强度。
Lervik说：“了解自然时效形成的原子团簇的原子结构，对于进一步认识沉淀物的形成过程至关重要。沉淀物对合金材料的诸多属性有决定性影响。沉淀相是在团簇上形成的？还是在热处理过程中，团簇转化成了沉淀相？冶金行业能如何优化和利用这一点？我们接下来的工作或将找到这些问题的答案。”
原创编译：德克斯特 审稿：西莫 责编：陈之涵
期刊来源：《Acta Materialia》
期刊编号：1359-6454
原文链接：https://phys.org/news/2021-04-alloys-stronger-room-temperature.html
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