Naukowcy z North Carolina State University opracowali nową technikę wytwarzania bardziej wytrzymałych, lekkich stopów magnezu, które znajdą potencjalne zastosowania konstrukcyjne w przemyśle samochodowym i lotniczym.
Inżynierowie nieustannie poszukują mocnych, lekkich materiałów do produkcji samochodów i samolotów. Użycie takich materiałów zmniejsza zużycie paliwa. Ich celem jest opracowanie materiałów konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości właściwej, czyli stosunku wytrzymałości do gęstości materiału. Innymi słowy jest to obciążenie jakie materiał jest w stanie wytrzymać, na jednostkę wagi.
Naukowcy z North Carolina koncentrują się na stopach magnezu, ponieważ magnez jest bardzo lekki, lecz nie tak bardzo wytrzymały. Typowa wytrzymałość stopów magnezu w temperaturze pokojowej wynosi około 100–250 MPa. Badacze poświęcili sporo czasu na wzmocnienie struktury materiału. Wprowadzając rozstawione nanodefekty w strukturze, wpłynęli na zmianę właściwości stopu. Szereg równoległych uszkodzeń zablokowało dyslokacje liniowe w strukturze krystalicznej stopu. Zwiększyło to ogólną wytrzymałość materiału o około 200 procent.
“Materiał ten nie jest aż tak wytrzymały jak stal, ale jest dużo lżejszy…” – powiedział dr Suveen Mathaudhu, współautor badań i profesor inżynierii materiałowej na North Carolina State University. “W teorii, można użyć wagowo dwa razy więcej magnezu i nadal będzie on stanowił połowę ciężaru stali. W rzeczywiści magnez może zastąpić stal lub inne materiały w budowie ram lub paneli pojazdów” – dodaje naukowiec.
Naukowcy do badania użyli stopu magnezu z gadolinem, itrem, srebrem i cyrkonem, przy stosunku procentów wagowych Mg–8.5, Gd–2.3, Y–1.8, Ag–0.4Zr. Średnia wielkość ziaren wynosiła 13μm. Wprowadzenie defektów odbyło się podczas tradycyjnego walcowania na gorąco. Następnie stop poddano utwardzeniu T4 czyli przesycaniu i naturalnemu starzeniu do uzyskania stabilnego stanu. Wytrzymałość na rozciąganie materiału po obróbce wyniosła około 600 MPa przy wydłużeniu 5,2%.
Badania mikroskopowe TEM wykazały, że gęstość nanodefektów rozmieszczonych wewnątrz ziaren wzrosła podczas walcowania, a tym samym zmniejszyła się grubość materiału. Wprowadzenie defektów okazało się niezwykle skuteczne, utrudniając ruch dyslokacji i utrzymując stan utwardzenia. Naukowcy oczekują, iż optymalizacja rozkładu i gęstości defektów pozwoli uzyskać materiały o wysokiej wytrzymałości i dobrej plastyczności.
Źródło:
[1] W. W. Jian , G. M. Cheng , W. Z. Xu , H. Yuan , M. H. Tsai , Q. D. Wang , C. C. Koch , Y. T. Zhu & S. N. Mathaudhu (2013): Ultrastrong Mg Alloy via Nano-spaced Stacking Faults, Materials Research Letters
[2] http://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1080/21663831.2013.765927 | 14.08.2013
[3] Magnesium by Maral10, Wikimedia Commons, Public domain