Štúdia, zverejnená v časopise Acta Materialia, vysvetľuje, ako rastú kryštály v roztavených kovoch.
Ilustračný obrázok Zdroj: iStockphoto.com
V novej štúdii, ktorú zverejnil časopis Acta Materialia, vedci vysvetľujú, ako rastú kryštály v roztavených kovoch. Výskum odhaľuje potenciál vytvárania pevnejších zliatin, používaných pri odlievaní a zváraní.
Odborníci z Birminghamskej univerzity skúmali na mikroskopickej úrovni rast kryštálov v taveninách. Sledovali, akým spôsobom sa kryštály formujú a v procese chladnutia a tuhnutia menia tvar. Nový výskum tak prináša inovácie v zlepšovaní pevnosti zliatin.
Kryštál ako základná stavebná jednotka
Vedci v štúdii vysvetľujú, že pre pochopenie procesov tuhnutia je kľúčové poznať tvorbu mikroštruktúr, kryštálov. Tieto metalurgické poznatky sú nevyhnutné pri zváraní aj odlievaní kovov.
Odborník Dalibor Vojtěch z Ústavu kovových materiálů a korozního inžinýrství v publikácii Kovové materiály vysvetľuje, že mechanické vlastnosti zliatin sú výrazne ovplyvnené procesom ich tuhnutia (kryštalizácie). Tuhnutie má dve fázy – nukleáciu a rast kryštálov.
Pri nukleácii sa na viacerých miestach v tavenine vytvárajú stabilné zárodky budúcich kryštálov, ktoré postupne rastú, až sa navzájom stretnú. Z každého zárodku kryštálu vzniká zrnko s vlastnou orientáciou v kryštálovej sústave. V kovových zliatinách sa formujú zárodky kryštálov na heterogénnych, čiže cudzorodých, časticiach, ktoré sa nachádzajú v tavenine (ide napríklad o rôzne nečistoty, prímesi a podobne). Proces nukleácie sa v metalurgii zámerne ovplyvňuje napríklad rýchlosťou ochladzovania alebo primiešaním jemných cudzorodých látok do taveniny. Materiály, ktoré obsahujú jemné častice, sú v porovnaní s hrubozrnnými materiálmi pevnejšie. Kovové kryštály v zliatinách väčšinou rastú do stromčekovitých útvarov, nazývaných dendrity.
„Nová štúdia poskytuje skutočný pohľad na to, čo sa deje na mikroúrovni, keď sa zliatina ochladí, a odokrýva tvar základných stavebných blokov kryštálov v roztavených zliatinách. Tvar kryštálu určuje pevnosť finálnej zliatiny. Ak dokážeme vyrobiť zliatiny s jemnejšími kryštálmi, môžeme zhotoviť pevnejšie zliatiny,“ vysvetľuje Baio Cai, spoluautor štúdie v tlačovej správe Birminghamskej univerzity.
Výskumníci sa v štúdii zamerali na fazetované vzory kryštálov, do ktorých prerastajú mnohé intermetalické zlúčeniny. Tieto skúmali menej, hoci výrazne ovplyvňujú mechanické a funkčné vlastnosti materiálov. Sústredili sa predovšetkým na formovanie fazetovaných dendritov v zliatine Al2Cu.
Kryštalizáciu zliatiny zachytili vysokorýchlostnou tomografiou
Výskumníci použili na zachytenie procesu kryštalizácie zliatiny Al2Cu vysokorýchlostnú synchrotrónovú röntgenovú tomografiu, prostredníctvom ktorej akoby odfotografovali meniacu sa podobu kryštálových sústav v procese chladnutia. Rast kryštálov zobrazili v 4D podobe (trojrozmerný obraz v čase).
Prehľad intermetalických zlúčenín Al2Cu v šiestich experimentoch (a-c) bez magnetického poľa; (d-f) s priečnym magnetickým poľom 0,5T. Zdroj: Acta Materialia
Uskutočnili spolu 6 experimentov s rozličnými podmienkami tuhnutia – s odlišnou teplotou pri ochladzovaní, rýchlosťou ochladzovania, v inom vonkajšom magnetickom poli alebo rotovali tuhnúce vzorky zliatin.
Získali materiál z jemnejších a usporiadanejších častíc
Vedci zaznamenali dve kategórie vzorov rastúcich kryštálov – základné jednotky a dendrity. Základné jednotky majú podobu L, U alebo dutej kocky. Ako zliatina chladne, začínajú sa formovať fazetované dendrity. Tie sú tvorené základnými jednotkami (ich veľkosť sa počíta v mikrometroch), ktoré sa ukladajú na seba v jednotlivých vrstvách. Počiatočná podoba základných jednotiek má tvar L, avšak ako sa na seba postupne vrstvia a chladnú, menia svoju podobu do tvaru U a neskôr aj do dutej kocky. Výsledkom takéhoto vrstvenia sú dendrity.
Vedci zároveň zistili, že vzorky, ktoré boli umiestnené do statického magnetického poľa, sa od ostatných líšili. Vzorky zliatiny Al2Cu rotovali v procese tuhnutia smerom nahor, zatiaľ čo v priečnom smere pôsobilo statické magnetické pole. Výskumníkom sa tak podarilo získať materiál, ktorého častice sú výrazne jemnejšie a rovnomernejšie usporiadané.
Pozrite si
Autori štúdie tento výsledok vysvetľujú nasledovne. Rotačný pohyb reguluje tepelný tok v tuhnúcej tavenine a zjednocuje v nej rozpustené látky. Hlavný vplyv na štruktúru zliatiny má teplota. Statické magnetické pole nepriamo pôsobí na proces tuhnutia. Podporuje prúdenie tekutín, a tak ovplyvňuje teplotu vzorky počas jej rotácie.
„Výsledky sú v priamom kontraste s klasickým pohľadom na tvorbu dendritov v chladnúcich zliatinách a otvárajú dvere vývoju nových prístupov, ktoré dokážu predpovedať a kontrolovať tvorbu intermetalických kryštálov,“ dopĺňa spoluautor štúdie Biao Cai v článku na stránke Birminghamskej univerzity.
Nové materiály nie sú len hudbou budúcnosti
Birminghamská univerzita žiada o udelenie patentu na novú technológiu. Inovácia tiež prilákala rôzne dotácie, ktoré umožnili vedcom vybudovať zväčšený prototyp. Ten dokáže zvládnuť teplotu do 1 000 stupňov Celzia a jeho súčasťou je i Tesla magnet. Prototyp v súčasnosti testujú. Vedci predpokladajú, že čoskoro bude možné zaviesť na odskúšanie do existujúcich prevádzok prvé zariadenia.
Zdroje: DOI: 10.1016/j.actamat.2022.117903, University of Birmingham, Dalibor Vojtěch: Kovové materiály.
(af)
