En el lejano 1903, los notorios hermanos Wright construyeron el primer avión equipado con un motor. La mayor parte de esta increíble máquina estaba hecha de abeto. Ahora los aviones de madera son exhibiciones de museos, pero en ese momento el uso de este material estaba justificado por su fuerza y ligereza.
Ahora en la aviación, la construcción naval y otras industrias se utilizan materiales mucho más complejos, entre los cuales las aleaciones a base de magnesio están lejos de ser las últimas. A pesar de todas sus ventajas, estas aleaciones tienen una serie de desventajas que impiden su aplicación más amplia. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio en el que científicos de la Universidad de Monash (Melbourne, Australia) descubrieron un nuevo método para crear una aleación de magnesio más duradera y liviana. ¿Cómo tuvieron éxito, qué nuevas propiedades físicas y químicas se revelaron y qué papel desempeñó el mapeo de rayos X en este trabajo? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe del grupo de investigación. Vamos
Un poco de historia
En su forma pura, el magnesio fue aislado por primera vez en 1828 por el químico francés Antoine Bussy. Pero esta no es la primera aparición de magnesio en la historia de la humanidad. En 1695, en la ciudad de Epsom (Inglaterra), se aisló la sal del agua mineral, que ahora se conoce como sulfato de magnesio heptahidratado (MgSO
4 · 7H
2 O). Esta sustancia tenía un sabor muy amargo y tenía propiedades laxantes, que aparentemente se identificaron por el único método posible entonces, en la práctica. Después de casi 100 años en 1792, Anton von Ruprecht pudo aislar del MgO una sustancia que llamó Austria. Resultó que Austria es magnesio, pero con un grado de pureza muy bajo. Y ya en 1828, Bussy pudo obtener magnesio puro, restaurando su cloruro fundido con potasio metálico. Un poco más tarde, en 1830, Michael Faraday a través de la electrólisis del cloruro de magnesio fundido (MgCl
2 ) también recibió magnesio puro (Mg).
Antoine BussySin embargo, el magnesio adquirió importancia industrial solo a principios de los años treinta del siglo XX, después de lo cual la producción de aleaciones basadas en él creció constantemente.
Lea más sobre aleaciones de magnesio
aquí .
En la ingeniería moderna, las aleaciones de magnesio también se usan ampliamente, pero su gama de aplicaciones se puede ampliar, como dicen los investigadores.
En su trabajo, demostraron la capacidad de visualizar la
segregación * en aleaciones de magnesio mediante la aplicación de espectroscopía de dispersión de rayos X de resolución atómica a un voltaje mucho más bajo de lo que se pensaba anteriormente. Los científicos también demuestran la segregación conjunta en el
límite del grano gemelo
* en una aleación de magnesio con sustancias disueltas grandes y pequeñas que forman columnas alternas que ocupan completamente
los límites gemelos * .
Segregación * : un cambio en el estado físico de un medio no homogéneo.
El límite de grano * es la interfaz entre dos granos en un material policristalino.
Los límites de los gemelos * : la interfaz entre las dos partes del cristal, que se reflejan entre sí.
En términos generales, este estudio muestra que el análisis atómico de la estructura y composición química de sustancias disueltas en aleaciones metálicas con una composición compleja es más que posible.
Base de estudio
Los científicos señalan que los límites de grano juegan un papel importante en el control de las propiedades mecánicas de muchos materiales policristalinos, en particular aleaciones ligeras de magnesio. El mayor obstáculo para el uso más amplio del magnesio en las industrias aeroespacial y automotriz es la dificultad de controlar la deformación durante los procesos termomecánicos.
Por el momento, se sabe que la adición de elementos de tierras raras (RE) a una aleación de magnesio conduce a un debilitamiento significativo de la textura de recristalización. Y la adición de una combinación de elementos de tierras raras y no raras puede conducir a una textura aún más débil de recristalización.
Además, la adición de RE conduce a una gran cantidad de gemelos de deformación, que proporcionan más sitios de nucleación para los granos de recristalización con una orientación aleatoria.
Los investigadores señalan que la combinación de átomos grandes y pequeños de los elementos de aleación correspondientes puede conducir a una textura mucho más débil y una mejor
formabilidad * al maximizar la segregación de las juntas.
Formabilidad * : la capacidad de un polvo metálico para adquirir y mantener una forma dada bajo la acción de la presión y la gravedad aplicadas.
Sin embargo, la obtención de información suficiente sobre estos procesos y su efecto sobre la estructura general de la aleación no puede llevarse a cabo a un nivel suficientemente preciso sin datos experimentales sobre la escala atómica de la estructura de la aleación, la composición química de los límites gemelos, etc.
Para resolver este problema, se puede usar PEM, un microscopio electrónico de exploración de transmisión equipado con un regulador de aberración esférica. Este dispositivo le permite observar la distribución de átomos pesados utilizando una técnica de visualización basada en contraste Z, así como átomos más ligeros (oxígeno, litio o hidrógeno) a través de la visualización del campo brillante del anillo.
Sin embargo, el análisis de tales imágenes de contraste Z se vuelve problemático cuando las aleaciones tienen varios
elementos de aleación * .
Elemento de aleación * : un elemento que se agrega al metal y permanece en él, mientras cambia su estructura y composición química.
Por supuesto, es posible estudiar la química de los límites entre los granos utilizando la tomografía por sonda atómica, pero es extremadamente difícil determinar en detalle la ubicación del átomo de la sustancia disuelta en el límite.
Otro problema en el estudio de elementos de aleación de aleaciones ligeras es que la segregación es dañada por un haz de electrones. Para las aleaciones de magnesio, este problema es especialmente agudo cuando los átomos segregados de la sustancia disuelta se convierten en una columna atómica.
Sin embargo, no se desespere, porque los investigadores en su trabajo han encontrado una manera de resolver este problema. Todo lo que se necesita es espectroscopía de rayos X dispersiva de energía (EDS) a un voltaje mucho más bajo.
Usando este método, los científicos pudieron descubrir el patrón de segregación conjunta de elementos disueltos en el límite gemelo, así como el mecanismo de migración del límite gemelo.
El sujeto de prueba en este estudio fue la aleación Mg-RE-Ag, que tiene excelentes propiedades mecánicas a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Es importante que Nd tenga un tamaño atómico mayor que el Mg, pero Ag tiene un tamaño atómico menor que el Mg.
Dado que Nd y Ag tienen números atómicos más altos en la tabla periódica, no son adecuados para imágenes de contraste Z. Es decir, su distribución a escala atómica solo se puede detectar mediante EDS.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1Las imágenes
1a y
1b muestran imágenes PEM de campo oscuro de (1012) límites gemelos en una muestra plásticamente deformada y recocida. Todas las columnas atómicas dentro de este límite exhiben un contraste más brillante que las columnas en una matriz o gemelo. Dado que el brillo de una columna atómica individual en una imagen PEM de campo oscuro es aproximadamente proporcional al cuadrado del número atómico promedio, un contraste más brillante indica el enriquecimiento de la sustancia disuelta. Al mismo tiempo, es difícil determinar en qué son exactamente ricas las columnas brillantes individuales: Nd, Ag o ambas, ya que los números atómicos Nd (60) y Ag (47) son más altos que los de Mg (12). Por esta razón, se decidió aplicar la resolución atómica EDS.
Las Figuras 1c -
1e muestran las imágenes EDS del límite gemelo que se muestra en
1b . Estos datos se obtuvieron utilizando un voltaje significativamente menor (120 kV) que el que generalmente requiere este tipo de microscopía (300 kV).
Las imágenes EDS indican claramente que los átomos de Nd se segregan exclusivamente en los lugares de expansión (círculos en
1b -
1e ), pero los átomos de Ag se concentran exclusivamente en los lugares de compresión. Un patrón similar de segregación difiere del observado en las aleaciones de Mg-Gd-Zn, donde los átomos más grandes y más pequeños del soluto se concentran solo en los lugares de expansión.
También se descubrió que con la radiación continua de electrones, las columnas atómicas enriquecidas en Nd son mucho más estables que las columnas enriquecidas en Ag. Por esta razón, la calidad de las imágenes EDS para Nd es mejor que para Ag.
Luego, fue necesario establecer la ubicación de los átomos segregados conjuntamente de la sustancia disuelta. Para esto, los científicos estudiaron el límite gemelo segregado (1012) a lo largo de la dirección gemela (1011).
Cuando se ve a lo largo (1011), el gemelo y la matriz muestran proyecciones idénticas de las columnas atómicas, y los patrones de difracción de estos dos cristales también son idénticos. Y esto hace que sea difícil estudiar los límites de los gemelos a nivel atómico. Pero la segregación de los átomos del elemento disuelto permite observar directamente el límite de los gemelos en las imágenes PEM de campo oscuro (
1f -
1g ).
Todas las columnas en el límite gemelo exhiben un contraste más brillante, lo que indica enriquecimiento con soluto a lo largo de la dirección estudiada. Y, de nuevo, a pesar del hecho de que es difícil distinguir entre Nd y Ag en las imágenes PEM, las imágenes EDS correspondientes con resolución atómica indican claramente que cada columna atómica contiene átomos de Nd y Ag (
1h -
1j ).
Combinando los datos de las imágenes PEM y EDS de las dos direcciones ortogonales mencionadas anteriormente, fue posible obtener la distribución de los átomos de Nd y Ag dentro (1012) de los límites gemelos (
1k ). A lo largo de la dirección (1210) correspondiente a la flecha azul en el diagrama, cada columna atómica contiene átomos de Nd o Ag. Y a lo largo de la dirección (1011), es decir flecha roja, los átomos de Nd y Ag se distribuyen alternativamente en cada columna.
La imagen
1l muestra esquemáticamente capas de segregación a lo largo de (1210) y (1011). También se realizó una simulación, cuyos resultados están en excelente acuerdo con los datos experimentales (
1n -
1o ).
Imagen No. 2El fenómeno de la segregación conjunta (co-segregación) también se observó en el límite gemelo (1011). La imagen
2a muestra una imagen PEM (1011) del límite gemelo en una muestra deformada y recocida. Como en observaciones anteriores, los sitios de expansión y los sitios de compresión están llenos de soluto. Los átomos de Nd se segregan en los sitios de expansión y los átomos de Ag en los sitios de compresión (
2b -
2e ). Por lo tanto, hay un patrón de segregación similar al del límite gemelo (1012).
Imagen No. 3Luego, los científicos hicieron cálculos para identificar la fuente de una imagen tan inusual de segregación conjunta, cuando columnas alternas de átomos grandes y pequeños de sustancias disueltas ocupan todo el límite de los gemelos.
Los gráficos anteriores muestran las energías relativas calculadas para el rango de inclusiones (fracciones) del soluto en los límites gemelos (1012) y (1011).
Para el límite (1012), se puede ver que para el lugar de expansión, lo más favorable es el llenado completo de la columna con átomos de Nd en la dirección (1210) (
3a ). En observaciones anteriores, los átomos más grandes y más pequeños del soluto se segregan juntos solo en los sitios de expansión, pero aquí vemos la presencia de átomos mixtos de Nd y Ag en una columna del sitio de expansión, lo que conduce a un aumento de la energía.
Se observa una disminución significativa en la energía si el sitio de compresión está completamente ocupado por átomos de Ag (línea discontinua en
3a ), lo que es consistente con los resultados experimentales.
El gráfico
3b muestra los niveles de energía en el sitio de compresión. Aquí, el nivel mínimo de energía también se observa si el sitio de compresión está completamente ocupado por átomos de Ag y el sitio de expansión por átomos de Nd.
Para el límite (1011), se puede ver que el escenario más favorable es llenar el sitio de compresión con átomos de Ag, y los sitios de expansión con átomos de Nd (
3c -
3d ).
Imagen No. 4El siguiente paso en el estudio de la segregación conjunta fue la determinación de los mecanismos de migración de los límites de los gemelos, que se realizó mediante cálculos (imagen No. 4).
Vale la pena señalar que la presencia de Nd y Ag en el límite gemelo conduce a un cambio en el mecanismo de migración fronteriza del régimen generalmente aceptado a uno completamente nuevo.
Los átomos dentro del plano límite de los gemelos y sus planos vecinos más cercanos (primero y segundo) se comportan de manera diferente cuando se aplica una tensión de corte externa. En una situación en la que no hay segregación de la sustancia disuelta (
4a ), el ángulo α asociado con el límite gemelo inicial disminuye gradualmente con un aumento de la tensión de corte debido al hecho de que los átomos de Mg del sitio de compresión © se mueven en la dirección opuesta a los átomos de Mg del sitio de expansión (E) . El ángulo α disminuye de 180 ° a 164 °. En este momento, el ángulo β asociado con la capa anterior aumenta hasta 180 ° y se convierte en el siguiente plano del límite gemelo desplazado (
4b ). También hay un ligero cambio en el ángulo γ asociado con la primera capa.
Tal permutación sincrónica de átomos conduce al mecanismo de migración del límite gemelo, que incluye la formación de discontinuidades de dos (1012) capas. Sin embargo, cuando Nd y Ag están presentes en el límite gemelo (
4c ), el mecanismo de barajado se reduce.
Con un aumento en la deformación por corte aplicada (
4d ), el ángulo α permanece cerca de 180 ° e impide el movimiento aleatorio en los lugares de compresión y expansión, que ocurre cuando el ángulo β aumenta con la deformación aplicada en ausencia de sustancia disuelta.
Mientras que los ángulos α y β permanecen relativamente sin cambios con el aumento de la tensión de corte, el ángulo γ aumenta con la tensión aplicada debido al movimiento del átomo de Mg en la dirección opuesta a sus dos átomos vecinos en la primera capa. Como resultado, el ángulo γ alcanza 180 ° y se convierte en el siguiente plano del límite desplazado de los gemelos.
Este mecanismo de migración de límites gemelos a través de una capa (en lugar de dos) es muy diferente del mecanismo de migración, donde no hay segregación de soluto (
5a ).
Para determinar las características generales del mecanismo de migración descrito anteriormente, se calcularon casos en los que la segregación en el límite gemelo se produjo con átomos de Nd o con átomos de Ag, es decir, en un sistema de aleaciones dobles.
En el caso de que solo Nd (
4e ) esté presente en el límite gemelo, la tendencia a la mezcla atómica es similar a la observada en presencia de Nd y Ag en el límite gemelo (
4d ). Los ángulos α y β prácticamente no cambian, y el ángulo γ aumenta al aumentar la tensión de corte (
4f ).
Los científicos han sugerido que este nuevo mecanismo de migración puede ocurrir en aleaciones de magnesio que contienen elementos de tierras raras u otras impurezas que complementan el Mg-Nd. Esto también se evidencia por el hecho de que en el caso de la presencia de Ag exclusivamente (
4g ) en el límite gemelo, el mecanismo de migración fronteriza es el mismo que en ausencia de segregación de sustancias disueltas (
4b ).
Cuando los ángulos del plano original del límite y la segunda capa cambian debido a un aumento en la tensión de corte, el ángulo γ asociado con la primera capa cambia ligeramente (
4h ).
Imagen No. 5También hay una teoría de que la segregación combinada de átomos de Nd y Ag en el límite gemelo puede reducir significativamente la movilidad de este límite. Termodinámicamente, la segregación de un soluto puede reducir la energía límite y, por lo tanto, aumentar la estabilidad y al mismo tiempo reducir la movilidad del límite doble. Cinéticamente, la segregación del soluto en el límite gemelo tendrá un efecto de unión o resistencia a la migración del límite.
El esfuerzo cortante calculado en función de la curva de deformación para el límite (1012) de gemelos con / sin átomos de Nd y Ag segregados se muestra en el gráfico
5b .
En una situación donde no hay segregación de la sustancia disuelta, es decir, solo Mg, el límite gemelo comienza a migrar con un esfuerzo cortante por encima de 116 MPa. Cuando los límites de los gemelos se rellenan con Nd y Ag, se observa un cambio significativo en el esfuerzo cortante y la aparición del límite de deformación elástica.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
En este estudio, los científicos pudieron demostrar la posibilidad de estudiar la estructura y la composición química de los límites de los gemelos en aleaciones de magnesio a nivel atómico, lo que anteriormente se consideraba casi imposible. La técnica que descubrieron permitió detectar un patrón de segregación inusual que causa un fuerte efecto de fijación en las interfaces y un mecanismo de migración que no se ha estudiado previamente.
Los datos de segregación proporcionan una imagen más precisa de la estabilidad térmica y la movilidad de las interfaces dentro de las aleaciones, lo que tiene un efecto significativo en sus propiedades como un todo.
Por lo tanto, los científicos pudieron estudiar con más detalle lo que se ha utilizado durante décadas. El estudio de propiedades, procesos y fenómenos ocultos nos permite ampliar nuestra comprensión de este o aquel objeto, ya sea un solo elemento o aleación.
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