For å forstå hvor mye aluminium i en bil, en vindusramme, eller fasaden i et bygg kan tåle av kraftig påkjenning, må vi forstå hvordan materialet er bygget opp på innsiden. I mitt doktorgradsarbeid har jeg studert byggesteiner i materialet på størrelse med en tusendedels hårsbredd.
Materialets evne til å deformeres uten at det oppstår brudd kalles duktilitet. Når aluminium bøyes, tøyes og deformeres, flyttes atomene rundt. De fleste metaller er krystaller – en form for materialer der atomene ligger ordnet i en gitterstruktur. I denne typen materialer kan det oppstå ørsmå forflytninger av alle atomene rundt en linje i krystallen, kalt dislokasjoner.
Når legeringen deformeres, flytter dislokasjonene på seg og forplanter deformasjonen gjennom materialet. For at en merkbar deformasjon skal skje i et metall, må veldig mange slike dislokasjoner forflyttes fra en side av krystallen til en annen.
Atomenes bevegelser bestemmer metallets styrke
Styrken til et metall bestemmes av hvor enkelt det er å flytte på dislokasjonene. Når et rent metall som aluminium tilsettes små mengder urenheter, som magnesium og silisium, dannes små utfellinger som gjør det vanskeligere å flytte på dislokasjoner.
Hver av disse utfellingene i slike legeringer har en lengde som tilsvarer en tusendedels hårsbredd. Dette er så smått at det kan finnes flere billioner av dem i en bit på størrelse med en sukkerbit.
Foto: Sølvi Normannsen
Elektronmikroskop gjør det mulig å studere enkeltatomer
I denne doktorgradsavhandlingen er det brukt høyteknologiske elektronmikroskop for å studere hvordan atomene i aluminiumslegeringene flytter på seg. Slike transmisjonselektronmikroskop gjør at vi kan se hvert enkelt atom og hvordan de ligger ordnet i krystallgitteret.
Vi har studert atomene i utfellingene og sett at de blir forflyttet på samme måte som aluminiumatomer når legeringene deformeres. Dette er viktig informasjon. Den kan brukes til å lage datamodeller for å forutse styrke og brudd i legeringene. Dette igjen, er viktig for utvikling av nye legeringer og produkter som biler, vindusrammer, og bygninger.
Atomene i aluminiumslegeringene ligger pent plassert i gitter inne i korn. I mikroskopet ser vi at utfellinger ikke dannes i nærheten av grenser mellom kornene.
Det gjør at disse områdene er svakere enn områdene rundt, og at atomene i disse områdene flytter litt annerledes på seg. Det fører til at disse myke områdene roterer og vrir seg ganske annerledes enn resten av legeringen.
Viktig kunnskap for aluminiumsprodusenter
Funnene i avhandlingen er viktig i forbindelse med utvikling og bruk av produkter som helt eller delvis består av aluminium. Avhandlingen er derfor viktig for norske aluminiumsprodusenter og for eksempel i bilindustrien hvor bruken av øker betraktelig.
Om bloggforfatteren
Kontaktinformasjon til Emil Christiansen
Emil Christiansen avla sin doktorgrad ved Institutt for Fysikk, NTNU i september 2019 og jobber nå som postdoktor. Doktorgraden er finansiert av Centre for Advanced Structural Analysis (CASA). CASA er et senter for forskningsbasert innovasjon (SFI) støttet av Norges Forskningsråd. Det er et samarbeid mellom flere industripartnere, samt statlige instanser og NTNU.
Kilder
Funnene i avhandlingen er, eller skal bli, publisert i følgende artikler i internasjonale fagfellevurderte tidsskrifter:
Emil Christiansen, Calin Daniel Marioara, Knut Marthinsen, Odd Sture Hopperstad, Randi Holmestad, «Lattice rotations in precipitate free zones in an Al-Mg-Si alloy», Materials Characterisation 144 (2018) 522–531.
Emil Christiansen, Calin Daniel Marioara, Bjørn Holmedal, Odd Sture Hopperstad, Randi Holmestad, «Nano-scale characterisation of sheared β^” precipitates in a deformed aluminium alloy», under fagfellevurdering i Scientific Reports (2019) Open Access.
Emil Christiansen, Inga Gudem Ringdalen, Ruben Bjørge, Calin Daniel Marioara, Randi Holmestad, «Multislice image simulations of sheared needle-like precipitates in an Al-Mg-Si alloy», presentert ved EMAG 2019 Manchester, UK og er under fagfellevurdering i Journal of Microscopy, EMAG and MMC special issue (2019).
Bjørn Håkon Frodal, Emil Christiansen, Ole Runar Myhr, Odd Sture Hopperstad, «The role of quench rate on the plastic flow and fracture of three aluminium alloys with different grain structure and texture», upublisert.