Fra forskningsmiljøene. En artikkel fra Norges forskningsråd

Avkoder styrken i aluminium

Aluminiumslegeringer brukes i alt fra biler til bygninger og brusbokser. Mens rent aluminium er mykt, viser legeringene styrke. Forskere og industri vil forstå herdingen på molekylnivå.
20.4 2013 05:00


Industrien er på jakt etter sterkere og billigere aluminiumslegeringer.

Mykt aluminium blir hardt når det blandes med ørsmå mengder av andre stoffer og varmes varsomt.

Stoffene som legges til kan for eksempel være magnesium og silisium. Det trengs gjerne mindre enn én prosent innblanding.

En aluminiumsstav med innblandede stoffer varmebehandles ved 200 grader i 20 timer, og etterpå har du ikke sjans til å bøye den. Det har vært kjent i 100 år. Men hva er det egentlig som skjer inni metallet?

Nålenes hemmelighet

Det har også vært kjent at det dannes utfellinger, det vil si bittesmå nåler av de innblandede stoffene. Det er nettopp her hemmeligheten ligger.

– Tenk deg at 1 av 100 atomer ikke er aluminium. Først ligger de andre atomene på samme gitterposisjon som aluminium, og virker ikke særlig styrkende. Under oppvarmingen klumper de seg sammen til nåler, forklarer Randi Holmestad, professor ved Institutt for fysikk ved NTNU.

Det er disse ørsmå nålene som virker herdende. De legger seg i tre bestemte retninger normalt på hverandre, og forandrer metallets egenskaper kraftig.

– Det er nesten som å ha stålarmering i betong, sier Holmestad.

Jo mindre nålene er, dess flere er det også av dem, og dess sterkere blir legeringen. Dersom metallet varmes opp for lenge, blir utfellingene for store, og legeringen blir myk igjen.

De små nålene i aluminiumslegeringer er bare noen titalls mikrometer lange, og bare noen kvadrat-nanometer i tverrsnitt.

Nanoskala


Professor Randi Holmestad ved NTNU

Holmestad leder et prosjekt der forskerne modellerer og regner på disse nålene, for å gi industrien bedre kunnskap og styrke modelleringer av legeringer.

Prosjektet har finansiering fra Forskningsrådet. I tilknyttede prosjekter studerer de nålene i kraftige elektronmikroskop.

Målet er sterkere og billigere legeringer, og utnyttelse av mer og mer resirkulert aluminium som inneholder forurensninger.

Forskerne lager supertynn aluminiumsfolie av prøvene, og ser på tverrsnittet av nålene. Avstanden mellom atomene i en aluminiumslegering er 0,2 nanometer, og utfellingene forskerne studerer og regner på er ned mot 4x4 nanometer i tverrsnitt – det vil si omtrent 20 atomer i hver retning.

– Elektronmikroskopene våre forstørrer én million ganger, sier Holmestad.

Forskningsmålet er å skjønne hvordan nålene vokser, og hva som er energien i grenseflatene mellom dem og aluminiumet rundt. Resultatene kan for eksempel føre til at norsk lettmetallindustri finner nye typer sammensetning for legeringene. Norsk Hydro er industripartner på flere av prosjektene.

– For at vi skal klare å manipulere prosesser og kjemi, og finne gode legeringstilsetninger, må vi ha den grunnleggende forståelsen, sier Trond Furu, seniorrådgiver ved Corporate Technology Office i Norsk Hydro.


Små molekylære strukturer i aluminiumslegeringer avgjør styrken på materialet. Lengst til høyre ser du tverrsnittet av én enkelt utfelling.

Mye å regne på

Regnejobben utføres av forsker Flemming Ehlers ved NTNU. Han tar for seg kvantemekaniske vekselvirkninger mellom atomene, noe som er ekstremt tungt å regne på for datamaskinene.

– Vi kan ikke modellere en hel utfelling en gang, det blir for stort. Maskinene ville bli stående og regne i nesten 100 år, sier Ehlers.

Derfor kombinerer forskerne ulike typer modellering. Vi kan si at modellene opererer med ulik oppløsning. Beregningene på det mest grunnleggende nivået krever store mengder regnekraft, og det er derfor begrenset hvor mange atomer de kan ta for seg.

Verdiene som kommer ut av disse beregningene, kan imidlertid føres videre i modelleringen på neste nivå. Denne måten å jobbe på kalles multiskala modellering.

– Der det er behov for presise beregninger, gjør vi det. Der det ikke er like nødvendig, legger vi inn en enklere metode. Vi kombinerer altså kvantemekaniske beregninger for grenseflatene med mer makroskopiske verdier andre steder. Kunsten er å minimere feilene på de rette stedene, forklarer Ehlers.

Fra atom til støtfanger


Forsker Flemming Ehlers ved NTNU.

Dersom noen for eksempel vil regne på om en bil består en krasjtest, må modellene vise hvordan støtfangerne blir deformert.

Da vil ikke datamaskinen kunne sette i gang og regne på atom for atom – modellen har en helt annen type oppløsning, og ser på materialet som kontinuerlig med diverse egenskaper.

– Selv om modellen ikke har direkte bruk for beregninger på atomær skala, må vi hente ut informasjon fra denne skalaen. Gjør vi ikke det, vet vi ikke hvordan materialet vil oppføre seg, sier Ehlers.

Forskerne forsøker for eksempel å finne ut hvordan utfellingene vokser, og hvorfor de legger seg i tre bestemte retninger normalt på hverandre.

Slik informasjon kan legges inn i neste modell som tar for seg mikrostrukturen i materialet, for eksempel tettheten og størrelsen på nålene. Et eget forskningsprogram på Sintef tar for seg dette nivået.

– Utfordringen er å bruke presise energier fra de atomære beregningene som input i beregninger for den større mikrostrukturen. Da når vi forhåpentligvis samme mål som dersom vi hadde kjørt en superdatamaskin med bare atomære beregninger, sier Ehlers.

Det betyr at forskerne både jobber for å minimere feilene i modellene, og samtidig minimere kravene til regnekraft. 

Kuler eller nåler

Det øverste og industrielle nivået av modellering har så langt behandlet utfellingene som kuler, mens de altså i virkeligheten er nåler.

– Vi prøver å teste om det blir en bedring ved å gå vekk fra kuler og til en mer relevant størrelse, sier Ehlers.

Med mer presise modeller ser forskerne for seg at egenskapene til en bestemt aluminiumslegering beregnes over natten, og kanskje erstatter eksperimentene som er gjort så langt – hvor man prøver og feiler med parametere som tid og temperatur.

På den andre siden kan det hende at resultatene viser at forenklingen med kuler faktisk er god nok.

– Det ville være et viktig resultat – for da slipper vi å ta steget med alle de kompliserte morfologiene til de ulike fasene, sier Trond Furu ved Hydro.

Han understreker at det er mange biter som må på plass for å bedre aluminiumsproduktene, og samarbeidet med de norske, verdensledende forskningsmiljøene er en viktig del av å løse de industrielle utfordringene.

– Forskerne bruker tung og komplisert programvare, men skaffer nye verdier som kan gå inn i mer industrirelaterte modeller. Dessuten brukes resultatene i kunnskapsbygging. Vi forstår mer av det som skjer, og hvordan vi skal skru på de industrielle prosessparameterne, sier han.


Resirkulering av aluminium i Holmestrand.

Resirkulering

Dette er veldig aktuelt inn mot resirkulering. En bil på skraphaugen inneholder for eksempel mange forskjellige legeringer og materialer – fra stål og aluminium til plast.

Disse skilles fra hverandre, men resultatet vil alltid være mer urent enn det du får gjennom en primær produksjonsrute.

– Vi må forstå hva som er effekten av dette, og hvordan disse atomene oppfører seg når vi begynner å varmebehandle dem. Kan de for eksempel påvirke grupperingen av magnesium og silisium? Det vil avgjøre om støtfangeren klarer å fange opp energien i kollisjonen eller ikke, sier Furu.

På samme måte kan urenhetene påvirke overflaten på bygningsprofiler og andre ting. Vindusprofiler som ikke har den rette fargen, er det for eksempel ingen som vil kjøpe – og farge henger sammen med det som skjer på atomnivå.

– Kunnskapen som genereres betyr at vi kan konkurrere, og klarer å lage produkter som ingen andre får til. Her ligger et kjempepotensial. Hydro blir utfordret hele tiden, for eksempel av konkurrenter i Kina og andre lavkostnadsland. Derfor må vi slå dem på teknologi og øke markedsandelene på den måten, sier Furu.

Han ser ikke bort fra at regnekraften en gang i fremtiden når et nivå som gjør det mulig med industriell modellering på atomskala.

– Det er en av grunnene til at Hydro vil være på hugget, sier han.

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg.

Annonse

eVITA

Forskningsrådets program for eVitenskap – eVITA (2006–2015) handler om å utvikle nye arbeidsformer og forskningsmetoder basert på elektronisk infrastruktur for å håndtere store mengder digitale data.
eVitenskap – Infrastruktur, teori og anvendelser

Fakta om prosjektet

Navn: Multiscale modelling of hardening precipitate interfaces in alloy design
Prosjektperiode: 2011–2013
Budsjett: 5,5 MNOK fra Forskningsrådets eVITA-program
Ansvarlig institusjon: NTNU
Prosjektleder: Randi Holmestad
Samarbeidspartnere: SINTEF og Norsk Hydro

Disse vesenene var blant de aller første dyreartene og dominerte  verdenshavene i sin storhetstid. 

Det tar lang tid å lære å lese. Når læreren kjenner den enkelte elevs ferdigheter og utvikling, får vi den beste leseopplæringen.

Hanndyr vil sikre at hunner føder deres avkom. Men hunnen har et hemmelig våpen.

Naturfagene byr som regel på fasitsvar. Men hva skjer når elevene må diskutere hvordan vi kan bevare regnskogen samtidig som vi skal utnytte den som en ressurs?