Magnezyum Alaşımlarıyla Daha Hafif Araçlar Üretme
Fotoğraf 1. Bir otomobilin ağırlığından sadece 100 kilogram eksilterek enerji verimini %3,5 oranında arttırabilirsiniz.
EPFL (İsviçre Lausanne Federal Teknoloji Enstitüsü) araştırmacıları, metalin nasıl kolayca bükülüp kalıplanabilir hale getirilebileceği üzerine çalışmalar yaparken magnezyum alaşım modellerini geliştirdiler. Magnezyum, dünyadaki en hafif metaldir; ancak kullanılabilir formlara kolayca şekillendirilemez. Araştırmacılar, geliştirilen bu modellerin, yeni ve daha kolay şekillendirilebilir alaşımların keşfedilmesine yol açmasını ve böylece otomobil üreticilerinin daha az enerji tüketen daha hafif araçlar üretmesini umuyorlar.
Bir otomobilin ağırlığından sadece 100 kilogram eksilterek enerji verimini %3,5 oranında arttırabilirsiniz. Daha hafif makine ve ekipmanlar yapmak, otomotivden havacılık sektörüne kadar tüm endüstri üreticilerinin hedefidir ve bunun yolu, çelikten dört kat daha hafif, aynı zamanda bulunması daha kolay bir metal olan magnezyum olabilir. Sorun şu ki; saf magnezyumun gerilmesi ve şekillendirilmesi zordur. Bu yüzden olduğu gibi kullanılamaz. EPFL’nin Çok Boyutlu Mekanik Modelleme Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, hangi tür alaşımın endüstriyel uygulamalar için ihtiyaç duyulan bozulum kapasitesine sahip olduğunu belirlemek ve metalin farklı elementlerle karıştırıldığında nasıl davrandığını anlamak için bir model geliştirdiler. Araştırmaları Science dergisinde yayımlandı.
Daha Hafif, Daha Şekillendirilebilir Alaşımlar
EPFL Mühendislik Okulu profesörü William Curtin, “Magnezyum; az bulunur toprak metallerinden, kalsiyumdan veya manganezden birkaç atom eklendiğinde daha da şekillendirilebilir hale gelir” diyor. “Bu alaşımların atom seviyesinde neler olup bittiğini anlamak istedik. Bu sayede metali esnek hale getirmek için hangi elementten ne kadar miktarda ekleyeceğimizi belirleyebilecektik.” Magnezyum, son derece düşük ağırlığa sahip olması nedeniyle değer görebilir ancak aynı zamanda çok düşük sünekliğe sahiptir. Curtin, “Bunun anlamı, deforme olduğunda kolaylıkla kırılabilir. Bu nedenle de çelik veya alüminyumun yerini alamaz” diyor. Çözüm, magnezyum alaşımları oluşturmak için kullanılabilecek düşük maliyetli ve kolaylıkla temin edilebilen mineraller bulmaktır. İtriyum (Y) ve Seryum (Ce) gibi nadir toprak metalleri son derece etkilidir ancak bu kriterlere uygun değildir.
Fotoğraf 2. İki şekil, iki İtriyum atomunun varlığında “çapraz kayma” işleminin ilk ve son atomik konfigürasyonlarını göstermektedir. Maviler, neredeyse mükemmel kristal durumunda olan Mg atomları; sarılar, mükemmel kristal durumundan çok uzakta bulunan Mg atomlarıdır ve bu durumda “dislokasyon” bozukluğunda yer alan yapı ve atomları gösterirler. Kırmızı atomlar çözünen iki İtriyum atomudur.
Çalışmada yer alan araştırmacılar, saf magnezyumun şekillendirilmesini zorlaştıran fiziksel özellikleri daha önceden tespit etmişlerdi. Bazı belirli elementlerin eklenilmesinin magnezyumun daha şekillendirilebilir olmasını sağlayabileceği iyi biliniyordu. Ancak araştırmacılar, gerçekleşen fiziksel mekanizmalar hakkında henüz anlaşılabilir bir bilgiye sahip değiller; yani, en iyi alaşımların ne olacağını tahmin etmekte zorlanıyorlar. Curtin, “Mühendisler çoğunlukla en sık kullanılan metaller olan çelik ve alüminyum alaşımlarını daha hafif, daha katı veya daha yumuşak bileşikler geliştirmek için tasarlar ve test eder” diyor. Fakat bir alaşımın düktilitesini (süneklik) etkileyen faktörler hala bir gizem olarak kalmaktadır ve hala birçok malzeme sadece deneysel olarak geliştirilmiştir.
Metallerin Atomik Ölçekte İncelenmesi
EPFL araştırmacıları, magnezyum atomları ile alaşımları oluşturmak için eklenen elementlerin atomları arasındaki etkileşimleri incelediler. Bazı atomların, magnezyumu şekillendirmeyi zorlaştıran mekanizmayı “ortadan kaldıran” bir işlemi tetiklediğini bulmuşlardı. Magnezyumun düşük sünekliği, metallerin plastik bir şekilde akışını sağlayan ve deforme olduğunda kırılma olasılığını azaltan doğrusal kusurlar olan az sayıdaki hareketli dislokasyona bağlıdır. Araştırmacılar, bazı belirli elementlerin eklenmesinin, hareketli dislokasyonların sayısını büyük oranda arttırdığını ve bu nedenle metalin deformasyon kapasitesini arttırdığını buldular. Daha sonra, hangi atomların kombinasyonlarının en yüksek sünekliğe neden olduğunu kuantum mekaniği yoluyla hesaplamak için birkaç ay boyunca EPFL’nin Yüksek Performanslı Hesaplama sistemini kullandılar. Curtin, “Hemen çalışmaya başlamamızı sağlayan bu ekipmana erişebildiğimiz için gerçekten şanslıydık” diyor.
Şimdilik alaşımlar modelleme aşamasında. Bir sonraki adım, endüstriyel kullanım için doğru özelliklere sahip olup olmadıklarını görmek için öncelikle laboratuvarda bir imalat olacak, sonrasında büyük ölçekte üretilebilecek.
Daha fazla bilgi için: Zhaoxuan Wu ve ark. Mechanistic origin and prediction of enhanced ductility in magnesium alloys, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aap8716
Kaynak: phys.org
