Производство более легких автомобилей на основе магниевого сплава

Уменьшив вес автомобиля на 100 кг вы экономите 3.5-5 % на расходе топлива. Фото: iStock

 Исследователи Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создали несколько моделей с магниевого сплава, для того чтобы понять, как сделать металл более гибким. Магний является самым легким металлом на Земле, но его непросто сформировать в нужную форму. Исследователи надеятся, что созданные модели приведут к открытию новых гибких сплавов, которые смогут применять автопроизводители для создания легких автомобилей, с меньшим расходом топлива.

 Уменьшив вес автомобиля на 100 кг вы экономите 3.5-5 % на расходе топлива. Создание более легких машин и комплектующих является одной из самых главных целей для производителей от автомобильной до аэрокосмической отрасли.
 Ключом решения может быть магний - металл, который не только в 4 раза легче, чем сталь, но и его проще добыть. Проблема в том, что чистый магний тяжело растягивать и придавать ему нужную форму, поэтому его невозможно использовать в чистом виде. В результате исследователи из Лаборатории моделирования многомасштабной механики в (EPFL) разработали модели для прогнозирования поведения металла при смешивании его с различными элементами, для определения с каким типом сплава обеспечивается деформация, необходимая для промышленного применения. Их исследования были опубликованы в Science. 

Более легкий, и наиболее гибкий сплав

"Магний приобретает гибкость, если добавить в него несколько атомов редкоземельных металлов, кальций или марганец", - говорит Уильям Кертин, профессор в EPFL.
"Мы хотели понять, что происходит в этих сплавах на атомном уровне, чтобы можно было определить, какие лучше добавить элементы и в каких количествах для придания большей гибкости металлу. Магний очень легок, но он не обладает такой же гибкостью, как другие металлы".

"Это значит, что он может легко сломаться, если он подвергся деформации, поэтому он до сих пор не может заменить сталь или алюминий", - говорит Кертин.
"Решение состоит в том, чтобы найти недорогие легкодоступные минералы, которые смогут использоваться для создания магниевых сплавов. Редкоземельные металлы, такие как иттрий и церий, очень эффективны, но они не соответствуют нужным критериям".

На этих двух рисунках показаны исходные и конечные конфигурации атомов в процессе «поперечного скольжения» в присутствии двух атомов иттрия. Синие атомы - это атомы Mg (магния), которые находятся в идеальной среде кристаллов Mg, а желтые атомы - это атомы Mg, которые далеки от идеальной кристаллической среды Mg. Они указывают на структуру атомов, участвующих в дефекте «перемещения». Красными атомами являются два Y-растворителя. Фото: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne 

 Эти исследования определили физические свойства, которые делают чистый магний таким жестким. Стало понятно, что добавление некоторых элементов может сделать его более гибким. На данный момент исследователи не понимают некоторые физические процессы, из-за которых трудно предсказать какие сплавы будут лучше.

"Инженеры часто разрабатывают и тестируют новые сплавы из стали и алюминия, а также наиболее часто используемые металлы для разработки более легких, твердых и более гибких соединений", - говорит Кертин. "Но факторы, влияющие на пластичность сплава, остаются загадкой, и многие материалы все ещё разрабатываются экспериментально."

Изучение металлов в атомном масштабе

 Исследователи из EPFL также изучали взаимодействие между атомами магния и атомами элементов, добавленных для изготовления сплавов. Они обнаружили, что некоторые атомы вызывают процесс, который "нейтрализует" физические свойства магния, делая его гибким. Плохая его гибкость обусловлена низким числом подвижных дислокаций, линейных дефектов, которые заставляют металл быть более жестким. Добавление некоторых элементов существенно увеличивает подвижность дислокаций, следовательно усиливает способность металла к деформации. Исследователи провели несколько месяцев с использованием высокопроизводительной системы в EPFL для расчета сочетания атомов с помощью квантовой механики, которые приводят металл к гибкости.

"Нам повезло, что у нас появился доступ к этому оборудованию и мы сразу приступили к работе" - говорит Кертин.

 Пока что все сплавы находятся на стадии моделирования. Следующим шагом будет изготовление их в лаборатории, чтобы узнать, действительно ли они обладают нужными свойствами для промышленного использования и могут быть изготовлены в больших масштабах.

 В дальнейшем будут произведены исследования металла, который может быть изготовлен из алюминиевого листового металла прочностью в 1.5 раза больше.

ИСТОЧНИК