什麼情況下，鋁合金變得更結實？

在合金中，除了金屬成分外，還添有其他元素組分。部分鋁合金似乎有一種奇特的屬性。挪威科技大學（NTNU）物理學家Adrian Lervik說：「鋁合金經過室溫儲存後會變得更堅固。這並不是一件稀罕事。」

早在1906年，德國冶金學家Alfred Wilm就發現了鋁合金的這一特性。原因是什麼呢？直到最近，Lervik和挪威科技工業研究院（SINTEF）的同事才揭開其謎底。

Lervik說：「Wilm一直希望提高鋁的強度。他熔化、鑄造了多種合金，並測試了鋼鐵生產中常見冷卻速率對合金強度的影響。在某次旅行之後，Wilm意外地發現一周前製造的鋁-銅-鎂合金的強度顯著提高了。在這段時間裡，這種合金只是靜靜地待在室溫實驗室中。時間完成了其他冷卻工藝無法完成的工作。這就是自然時效現象。」

美國冶金學家Paul Merica在1919年提出，自然時效現象可能與各種元素的小顆粒在合金中形成的沈澱有關。然而，當時的實驗技術還無法證明他的假設。

Lervik說：「直到20世紀30年代末，X射線衍射技術才證明了合金元素在納米尺度上的小團簇式沈積。」

純鋁是由晶體組成的。晶體就像是一個網格，每個網格都含有一顆原子。在合金中，摻雜元素占據了一部分晶格，其原子結構與鋁不同，增加了層間錯位滑動的阻力，從而提高了合金強度。

合金元素中的團簇也被稱作「吉尼爾-普雷斯頓區域」（GP區）。20世紀60年代，人類首次藉助電子顯微鏡觀察了GP區。

近幾年，科學家們才完成了GP區的單原子水平觀察。Lervik說：「許多科學家都探索了團簇的構成，但對其核結構的研究卻比較少。他們更關注如何通過不同溫度、不同時間長度的實驗進行時效硬化，以優化合金性能。我們對此有不同的看法。在2018年，我們團隊用透射電鏡拍攝下了團簇的原子級照片。」

最近，Lervik團隊還利用NTNU的原子探針斷層掃描儀，確定了7xxx系列鋁合金中團簇的化學成分。Lervik說：「我們在鋁合金中發現了半徑1.9納米的團簇。雖然3年前我們就拍下了團簇的照片，但在3年後，我們才收集到足夠的信息來描述團簇的核結構——『截斷立方體八面體』可以描述它的特徵。」

自然時效通常不是處理合金的最後一道工藝。在這之前，合金還會在130~200℃高溫下進行最終熱處理，以形成具有明確晶體結構的更大尺寸的沈澱物。沈澱物能讓原子面結合得更緊密，進而增強合金強度。

Lervik說：「了解自然時效形成的原子團簇的原子結構，對於進一步認識沈澱物的形成過程至關重要。沈澱物對合金材料的諸多屬性有決定性影響。沈澱相是在團簇上形成的？還是在熱處理過程中，團簇轉化成了沈澱相？冶金行業能如何優化和利用這一點？我們接下來的工作或將找到這些問題的答案。」