_ Cercetătorii descoperă metalul pervers aliaj care nu se crapă la temperaturi extreme la nivel atomic

Un aliaj metalic compus din niobiu, tantal, titan și hafniu a șocat oamenii de știință din materiale prin rezistența și duritatea impresionantă atât la temperaturi extrem de calde, cât și de reci , o combinație de proprietăți care până acum părea a fi aproape imposibil de atins.

În acest context, rezistența este definită ca forță pe care o poate rezista un material înainte de a fi deformat permanent față de forma sa originală și duritate. este rezistența sa la fracturare (crapare). Rezistenta aliajului la îndoire și rupere într-o gamă enormă de condiții ar putea deschide ușa pentru o nouă clasă de materiale pentru motoarele de generație următoare care pot funcționa la eficiențe mai mari.

Echipa, condusă de Robert Ritchie la Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) și UC Berkeley, în colaborare cu grupurile conduse de profesorii Diran Apelian de la UC Irvine și Enrique Lavernia de la Universitatea Texas A&M, au descoperit proprietățile surprinzătoare ale aliajului și apoi și-au dat seama cum apar ele din interacțiunile atomice. structura. Munca lor este descrisă într-un studiu care a fost publicat în Science.

„Eficiența conversiei căldurii în electricitate sau forță este determinată de temperatura la care este ars combustibilul – cu cât este mai fierbinte, cu atât mai bine. Cu toate acestea, temperatura de funcționare este limitată de materialele structurale care trebuie să o reziste”, a spus primul autor David Cook, Ph.D. student în laboratorul lui Ritchie. „Am epuizat capacitatea de a optimiza în continuare materialele pe care le folosim în prezent la temperaturi ridicate și există o mare nevoie de materiale metalice noi. Acesta este ceea ce promite acest aliaj.”

Aliajul din acest studiu este dintr-o nouă clasă de metale cunoscute sub numele de aliaje refractare cu entropie mare sau medie (RHEA/RMEA). Majoritatea metalelor pe care le vedem în aplicații comerciale sau industriale sunt aliaje realizate dintr-un metal principal amestecat cu cantități mici de alte elemente, dar RHEA și RMEA sunt realizate prin amestecarea unor cantități aproape egale de elemente metalice cu temperaturi de topire foarte ridicate, ceea ce le oferă proprietăți unice pe care oamenii de știință încă le dezvăluie.

Grupul lui Ritchie a investigat aceste aliaje de câțiva ani din cauza potențialului lor pentru aplicații la temperaturi înalte.

„Echipa noastră a lucrat anterior la RHEA și RMEA și am descoperit că aceste materiale sunt foarte puternice, dar au, în general, o rezistență la rupere extrem de scăzută, motiv pentru care am fost șocați când acest aliaj a afișat o duritate excepțional de mare”, a declarat co-autorul corespondent Punit Kumar, cercetător postdoctoral în cadrul studiului. grup.

Conform lui Cook, majoritatea RMEA au o rezistență la rupere mai mică de 10 MPa√m, ceea ce le face unele dintre cele mai fragile metale înregistrate. Cele mai bune oțeluri criogenice, special concepute pentru a rezista la rupere, sunt de aproximativ 20 de ori mai dure decât aceste materiale. Cu toate acestea, aliajul RMEA de niobiu, tantal, titan și hafniu (Nb45Ta25Ti15Hf15) a fost capabil să învingă chiar și oțelul criogenic, acționând de peste 25 de ori mai dur decât RMEA-urile tipice la temperatura camerei.

Dar motoarele nu o fac. functioneaza la temperatura camerei. Oamenii de știință au evaluat rezistența și tenacitatea la cinci temperaturi totale: -196°C (temperatura azotului lichid), 25°C (temperatura camerei), 800°C, 950°C și 1200°C. Ultima temperatură este de aproximativ 1/5 din temperatura de suprafață a soarelui.

Echipa a descoperit că aliajul a avut cea mai mare rezistență la frig și a devenit ușor mai slab pe măsură ce temperatura creștea, dar încă s-a lăudat cu cifre impresionante pe tot parcursul gamă largă. Duritatea la rupere, care este calculată din forța necesară pentru a propaga o fisură existentă într-un material, a fost ridicată la toate temperaturile.

Aproape toate aliajele metalice sunt cristaline, ceea ce înseamnă că atomii din interiorul materialului sunt aranjați în unități repetate. Cu toate acestea, niciun cristal nu este perfect; toate conțin defecte. Cel mai proeminent defect care se mișcă se numește dislocare, care este un plan neterminat de atomi din cristal. Când se aplică forță asupra unui metal, aceasta determină deplasarea multor dislocații pentru a se adapta la schimbarea formei.

De exemplu, când îndoiți o agrafă din aluminiu, mișcarea dislocațiilor în interiorul agrafului de hârtie. se adaptează la schimbarea formei. Cu toate acestea, mișcarea luxațiilor devine mai dificilă la temperaturi mai scăzute și, ca urmare, multe materiale devin fragile la temperaturi scăzute, deoarece dislocațiile nu se pot deplasa. Acesta este motivul pentru care carcasa de oțel a Titanicului s-a fracturat când a lovit un aisberg.

Elementele cu temperaturi ridicate de topire și aliajele lor duc acest lucru la extrem, multe rămânând fragile până la 800°C. Cu toate acestea, acest RMEA contravine tendinței, rezistând la rupere chiar și la temperaturi scăzute precum azotul lichid (-196 ° C).

Pentru a înțelege ce se întâmplă în interiorul remarcabilului metal, co-investigatorul Andrew Minor și echipa sa a analizat eșantioanele tensionate alături de probele de control neîndoite și necrăpate, utilizând microscopia electronică cu transmisie cu scanare (4D-STEM) și microscopia electronică cu transmisie prin scanare (STEM) la Centrul Național pentru Microscopie Electronică, parte a Molecular Foundry a Berkeley Lab.

Datele de la microscopia electronică au arătat că duritatea neobișnuită a aliajului provine dintr-un efect secundar neașteptat al unui defect rar numit bandă îndoită. Benzile de îndoire se formează într-un cristal atunci când o forță aplicată face ca benzile de cristal să se prăbușească asupra lor și să se îndoaie brusc.

Direcția în care cristalul se îndoaie în aceste benzi crește forța pe care o simt dislocațiile, determinându-le să se îndoaie. misca mai usor. La nivel de vrac, acest fenomen face ca materialul să se înmoaie (înseamnă că trebuie aplicată mai puțină forță asupra materialului pe măsură ce acesta este deformat).

Echipa știa din cercetările anterioare că benzile de îndoire se formau ușor în RMEA-uri. dar a presupus că efectul de înmuiere ar face materialul mai puțin dur, facilitând răspândirea unei fisuri prin zăbrele. Dar, în realitate, acesta nu este cazul.

„Arătăm, pentru prima dată, că, în prezența unei fisuri ascuțite între atomi, benzile de îndoire rezistă de fapt la propagarea unei fisuri prin distribuirea daunelor. din el, prevenind fracturile și conducând la o duritate extraordinar de mare la fractură”, a spus Cook.

Aliajul Nb45Ta25Ti15Hf15 va trebui să fie supus mult mai multor cercetări fundamentale și teste de inginerie înainte de orice, cum ar fi o turbină a avionului cu reacție sau o duză de rachetă SpaceX. este făcut din el, a spus Ritchie, deoarece inginerii mecanici au nevoie, pe bună dreptate, de o înțelegere profundă a modului în care materialele lor funcționează înainte de a le folosi în lumea reală. Cu toate acestea, acest studiu indică faptul că metalul are potențialul de a construi motoarele viitorului.

(Fluierul)