Ένα νέο κράμα σοκάρει τους επιστήμονες με την σχεδόν αδύνατη αντοχή και σκληρότητά του

Ερευνητές ανακάλυψαν ένα ασυνήθιστο ορυκτό Κράμα Δεν θα ραγίσει σε ακραίες θερμοκρασίες λόγω κάμψης ή κάμψης των κρυστάλλων στο κράμα σε ατομικό επίπεδο.

Ένα κράμα μετάλλου που αποτελείται από νιόβιο, ταντάλιο, τιτάνιο και άφνιο έχει συγκλονίσει τους επιστήμονες των υλικών με την εκπληκτική του αντοχή και σκληρότητα σε εξαιρετικά υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, ένας συνδυασμός ιδιοτήτων που μέχρι τώρα φαινόταν σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί. Σε αυτό το πλαίσιο, η αντοχή ορίζεται ως η ποσότητα δύναμης που μπορεί να αντέξει ένα υλικό προτού παραμορφωθεί μόνιμα από το αρχικό του σχήμα και η σκληρότητα είναι η αντοχή του στο σπάσιμο (ράγισμα). Η ανθεκτικότητα του κράματος σε κάμψη και θραύση σε μια τεράστια γκάμα συνθηκών θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε μια νέα κατηγορία υλικών για κινητήρες επόμενης γενιάς που μπορούν να λειτουργήσουν πιο αποτελεσματικά.

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Robert Ritchie στο Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) και στο UC Berkeley, σε συνεργασία με ομάδες με επικεφαλής τους καθηγητές Deran Apelian στο UC Irvine και Enrique Lavernia στο Texas A&M University, ανακάλυψαν και στη συνέχεια ανακάλυψαν τις εκπληκτικές ιδιότητες του κράματος. . Πώς προκύπτουν από αλληλεπιδράσεις στην ατομική δομή; Η δουλειά τους περιγράφηκε σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Επιστήμες.

«Η απόδοση της μετατροπής της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια ή πρόωση καθορίζεται από τη θερμοκρασία στην οποία καίγεται το καύσιμο, τόσο καλύτερα, η θερμοκρασία λειτουργίας περιορίζεται από τα δομικά υλικά που πρέπει να αντέξει στο εργαστήριο του Ritchie έχουν εξαντλήσει τη δυνατότητα βελτίωσης των υλικών που χρησιμοποιούμε αυτήν τη στιγμή σε υψηλές θερμοκρασίες και υπάρχει μεγάλη ανάγκη για νέα μεταλλικά υλικά. Αυτό υπόσχεται αυτό το κράμα».

Το κράμα σε αυτή τη μελέτη προέρχεται από μια νέα κατηγορία μετάλλων που είναι γνωστά ως κράματα ανθεκτικά σε υψηλή ή μέση θερμοκρασία (RHEAs/RMEAs). Τα περισσότερα μέταλλα που βλέπουμε σε εμπορικές ή βιομηχανικές εφαρμογές είναι κράματα κατασκευασμένα από ένα μητρικό μέταλλο αναμεμειγμένο με μικρές ποσότητες άλλων στοιχείων, αλλά τα RHEA και RMEA παράγονται με ανάμειξη σχεδόν ίσων ποσοτήτων μεταλλικών στοιχείων με πολύ υψηλές θερμοκρασίες τήξης, δίνοντάς τους μοναδικές ιδιότητες που … Οι επιστήμονες το ανακαλύπτουν ακόμα. Η ομάδα του Ritchie έχει μελετήσει αυτά τα κράματα για αρκετά χρόνια λόγω των δυνατοτήτων τους για εφαρμογές σε υψηλές θερμοκρασίες.

Αυτός ο χάρτης δομής υλικού δείχνει λωρίδες πλέγματος που σχηματίζονται κοντά στο άκρο της ρωγμής καθώς οι ρωγμές διαδίδονται (από αριστερά προς τα δεξιά) στο κράμα στους 25°C, θερμοκρασία δωματίου. Κατασκευασμένο με χρήση ανιχνευτή περίθλασης οπισθοσκέδασης ηλεκτρονίων σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Πίστωση: Berkeley Lab

“Η ομάδα μας έχει κάνει προηγούμενες εργασίες σε RHEA και RMEA και ανακάλυψε ότι αυτά τα υλικά είναι πολύ ισχυρά, αλλά γενικά έχουν πολύ χαμηλή αντοχή στη θραύση, γι' αυτό σοκαριστήκαμε όταν αυτό το κράμα έδειξε εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα”, είπε ο συν-συγγραφέας. Puneet Kumar, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στην ομάδα.

Σύμφωνα με τον Cook, τα περισσότερα RMEA έχουν αντοχή σε θραύση μικρότερη από 10 MPa, καθιστώντας τα μερικά από τα πιο εύθραυστα μέταλλα από όλα. Οι καλύτεροι κρυογονικοί χάλυβες, ειδικά σχεδιασμένοι για να αντιστέκονται στη θραύση, είναι περίπου 20 φορές ισχυρότεροι από αυτά τα υλικά. Ωστόσο, το νιόβιο, το ταντάλιο, το τιτάνιο και το άφνιο (Σημ₄₅Ta₂₅Τ₁₅Υψηλή συχνότητα₁₅) Το κράμα RMEA μπόρεσε να ξεπεράσει ακόμη και τον κρυογονικό χάλυβα, καταγράφοντας απόδοση περισσότερο από 25 φορές ισχυρότερη από την τυπική RMEA σε θερμοκρασία δωματίου.

Αλλά οι κινητήρες δεν λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Οι επιστήμονες αξιολόγησαν την αντοχή και την ανθεκτικότητα σε πέντε συνολικές θερμοκρασίες: -196°C (θερμοκρασία υγρού αζώτου), 25°C (θερμοκρασία δωματίου), 800°C, 950°C και 1200°C. Η τελευταία θερμοκρασία είναι περίπου το 1/5 της θερμοκρασίας της επιφάνειας του Ήλιου.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι το κράμα έχει την υψηλότερη αντοχή στο κρύο και γίνεται ελαφρώς πιο αδύναμο καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αλλά εξακολουθεί να έχει εντυπωσιακούς αριθμούς σε όλο το ευρύ φάσμα. Η αντοχή στη θραύση, η οποία υπολογίζεται από την ποσότητα δύναμης που απαιτείται για τη διάδοση μιας υπάρχουσας ρωγμής σε ένα υλικό, ήταν υψηλή σε όλες τις θερμοκρασίες.

Αποκάλυψη ατομικών διατάξεων

Σχεδόν όλα τα κράματα μετάλλων είναι κρυσταλλικά, που σημαίνει ότι τα άτομα μέσα στο υλικό είναι διατεταγμένα σε επαναλαμβανόμενες μονάδες. Ωστόσο, κανένας κρύσταλλος δεν είναι τέλειος, όλα περιέχουν ατέλειες. Το πιο εμφανές ελάττωμα που κινείται ονομάζεται εξάρθρωση, το οποίο είναι ένα ατελές επίπεδο ατόμων στον κρύσταλλο. Όταν ασκείται δύναμη στο μέταλλο, προκαλείται η κίνηση πολλών εξαρθρώσεων για να προσαρμοστεί η αλλαγή σχήματος.

Για παράδειγμα, όταν λυγίζετε έναν συνδετήρα αλουμινίου, η κίνηση των εξαρθρώσεων εντός του συνδετήρα επιτρέπει την αλλαγή σχήματος. Ωστόσο, η κίνηση των εξαρθρώσεων γίνεται πιο δύσκολη σε χαμηλές θερμοκρασίες, και ως αποτέλεσμα πολλά υλικά γίνονται εύθραυστα σε χαμηλές θερμοκρασίες επειδή οι εξαρθρώσεις δεν μπορούν να μετακινηθούν. Γι' αυτό το χαλύβδινο κύτος του Τιτανικού έσπασε όταν χτύπησε σε παγόβουνο. Τα στοιχεία υψηλής θερμοκρασίας τήξης και τα κράματά τους το οδηγούν στα άκρα, με πολλά να παραμένουν εύθραυστα ακόμη και στους 800°C. Ωστόσο, αυτό το RMEA ανατρέπει την τάση, αντέχοντας τη διακοπή ακόμη και σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο το υγρό άζωτο (-196°C).

Αυτός ο χάρτης δείχνει λωρίδες πλέγματος που σχηματίζονται κοντά στο άκρο της ρωγμής κατά τη διάρκεια μιας δοκιμής διάδοσης της ρωγμής (από αριστερά προς τα δεξιά) στο κράμα στους -196°C. Πίστωση: Berkeley Lab

Για να κατανοήσουν τι συνέβαινε μέσα στο εξαίσιο μέταλλο, ο συν-ερευνητής Andrew Minor και η ομάδα του ανέλυσαν τα στρεσαρισμένα δείγματα, μαζί με μη λυγισμένα και μη ραγισμένα δείγματα ελέγχου, χρησιμοποιώντας ένα 4-διάστατο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (4D-STEM) και ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ( STEM) στο Εθνικό Κέντρο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας, μέρος του Μοριακού Χυτηρίου του Berkeley.

Τα δεδομένα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου αποκάλυψαν ότι η ασυνήθιστη σκληρότητα του κράματος προέρχεται από μια απροσδόκητη παρενέργεια ενός σπάνιου ελαττώματος που ονομάζεται ταινία συστροφής. Οι λωρίδες κόμπων σχηματίζονται σε έναν κρύσταλλο όταν μια ασκούμενη δύναμη αναγκάζει τα τμήματα του κρυστάλλου να καταρρεύσουν ξαφνικά και να λυγίσουν. Η κατεύθυνση στην οποία κάμπτεται ο κρύσταλλος σε αυτά τα νήματα αυξάνει τη δύναμη που αισθάνονται οι εξαρθρώσεις, καθιστώντας τα να κινούνται πιο εύκολα. Σε επίπεδο μάζας, αυτό το φαινόμενο προκαλεί μαλάκωμα του υλικού (που σημαίνει ότι πρέπει να ασκηθεί λιγότερη δύναμη στο υλικό καθώς παραμορφώνεται). Η ομάδα γνώριζε από προηγούμενη έρευνα ότι οι ζώνες κόμβων σχηματίζονται εύκολα στο RMEA, αλλά υπέθεσαν ότι το μαλακτικό αποτέλεσμα θα έκανε το υλικό λιγότερο άκαμπτο, καθιστώντας ευκολότερη τη διάδοση των ρωγμών μέσω του δικτύου. Αλλά στην πραγματικότητα, αυτό δεν ισχύει.

«Δείξαμε, για πρώτη φορά, ότι στην περίπτωση μιας απότομης ρωγμής μεταξύ των ατόμων, οι λωρίδες στρέψης αντιστέκονται πραγματικά στη διάδοση της ρωγμής κατανέμοντας τη ζημιά μακριά από αυτήν, αποτρέποντας τη θραύση και καταλήγοντας σε ασυνήθιστα υψηλή αντοχή στη θραύση», είπε ο Κουκ.

ΣΗΜ₄₅Ta₂₅Τ₁₅Υψηλή συχνότητα₁₅ Τα κράματα θα πρέπει να υποβληθούν σε πιο θεμελιώδεις δοκιμές έρευνας και μηχανικής πριν από οτιδήποτε όπως ένας στρόβιλος τζετ ή SpaceX Το ακροφύσιο του πυραύλου είναι φτιαγμένο από αυτό, είπε ο Ritchie, επειδή οι μηχανολόγοι μηχανικοί πρέπει πραγματικά να έχουν βαθιά κατανόηση της απόδοσης των υλικών τους πριν τα χρησιμοποιήσουν στον πραγματικό κόσμο. Ωστόσο, αυτή η μελέτη υποδηλώνει ότι το μέταλλο έχει τη δυνατότητα να κατασκευάσει τους κινητήρες του μέλλοντος.

Αναφορά: «Οι ταινίες συστροφής ενισχύουν την εξαιρετική αντοχή σε θραύση σε πυρίμαχο κράμα μέσης εντροπίας NbTaTiHf» από τους David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian και Robert O. Richie, 11 Απριλίου 2024, Επιστήμες.
doi: 10.1126/science.adn2428

Αυτή η έρευνα διεξήχθη από τον David H. Cook, Puneet Kumar και Madeleine I. Payne και Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor και Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian και Robert O. Ritchie, επιστήμονες στο Berkeley Lab, στο UC Berkeley, στο Pacific Northwest National Laboratory και στο UC Irvine, με χρηματοδότηση από το Γραφείο Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας. Η πειραματική και η υπολογιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε στο Molecular Foundry και στο National Energy Research Scientific Computing Center—και οι δύο εγκαταστάσεις χρηστών του Γραφείου Επιστήμης του Υπουργείου Ενέργειας.