Naukowcy zmierzyli najwyższą kiedykolwiek zarejestrowaną wytrzymałość dowolnego materiału, badając metaliczny stop wykonany z chromu, kobaltu i niklu (CrCoNi). Metal jest nie tylko niezwykle plastyczny – co w materiałoznawstwie oznacza dużą ciągliwość – i imponująco mocny (co oznacza, że jest odporny na trwałe odkształcenia), ale jego wytrzymałość i plastyczność poprawiają się, gdy robi się zimniej. Jest to sprzeczne z większością innych istniejących materiałów .
Zespół kierowany przez naukowców z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Oak Ridge National Laboratory opublikował badanie opisujące ich rekordowe odkrycia w Science 1 grudnia 2022 r. „Kiedy projektujesz materiały konstrukcyjne, chcesz, aby były być mocny, ale także plastyczny i odporny na pękanie” – powiedział współkierownik projektu Easo George, kierownik katedry gubernatora ds. Teorii i rozwoju zaawansowanych stopów w ORNL i University of Tennessee. „Zazwyczaj jest to kompromis między tymi właściwościami. Ale ten materiał ma obie te właściwości i zamiast stawać się kruchy w niskich temperaturach, staje się twardszy”.
CrCoNi jest podzbiorem klasy metali zwanych stopami o wysokiej entropii (HEA). Wszystkie stosowane obecnie stopy zawierają dużą ilość jednego pierwiastka z mniejszą ilością dodanych pierwiastków dodatkowych, ale HEA są wykonane z równej mieszanki każdego pierwiastka składowego. Wydaje się, że te zrównoważone receptury atomowe nadają niektórym z tych materiałów niezwykle wysoką kombinację wytrzymałości i ciągliwości pod wpływem naprężeń, które razem składają się na to, co określa się mianem „wytrzymałości”. HEA były gorącym obszarem badań, odkąd zostały opracowane około 20 lat temu, ale technologia wymagana do przekroczenia granic tych materiałów w ekstremalnych testach nie była dostępna aż do niedawna.
„Wytrzymałość tego materiału w pobliżu temperatur ciekłego helu (20 kelwinów, -424 Fahrenheita) wynosi aż 500 megapaskali pierwiastków kwadratowych. W tych samych jednostkach wytrzymałość kawałka krzemu wynosi jeden, wytrzymałość aluminiowego płatowca w samolotach pasażerskich wynosi jeden około 35 , a wytrzymałość niektórych z najlepszych stali wynosi około 100. Tak więc 500 to oszałamiająca liczba ”- powiedział współkierownik badań Robert Ritchie, starszy naukowiec wydziału w Berkeley Lab’s Materials Sciences Division i Chua Professor of Engineering na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.
Ritchie i George rozpoczęli eksperymenty z CrCoNi i innym stopem, który zawiera również mangan i żelazo (CrMnFeCoNi) prawie dziesięć lat temu. Stworzyli próbki stopów, a następnie obniżyli materiały do temperatur ciekłego azotu (około 77 kelwinów lub -321 F) i odkryli imponującą wytrzymałość i wytrzymałość. Chcieli od razu kontynuować swoją pracę testami w zakresach temperatur ciekłego helu, ale znaleźli urządzenia, które umożliwiłyby testowanie próbek pod obciążeniem w tak zimnym środowisku i rekrutowali członków zespołu z narzędziami analitycznymi i doświadczeniem potrzebnymi do analizy tego, co dzieje się w materiale w poziom atomowy zajął następne 10 lat. Na szczęście efekty były warte czekania.
Zaglądanie do kryształu
Wiele substancji stałych, w tym metale, istnieje w postaci krystalicznej charakteryzującej się powtarzającym się trójwymiarowym wzorem atomowym, zwanym komórką elementarną, która tworzy większą strukturę zwaną siecią. Wytrzymałość i twardość materiału lub ich brak wynikają z właściwości fizycznych sieci. Żaden kryształ nie jest doskonały, więc komórki elementarne w materiale nieuchronnie będą zawierać „defekty”, czego wybitnym przykładem są dyslokacje – granice, w których niezdeformowana sieć spotyka się ze zdeformowaną siecią. Kiedy siła jest przykładana do materiału – pomyśl na przykład o zgięciu metalowej łyżki – zmiana kształtu jest osiągana przez ruch dyslokacji w sieci. Im łatwiej przemieszczają się dyslokacje, tym bardziej miękki jest materiał. Ale jeśli ruch dyslokacji jest blokowany przez przeszkody w postaci nieregularności sieci, wówczas potrzeba więcej siły, aby poruszyć atomy w obrębie dyslokacji, a materiał staje się mocniejszy. Z drugiej strony przeszkody zwykle sprawiają, że materiał jest bardziej kruchy – podatny na pękanie.
Korzystając z dyfrakcji neutronów, dyfrakcji wstecznej elektronów i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, Ritchie, George i ich koledzy z Berkeley Lab, University of Bristol, Rutherford Appleton Laboratory i University of New South Wales zbadali struktury sieci próbek CrCoNi, które zostały pęka w temperaturze pokojowej i 20 K. (W celu pomiaru wytrzymałości i ciągliwości nieskazitelna próbka metalu jest ciągnięta aż do pęknięcia, podczas gdy w przypadku testów odporności na pękanie celowo wprowadza się ostre pęknięcie do próbki przed jej wyciągnięciem, a naprężenie potrzebne do wzrostu następnie mierzy się pęknięcie).
Obrazy i mapy atomowe wygenerowane za pomocą tych technik ujawniły, że wytrzymałość stopu wynika z trzech przeszkód dyslokacyjnych, które wchodzą w życie w określonej kolejności, gdy na materiał działa siła. Po pierwsze, przemieszczające się dyslokacje powodują, że obszary kryształu odsuwają się od innych obszarów, które znajdują się w równoległych płaszczyznach. Ten ruch przesuwa warstwy komórek elementarnych, tak że ich wzór nie pasuje już w kierunku prostopadłym do ruchu poślizgu, tworząc rodzaj przeszkody. Dalsza siła działająca na metal tworzy zjawisko zwane nanotwiningiem, w którym obszary sieci tworzą lustrzaną symetrię z granicą pomiędzy nimi. Wreszcie, jeśli siły nadal działają na metal, energia wprowadzana do układu zmienia układ samych komórek elementarnych, przy czym atomy CrCoNi przełączają się z sześciennego kryształu wyśrodkowanego na twarz do innego układu znanego jako sześciokątne ścisłe upakowanie.
Ta sekwencja oddziaływań atomowych zapewnia, że metal nadal płynie, ale także wciąż napotyka nowy opór przed przeszkodami daleko poza punkt, w którym większość materiałów odrywa się od naprężenia. „Więc kiedy go ciągniesz, uruchamia się pierwszy mechanizm, potem drugi, potem trzeci, a potem czwarty” — wyjaśnił Ritchie. „Teraz wiele osób powie, cóż, widzieliśmy nanotwiny w zwykłych materiałach, widzieliśmy poślizg w zwykłych materiałach. To prawda. Nie ma w tym nic nowego, ale faktem jest, że wszystkie występują w tej magicznej sekwencji co daje nam te naprawdę niesamowite właściwości”.
Nowe odkrycia zespołu, w połączeniu z innymi niedawnymi pracami nad HEA, mogą zmusić społeczność materiałoznawców do ponownego rozważenia długo utrzymywanych poglądów na temat tego, w jaki sposób cechy fizyczne wpływają na wydajność. “To zabawne, ponieważ metalurdzy twierdzą, że struktura materiału określa jego właściwości, ale struktura NiCoCr jest najprostsza, jaką można sobie wyobrazić – to tylko ziarna” – powiedział Ritchie. “Jednak po odkształceniu struktura staje się bardzo skomplikowana, a ta zmiana pomaga wyjaśnić jej wyjątkową odporność na pękanie” – dodał współautor Andrew Minor, dyrektor National Center of Electron Microscopy w Molecular Foundry w Berkeley Lab i Profesor nauk o materiałach i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Byliśmy w stanie zwizualizować tę nieoczekiwaną transformację dzięki opracowaniu detektorów szybkich elektronów w naszych mikroskopach elektronowych, które pozwalają nam rozróżnić różne typy kryształów i określić ilościowo defekty w nich zawarte z rozdzielczością jednego nanometra – szerokość zaledwie kilka atomów – co, jak się okazuje, odpowiada rozmiarowi defektów w zdeformowanej strukturze NiCoCr”.
Stop CrMnFeCoNi był również testowany w temperaturze 20 kelwinów i działał imponująco, ale nie osiągnął takiej samej wytrzymałości jak prostszy stop CrCoNi.
Wykuwanie nowych wyrobów
Teraz, gdy wewnętrzne działanie stopu CrCoNi jest lepiej poznane, on i inne HEA są o krok bliżej do zastosowania w specjalnych zastosowaniach. Chociaż tworzenie tych materiałów jest drogie, George przewiduje zastosowania w sytuacjach, w których ekstremalne warunki środowiskowe mogą zniszczyć standardowe stopy metali, na przykład w mroźnych temperaturach głębokiego kosmosu. On i jego zespół z Oak Ridge badają również, w jaki sposób stopy wykonane z bardziej powszechnych i tańszych pierwiastków – na całym świecie brakuje kobaltu i niklu ze względu na ich zapotrzebowanie w przemyśle akumulatorowym – można nakłonić do uzyskania podobnych właściwości.
Chociaż postęp jest ekscytujący, Ritchie ostrzega, że rzeczywiste użycie może być jeszcze daleko, nie bez powodu. „Kiedy lecisz samolotem, czy chciałbyś wiedzieć, że tym, co chroni cię przed upadkiem z wysokości 40 000 stóp, jest stop płatowca, który został opracowany zaledwie kilka miesięcy temu? A może chciałbyś, aby materiały były dojrzałe i dobrze zrozumiane? Dlatego właśnie materiałów konstrukcyjnych może minąć wiele lat, a nawet dziesięcioleci, zanim staną się one rzeczywiste”.
Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii. Niskotemperaturowe testy mechaniczne i dyfrakcję neutronów przeprowadzono w ośrodku ENGIN-X ISIS w Rutherford Appleton Laboratory, kierowanym przez pierwszego autora, Dong Liu. Mikroskopię przeprowadzono w National Center for Electron Microscopy w Molecular Foundry, obiekcie użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab. Innymi autorami tego projektu byli Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz i Mark Asta.