Сплав хрома, кобальта и никеля только что дал нам самую высокую вязкость разрушения, когда-либо измеренную для материала на Земле.
Он обладает исключительно высокой прочностью и пластичностью, что приводит к тому, что группа ученых назвала «выдающейся устойчивостью к повреждениям».
Более того, как это ни парадоксально, эти свойства увеличиваются по мере того, как материал становится холоднее, что предполагает некоторый интересный потенциал для применения в экстремальных криогенных средах.
«Когда вы разрабатываете конструкционные материалы, вы хотите, чтобы они были прочными, но в то же время пластичными и устойчивыми к разрушению», — говорит металлург Исо Джордж, заведующий кафедрой перспективных теорий и разработок сплавов Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета Теннесси.
«Обычно это компромисс между этими свойствами. Но этот материал сочетает в себе и то, и другое, и вместо того, чтобы становиться хрупким при низких температурах, он становится более прочным».
Прочность, пластичность и ударная вязкость — три свойства, определяющие долговечность материала. Прочность описывает устойчивость к деформации. А пластичность описывает, насколько пластичен материал. Эти два свойства способствуют его общей прочности: сопротивление разрушению. Вязкость разрушения – это сопротивление дальнейшему разрушению уже разрушенного материала.
Джордж и его коллега, старший автор, инженер-механик Роберт Ричи из Национальной лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, некоторое время работали над классом материалов, известных как высокоэнтропийные сплавы или ВЭС. В большинстве сплавов преобладает один элемент с небольшими примесями других. ВЭА содержат элементы, смешанные в равных пропорциях.
Один из таких сплавов, CrMnFeCoNi (хром, марганец, железо, кобальт и никель), стал предметом интенсивных исследований после того, как ученые заметили, что его прочность и пластичность увеличиваются при температуре жидкого азота без ущерба для ударной вязкости.
Одно из производных этого сплава, CrCoNi (хром, кобальт и никель), обладало еще более исключительными свойствами. Итак, Джордж, Ричи и их команда сломали пальцы и принялись доводить дело до предела.
Предыдущие эксперименты с CrMnFeCoNi и CrCoNi проводились при температурах жидкого азота до 77 кельвинов (-196°C, -321°F). Команда продвинулась еще дальше, до температуры жидкого гелия.
Результаты были более чем поразительны.
«Ударная вязкость этого материала при температурах жидкого гелия (20 Кельвинов, [-253°C, -424°F]) достигает 500 мегапаскалей из квадратного корня из метров», — объясняет Ричи.
«В тех же единицах ударная вязкость куска кремния равна единице, алюминиевый каркас пассажирского самолета — около 35, а ударная вязкость некоторых лучших сталей — около 100. Итак, 500 — это ошеломляющая цифра».
Чтобы выяснить, как это работает, команда использовала дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию для изучения CrCoNi вплоть до атомного уровня при разрушении при комнатной температуре и в условиях сильного холода.
Это включало растрескивание материала и измерение напряжения, необходимого для роста трещины, а затем изучение кристаллической структуры образцов.
Атомы в металлах расположены повторяющимся узором в трехмерном пространстве. Этот узор известен как кристаллическая решетка. Повторяющиеся компоненты решетки называются элементарными ячейками.
Иногда границы создаются между деформированными и недеформированными элементарными ячейками. Эти границы называются дислокациями, и когда к металлу прикладывается сила, они перемещаются, позволяя металлу изменять форму. Чем больше дислокаций в металле, тем он более ковкий.
Неровности в металле могут блокировать движение дислокаций; это то, что делает материал прочным. Но если дислокации заблокированы, вместо деформации материал может треснуть, поэтому высокая прочность часто может означать высокую хрупкость. В CrCoNi исследователи определили определенную последовательность из трех дислокационных блоков.
Первым из них является скольжение, когда параллельные части кристаллической решетки соскальзывают друг с друга. Это приводит к тому, что элементарные ячейки больше не совпадают перпендикулярно направлению скольжения.
Непрерывная сила создает нанодвойникование, когда кристаллические решетки образуют зеркальное расположение по обе стороны от границы. Если приложить еще большую силу, эта энергия пойдет на перестройку формы элементарных ячеек с кубической на гексагональную кристаллическую решетку.
«Когда вы тянете его, запускается первый механизм, потом второй, потом третий, а потом четвертый», — говорит Ричи.
«Теперь многие люди скажут, ну, мы видели нанодвойникование в обычных материалах, мы видели скольжение в обычных материалах. Это правда. В этом нет ничего нового, но факт в том, что все они происходят в этой волшебной последовательности. что дает нам эти действительно потрясающие свойства».
Исследователи также протестировали CrMnFeCoNi при температурах жидкого гелия, но он показал себя не так хорошо, как его более простая производная.
Следующим шагом будет исследование потенциальных применений такого материала, а также поиск других ВЭУ с аналогичными свойствами.
No comments:
Post a Comment