15:32 2022-12-08
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Salutați cel mai dur material de pe Pământ
_ Salutați la cel mai dur material de pe Pământ
Oamenii de știință au măsurat cea mai mare duritate înregistrată vreodată, a oricărui material, în timp ce investighează un aliaj metalic format din crom, cobalt și nichel (CrCoNi). Nu numai că metalul este extrem de ductil – ceea ce, în știința materialelor, înseamnă foarte maleabil – și impresionant de puternic (ceea ce înseamnă că rezistă la deformarea permanentă), rezistența și ductilitatea sa se îmbunătățesc pe măsură ce devine mai rece. Acest lucru este în contradicție cu majoritatea celorlalte materiale existente.
Echipa, condusă de cercetători de la Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) și Oak Ridge National Laboratory, a publicat un studiu care descrie descoperirile lor record în Science.
„Când proiectați materiale structurale, doriți ca acestea să fie puternice, dar și ductile și rezistente la rupere”, a declarat co-conducătorul proiectului Easo George, Președintele Guvernatorului pentru Teoria și Dezvoltarea Avansată a Aliajelor la ORNL și Universitatea din Tennessee. „De obicei, este un compromis între aceste proprietăți. Dar acest material este ambele și, în loc să devină fragil la temperaturi scăzute, devine mai dur.”
CrCoNi este un subset al unei clase de metale numite aliaje cu entropie ridicată. (HEA). Toate aliajele utilizate astăzi conțin o proporție mare de un element cu cantități mai mici de elemente suplimentare adăugate, dar HEA-urile sunt făcute dintr-un amestec egal al fiecărui element constitutiv.
Aceste rețete atomice echilibrate par să ofere o parte din aceste materiale cu o combinație extraordinar de mare de rezistență și ductilitate atunci când sunt solicitate, care împreună alcătuiesc ceea ce se numește „rezistență”. HEA au fost un domeniu fierbinte de cercetare de când au fost dezvoltate pentru prima dată în urmă cu aproximativ 20 de ani, dar tehnologia necesară pentru a împinge materialele la limitele lor în teste extreme nu a fost disponibilă până de curând.
„Rezistența acestui lucru. materialul în apropierea temperaturii heliului lichid (20 Kelvin, -424 Fahrenheit) este de până la 500 megapascali metri pătrați rădăcină.În aceleași unități, duritatea unei bucăți de siliciu este de unu, corpul de aluminiu din avioanele de pasageri este de aproximativ 35 , iar tenacitatea unora dintre cele mai bune oțeluri este de aproximativ 100. Deci, 500, este un număr uimitor”, a declarat co-liderul de cercetare Robert Ritchie, un om de știință senior al Facultății din Berkeley Lab’s Materials Sciences Division și Chua Professor of Engineering la UC Berkeley.< /p>
Ritchie și George au început să experimenteze cu CrCoNi și un alt aliaj care conține și mangan și fier (CrMnFeCoNi) cu aproape un deceniu în urmă. Au creat mostre de aliaje, apoi au scăzut materialele la temperaturi de azot lichid (aproximativ 77 Kelvin, sau -321 F) și au descoperit rezistență și duritate impresionante.
Au dorit imediat să-și continue munca cu teste la lichid. intervalele de temperatură ale heliului, dar găsirea de facilități care să permită testarea probelor de stres într-un mediu atât de rece și recrutarea membrilor echipei cu instrumentele analitice și experiența necesare pentru a analiza ceea ce se întâmplă în material la nivel atomic a durat următorii 10 ani. Din fericire, rezultatele au meritat așteptarea.
Privirea în cristal
Multe substanțe solide, inclusiv metale, există într-o formă cristalină caracterizată printr-un model atomic 3-D repetat, numit o celulă unitară, care alcătuiește o structură mai mare numită rețea. Rezistența și tenacitatea materialului, sau lipsa acestora, provin din proprietățile fizice ale rețelei.
Nici un cristal nu este perfect, astfel încât celulele unitare dintr-un material vor conține inevitabil „defecte”, un exemplu proeminent fiind dislocațiile— limitele unde zăbrelele neformate se întâlnesc cu zăbrelele deformate. Când se aplică forță materialului - gândiți-vă, de exemplu, la îndoirea unei linguri de metal - schimbarea formei este realizată prin mișcarea dislocațiilor prin rețea.
Cu cât se mișcă mai ușor luxațiile, cu atât materialul este mai moale. Dar dacă mișcarea dislocațiilor este blocată de obstacole sub formă de neregularități ale rețelei, atunci este necesară mai multă forță pentru a deplasa atomii din dislocație, iar materialul devine mai puternic. Pe de altă parte, obstacolele fac de obicei materialul mai fragil – predispus la crăpare.
Folosind difracția cu neutroni, difracția cu retroîmprăștiere a electronilor și microscopia electronică de transmisie, Ritchie, George și colegii lor de la Berkeley Lab, Universitatea din Bristol, Rutherford Appleton Laboratory și Universitatea din New South Wales au examinat structurile reticulate ale probelor de CrCoNi care au fost fracturate la temperatura camerei și la 20 K. (Pentru măsurarea rezistenței și a ductilității, un eșantion de metal pur este tras până se fracturează, în timp ce pentru testele de rezistență la rupere, o fisură ascuțită este introdusă în mod intenționat în probă înainte de a fi trasă și apoi se măsoară stresul necesar pentru a crește fisura.)
Imaginile și hărțile atomice generate din aceste tehnici au arătat că Duritatea aliajului se datorează unui trio de obstacole de dislocare care intră în vigoare într-o anumită ordine atunci când se aplică forță asupra materialului. În primul rând, dislocațiile în mișcare fac ca zonele cristalului să alunece departe de alte zone care se află pe planuri paralele.
Această mișcare deplasează straturi de celule unitare, astfel încât modelul lor nu se mai potrivește în direcția perpendiculară pe alunecarea. mișcare, creând un tip de obstacol. O forță suplimentară asupra metalului creează un fenomen numit nanotwinning, în care zonele rețelei formează o simetrie în oglindă cu o limită între ele.
În sfârșit, dacă forțele continuă să acționeze asupra metalului, energia fiind introdusă în sistemul schimbă aranjamentul celulelor unitare în sine, atomii de CrCoNi trecând de la un cristal cubic centrat pe față la un alt aranjament cunoscut sub numele de împachetare strânsă hexagonală.
Această secvență de interacțiuni atomice asigură că metalul continuă să curgă, dar continuă să întâlnească o nouă rezistență de la obstacole cu mult peste punctul în care majoritatea materialelor se rup de la efort. „Deci, pe măsură ce îl trageți, pornește primul mecanism, apoi pornește al doilea, apoi pornește al treilea și apoi al patrulea”, a explicat Ritchie.
„Acum, mulți oameni vor spune, ei bine, am văzut nanotwinning în materiale obișnuite, am văzut alunecare în materiale obișnuite. Este adevărat. Nu este nimic nou în asta, dar faptul că toate apar în această secvență magică este ceea ce ne oferă aceste proprietăți cu adevărat extraordinare. „
Noile descoperiri ale echipei, luate împreună cu alte lucrări recente privind HEA, pot forța comunitatea științei materialelor să reconsidere noțiunile de lungă durată despre modul în care caracteristicile fizice dau naștere performanței. „Este amuzant pentru că metalurgiștii spun că structura unui material îi definește proprietățile, dar structura NiCoCr este cea mai simplă pe care ți-o poți imagina — sunt doar granule”, a spus Ritchie.
„Cu toate acestea, atunci când te deformezi. aceasta, structura devine foarte complicată, iar această schimbare ajută la explicarea rezistenței sale excepționale la fractură”, a adăugat coautorul Andrew Minor, director al centrului național de microscopie electronică a Molecular Foundry de la Berkeley Lab și profesor de știință și inginerie a materialelor. la UC Berkeley.
„Am reușit să vizualizăm această transformare neașteptată datorită dezvoltării unor detectoare de electroni rapide în microscoapele noastre electronice, care ne permit să discernem între diferite tipuri de cristale și să cuantificăm defectele din interiorul lor la rezoluția unui singur nanometru – lățimea a doar câțiva atomi – care, după cum se dovedește, este de aproximativ dimensiunea defectelor din structura NiCoCr deformată.”
Aliajul CrMnFeCoNi a fost, de asemenea, testat la 20 Kelvin. și a avut performanțe impresionante, dar nu a atins aceeași duritate ca aliajul mai simplu CrCoNi.
Forjarea de produse noi
Acum, că funcționarea interioară a aliajului CrCoNi este mai bine înțeles, acesta și alte HEA sunt cu un pas mai aproape de adoptare pentru aplicații speciale. Deși aceste materiale sunt costisitoare de creat, George prevede utilizări în situații în care extremele mediului ar putea distruge aliajele metalice standard, cum ar fi temperaturile reci din spațiul adânc.
El și echipa sa de la Oak Ridge investighează, de asemenea, modul în care aliajele realizate din elemente mai abundente și mai puțin costisitoare - există o penurie globală de cobalt și nichel din cauza cererii lor în industria bateriilor - ar putea fi convinse să aibă proprietăți similare.
Deși progresul este interesant, Ritchie avertizează că utilizarea în lumea reală ar putea fi încă o cale îndepărtată, din motive întemeiate. „Când zburați într-un avion, ați dori să știți că ceea ce vă scutește de căderea de 40.000 de picioare este un aliaj pentru corp de avion care a fost dezvoltat cu doar câteva luni în urmă? Sau ați dori ca materialele să fie mature și bine înțelese? De aceea Materialele structurale pot dura mulți ani, chiar zeci de ani, pentru a fi utilizate efectiv.”
Comentarii:
Adauga Comentariu