سبائك النيكل

اكتشف العلماء الأمريكيون أن السبائك عالية الصلابة لا تزال تتمتع بأداء فائق في البرودة الشديدة

اكتشف مختبر بيركلي الوطني في الولايات المتحدة أن سبيكة مكونة من الكروم والكوبالت والنيكل هي أصعب مادة لها خصائص مقاومة للكسر. تُظهر الصورة مسار الكسر النانوي والتشوه المصاحب للهيكل البلوري سبيكة CrCoNi خلال اختبار التحمل البالغ 20 كيلفن. تمتد الشقوق من اليسار إلى اليمين

مع تزايد الطلب على استكشاف الإنسان للفضاء والمناطق المتطرفة ، بدأ الناس في البحث عن المواد المعدنية التي يمكن استخدامها في درجات حرارة منخفضة. اكتشف المختبر الوطني للولايات المتحدة سبيكة مكونة من الكروم والكوبالت والنيكل ، والتي يمكن أن تحافظ على صلابة عالية للغاية في درجات حرارة منخفضة للغاية وهي حاليًا أقوى سبيكة في العالم.

كتب مختبر لورنس بيركلي الوطني ومختبر أوك ريدج الوطني في الولايات المتحدة نتائج هذه التجربة في ورقة ، سيتم نشرها في مجلة Science في ديسمبر 2022. وقد تم دعم هذا البحث من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

يدرس العلماء سبائك معدنية مصنوعة من "الكروم والكوبالت والنيكل" و "الكروم والمنغنيز والحديد والكوبالت والنيكل" بنسب متساوية ، ويختبرون قيم صلابة الكسر. لوحظ أن "الكروم منغنيز الحديد والنيكل الكوبالت" و "الكروم صلابة كسر الكروم سبيكة" الكوبالت والنيكل "عند -253.15 درجة مئوية تحت الصفر هي 262 و 459 ميجا باسكال متر مربع الجذر ، على التوالي.

بالإضافة إلى ذلك ، تبين من خلال التجارب أن "الكروم - الكوبالت - النيكل"أظهرت سبيكة صلابة نمو صدع تتجاوز 540 ميجاباسكال جذر متر مربع بعد كسر مستقر 2.25 ملم. تشير القيم أعلاه إلى أن السبيكة تتمتع بأعلى صلابة في العالم. وجد العلماء أيضًا أن تشوه المعدن في درجات الحرارة المنخفضة والتشوه في درجات الحرارة المرتفعة لهما نتائج مختلفة تمامًا.

هذه السبيكة ليست مطيلة للغاية فحسب ، ولكنها أيضًا مرنة للغاية ، وفي نفس الوقت قوية جدًا (تقريبًا مقاومة بشكل دائم للتشوه). بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع السبيكة بخاصية خاصة جدًا ، حيث ستزداد قوتها وليونتها مع انخفاض درجة الحرارة ، وهو عكس خصائص معظم المواد في العالم.

سبيكة مصنوعة من الكروم والكوبالت و النيكل، والتي تنتمي إلى نوع السبائك عالية الانتروبيا ، والتي تختلف عن السبائك العامة الأخرى. الفرق هو أن السبائك الأخرى ستتكون من نسبة عالية من معدن واحد (على سبيل المثال ، الحديد أو الذهب أو الفضة أو النحاس ، إلخ) وكميات صغيرة من العناصر أو المعادن الأخرى (على سبيل المثال ، الفولاذ المقاوم للصدأ ، الذهب عيار 18 ، إلخ. .) ، ولكن سبائك من نوع HEA ، يتم تصنيعها عن طريق خلط كل عنصر بنسب متساوية تقريبًا.

يبدو أن هذه السبائك ، التي يتم فيها خلط كميات متساوية من كل عنصر ، تمنح المادة "قوة" و "ليونة" عالية جدًا مجتمعة في "صلابة" المعدن عند الإجهاد.

ووجدوا أن هذه السبائك لم يكن لديها بنية مجهرية معقدة عندما تم الضغط على درجة حرارة الغرفة ، ولكن عندما تم الضغط على درجات حرارة منخفضة للغاية ، بدأت البنية المجهرية تصبح معقدة. سيتغير التبلور في السبيكة من حبيبات دائرية إلى شرائط ، مع ميل قوي لتشوه المستوى ، وأخيراً ، تشكل مجموعة من نطاقات التشوه المتقاطعة. لذلك ، يُعتقد أن هذه التغييرات تسمح للمعدن السبيكي بتعزيز صلابته.

"في الأصل كانت ذرات المعدن في هذه السبيكة عبارة عن حبيبات ناعمة وبسيطة ، ولكن عند ضغط درجة حرارة منخفضة ، تظهر عندما تتشوه ، تبدأ في وجود الكثير من العوائق بداخلها ، مما يمنحها قيمة صلابة للكسر تتجاوز بكثير تلك الموجودة في معظم المواد."

وأضاف أندرو جونيور ، مدير مركز الفحص المجهري الإلكتروني بالمختبر: "عندما يتشوه المعدن ، يصبح هيكله شديد التعقيد ، ويساعد هذا التحول في تفسير سبب إبداء هذه المقاومة للكسر".

بالإضافة إلى ذلك ، قال البروفيسور ريتش أيضًا: "هذه المادة لها قيمة صلابة للكسر تصل إلى 500 ميجا باسكال جذر متر مربع عند درجة حرارة الهيليوم السائل (-253.15 درجة مئوية)."

وأوضح البروفيسور ريتش: "إذا كانت قيمة صلابة الكسر لقطعة من السيليكون في نفس الوحدة هي 1 ميجاباسكال - جذر متر مربع ، فإن قيمة صلابة الكسر لجسم سبائك الألومنيوم المستخدم في طائرات الركاب هي 35 ميجا باسكال - جذر متر مربع ، وأفضل الكسور الفولاذية مع قيمة صلابة تبلغ 100 ميجا باسكال جذر متر مربع ، فإن القيمة التي تعرضها هذه السبيكة مذهلة للغاية ".

ومع ذلك ، قال البروفيسور ريتشي إنه على الرغم من أن التطور الحالي مثير ، إلا أنه لا يزال من السابق لأوانه أن يكون عمليًا. "نحن بحاجة إلى مزيد من الوقت لفهم خصائص هذه المادة بشكل أفضل حتى نتمكن من وضعها في تطبيقات عملية في المستقبل ، وتجنب الحوادث التي لا يرغب الناس في رؤيتها عند استخدامها."

ذكرت غرفة الأخبار أن جورج وريتشي ، أساتذة الهندسة في مختبر أوك ريدج الوطني ، بدؤا البحث سبائك الكروم والكوبالت والنيكل قبل عقد من الزمن ، تم الجمع بين المعدن والمنغنيز وسبائك النيكل المحتوية على الكروم والمنغنيز والحديد والكوبالت.

عندما وضعوا المادة في درجة حرارة النيتروجين السائل (-196 درجة مئوية) لمراقبة التغيرات في المعدن ، وجدوا أن السبيكة تتمتع بصلابة وقوة مذهلة. من أجل اختبار عينات مختلفة في درجة الحرارة الباردة هذه ، استغرق الأمر 10 سنوات للعثور على جميع أنواع الأفراد والأدوات ، وأخيراً وصلوا إلى النتائج التجريبية.