Ilmuwan Amerika menemukan paduan ketangguhan tertinggi masih memiliki kinerja ultra-tinggi dalam suhu dingin yang ekstrim

Laboratorium Nasional Berkeley di Amerika Serikat telah menemukan bahwa paduan yang terdiri dari kromium, kobalt, dan nikel adalah bahan terkeras dengan sifat paling tahan retak. Gambar menunjukkan jalur fraktur skala nano dan deformasi struktur kristal yang menyertainya Paduan CrCoNi selama tes stres 20 Kelvin. Retakan melebar dari kiri ke kanan

Dengan meningkatnya kebutuhan eksplorasi manusia terhadap ruang dan wilayah ekstrim, manusia mulai mencari bahan logam yang dapat digunakan pada suhu rendah. Laboratorium Nasional Amerika Serikat menemukan paduan yang terdiri dari kromium, kobalt, dan nikel, yang dapat mempertahankan ketangguhan yang sangat tinggi pada suhu yang sangat rendah dan saat ini merupakan paduan terberat di dunia.

Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley dan Laboratorium Nasional Oak Ridge di Amerika Serikat bersama-sama menuliskan hasil percobaan ini ke dalam sebuah makalah, yang akan diterbitkan dalam jurnal Science pada Desember 2022. Penelitian ini didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi AS.

Para ilmuwan mempelajari logam paduan yang terbuat dari "kromium, kobalt, dan nikel" dan "kromium, mangan, besi, kobalt, dan nikel" dalam proporsi yang sama, dan menguji nilai ketangguhan retaknya. Diamati bahwa nilai “chromium manganese iron kobalt nickel” dan “chromium fracture toughness” dari paduan “cobalt-nickel” pada suhu minus 253.15°C masing-masing adalah 262 dan 459 MPa-square root meter.

Selain itu, ditemukan melalui eksperimen bahwa “Kromium-Kobalt-Nikelpaduan menunjukkan ketangguhan pertumbuhan retak melebihi 540 MPa-meter akar persegi setelah retak stabil 2.25 mm. Nilai di atas menunjukkan bahwa paduan tersebut memiliki ketangguhan tertinggi di dunia. Para ilmuwan juga menemukan bahwa deformasi logam pada suhu rendah dan struktur deformasi pada suhu tinggi memiliki hasil yang sama sekali berbeda.

Paduan ini tidak hanya sangat ulet, tetapi juga sangat mudah dibentuk, dan pada saat yang sama sangat kuat (hampir secara permanen tahan terhadap deformasi). Selain itu, paduan memiliki sifat yang sangat istimewa, kekuatan dan keuletannya akan meningkat seiring dengan penurunan suhu, yang merupakan kebalikan dari sifat sebagian besar material di dunia.

Paduan yang terbuat dari kromium, kobalt, dan nikel, yang termasuk jenis paduan entropi tinggi, yang berbeda dari paduan umum lainnya. Perbedaannya adalah bahwa paduan lain akan terdiri dari sebagian besar logam (misalnya, besi, emas, perak, atau tembaga, dll.) Dan sejumlah kecil elemen atau logam lain (misalnya, baja tahan karat, emas 18K, dll. .), tetapi paduan jenis HEA, Itu dibuat dengan mencampurkan setiap elemen dalam proporsi yang hampir sama.

Paduan ini, di mana jumlah yang sama dari setiap elemen dicampur, tampaknya memberi material dengan "kekuatan" dan "keuletan" yang sangat tinggi digabungkan menjadi "ketangguhan" logam saat ditekan.

Mereka menemukan bahwa paduan ini tidak memiliki struktur mikro yang kompleks ketika tekanan diterapkan pada suhu kamar, tetapi ketika tekanan diterapkan pada suhu yang sangat rendah, struktur mikro mulai menjadi kompleks. Kristalisasi dalam paduan akan berubah dari butiran bulat menjadi strip, dengan kecenderungan deformasi bidang yang kuat, dan akhirnya, membentuk sekelompok pita deformasi berselang-seling. Oleh karena itu, ada spekulasi bahwa perubahan ini memungkinkan logam paduan untuk meningkatkan ketangguhannya.

“Awalnya atom logam dalam paduan ini adalah butiran halus dan sederhana, tetapi pada tekanan suhu rendah, mereka muncul. Ketika berubah bentuk, ia mulai memiliki banyak hambatan di dalamnya, yang memberikan nilai ketangguhan retak yang jauh melebihi kebanyakan. bahan.”

Andrew Jr., direktur Center for Electron Microscopy lab, menambahkan: "Ketika logam berubah bentuk, strukturnya menjadi sangat kompleks, dan transformasi ini membantu menjelaskan mengapa ia menunjukkan ketahanan terhadap fraktur."

Selain itu, Profesor Rich juga mengatakan: “Material ini memiliki nilai ketangguhan retak setinggi 500 MPa-meter akar persegi pada suhu helium cair (-253.15 °C).”

Profesor Rich menjelaskan: “Jika dalam unit yang sama, nilai ketangguhan patah dari sepotong silikon adalah 1 M MPa-square root meter, nilai ketangguhan patah dari badan pesawat paduan aluminium yang digunakan di pesawat penumpang adalah 35 MPa-square root meter, dan fraktur baja terbaik Dengan nilai ketangguhan 100 MPa-meter akar persegi, nilai yang ditunjukkan oleh paduan ini cukup mencengangkan.”

Namun, Profesor Ritchie mengatakan bahwa meski perkembangan saat ini menarik, masih terlalu dini untuk dipraktikkan. “Kami membutuhkan lebih banyak waktu untuk lebih memahami sifat-sifat bahan ini sehingga kami dapat menerapkannya secara praktis di masa mendatang, dan menghindari kecelakaan yang tidak ingin dilihat orang saat orang menggunakannya.”

Ruang redaksi melaporkan bahwa George dan Ritchie, profesor teknik di Laboratorium Nasional Oak Ridge, mulai meneliti paduan kromium-kobalt-nikel satu dekade yang lalu, menggabungkan logam dengan paduan nikel kromium-mangan-besi-kobalt yang mengandung besi dan mangan.

Ketika mereka meletakkan material pada suhu nitrogen cair (-196 °C) untuk mengamati perubahan pada logam, mereka menemukan bahwa paduan tersebut memiliki ketangguhan dan kekuatan yang mengesankan. Untuk menguji berbagai sampel pada suhu dingin ini, mereka membutuhkan waktu 10 tahun untuk menemukan semua jenis personel dan alat, dan akhirnya sampai pada hasil eksperimen.