Gli scienziati americani scoprono che la lega con la più alta tenacità ha ancora prestazioni elevatissime in condizioni di freddo estremo

Il Berkeley National Laboratory negli Stati Uniti ha scoperto che una lega composta da cromo, cobalto e nichel è il materiale più duro con le proprietà più resistenti alla frattura. L'immagine mostra il percorso di frattura su scala nanometrica e la relativa deformazione della struttura cristallina Lega CrCoNi durante lo stress test a 20 Kelvin. Le crepe si espandono da sinistra a destra

Con la crescente domanda di esplorazione umana dello spazio e delle regioni estreme, le persone hanno iniziato a cercare materiali metallici che potessero essere utilizzati a basse temperature. Il Laboratorio Nazionale degli Stati Uniti ha scoperto una lega composta da cromo, cobalto e nichel, che può mantenere una tenacità estremamente elevata a temperature estremamente basse ed è attualmente la lega più resistente al mondo.

Il Lawrence Berkeley National Laboratory e l'Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti hanno scritto congiuntamente i risultati di questo esperimento in un articolo, che sarà pubblicato sulla rivista Science nel dicembre 2022. Questa ricerca è stata supportata dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Gli scienziati studiano le leghe metalliche costituite da "cromo, cobalto e nichel" e "cromo, manganese, ferro, cobalto e nichel" in proporzioni uguali e ne testano i valori di tenacità alla frattura. Si osserva che i valori di "cromo manganese ferro cobalto nichel" e "tenacità alla frattura del cromo della lega "cobalto-nichel" a meno 253.15°C sono rispettivamente di 262 e 459 MPa-metro quadrato.

Inoltre, è stato riscontrato attraverso esperimenti che il “Cromo-Cobalto-NichelLa lega ha mostrato una tenacità di crescita della cricca superiore a 540 MPa-metro quadrato dopo una crepa stabile di 2.25 mm. I valori di cui sopra indicano che la lega ha la più alta tenacità al mondo. Gli scienziati hanno anche scoperto che la deformazione del metallo a basse temperature e la struttura di deformazione ad alte temperature hanno risultati completamente diversi.

Questa lega non è solo estremamente duttile, ma anche estremamente malleabile e allo stesso tempo molto resistente (quasi permanentemente resistente alla deformazione). Inoltre, la lega ha una proprietà molto speciale, la sua resistenza e duttilità aumenteranno al diminuire della temperatura, che è l'opposto delle proprietà della maggior parte dei materiali al mondo.

Lega di cromo, cobalto e nichel, che appartiene al tipo di lega ad alta entropia, che è diversa dalle altre leghe generali. La differenza è che le altre leghe saranno costituite da un'elevata percentuale di un metallo (ad esempio, ferro, oro, argento o rame, ecc.) e piccole quantità di altri elementi o metalli (ad esempio, acciaio inossidabile, oro 18 carati, ecc. .), ma leghe di tipo HEA, è realizzato mescolando ogni elemento in proporzioni quasi uguali.

Queste leghe, in cui sono mescolate quantità uguali di ciascun elemento, sembrano dotare il materiale di "resistenza" e "duttilità" molto elevate combinate con la "tenacità" del metallo quando viene sollecitato.

Hanno scoperto che queste leghe non avevano una microstruttura complessa quando la pressione veniva applicata a temperatura ambiente, ma quando la pressione veniva applicata a temperature estremamente basse, la microstruttura iniziava a diventare complessa. La cristallizzazione nella lega passerà da grani rotondi a strisce, con una forte tendenza alla deformazione piana, e infine, formerà un insieme di bande di deformazione incrociate. Pertanto, si ipotizza che questi cambiamenti consentano al metallo legato di migliorare la sua tenacità.

“Originariamente gli atomi di metallo in questa lega erano grani lisci e semplici, ma alla pressione a bassa temperatura, appaiono Quando si deforma, inizia ad avere molti ostacoli all'interno, il che gli conferisce un valore di tenacità alla frattura che supera di gran lunga quello della maggior parte materiali”.

Andrew Jr., direttore del Center for Electron Microscopy del laboratorio, ha aggiunto: "Quando un metallo si deforma, la sua struttura diventa molto complessa e questa trasformazione aiuta a spiegare perché mostra questa resistenza alla frattura".

Inoltre, il professor Rich ha anche affermato: "Questo materiale ha un valore di tenacità alla frattura fino a 500 metri quadrati di MPa alla temperatura dell'elio liquido (-253.15 ° C)."

Il professor Rich ha spiegato: “Se nella stessa unità, il valore di resistenza alla frattura di un pezzo di silicio è di 1 M MPa-metro quadrato, il valore di tenacità alla frattura della fusoliera in lega di alluminio utilizzata negli aerei passeggeri è di 35 MPa-metro quadrato, e le migliori fratture dell'acciaio Con un valore di tenacità di 100 MPa per metro quadrato, il valore mostrato da questa lega è piuttosto sorprendente.

Tuttavia, il professor Ritchie ha affermato che mentre lo sviluppo attuale è entusiasmante, è ancora troppo presto per essere pratici. "Abbiamo bisogno di più tempo per comprendere meglio le proprietà di questo materiale in modo da poterlo applicare in applicazioni pratiche in futuro ed evitare incidenti che le persone non vogliono vedere quando le persone lo usano".

La redazione ha riferito che George e Ritchie, professori di ingegneria presso l'Oak Ridge National Laboratory, hanno iniziato a fare ricerche leghe cromo-cobalto-nichel un decennio fa, combinando il metallo con manganese e lega di nichel cromo-manganese-ferro-cobalto contenente ferro.

Quando hanno messo il materiale alla temperatura dell'azoto liquido (-196 °C) per osservare i cambiamenti nel metallo, hanno scoperto che la lega aveva una tenacità e una resistenza impressionanti. Per testare vari campioni a questa bassa temperatura, ci sono voluti 10 anni per trovare tutti i tipi di personale e strumenti, e alla fine sono arrivati ​​​​ai risultati sperimentali.