アメリカの科学者は、最高の靭性合金が極寒の中で依然として超高性能であることを発見しました

米国のバークレー国立研究所は、クロム、コバルト、およびニッケルで構成された合金が、最も壊れにくい特性を持つ最も硬い材料であることを発見しました。 写真は、ナノスケールの破壊経路とそれに伴う結晶構造の変形を示しています CrCoNi合金 20 ケルビンのストレス テスト中。 ひび割れが左から右に広がる

宇宙や極端な領域での有人探査の需要が高まるにつれて、人々は低温で使用できる金属材料を探し始めました。 米国国立研究所は、クロム、コバルト、ニッケルからなる合金を発見しました。この合金は、極低温でも非常に高い靭性を維持できる、現在世界で最も強靭な合金です。

米国のローレンス・バークレー国立研究所とオークリッジ国立研究所が共同でこの実験の結果を論文にまとめ、2022 年 XNUMX 月に Science 誌に掲載される予定です。この研究は、米国エネルギー省科学局の支援を受けました。

科学者は、「クロム、コバルト、ニッケル」と「クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル」を同じ割合で組み合わせた合金金属を研究し、それらの破壊靭性値をテストします。 マイナス 253.15°C での「クロム マンガン 鉄 コバルト ニッケル」および「クロム - ニッケル」合金の破壊靭性値は、それぞれ 262 および 459 MPa 平方ルート メートルであることが観察されます。

さらに、「クロム-コバルト-ニッケル」合金は、540 mm の安定した亀裂の後、2.25 MPa-平方根メートルを超える亀裂成長靭性を示しました。 上記の値は、合金が世界で最も高い靭性を持っていることを表しています。 科学者はまた、低温での金属の変形と高温での変形構造がまったく異なる結果をもたらすことも発見しました。

この合金は非常に延性があるだけでなく、非常に可鍛性があり、同時に非常に強い (ほぼ永久に変形しにくい)。 さらに、合金には非常に特殊な特性があり、その強度と延性は温度が下がるにつれて増加します。これは、世界のほとんどの材料の特性とは逆です。

クロム、コバルト、および ニッケル、他の一般的な合金とは異なるタイプのハイエントロピー合金に属します。 違いは、他の合金は 18 つの金属 (たとえば、鉄、金、銀、または銅など) と少量の他の元素または金属 (たとえば、ステンレス鋼、XNUMXK ゴールドなど) で構成されることです。 .) ですが、HEA 系合金は、各元素をほぼ同じ割合で混合して作られています。

これらの合金は、各元素が等量混合されているため、応力がかかると金属の「靭性」に組み合わされた非常に高い「強度」と「延性」を材料に与えるように見えます。

彼らは、これらの合金が室温で圧力が加えられた場合には複雑な微細構造を持たないが、極低温で圧力が加えられると微細構造が複雑になり始めることを発見した. 合金の結晶化は、丸い粒子からストリップに変化し、平面変形の強い傾向があり、最終的に、十字形の変形バンドの束を形成します。 したがって、これらの変化により、合金金属の靭性が向上すると推測されます。

「もともと、この合金の金属原子は滑らかで単純な粒子でしたが、低温圧力で変形すると、内部に多くの障害物ができ始め、ほとんどの合金をはるかに超える破壊靭性値が得られます。材料。"

研究所の電子顕微鏡センターの所長である Andrew Jr. 氏は、次のように付け加えています。

さらに、リッチ教授は「この材料は、液体ヘリウムの温度 (-500 ℃) で 253.15 MPa 平方ルート メートルもの破壊靭性値を持っています」とも述べています。

リッチ教授は次のように説明しています。 1 MPa-平方根メートルの靭性値を持つこの合金が示す値は、非常に驚​​くべきものです。」

しかし、Ritchie 教授は、現在の開発は刺激的ではあるものの、実用化するにはまだ時期尚早であると述べています。 「この材料の特性をよりよく理解して、将来実用化し、人々がそれを使用するときに見たくない事故を回避できるようにするために、さらに時間が必要です。」

ニュースルームは、オークリッジ国立研究所の工学教授であるジョージとリッチーが研究を開始したと報じました。 クロム-コバルト-ニッケル合金 XNUMX 年前に、この金属をマンガンと鉄を含むクロム-マンガン-鉄-コバルト ニッケル合金と組み合わせました。

材料を液体窒素の温度 (-196 °C) に置いて金属の変化を観察したところ、この合金は驚くほどの靭性と強度を備えていることがわかりました。 この低温下でさまざまなサンプルをテストするために、さまざまな人員とツールを見つけるのに10年かかり、最終的に実験結果にたどり着きました。