미국 과학자들은 최고 인성 합금이 극한의 추위에서도 여전히 초고성능을 발휘한다는 사실을 발견했습니다.

미국 버클리 국립 연구소는 크롬, 코발트 및 니켈로 구성된 합금이 가장 내파괴 특성을 가진 가장 단단한 재료라는 사실을 발견했습니다. 그림은 나노스케일의 파단경로와 이에 수반되는 결정 구조 변형을 보여줍니다. CrCoNi 합금 20켈빈 스트레스 테스트 중. 균열은 왼쪽에서 오른쪽으로 확장됩니다.

우주와 극한 지역에 대한 인간의 탐사에 대한 수요가 증가함에 따라 사람들은 저온에서 사용할 수 있는 금속 재료를 찾기 시작했습니다. 미국 국립 연구소는 크롬, 코발트 및 니켈로 구성된 합금을 발견했습니다. 이 합금은 극저온에서도 극도로 높은 인성을 유지할 수 있으며 현재 세계에서 가장 강한 합금입니다.

미국 로렌스 버클리 국립 연구소와 오크 리지 국립 연구소는 이 실험 결과를 공동으로 논문으로 썼고, 이 논문은 2022년 XNUMX월 사이언스 저널에 게재될 예정입니다. 이 연구는 미국 에너지부 과학실의 지원을 받았습니다.

과학자들은 "크롬, 코발트 및 니켈"과 "크롬, 망간, 철, 코발트 및 니켈"을 같은 비율로 만든 합금 금속을 연구하고 파괴 인성 값을 테스트합니다. 영하 253.15°C에서 "코발트-니켈" 합금의 "크롬 망간 철 코발트 니켈" 및 "크롬 파괴 인성 값은 각각 262 및 459 MPa-제곱근 미터인 것으로 관찰됩니다.

또한 실험을 통해 “크롬-코발트-니켈” 합금은 540mm의 안정적인 균열 후 2.25MPa-제곱근 미터를 초과하는 균열 성장 인성을 나타냈습니다. 위의 값은 합금이 세계에서 가장 높은 인성을 가지고 있음을 나타냅니다. 과학자들은 또한 저온에서의 금속 변형과 고온에서의 변형 구조가 완전히 다른 결과를 가져온다는 사실을 발견했습니다.

이 합금은 극도로 연성이 있을 뿐만 아니라 극도로 가단성이 있으며 동시에 매우 강합니다(거의 영구적인 변형 저항성). 또한 합금은 매우 특별한 특성을 가지고 있으며 온도가 낮아짐에 따라 강도와 연성이 증가하며 이는 세계 대부분의 재료 특성과 반대입니다.

크롬, 코발트, 니켈, 다른 일반 합금과는 다른 고 엔트로피 합금의 종류에 속합니다. 차이점은 다른 합금은 한 가지 금속(예: 철, 금, 은 또는 구리 등)의 비율이 높고 기타 원소 또는 금속(예: 스테인리스 스틸, 18K 금 등)이 소량이라는 점입니다. .), 그러나 HEA 계열 합금은 각 원소를 거의 같은 비율로 혼합하여 만든다.

각 원소가 같은 양으로 혼합된 이 합금은 응력을 받을 때 금속의 "인성"과 결합된 매우 높은 "강도"와 "연성"을 재료에 부여하는 것으로 보입니다.

그들은 이 합금들이 상온에서 압력이 가해지면 복잡한 미세 구조를 갖지 않지만, 극도로 낮은 온도에서 압력이 가해지면 미세 구조가 복잡해지기 시작한다는 것을 발견했습니다. 합금의 결정화는 평면 변형 경향이 강한 둥근 입자에서 스트립으로 변하고 마지막으로 십자형 변형 밴드를 형성합니다. 따라서 이러한 변화로 인해 합금 금속의 인성이 향상되는 것으로 추측됩니다.

“원래 이 합금의 금속 원자는 매끄럽고 단순한 결정립이었지만 저온 압력에서 나타나며 변형되면 내부에 많은 장애물이 생기기 시작하여 대부분의 것을 훨씬 능가하는 파괴 인성 값을 제공합니다. 재료."

연구실의 전자현미경 센터장인 Andrew Jr.는 "금속이 변형될 때 그 구조는 매우 복잡해지며 이러한 변형은 왜 금속이 파괴에 대한 내성을 나타내는지 설명하는 데 도움이 됩니다."라고 덧붙였습니다.

또한 Rich 교수는 "이 재료는 액체 헬륨(-500°C)의 온도에서 253.15MPa-제곱근 미터만큼 높은 파괴 인성 값을 갖는다"고 말했습니다.

리치 교수는 “동일한 단위에서 실리콘 조각의 파괴 인성 값이 1MMPa-제곱근 미터라면 여객기에 사용되는 알루미늄 합금 동체의 파괴 인성 값은 35MPa-제곱근 미터, 100MPa-제곱근 미터의 인성 값으로 이 합금이 나타내는 값은 매우 놀랍습니다.”

그러나 Ritchie 교수는 현재 개발이 흥미진진하지만 실용화하기에는 아직 이르다고 말했습니다. "우리는 이 재료의 특성을 더 잘 이해하여 미래에 실용적인 응용 프로그램에 적용하고 사람들이 그것을 사용할 때 사람들이 보고 싶어하지 않는 사고를 피할 수 있도록 더 많은 시간이 필요합니다."

뉴스룸은 Oak Ridge National Laboratory의 공학 교수인 George와 Ritchie가 연구를 시작했다고 보도했습니다. 크롬-코발트-니켈 합금 XNUMX년 전에 금속을 망간 및 철 함유 크롬-망간-철-코발트 니켈 합금과 결합했습니다.

그들이 금속의 변화를 관찰하기 위해 재료를 액체 질소 온도(-196 °C)에 두었을 때 합금이 인상적인 인성과 강도를 가지고 있음을 발견했습니다. 이 추운 온도에서 다양한 샘플을 테스트하기 위해 온갖 인력과 도구를 찾아 10년이 걸렸고 마침내 실험 결과에 이르렀다.