Amerikaanse wetenschappers ontdekken dat de legering met de hoogste taaiheid nog steeds ultrahoge prestaties levert bij extreme kou

Het Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten heeft ontdekt dat een legering bestaande uit chroom, kobalt en nikkel het hardste materiaal is met de meest breukvaste eigenschappen. De afbeelding toont het breukpad op nanoschaal en de bijbehorende vervorming van de kristalstructuur van CrCoNi-legering tijdens de 20 Kelvin stresstest. Scheuren breiden uit van links naar rechts

Met de toenemende vraag naar menselijke verkenning van de ruimte en extreme gebieden, gingen mensen op zoek naar metalen materialen die bij lage temperaturen kunnen worden gebruikt. Het National Laboratory van de Verenigde Staten ontdekte een legering bestaande uit chroom, kobalt en nikkel, die een extreem hoge taaiheid kan behouden bij extreem lage temperaturen en momenteel de sterkste legering ter wereld is.

Het Lawrence Berkeley National Laboratory en het Oak Ridge National Laboratory in de Verenigde Staten schreven gezamenlijk de resultaten van dit experiment in een paper, die in december 2022 zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Science. Dit onderzoek werd ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy.

Wetenschappers bestuderen legeringsmetalen gemaakt van "chroom, kobalt en nikkel" en "chroom, mangaan, ijzer, kobalt en nikkel" in gelijke verhoudingen, en testen hun breuktaaiheidswaarden. Waargenomen is dat de waarden voor "chroom-mangaan-ijzer-kobalt-nikkel" en "chroom-breuktaaiheid" van "kobalt-nikkel"-legeringen bij minus 253.15 °C respectievelijk 262 en 459 MPa-vierkantswortelmeters zijn.

Bovendien werd door experimenten gevonden dat de "Chroom-Kobalt-Nikkel”legering vertoonde een scheurgroeitaaiheid van meer dan 540 MPa-vierkantswortel meter na een stabiele scheur van 2.25 mm. De bovenstaande waarden geven aan dat de legering de hoogste taaiheid ter wereld heeft. Wetenschappers ontdekten ook dat de vervorming van het metaal bij lage temperaturen en de vervormingsstructuur bij hoge temperaturen totaal verschillende resultaten hebben.

Deze legering is niet alleen extreem ductiel, maar ook extreem kneedbaar en tegelijkertijd zeer sterk (bijna permanent bestand tegen vervorming). Bovendien heeft de legering een heel bijzondere eigenschap, de sterkte en ductiliteit zullen toenemen naarmate de temperatuur daalt, wat het tegenovergestelde is van de eigenschappen van de meeste materialen ter wereld.

Een legering gemaakt van chroom, kobalt en nikkel, dat behoort tot het type legering met hoge entropie, dat verschilt van andere algemene legeringen. Het verschil is dat andere legeringen voor een groot deel bestaan ​​uit één metaal (bijvoorbeeld ijzer, goud, zilver of koper, enz.) en kleine hoeveelheden andere elementen of metalen (bijvoorbeeld roestvrij staal, 18K goud, enz. .), maar legeringen van het HEA-type, wordt gemaakt door elk element in bijna gelijke verhoudingen te mengen.

Deze legeringen, waarin gelijke hoeveelheden van elk element zijn gemengd, lijken het materiaal een zeer hoge "sterkte" en "ductiliteit" te geven, gecombineerd tot de "taaiheid" van metaal onder spanning.

Ze ontdekten dat deze legeringen geen complexe microstructuur hadden als er druk werd uitgeoefend bij kamertemperatuur, maar als er druk werd uitgeoefend bij extreem lage temperaturen, begon de microstructuur complex te worden. De kristallisatie in de legering zal veranderen van ronde korrels in stroken, met een sterke neiging tot vlakke vervorming, en uiteindelijk een stelletje kriskras vervormingsbanden vormen. Daarom wordt aangenomen dat door deze veranderingen het gelegeerd metaal zijn taaiheid kan verbeteren.

"Oorspronkelijk waren de metaalatomen in deze legering gladde en eenvoudige korrels, maar bij lage temperatuur verschijnen ze. Wanneer het vervormt, begint het binnenin veel obstakels te krijgen, waardoor het een breuktaaiheidswaarde heeft die veel hoger is dan die van de meeste materialen.”

Andrew Jr., directeur van het Centrum voor Elektronenmicroscopie van het laboratorium, voegde eraan toe: "Wanneer een metaal vervormt, wordt de structuur zeer complex en deze transformatie helpt verklaren waarom het deze weerstand tegen breuk vertoont."

Bovendien zei professor Rich ook: "Dit materiaal heeft een breuktaaiheidswaarde van wel 500 MPa-vierkantswortel meter bij de temperatuur van vloeibaar helium (-253.15 ° C)."

Professor Rich legde uit: "Als in dezelfde eenheid de breuktaaiheidswaarde van een stuk silicium 1 M MPa-vierkantswortelmeter is, is de breuktaaiheidswaarde van de romp van aluminiumlegering die in passagiersvliegtuigen wordt gebruikt 35 MPa-vierkantswortelmeters, en de beste staalbreuken Met een taaiheidswaarde van 100 MPa-vierkantswortel meter is de waarde van deze legering behoorlijk verbazingwekkend.”

Professor Ritchie zei echter dat hoewel de huidige ontwikkeling opwindend is, het nog te vroeg is om praktisch te zijn. "We hebben meer tijd nodig om de eigenschappen van dit materiaal beter te begrijpen, zodat we het in de toekomst in praktische toepassingen kunnen toepassen en ongelukken kunnen voorkomen die mensen niet willen zien wanneer mensen het gebruiken."

De redactie meldde dat George en Ritchie, hoogleraren techniek aan het Oak Ridge National Laboratory, met onderzoek begonnen chroom-kobalt-nikkellegeringen tien jaar geleden combineerde het metaal met mangaan en een ijzerhoudende chroom-mangaan-ijzer-kobalt-nikkellegering.

Toen ze het materiaal op de temperatuur van vloeibare stikstof (-196 °C) brachten om de veranderingen in het metaal te observeren, ontdekten ze dat de legering een indrukwekkende taaiheid en sterkte had. Om verschillende monsters bij deze koude temperatuur te testen, kostte het hen 10 jaar om allerlei personeel en gereedschappen te vinden en kwamen ze uiteindelijk tot de experimentele resultaten.