Amerykańscy naukowcy odkryli, że stop o najwyższej wytrzymałości nadal ma bardzo wysoką wydajność w ekstremalnie niskich temperaturach

Berkeley National Laboratory w Stanach Zjednoczonych odkryło, że stop składający się z chromu, kobaltu i niklu jest najtwardszym materiałem o najbardziej odpornych na pękanie właściwościach. Zdjęcie przedstawia ścieżkę pęknięcia w nanoskali i towarzyszące jej odkształcenie struktury krystalicznej Stop CrCoNi podczas testu warunków skrajnych 20 kelwinów. Pęknięcia rozszerzają się od lewej do prawej

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na eksplorację kosmosu i ekstremalnych regionów przez ludzi, ludzie zaczęli szukać materiałów metalowych, które można stosować w niskich temperaturach. Narodowe Laboratorium Stanów Zjednoczonych odkryło stop składający się z chromu, kobaltu i niklu, który może zachować niezwykle wysoką wytrzymałość w ekstremalnie niskich temperaturach i jest obecnie najtwardszym stopem na świecie.

Lawrence Berkeley National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory w Stanach Zjednoczonych wspólnie napisały wyniki tego eksperymentu w artykule, który zostanie opublikowany w czasopiśmie Science w grudniu 2022 r. Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii USA.

Naukowcy badają stopy metali wykonane z „chromu, kobaltu i niklu” oraz „chromu, manganu, żelaza, kobaltu i niklu” w równych proporcjach i badają ich wartości odporności na pękanie. Zaobserwowano, że wartości „chromowo-manganowo-żelazowo-kobaltowo-niklowego” i „odporności na pękanie chromu stopu „kobaltowo-niklowego” w temperaturze minus 253.15°C wynoszą odpowiednio 262 i 459 MPa-pierwiastek kwadratowy.

Ponadto w wyniku eksperymentów stwierdzono, że „Chrom-Kobalt-Nikiel” wykazywał odporność na wzrost pęknięć przekraczającą 540 MPa-metr kwadratowy po stabilnym pęknięciu 2.25 mm. Powyższe wartości oznaczają, że stop ma najwyższą wytrzymałość na świecie. Naukowcy odkryli również, że odkształcenie metalu w niskich temperaturach i odkształcenie struktury w wysokich temperaturach dają zupełnie inne wyniki.

Stop ten jest nie tylko niezwykle ciągliwy, ale także niezwykle plastyczny, a przy tym bardzo wytrzymały (prawie trwale odporny na odkształcenia). Ponadto stop ma bardzo szczególną właściwość, jego wytrzymałość i plastyczność wzrastają wraz ze spadkiem temperatury, co jest przeciwieństwem właściwości większości materiałów na świecie.

Stop wykonany z chromu, kobaltu i nikiel, który należy do rodzaju stopu o wysokiej entropii, który różni się od innych stopów ogólnych. Różnica polega na tym, że inne stopy składają się w dużej mierze z jednego metalu (na przykład żelaza, złota, srebra lub miedzi itp.) i niewielkich ilości innych pierwiastków lub metali (na przykład stali nierdzewnej, 18-karatowego złota itp.) .), ale stopy typu HEA, powstaje przez zmieszanie każdego pierwiastka w niemal równych proporcjach.

Stopy te, w których zmieszane są równe ilości każdego pierwiastka, wydają się nadawać materiałowi bardzo wysoką „wytrzymałość” i „plastyczność” połączone w „twardość” metalu pod wpływem naprężeń.

Odkryli, że stopy te nie miały złożonej mikrostruktury, gdy zastosowano ciśnienie w temperaturze pokojowej, ale gdy zastosowano ciśnienie w ekstremalnie niskich temperaturach, mikrostruktura zaczęła się komplikować. Krystalizacja w stopie zmieni się z okrągłych ziaren w paski, z silną tendencją do płaskich deformacji, aż w końcu utworzy wiązkę krzyżujących się pasm deformacji. Dlatego spekuluje się, że te zmiany pozwalają metalowi stopowemu zwiększyć jego wytrzymałość.

„Pierwotnie atomy metalu w tym stopie były gładkimi i prostymi ziarnami, ale przy ciśnieniu w niskiej temperaturze pojawiają się. Kiedy stop się odkształca, zaczyna mieć wiele przeszkód w środku, co daje mu odporność na pękanie znacznie przewyższającą większość materiały."

Andrew Jr., dyrektor laboratorium Center for Electron Microscopy, dodał: „Kiedy metal ulega deformacji, jego struktura staje się bardzo złożona, a ta przemiana pomaga wyjaśnić, dlaczego wykazuje on taką odporność na pękanie”.

Ponadto profesor Rich powiedział również: „Materiał ten ma wartość odporności na pękanie sięgającą 500 MPa-metrów kwadratowych w temperaturze ciekłego helu (-253.15°C)”.

Profesor Rich wyjaśnił: „Jeśli w tej samej jednostce, wartość odporności na pękanie kawałka krzemu wynosi 1 M MPa-metr kwadratowy, wartość odporności na pękanie kadłuba ze stopu aluminium stosowanego w samolotach pasażerskich wynosi 35 MPa-metr kwadratowy, i najlepsze pękanie stali Przy wartości udarności wynoszącej 100 MPa pierwiastków kwadratowych wartość wykazywana przez ten stop jest dość zdumiewająca”.

Jednak profesor Ritchie powiedział, że chociaż obecny rozwój jest ekscytujący, jest jeszcze za wcześnie, aby był praktyczny. „Potrzebujemy więcej czasu, aby lepiej zrozumieć właściwości tego materiału, abyśmy mogli w przyszłości zastosować go w praktycznych zastosowaniach i uniknąć wypadków, których ludzie nie chcą widzieć, gdy ludzie go używają”.

Newsroom poinformował, że George i Ritchie, profesorowie inżynierii w Oak Ridge National Laboratory, rozpoczęli badania stopy chromowo-kobaltowo-niklowe dziesięć lat temu, łącząc metal z manganem i zawierającym żelazo stopem chromowo-manganowo-żelazowo-kobaltowo-niklowym.

Kiedy umieścili materiał w temperaturze ciekłego azotu (-196 ° C), aby obserwować zmiany w metalu, odkryli, że stop ma imponującą wytrzymałość i wytrzymałość. Aby przetestować różne próbki w tej niskiej temperaturze, znalezienie wszelkiego rodzaju personelu i narzędzi zajęło im 10 lat, aż w końcu doszli do wyników eksperymentu.