Ameriški znanstveniki odkrivajo, da ima zlitina z najvišjo žilavostjo še vedno ultra visoko zmogljivost v ekstremnem mrazu

Nacionalni laboratorij Berkeley v Združenih državah Amerike je odkril, da je zlitina, sestavljena iz kroma, kobalta in niklja, najtrši material z najbolj odpornimi lastnostmi proti zlomom. Slika prikazuje pot zloma v nanometru in spremljajočo deformacijo kristalne strukture CrCoNi zlitina med stresnim testom 20 Kelvinov. Razpoke se širijo od leve proti desni

Z naraščajočim povpraševanjem po človekovem raziskovanju vesolja in ekstremnih območij so ljudje začeli iskati kovinske materiale, ki jih je mogoče uporabiti pri nizkih temperaturah. Nacionalni laboratorij Združenih držav Amerike je odkril zlitino, sestavljeno iz kroma, kobalta in niklja, ki lahko ohrani izjemno visoko žilavost pri izjemno nizkih temperaturah in je trenutno najtrpejša zlitina na svetu.

Nacionalni laboratorij Lawrence Berkeley in nacionalni laboratorij Oak Ridge v Združenih državah sta rezultate tega poskusa skupaj zapisala v članek, ki bo objavljen v reviji Science decembra 2022. To raziskavo je podprl Urad za znanost ameriškega ministrstva za energijo.

Znanstveniki preučujejo kovinske zlitine iz "kroma, kobalta in niklja" ter "kroma, mangana, železa, kobalta in niklja" v enakih deležih in testirajo njihove vrednosti lomne žilavosti. Opaženo je, da sta "krom mangan železo kobalt nikelj" in "kromove vrednosti lomne žilavosti zlitine kobalt-nikelj" pri minus 253.15 °C 262 oziroma 459 MPa na kvadratni koren v metrih.

Poleg tega je bilo s poskusi ugotovljeno, da "krom-kobalt-nikelj” zlitina je pokazala žilavost rasti razpok, ki presega 540 MPa na kvadratni meter po stabilni razpoki 2.25 mm. Zgornje vrednosti pomenijo, da ima zlitina največjo žilavost na svetu. Znanstveniki so tudi ugotovili, da imata deformacija kovine pri nizkih temperaturah in deformacijska struktura pri visokih temperaturah popolnoma različne rezultate.

Ta zlitina ni samo izredno duktilna, ampak tudi izredno voljna in hkrati zelo močna (skoraj trajno odporna na deformacije). Poleg tega ima zlitina zelo posebno lastnost, njena trdnost in duktilnost se bosta povečevali z nižanjem temperature, kar je nasprotje lastnosti večine materialov na svetu.

Zlitina iz kroma, kobalta in nikelj, ki spada v vrsto visokoentropijskih zlitin, ki se razlikujejo od drugih splošnih zlitin. Razlika je v tem, da bodo druge zlitine sestavljene iz velikega deleža ene kovine (na primer železa, zlata, srebra ali bakra itd.) in majhnih količin drugih elementov ali kovin (na primer nerjavečega jekla, 18K zlata itd.). .), ampak zlitine tipa HEA, Narejena je z mešanjem vsakega elementa v skoraj enakih razmerjih.

Zdi se, da te zlitine, v katerih so mešane enake količine vsakega elementa, dajejo materialu zelo visoko "trdnost" in "duktilnost", združeno v "žilavost" kovine, ko je obremenjena.

Ugotovili so, da te zlitine niso imele kompleksne mikrostrukture, ko je bil pritisk uporabljen pri sobni temperaturi, ko pa je bil pritisk uporabljen pri izjemno nizkih temperaturah, je mikrostruktura začela postajati kompleksna. Kristalizacija v zlitini se bo spremenila iz okroglih zrn v trakove, z močno težnjo po ravninski deformaciji in na koncu oblikovala kup navzkrižno deformacijskih trakov. Zato se špekulira, da te spremembe omogočajo, da zlitina poveča svojo žilavost.

»Prvotno so bili kovinski atomi v tej zlitini gladka in enostavna zrna, toda pri nizkem temperaturnem tlaku se pojavijo. Ko se zlitina deformira, začne imeti v sebi veliko ovir, zaradi česar ima vrednost lomne žilavosti, ki daleč presega vrednost večine materialov."

Andrew Jr., direktor laboratorijskega Centra za elektronsko mikroskopijo, je dodal: "Ko se kovina deformira, postane njena struktura zelo zapletena in ta transformacija pomaga razložiti, zakaj kaže to odpornost proti zlomu."

Poleg tega je profesor Rich še dejal: "Ta material ima vrednost lomne žilavosti do 500 MPa na kvadratni meter pri temperaturi tekočega helija (-253.15 °C)."

Profesor Rich je pojasnil: »Če je v isti enoti vrednost lomne žilavosti kosa silicija 1 M MPa na kvadratni meter, je vrednost lomne žilavosti trupa iz aluminijeve zlitine, ki se uporablja v potniških letalih, 35 MPa na kvadratni meter, in najboljši zlomi jekla Z vrednostjo žilavosti 100 MPa na kvadratni meter je vrednost, ki jo izkazuje ta zlitina, prav osupljiva.«

Vendar je profesor Ritchie dejal, da je trenutni razvoj vznemirljiv, vendar je še prezgodaj, da bi bil praktičen. "Potrebujemo več časa za boljše razumevanje lastnosti tega materiala, da ga bomo lahko v prihodnosti uporabili v praksi in se izognili nesrečam, ki jih ljudje ne želijo videti, ko ga uporabljajo."

Redakcija je poročala, da sta George in Ritchie, profesorja tehnike v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge, začela raziskovati zlitine krom-kobalt-nikelj pred desetletjem z združitvijo kovine z manganom in zlitino krom-mangan-železo-kobalt-nikelj, ki vsebuje železo.

Ko so material postavili na temperaturo tekočega dušika (-196 °C), da bi opazovali spremembe v kovini, so ugotovili, da ima zlitina impresivno žilavost in moč. Da bi preizkusili različne vzorce pri tej nizki temperaturi, so potrebovali 10 let, da so našli vse vrste osebja in orodij ter končno prišli do eksperimentalnih rezultatov.