Amerikanska forskare upptäcker att legeringen med högsta seghet fortfarande har ultrahög prestanda i extrem kyla

Berkeley National Laboratory i USA har upptäckt att en legering som består av krom, kobolt och nickel är det hårdaste materialet med de mest brottbeständiga egenskaperna. Bilden visar sprickvägen i nanoskala och medföljande kristallstrukturdeformation av CrCoNi-legering under stresstestet på 20 Kelvin. Sprickor expanderar från vänster till höger

Med den ökande efterfrågan på mänsklig utforskning av rymden och extrema regioner började människor leta efter metallmaterial som kan användas vid låga temperaturer. National Laboratory i USA upptäckte en legering som består av krom, kobolt och nickel, som kan bibehålla extremt hög seghet vid extremt låga temperaturer och för närvarande är den tuffaste legeringen i världen.

Lawrence Berkeley National Laboratory och Oak Ridge National Laboratory i USA skrev tillsammans resultaten av detta experiment till en artikel, som kommer att publiceras i tidskriften Science i december 2022. Denna forskning fick stöd av US Department of Energy's Office of Science.

Forskare studerar legeringsmetaller gjorda av "krom, kobolt och nickel" och "krom, mangan, järn, kobolt och nickel" i lika proportioner och testar deras brottseghetsvärden. Det observeras att "krommangan järnkoboltnickel" och "krombrottseghetsvärden för "kobolt-nickel"-legering vid minus 253.15°C är 262 respektive 459 MPa-kvadratrotmeter.

Dessutom fann man genom experiment att "Krom-kobolt-nickel”-legering uppvisade en spricktillväxtseghet som översteg 540 MPa-kvadratrotmeter efter en stabil spricka på 2.25 mm. Ovanstående värden representerar att legeringen har den högsta segheten i världen. Forskare fann också att deformationen av metallen vid låga temperaturer och deformationsstrukturen vid höga temperaturer har helt olika resultat.

Denna legering är inte bara extremt formbar, utan också extremt formbar och samtidigt mycket stark (nästan permanent motståndskraftig mot deformation). Dessutom har legeringen en mycket speciell egenskap, dess styrka och duktilitet kommer att öka när temperaturen sjunker, vilket är motsatsen till egenskaperna hos de flesta material i världen.

En legering gjord av krom, kobolt och nickel, som tillhör typen av högentropilegering, som skiljer sig från andra allmänna legeringar. Skillnaden är att andra legeringar kommer att bestå av en hög andel av en metall (till exempel järn, guld, silver eller koppar, etc.) och små mängder av andra element eller metaller (till exempel rostfritt stål, 18K guld, etc.) .), men legeringar av HEA-typ. Den tillverkas genom att blanda varje element i nästan lika stora proportioner.

Dessa legeringar, i vilka lika mängder av varje element blandas, tycks ge materialet mycket hög "hållfasthet" och "duktilitet" kombinerat till metallens "seghet" när den belastas.

De fann att dessa legeringar inte hade en komplex mikrostruktur när tryck applicerades vid rumstemperatur, men när tryck applicerades vid extremt låga temperaturer började mikrostrukturen bli komplex. Kristalliseringen i legeringen kommer att förändras från runda korn till remsor, med en stark tendens till plan deformation, och slutligen bilda ett gäng kors och tvärs deformationsband. Därför spekuleras det att dessa förändringar tillåter legeringsmetallen att förbättra sin seghet.

"Ursprungligen var metallatomerna i den här legeringen släta och enkla korn, men vid lågtemperaturtryck uppträder de. När den deformeras börjar den ha många hinder inuti, vilket ger den ett brottseghetsvärde som vida överstiger det för de flesta material."

Andrew Jr., chef för labbets Center for Electron Microscopy, tillade: "När en metall deformeras blir dess struktur mycket komplex, och denna transformation hjälper till att förklara varför den uppvisar denna motståndskraft mot fraktur."

Dessutom sa professor Rich också: "Detta material har ett brottseghetsvärde så högt som 500 MPa-kvadratrotmeter vid temperaturen av flytande helium (-253.15 ° C)."

Professor Rich förklarade: "Om brottseghetsvärdet för en bit kisel i samma enhet är 1 M MPa-kvadratmeter, är brottseghetsvärdet för den aluminiumlegeringskropp som används i passagerarplan 35 MPa-kvadratrotmeter, och de bästa stålbrotten Med ett seghetsvärde på 100 MPa-kvadratrotmeter är värdet som denna legering uppvisar ganska häpnadsväckande.”

Professor Ritchie sa dock att även om den nuvarande utvecklingen är spännande, är det fortfarande för tidigt att vara praktisk. "Vi behöver mer tid för att bättre förstå egenskaperna hos detta material så att vi kan använda det i praktiska tillämpningar i framtiden och undvika olyckor som folk inte vill se när folk använder det."

Nyhetsrummet rapporterade att George och Ritchie, professorer i teknik vid Oak Ridge National Laboratory, började forska krom-kobolt-nickellegeringar för ett decennium sedan, genom att kombinera metallen med mangan och järnhaltig krom-mangan-järn-kobolt nickellegering.

När de satte materialet vid temperaturen av flytande kväve (-196 °C) för att observera förändringarna i metallen, fann de att legeringen hade imponerande seghet och styrka. För att testa olika prover vid denna kalla temperatur tog det dem 10 år att hitta all slags personal och verktyg, och till slut kom de experimentella resultaten.