นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบว่าโลหะผสมที่มีความเหนียวสูงสุดยังคงมีประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษในสภาพอากาศหนาวเย็นจัด

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Berkeley ในสหรัฐอเมริกาได้ค้นพบว่าโลหะผสมที่ประกอบด้วยโครเมียม โคบอลต์ และนิเกิลเป็นวัสดุที่แข็งที่สุดและมีคุณสมบัติต้านทานการแตกหักได้ดีที่สุด ภาพแสดงเส้นทางการแตกหักระดับนาโนและการเสียรูปโครงสร้างผลึกที่ตามมาของ โลหะผสม CrCoNi ระหว่างการทดสอบความเครียด 20 เคลวิน รอยแตกขยายจากซ้ายไปขวา

ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการสำรวจอวกาศและภูมิภาคสุดขั้วของมนุษย์ ผู้คนจึงเริ่มมองหาวัสดุโลหะที่สามารถนำมาใช้ในอุณหภูมิต่ำได้ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติของสหรัฐอเมริกาค้นพบโลหะผสมที่ประกอบด้วยโครเมียม โคบอลต์ และนิเกิล ซึ่งสามารถคงความเหนียวได้สูงมากที่อุณหภูมิต่ำมาก และปัจจุบันเป็นโลหะผสมที่แข็งที่สุดในโลก

Lawrence Berkeley National Laboratory และ Oak Ridge National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาได้ร่วมกันเขียนผลการทดลองนี้ลงในบทความซึ่งจะตีพิมพ์ในวารสาร Science ในเดือนธันวาคม 2022 งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ

นักวิทยาศาสตร์ศึกษาโลหะผสมที่ทำจาก "โครเมียม โคบอลต์ และนิกเกิล" และ "โครเมียม แมงกานีส เหล็ก โคบอลต์ และนิกเกิล" ในสัดส่วนที่เท่ากัน และทดสอบค่าความเหนียวแตกหักของโลหะเหล่านั้น สังเกตว่าค่า "โครเมียม แมงกานีส เหล็ก โคบอลต์ นิเกิล" และ "ค่าความเหนียวแตกหักโครเมียมของโลหะผสม "โคบอลต์-นิเกิล" ที่อุณหภูมิลบ 253.15°C เท่ากับ 262 และ 459 เมกะปาสคาล-สแควร์รูทเมตร ตามลำดับ

นอกจากนี้ยังพบจากการทดลองว่า “โครเมียม-โคบอลต์-นิเกิล” โลหะผสมแสดงความเหนียวในการเจริญเติบโตของรอยร้าวเกิน 540 เมกะปาสคาล-สแควร์รูตเมตร หลังจากรอยร้าวคงที่ที่ 2.25 มม. ค่าดังกล่าวแสดงว่าโลหะผสมมีความเหนียวสูงที่สุดในโลก นักวิทยาศาสตร์ยังพบว่าการเปลี่ยนรูปของโลหะที่อุณหภูมิต่ำและโครงสร้างการเปลี่ยนรูปที่อุณหภูมิสูงมีผลแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

โลหะผสมนี้ไม่เพียง แต่มีความเหนียวมากเท่านั้น แต่ยังมีความยืดหยุ่นสูงและในขณะเดียวกันก็แข็งแรงมาก (ทนต่อการเสียรูปได้เกือบถาวร) นอกจากนี้โลหะผสมยังมีคุณสมบัติพิเศษมาก ความแข็งแรงและความเหนียวจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง ซึ่งตรงข้ามกับคุณสมบัติของวัสดุส่วนใหญ่ในโลก

โลหะผสมที่ทำจากโครเมียม โคบอลต์ และ นิกเกิลซึ่งอยู่ในประเภทของโลหะผสมที่มีค่าเอนโทรปีสูงซึ่งแตกต่างจากโลหะผสมทั่วไป ข้อแตกต่างคือโลหะผสมอื่นๆ จะประกอบด้วยโลหะหนึ่งชนิดในสัดส่วนที่สูง (เช่น เหล็ก ทอง เงิน หรือทองแดง เป็นต้น) และองค์ประกอบหรือโลหะอื่นๆ จำนวนเล็กน้อย (เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม ทอง 18K เป็นต้น .) แต่โลหะผสมประเภท HEA ทำโดยการผสมแต่ละองค์ประกอบในสัดส่วนที่เกือบเท่ากัน

โลหะผสมเหล่านี้ซึ่งแต่ละองค์ประกอบผสมในปริมาณที่เท่ากัน ดูเหมือนว่าจะทำให้วัสดุมี "ความแข็งแรง" และ "ความเหนียว" สูงมาก ซึ่งรวมกันเป็น "ความเหนียว" ของโลหะเมื่อเกิดความเครียด

พวกเขาพบว่าโลหะผสมเหล่านี้ไม่มีโครงสร้างจุลภาคที่ซับซ้อนเมื่อใช้ความดันที่อุณหภูมิห้อง แต่เมื่อใช้ความดันที่อุณหภูมิต่ำมาก โครงสร้างจุลภาคจะเริ่มซับซ้อน การตกผลึกในโลหะผสมจะเปลี่ยนจากเม็ดกลมเป็นแถบ โดยมีแนวโน้มสูงที่จะเกิดการเสียรูปในแนวระนาบ ดังนั้นจึงสันนิษฐานว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้โลหะผสมสามารถเพิ่มความเหนียวได้

“เดิมที อะตอมของโลหะในโลหะผสมนี้มีลักษณะเป็นเม็ดเรียบและเรียบง่าย แต่ที่ความดันอุณหภูมิต่ำ พวกมันจะปรากฏขึ้น เมื่อมันเปลี่ยนรูป มันเริ่มมีสิ่งกีดขวางมากมายอยู่ภายใน ซึ่งทำให้มีค่าความเหนียวแตกหักที่เกินกว่าค่าส่วนใหญ่มาก วัสดุ."

แอนดรูว์ จูเนียร์ ผู้อำนวยการศูนย์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของห้องปฏิบัติการ กล่าวเสริมว่า “เมื่อโลหะเปลี่ยนรูป โครงสร้างจะซับซ้อนมาก และการเปลี่ยนแปลงนี้ช่วยอธิบายว่าทำไมมันถึงแสดงความต้านทานต่อการแตกหัก”

นอกจากนี้ ศาสตราจารย์ริชยังกล่าวอีกว่า "วัสดุนี้มีค่าความเหนียวแตกหักสูงถึง 500 เมกะปาสคาล-สแควร์รูตเมตรที่อุณหภูมิของฮีเลียมเหลว (-253.15 °C)"

ศาสตราจารย์ริชอธิบายว่า "หากอยู่ในหน่วยเดียวกัน ค่าความเหนียวแตกหักของชิ้นซิลิกอนคือ 1 M MPa-สแควร์รูทเมตร ค่าความเหนียวแตกหักของลำตัวอะลูมิเนียมอัลลอยด์ที่ใช้ในเครื่องบินโดยสารคือ 35 MPa-สแควร์รูทเมตร และการแตกหักของเหล็กที่ดีที่สุด ด้วยค่าความเหนียวที่ 100 เมกะปาสคาล-สแควร์รูทเมตร ค่าที่แสดงโดยโลหะผสมนี้ค่อนข้างน่าประหลาดใจ”

อย่างไรก็ตาม ศาสตราจารย์ริตชี่กล่าวว่าแม้ว่าการพัฒนาในปัจจุบันจะน่าตื่นเต้น แต่ก็ยังเร็วเกินไปที่จะนำมาใช้จริง “เราต้องการเวลามากกว่านี้เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติของวัสดุนี้ให้ดียิ่งขึ้น เพื่อให้เราสามารถนำไปใช้งานจริงได้ในอนาคต และหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุที่ผู้คนไม่ต้องการเห็นเมื่อใช้งาน”

ห้องข่าวรายงานว่า George และ Ritchie ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมที่ Oak Ridge National Laboratory เริ่มทำการวิจัย โลหะผสมโครเมียมโคบอลต์นิกเกิล เมื่อทศวรรษที่แล้ว การรวมโลหะเข้ากับแมงกานีสและโลหะผสมนิกเกิลที่มีโครเมียม-แมงกานีส-เหล็ก-โคบอลต์

เมื่อพวกเขาใส่วัสดุที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว (-196 °C) เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงของโลหะ พวกเขาพบว่าโลหะผสมมีความเหนียวและความแข็งแรงที่น่าประทับใจ เพื่อทดสอบตัวอย่างต่างๆ ที่อุณหภูมิเย็นจัด พวกเขาใช้เวลาถึง 10 ปีในการหาบุคลากรและเครื่องมือทุกประเภท และในที่สุดก็มาถึงผลการทดลอง