Hợp kim niken

Các nhà khoa học Mỹ phát hiện hợp kim có độ bền cao nhất vẫn có hiệu suất siêu cao trong điều kiện cực lạnh

Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley ở Hoa Kỳ đã phát hiện ra rằng một hợp kim bao gồm crom, coban và niken là vật liệu cứng nhất có đặc tính chống đứt gãy nhất. Hình ảnh cho thấy đường đứt gãy kích thước nano và sự biến dạng cấu trúc tinh thể đi kèm của hợp kim CrCoNi trong bài kiểm tra căng thẳng 20 Kelvin. Vết nứt mở rộng từ trái sang phải

Với nhu cầu khám phá không gian và các vùng cực của con người ngày càng tăng, con người bắt đầu tìm kiếm những vật liệu kim loại có thể sử dụng ở nhiệt độ thấp. Phòng thí nghiệm quốc gia của Hoa Kỳ đã phát hiện ra một hợp kim bao gồm crom, coban và niken, có thể duy trì độ dẻo dai cực cao ở nhiệt độ cực thấp và hiện là hợp kim cứng nhất thế giới.

Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Hoa Kỳ đã cùng viết kết quả của thí nghiệm này thành một bài báo, sẽ được đăng trên tạp chí Khoa học vào tháng 2022 năm XNUMX. Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Các nhà khoa học nghiên cứu các kim loại hợp kim làm từ “crom, coban và niken” và “crom, mangan, sắt, coban và niken” theo tỷ lệ bằng nhau, đồng thời kiểm tra các giá trị độ bền đứt gãy của chúng. Người ta quan sát thấy rằng “giá trị độ bền đứt gãy của crom mangan sắt coban niken” và “giá trị độ bền đứt gãy crom của hợp kim “coban-niken” ở âm 253.15°C lần lượt là 262 và 459 MPa-mét căn bậc hai.

Ngoài ra, người ta đã tìm thấy thông qua các thí nghiệm rằng “Crom-Coban-Niken” hợp kim thể hiện độ bền phát triển vết nứt vượt quá 540 MPa-mét vuông sau khi vết nứt ổn định 2.25 mm. Các giá trị trên thể hiện rằng hợp kim có độ dẻo dai cao nhất trên thế giới. Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng sự biến dạng của kim loại ở nhiệt độ thấp và cấu trúc biến dạng ở nhiệt độ cao có kết quả hoàn toàn khác nhau.

Hợp kim này không chỉ cực kỳ dẻo mà còn cực kỳ dẻo, đồng thời rất bền (gần như có khả năng chống biến dạng vĩnh viễn). Ngoài ra, hợp kim có một tính chất rất đặc biệt, độ bền và độ dẻo của nó sẽ tăng lên khi nhiệt độ giảm, điều này trái ngược với tính chất của hầu hết các vật liệu trên thế giới.

Một hợp kim làm từ crom, coban và kền, thuộc loại hợp kim có entropy cao, khác với các hợp kim thông thường khác. Sự khác biệt là các hợp kim khác sẽ bao gồm một tỷ lệ cao của một kim loại (ví dụ: sắt, vàng, bạc hoặc đồng, v.v.) và một lượng nhỏ các nguyên tố hoặc kim loại khác (ví dụ: thép không gỉ, vàng 18K, v.v. .), nhưng hợp kim loại HEA, Nó được tạo ra bằng cách trộn từng nguyên tố theo tỷ lệ gần như bằng nhau.

Các hợp kim này, trong đó các lượng bằng nhau của từng nguyên tố được trộn lẫn, dường như mang lại cho vật liệu “độ bền” và “độ dẻo” rất cao kết hợp với “độ dẻo dai” của kim loại khi bị tác động lực.

Họ phát hiện ra rằng các hợp kim này không có cấu trúc vi mô phức tạp khi áp suất được áp dụng ở nhiệt độ phòng, nhưng khi áp suất được áp dụng ở nhiệt độ cực thấp, cấu trúc vi mô bắt đầu trở nên phức tạp. Sự kết tinh trong hợp kim sẽ thay đổi từ hạt tròn thành dải, với xu hướng biến dạng phẳng mạnh mẽ, và cuối cùng, tạo thành một loạt các dải biến dạng chéo. Do đó, người ta suy đoán rằng những thay đổi này cho phép kim loại hợp kim tăng cường độ dẻo dai của nó.

“Ban đầu các nguyên tử kim loại trong hợp kim này là các hạt mịn và đơn giản, nhưng ở áp suất nhiệt độ thấp, chúng xuất hiện Khi nó biến dạng, bên trong bắt đầu có rất nhiều chướng ngại vật, điều này mang lại cho nó giá trị độ bền đứt gãy vượt xa hầu hết vật liệu."

Andrew Jr., giám đốc Trung tâm Kính hiển vi Điện tử của phòng thí nghiệm, nói thêm: “Khi một kim loại biến dạng, cấu trúc của nó trở nên rất phức tạp và sự biến đổi này giúp giải thích tại sao nó thể hiện khả năng chống đứt gãy này.”

Ngoài ra, giáo sư Rich cũng cho biết: “Vật liệu này có giá trị độ bền đứt gãy cao tới 500 MPa-mét vuông ở nhiệt độ của helium lỏng (-253.15 ° C).”

Giáo sư Rich giải thích: “Nếu trong cùng một đơn vị, giá trị độ bền gãy của một miếng silicon là 1 M MPa-mét vuông, thì giá trị độ bền gãy của thân máy bay hợp kim nhôm được sử dụng trong máy bay chở khách là 35 MPa-mét vuông. và các vết nứt thép tốt nhất Với ​​giá trị độ dẻo dai là 100 MPa-mét vuông, giá trị mà hợp kim này thể hiện là khá đáng kinh ngạc.”

Tuy nhiên, Giáo sư Ritchie cho rằng trong khi sự phát triển hiện tại rất thú vị, thì vẫn còn quá sớm để trở thành hiện thực. “Chúng tôi cần thêm thời gian để hiểu rõ hơn về đặc tính của loại vật liệu này để có thể đưa nó vào ứng dụng thực tế trong tương lai, tránh những tai nạn không mong muốn khi con người sử dụng”.

Tòa soạn báo cáo rằng George và Ritchie, giáo sư kỹ thuật tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, bắt đầu nghiên cứu hợp kim crom-coban-niken một thập kỷ trước, kết hợp kim loại với mangan và hợp kim niken crom-mangan-sắt-coban có chứa sắt.

Khi họ đặt vật liệu ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196 °C) để quan sát những thay đổi trong kim loại, họ nhận thấy rằng hợp kim này có độ bền và độ bền ấn tượng. Để thử nghiệm các mẫu khác nhau ở nhiệt độ lạnh này, họ đã phải mất 10 năm để tìm đủ loại nhân sự và dụng cụ, cuối cùng mới đi đến kết quả thí nghiệm.