|
Поздоровайтесь с самым прочным материалом на Земле
|
|
|
|
Ученые измерили самую высокую когда-либо зарегистрированную ударную вязкость любого материала, исследуя металлический сплав из хрома, кобальта и никеля (CrCoNi). Мало того, что металл чрезвычайно пластичен — что в материаловедении означает очень ковкий — и впечатляюще прочен (что означает, что он сопротивляется остаточной деформации), его прочность и пластичность улучшаются по мере того, как он становится холоднее. Это противоречит большинству других существующих материалов. Команда, возглавляемая исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Национальной лаборатории Ок-Риджа, опубликовала исследование, описывающее их рекордные открытия в науке.
|
|
|
|
«Когда вы проектируете конструкционные материалы, вы хотите, чтобы они были прочными, но также пластичными и устойчивыми к разрушению», — сказал соруководитель проекта Исо Джордж, заведующий кафедрой передовых теорий и разработок сплавов в ORNL и Университете Теннесси. «Обычно это компромисс между этими свойствами. Но этот материал сочетает в себе и то, и другое, и вместо того, чтобы становиться хрупким при низких температурах, он становится более прочным». CrCoNi относится к классу металлов, называемых высокоэнтропийными сплавами (ВЭС). Все сплавы, используемые сегодня, содержат большую долю одного элемента с добавлением меньшего количества дополнительных элементов, но ВЭС изготавливаются из равной смеси каждого составного элемента.
|
|
|
Эти сбалансированные атомарные рецепты, по-видимому, наделяют некоторые из этих материалов необычайно высокой комбинацией прочности и пластичности при нагрузке, которые вместе составляют то, что называется «вязкостью». HEA были горячей областью исследований с тех пор, как они были впервые разработаны около 20 лет назад, но технология, необходимая для того, чтобы довести материалы до их предела в экстремальных испытаниях, была недоступна до недавнего времени. «Ударная вязкость этого материала вблизи гелиевых температур (20 Кельвинов, -424 Фаренгейта) достигает 500 мегапаскалей из квадратного метра. В этих же единицах прочность куска кремния равна единице, алюминиевый корпус пассажирского самолета около 35, а ударная вязкость некоторых из лучших сталей составляет около 100. Таким образом, 500 — это ошеломляющая цифра», — сказал соруководитель исследования Роберт Ритчи, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессор технических наук Чуа. в Калифорнийском университете в Беркли.
|
|
|
|
Ричи и Джордж начали экспериментировать с CrCoNi и другим сплавом, который также содержит марганец и железо (CrMnFeCoNi) почти десять лет назад. Они создали образцы сплавов, затем понизили температуру материалов до температуры жидкого азота (около 77 Кельвинов или -321 F) и обнаружили впечатляющую прочность и ударную вязкость. Они сразу же захотели продолжить свою работу испытаниями в диапазонах температур жидкого гелия, но нашли оборудование, позволяющее проводить стресс-тестирование образцов в такой холодной среде, и наняли членов группы с аналитическими инструментами и опытом, необходимыми для анализа того, что происходит с материалом при атомный уровень занял следующие 10 лет. К счастью, результаты стоили ожидания.
|
|
|
|
Многие твердые вещества, в том числе металлы, существуют в кристаллической форме, характеризующейся повторяющимся трехмерным рисунком атомов, называемым элементарной ячейкой, которая образует более крупную структуру, называемую решеткой. Прочность и ударная вязкость материала или их отсутствие зависят от физических свойств решетки. Ни один кристалл не совершенен, поэтому элементарные ячейки в материале неизбежно будут содержать «дефекты», ярким примером которых являются дислокации — границы, где недеформированная решетка встречается с деформированной решеткой. Когда к материалу прикладывается сила — представьте, например, сгибание металлической ложки, — изменение формы осуществляется за счет движения дислокаций через решетку.
|
|
|
|
Чем легче дислокациям двигаться, тем мягче материал. Но если движению дислокаций препятствуют препятствия в виде неровностей решетки, то для перемещения атомов внутри дислокации требуется большее усилие, и материал становится прочнее. С другой стороны, препятствия обычно делают материал более хрупким, склонным к растрескиванию. Используя дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию, Ричи, Джордж и их коллеги из лаборатории Беркли, Бристольского университета, лаборатории Резерфорда Эпплтона и Университета Нового Южного Уэльса исследовали решетчатые структуры образцов CrCoNi, которые были разрушается при комнатной температуре и 20 К. (Для измерения прочности и пластичности образец чистого металла растягивают до тех пор, пока он не разрушится, тогда как для испытаний на вязкость разрушения в образец преднамеренно вводят острую трещину перед тем, как его растягивают, и напряжение, необходимое для роста Затем измеряется трещина.)
|
|
|
|
Изображения и атомные карты, полученные с помощью этих методов, показали, что ударная вязкость сплава обусловлена тремя препятствиями дислокации, которые вступают в действие в определенном порядке, когда к материалу прикладывается сила. Во-первых, движущиеся дислокации заставляют участки кристалла соскальзывать с других участков, лежащих в параллельных плоскостях. Это движение смещает слои элементарных ячеек так, что их рисунок больше не совпадает в направлении, перпендикулярном скользящему движению, создавая своего рода препятствие. Дальнейшее воздействие на металл создает явление, называемое нанодвойникованием, при котором области решетки образуют зеркальную симметрию с границей между ними.
|
|
|
|
Наконец, если силы продолжают действовать на металл, подаваемая в систему энергия изменяет расположение самих элементарных ячеек, при этом атомы CrCoNi переключаются с гранецентрированного кубического кристалла на другое расположение, известное как гексагональная плотная упаковка. Эта последовательность атомных взаимодействий гарантирует, что металл продолжает течь, но также продолжает встречать новое сопротивление со стороны препятствий, намного превышающее точку, в которой большинство материалов ломаются от деформации. «Итак, когда вы тянете его, запускается первый механизм, затем запускается второй, затем запускается третий, а затем четвертый», — объяснил Ричи.
|
|
|
|
«Теперь многие люди скажут, ну, мы видели нанодвойникование в обычных материалах, мы видели скольжение в обычных материалах. Это правда. В этом нет ничего нового, но факт в том, что все они происходят в этой волшебной последовательности. что дает нам эти действительно потрясающие свойства». Новые результаты команды, взятые вместе с другими недавними работами по HEA, могут заставить сообщество материалистов пересмотреть давние представления о том, как физические характеристики влияют на производительность. «Это забавно, потому что металлурги говорят, что структура материала определяет его свойства, но структура NiCoCr самая простая, которую вы можете себе представить — это просто зерна», — сказал Ричи.
|
|
|
|
«Однако, когда вы деформируете его, структура становится очень сложной, и этот сдвиг помогает объяснить его исключительную устойчивость к разрушению», — добавил соавтор Эндрю Майнор, директор Национального центра электронной микроскопии Молекулярного литейного завода в лаборатории Беркли. Профессор материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы смогли визуализировать это неожиданное преобразование благодаря развитию детекторов быстрых электронов в наших электронных микроскопах, которые позволяют нам различать различные типы кристаллов и количественно определять дефекты внутри них с разрешением в один нанометр — шириной всего несколько атомов, что, как оказалось, примерно соответствует размеру дефектов в деформированной структуре NiCoCr». Сплав CrMnFeCoNi также был испытан при температуре 20 К и показал впечатляющие результаты, но не достиг такой же прочности, как более простой сплав CrCoNi.
|
|
|
|
Теперь, когда внутреннее устройство сплава CrCoNi лучше изучено, он и другие HEA стали на один шаг ближе к внедрению в специальные приложения. Хотя эти материалы дороги в производстве, Джордж предвидит их использование в ситуациях, когда экстремальные условия окружающей среды могут разрушить стандартные металлические сплавы, например, при низких температурах глубокого космоса. Он и его команда в Ок-Ридже также изучают, как сплавы, изготовленные из более распространенных и менее дорогих элементов (из-за спроса на них в аккумуляторной промышленности, существует глобальная нехватка кобальта и никеля), могут быть уговорены получить аналогичные свойства.
|
|
|
|
Хотя прогресс впечатляет, Ричи предупреждает, что по уважительной причине до реального использования еще далеко. «Когда вы летите на самолете, хотели бы вы знать, что то, что спасает вас от падения с высоты 40 000 футов, — это сплав корпуса, который был разработан всего несколько месяцев назад? Или вы хотели бы, чтобы материалы были зрелыми и понятными? Вот почему конструкционным материалам может потребоваться много лет, даже десятилетий, чтобы начать их реальное использование».
|
|
|
|
Источник
|
