Nová slitina šokuje vědce svou téměř nemožnou pevností a tvrdostí

Vědci objevili neobvyklý minerál Slitina Nepraská při extrémních teplotách v důsledku ohýbání nebo ohýbání krystalů ve slitině na atomární úrovni.

Kovová slitina složená z niobu, tantalu, titanu a hafnia šokovala vědce v oblasti materiálů svou úžasnou pevností a houževnatostí při extrémně vysokých a nízkých teplotách, což je kombinace vlastností, které se až dosud zdálo téměř nemožné dosáhnout. Pevnost je v této souvislosti definována jako velikost síly, kterou materiál vydrží, než se trvale deformuje ze svého původního tvaru, a houževnatost je jeho odolnost proti lámání (praskání). Odolnost slitiny vůči ohýbání a lámání v široké škále podmínek by mohla otevřít dveře nové třídě materiálů pro motory nové generace, které mohou fungovat efektivněji.

Tým vedený Robertem Ritchiem z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) a UC Berkeley ve spolupráci se skupinami vedenými profesory Deranem Apelianem z UC Irvine a Enriquem Laverniou z Texas A&M University objevil a poté objevil úžasné vlastnosti slitiny. . Jak vznikají z interakcí v atomové struktuře? Jejich práce byla popsána ve studii nedávno publikované v časopise vědy.

„Účinnost přeměny tepla na elektřinu nebo pohon je určena teplotou, při které se palivo spaluje – čím teplejší, tím lepší, ale provozní teplota je omezena konstrukčními materiály, které musí student v Ritchieho laboratoři vydržet vyčerpali schopnost vylepšovat materiály, které v současnosti používáme při vysokých teplotách, a existuje velká potřeba nových kovových materiálů. To je to, co tato slitina slibuje.“

Slitina v této studii pochází z nové třídy kovů známých jako slitiny odolné vůči vysokým nebo středním teplotám (RHEAs/RMEAs). Většina kovů, které vidíme v komerčních nebo průmyslových aplikacích, jsou slitiny vyrobené z jednoho základního kovu smíchaného s malým množstvím jiných prvků, ale RHEA a RMEA se vyrábějí smícháním téměř stejného množství kovových prvků s velmi vysokými teplotami tání, což jim dává stále jedinečné vlastnosti. Vědci to objevují. Ritchieho skupina studovala tyto slitiny několik let kvůli jejich potenciálu pro vysokoteplotní aplikace.

„Náš tým provedl předchozí práci na RHEA a RMEA a zjistil, že tyto materiály jsou velmi pevné, ale obecně mají velmi nízkou lomovou houževnatost, a proto jsme byli šokováni, když tato slitina vykazovala výjimečně vysokou houževnatost,“ řekl spoluautor. Puneet Kumar, postdoktorandský výzkumník ve skupině.

Podle Cooka má většina RMEA lomovou houževnatost menší než 10 MPa, což z nich dělá jedny z nejkřehčích kovů ze všech. Nejlepší kryogenní oceli, speciálně navržené tak, aby odolávaly rozbití, jsou asi 20krát pevnější než tyto materiály. Nicméně niob, tantal, titan a hafnium (Nb₄₅Ta₂₅T₁₅Vysoká frekvence₁₅) Slitina RMEA dokázala překonat dokonce i kryogenní ocel a zaznamenala výkon více než 25krát silnější než typická RMEA při pokojové teplotě.

Ale motory nepracují při pokojové teplotě. Vědci hodnotili pevnost a trvanlivost při pěti celkových teplotách: -196 °C (teplota kapalného dusíku), 25 °C (pokojová teplota), 800 °C, 950 °C a 1200 °C. Druhá teplota je asi 1/5 teploty povrchu Slunce.

Tým zjistil, že slitina má nejvyšší pevnost v chladu a s rostoucí teplotou mírně slábne, ale stále má působivá čísla v celém širokém rozsahu. Lomová houževnatost, která se vypočítává z velikosti síly potřebné k šíření existující trhliny v materiálu, byla vysoká při všech teplotách.

Odhalení atomových uspořádání

Téměř všechny kovové slitiny jsou krystalické, což znamená, že atomy v materiálu jsou uspořádány v opakujících se jednotkách. Žádný krystal však není dokonalý, všechny obsahují nedokonalosti. Nejvýraznější defekt, který se pohybuje, se nazývá dislokace, což je nedokonalá rovina atomů v krystalu. Když je na kov aplikována síla, způsobí to několik dislokací, které se posunou, aby se přizpůsobily změně tvaru.

Když například ohnete hliníkovou kancelářskou sponku, pohyb dislokací uvnitř sponky se přizpůsobí změně tvaru. Pohyb dislokací se však při nízkých teplotách stává obtížnější a v důsledku toho mnoho materiálů při nízkých teplotách křehne, protože se dislokace nemohou pohybovat. To je důvod, proč se ocelový trup Titaniku při nárazu do ledovce rozlomil. Prvky s vysokou teplotou tání a jejich slitiny to dovádějí do extrému, přičemž mnohé zůstávají křehké i při teplotě až 800 °C. Tato RMEA však tento trend vzdoruje a vydrží přerušení i při teplotách tak nízkých, jako je kapalný dusík (-196°C).

Aby pochopili, co se děje uvnitř nádherného kovu, spoluřešitel Andrew Minor a jeho tým analyzovali namáhané vzorky spolu s neohnutými a nepopraskanými kontrolními vzorky pomocí 4-rozměrného rastrovacího elektronového mikroskopu (4D-STEM) a rastrovacího elektronového mikroskopu ( STEM) v Národním centru pro elektronovou mikroskopii, součást molekulární slévárny Berkeley Lab.

Údaje z elektronového mikroskopu odhalily, že neobvyklá tvrdost slitiny pochází z neočekávaného vedlejšího účinku vzácného defektu zvaného kink band. Pásy uzlů se tvoří v krystalu, když aplikovaná síla způsobí, že se segmenty krystalu náhle zhroutí do sebe a ohýbají se. Směr, ve kterém se krystal ohýbá v těchto vláknech, zvyšuje sílu pociťovanou dislokacemi, takže se pohybují snadněji. Na úrovni hmoty tento jev způsobí měknutí materiálu (to znamená, že při deformaci musí být na materiál aplikována menší síla). Tým z předchozího výzkumu věděl, že pásy uzlů se v RMEA tvoří snadno, ale předpokládali, že změkčující efekt způsobí, že materiál bude méně tuhý, protože usnadní šíření trhlin sítí. Ale ve skutečnosti tomu tak není.

„Poprvé jsme ukázali, že v případě ostré trhliny mezi atomy torzní pásy ve skutečnosti brání šíření trhliny tím, že rozdělují poškození pryč od ní, zabraňují lomu a mají za následek neobvykle vysokou lomovou houževnatost,“ řekl Cook.

Pozn₄₅Ta₂₅T₁₅Vysoká frekvence₁₅ Slitiny budou muset projít zásadnějším výzkumem a technickým testováním, než bude něco jako proudová turbína nebo SpaceX Raketová tryska je vyrobena z ní, řekl Ritchie, protože strojní inženýři skutečně potřebují mít hluboké pochopení toho, jak jejich materiály fungují, než je použijí v reálném světě. Tato studie však naznačuje, že kov má potenciál stavět motory budoucnosti.

Reference: „Kink bands zvyšují výjimečnou odolnost proti lomu v žáruvzdorné středně entropické slitině NbTaTiHf“ od Davida H. Cooka, Punita Kumara, Madelyn I. Payne, Calvina H. Belchera, Pedra Borgese, Wenqing Wanga, Flynna Walshe, Zehao Li, Aruna Devaraje , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian a Robert O. Richie, 11. dubna 2024, vědy.
doi: 10.1126/science.adn2428

Tento výzkum provedl David H. Cook, Puneet Kumar a Madeleine I. Payne a Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor a Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian a Robert O. Ritchie, vědci z Berkeley Lab, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory a UC Irvine, s financováním z Úřadu vědy ministerstva energetiky. Experimentální a výpočetní analýza byla provedena v Molecular Foundry a National Energy Research Scientific Computing Center – obou uživatelských zařízeních Úřadu vědy ministerstva energetiky.