Этот сплав — самый прочный из известных материалов на Земле, и на морозе он становится еще прочнее

Сплав хрома, кобальта и никеля только что дал нам самую высокую вязкость разрушения, когда-либо измеренную для материала на Земле.

Он обладает исключительно высокой прочностью и пластичностью, что привело к тому, что команда ученых назвал «выдающейся устойчивостью к повреждениям».

Более того, как это ни парадоксально, эти свойства увеличиваются по мере того, как материал становится холоднее, что предполагает некоторый интересный потенциал для применения в экстремальных криогенных средах.

«Когда вы «Разрабатывая конструкционные материалы, вы хотите, чтобы они были прочными, но при этом пластичными и устойчивыми к разрушению», — говорит металлург Исо Джордж, заведующий кафедрой перспективных теорий и разработок сплавов Национальной лаборатории Ок-Риджа и Университета 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».

Прочность, пластичность и ударная вязкость — три свойства, определяющие долговечность материал есть. Прочность описывает устойчивость к деформации. А пластичность описывает, насколько пластичен материал. Эти два свойства способствуют его общей прочности: сопротивление разрушению. Прочность на излом — это сопротивление дальнейшему разрушению уже разрушенного материала.

Джордж и его коллега, старший автор, инженер-механик Роберт Ричи из Национальной лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли, некоторое время работали над класс материалов, известных как высокоэнтропийные сплавы или ВЭС. В большинстве сплавов преобладает один элемент с небольшой примесью других. ВЭС содержат элементы, смешанные в равных пропорциях.

Один из таких сплавов, CrMnFeCoNi (хром, марганец, железо, кобальт и никель), имеет был предметом интенсивных исследований после того, как ученые заметили, что его прочность и пластичность увеличиваются при температуре жидкого азота без ущерба для ударной вязкости.

Одно из производных этого сплава, CrCoNi (хром, кобальт и никель), продемонстрировало еще более исключительные характеристики. характеристики. Так что Джордж, Ричи и их команда сломили кулаки и приступили к работе до предела.

Предыдущие эксперименты с CrMnFeCoNi и CrCoNi проводились при температуре жидкого азота до 77 кельвинов (-196°C, -321°F). Команда продвинула его еще дальше, до температур жидкого гелия.

Результаты были невероятными.

«Прочность этого материала при температурах, близких к гелиевым (20 кельвинов, [-253°C, -424°F]) достигает 500 мегапаскалей в квадратных метрах, — объясняет Ричи.

«В тех же единицах ударная вязкость куска кремния равна единице, алюминиевый каркас пассажирского самолета — около 35, а ударная вязкость некоторых лучших сталей — около 100. Итак, 500 — это ошеломляющая цифра».

К Чтобы выяснить, как это работает, команда использовала дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию, чтобы изучить CrCoNi вплоть до атомного уровня при разрушении при комнатной температуре и на сильном холоде.

Это включало растрескивание материала. и измерение напряжения, необходимого для роста трещины, а затем изучение кристаллической структуры образцов.

Атомы в металлах расположены повторяющимся узором в трехмерном пространстве. сиональное пространство. Этот узор известен как кристаллическая решетка. Повторяющиеся компоненты решетки называются элементарными ячейками.

Иногда между деформированными и недеформированными элементарными ячейками создаются границы. Эти границы называются дислокациями, и когда к металлу прикладывается сила, они перемещаются, позволяя металлу изменять форму. Чем больше дислокаций в металле, тем он более податлив.

Неровности в металле могут блокировать движение дислокаций; это то, что делает материал прочным. Но если дислокации заблокированы, вместо деформации материал может треснуть, поэтому высокая прочность часто может означать высокую хрупкость. В CrCoNi исследователи определили определенную последовательность из трех дислокационных блоков.

Первым происходит скольжение, когда параллельные части кристаллической решетки соскальзывают друг с друга. Это приводит к тому, что элементарные ячейки больше не совпадают перпендикулярно направлению скольжения.

Постоянная сила приводит к нанодвойникованию, когда кристаллические решетки образуют зеркальное расположение по обе стороны от границы. Если приложить еще большую силу, эта энергия пойдет на изменение формы элементарных ячеек от кубической к гексагональной кристаллической решетке.

«Когда вы тянете ее, запускается первый механизм, а затем начинается второй, затем третий, а затем четвертый, — говорит Ричи.

«Теперь многие люди скажут, ну, мы видели нанодвойникование в обычных материалах, мы Я видел скольжение в обычных материалах. Это правда. В этом нет ничего нового, но тот факт, что все они происходят в этой волшебной последовательности, дает нам эти действительно потрясающие свойства».

Исследователи также протестировали CrMnFeCoNi в жидком состоянии. гелиевых температурах, но он не так эффективен, как его более простая производная.

Следующим шагом будет исследование потенциальных применений такого материала, а также поиск других ВЭС с аналогичными свойствами.

p>

Исследование опубликовано в журнале Science.