Az új ötvözet szinte lehetetlen erejével és szívósságával zavarba ejti a tudósokat | EatchbQ

SciTechDaily

Az ötvözet kristályszerkezetének pásztázó elektronmikroszkópban elektron-visszaszórás-diffrakcióval készült térképe. Mindegyik szín a kristály egy olyan szakaszát jelöli, ahol az ismétlődő szerkezet megváltoztatja a 3D orientációját. Köszönetnyilvánítás: Berkeley Lab

A tudósok egy rendkívüli fémet fedeztek fel ötvözet amely nem reped meg szélsőséges hőmérsékleten az ötvözetben lévő kristályok atomi szinten történő megrepedése vagy hajlítása miatt.

A nióbiumból, tantálból, titánból és hafniumból álló fémötvözet lenyűgöző szilárdságával és szívósságával sokkolta az anyagtudósokat szélsőségesen meleg és hideg hőmérsékleten egyaránt, olyan tulajdonságok kombinációjával, amelyeket eddig szinte lehetetlennek tűnt elérni. Ebben az összefüggésben a szilárdság azt jelenti, hogy egy anyag mekkora erőt képes ellenállni, mielőtt véglegesen deformálódna eredeti alakjából, a szívósság pedig a töréssel (repedésekkel) szembeni ellenállása. Az ötvözet hajlítással és töréssel szembeni ellenállása számos körülmény között megnyithatja az ajtót a következő generációs motorok új anyagosztálya előtt, amelyek nagyobb hatékonysággal működhetnek.

A Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriumban (Berkeley Lab) és az UC Berkeleyben dolgozó Robert Ritchie vezette csapat a Diran Apelian professzorok (UC Irvine) és Enrique Lavernia (Texas A&M University) által vezetett csoportokkal együttműködve felfedezték az ötvözet meglepő tulajdonságait, majd rájöttek. . hogyan keletkeznek az atomi szerkezet kölcsönhatásaiból. Munkájukat a folyóiratban nemrég megjelent tanulmány írja le Tudomány.

“A hő elektromos árammá vagy vontatássá történő átalakításának hatékonyságát az a hőmérséklet határozza meg, amelyen az üzemanyag eléget – minél melegebb, annál jobb. Az üzemi hőmérsékletet azonban korlátozzák azok a szerkezeti anyagok, amelyeknek ellenállniuk kell” – mondta David Cook, az első szerző. Ph.D. hallgatók a Ritchie laboratóriumában „Kimerítettük a jelenleg használt anyagok további optimalizálásának lehetőségét, és nagy szükség van új fémanyagokra. Ezt ígéri ez az ötvözet.”

A tanulmányban szereplő ötvözet a fémek egy új osztályából származik, amelyeket tűzálló, nagy vagy közepes entrópiájú ötvözetekként (RHEAS/RMEA) ismerünk. A legtöbb fém, amelyet kereskedelmi vagy ipari alkalmazásokban látunk, olyan ötvözet, amely egy fő fémből készül, kis mennyiségű más elemmel keverve, de az RHEA-kat és az RMEA-kat közel azonos mennyiségű fémelem nagyon magas olvadási hőmérsékletű összekeverésével állítják elő, ami egyedi tulajdonságokat ad nekik. hogy a tudósok még mindig megfejtik. A Ritchie csoportja évek óta vizsgálja ezeket az ötvözeteket, mivel magas hőmérsékleten alkalmazhatók.

Nióbiumból, tantálból, titánból és hafniumból álló fémötvözet

Ezen az anyagszerkezeti térképen láthatóak a repedéscsúcs közelében, a repedés terjedése során (balról jobbra haladva) az ötvözetben 25 C-on, szobahőmérsékleten képződő gyűrődési sávok. Elektron visszaszórás diffrakciós detektorral készült pásztázó elektronmikroszkópban. Köszönetnyilvánítás: Berkeley Lab

“Csapatunk korábban már dolgozott RHEA-kkal és RMEA-kkal, és azt találtuk, hogy ezek az anyagok nagyon erősek, de általában rendkívül alacsony a törési szilárdságuk, ezért voltunk megdöbbenve, amikor ez az ötvözet szokatlanul nagy szívósságot mutatott” – mondta a társszerző. Punit Kumar, a csoport posztdoktori kutatója.

Cook szerint a legtöbb RMEA törési szilárdsága kisebb, mint 10 MPa√m, így a valaha volt legtörékenyebb fémek közé tartoznak. A legjobb kriogén acélok, amelyeket kifejezetten úgy terveztek, hogy ellenálljanak a törésnek, körülbelül 20-szor keményebbek ezeknél az anyagoknál. Azonban a nióbium, a tantál, a titán és a hafnium (Nb45Lábujj25Tíz15HF15) Az RMEA ötvözet még a kriogén acélt is képes volt legyőzni, mivel szobahőmérsékleten több mint 25-ször keményebb, mint a tipikus RMEA.

De a motorok nem működnek szobahőmérsékleten. A kutatók összesen öt hőmérsékleten értékelték a szilárdságot és a szívósságot: -196°C (folyékony nitrogén hőmérséklete), 25°C (szobahőmérséklet), 800°C, 950°C és 1200°C. A végső hőmérséklet a nap felszíni hőmérsékletének körülbelül 1/5-e.

A csapat megállapította, hogy az ötvözet volt a legnagyobb szilárdságú hidegben, és kissé gyengült a hőmérséklet emelkedésével, de így is lenyűgöző számokkal büszkélkedhet a széles tartományban. A törési szívósság, amelyet az alapján számítanak ki, hogy mekkora erő szükséges egy meglévő repedés terjedéséhez egy anyagban, minden hőmérsékleten magas volt.

Az atomi elrendezések feloldása

Szinte minden fémötvözet kristályos, ami azt jelenti, hogy az anyagban lévő atomok ismétlődő egységekben helyezkednek el. Azonban egyetlen kristály sem tökéletes, mindegyikben vannak hibák. A legszembetűnőbb mozgáshibát diszlokációnak nevezik, amely a kristályban lévő atomok befejezetlen síkja. Ha erőt fejtenek ki egy fémre, az sok elmozdulást okoz, hogy alkalmazkodjon az alakváltozáshoz.

Például, amikor egy alumíniumból készült gemkapcsot meghajlít, a gemkapcson belüli elmozdulások mozgása alkalmazkodik az alakváltozáshoz. Alacsonyabb hőmérsékleten azonban nehezebbé válik a diszlokációk mozgása, és ennek következtében sok anyag alacsony hőmérsékleten törékennyé válik, mert a diszlokációk nem tudnak elmozdulni. Ezért tört el a Titanic acélteste, amikor jéghegynek ütközött. A magas olvadáspontú elemek és ötvözeteik ezt a szélsőséges helyzetbe viszik, és sok törékeny marad akár 800°C-ig is. Ez az RMEA azonban megfordítja a trendet, és még olyan alacsony hőmérsékleten is ellenáll a pattanásnak, mint a folyékony nitrogén (-196 °C).

A Kink Band nióbiumból, tantálból, titánból és hafniumból álló fémötvözete

Ez a térkép a repedéscsúcs közelében kialakuló megtört sávokat mutatja a repedésterjedési tesztek során (balról jobbra) az ötvözetben -196 C-on. Köszönetnyilvánítás: Berkeley Lab

Annak érdekében, hogy megértsék, mi történt a figyelemre méltó fém belsejében, Andrew Minor kutatótárs és csapata négydimenziós pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóppal (4D-STEM) és pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóppal (STEM) elemezte a feszültség alatt álló mintákat, valamint a meg nem hajlított és fel nem repedt kontrollmintákat. az Országos Elektronmikroszkópos Központ, amely a Berkeley Lab molekuláris öntödéjének része.

Az elektronmikroszkópos adatok azt mutatták, hogy az ötvözet szokatlan szívóssága egy ritka hiba, az úgynevezett törési szalag váratlan mellékhatásából adódik. Hajlító sávok alakulnak ki a kristályban, amikor az alkalmazott erő hatására a kristálycsíkok magukra esnek, és hirtelen meghajlanak. Az az irány, ahogyan a kristály hajlik ezekben a csíkokban, növeli a diszlokációk által érzett erőt, aminek következtében könnyebben mozognak. Ömlesztett szinten ez a jelenség az anyag meglágyulását okozza (azaz kisebb erőt kell kifejteni az anyagra, ha deformálódik). A csapat korábbi kutatásaiból tudta, hogy az RMEA-ban könnyen kialakulnak a meghajlási sávok, de feltételezték, hogy a lágyító hatás kevésbé szívósabbá teszi az anyagot, mivel megkönnyíti a repedés átterjedését a rácson. De a valóságban ez nem így van.

“Első alkalommal mutatjuk meg, hogy az atomok közötti éles repedés jelenlétében a megtört sávok ténylegesen ellenállnak a repedés továbbterjedésének azáltal, hogy eloszlatják a sérülést, megakadályozva a törést, és rendkívül magas törési szilárdsághoz vezetnek” – mondta Cook.

Az Nb45Lábujj25Tíz15HF15 ötvözetnek sokkal alaposabb kutatáson és mérnöki tesztelésen kell keresztülmennie, mielőtt valami sugárturbina ill SpaceX A rakétafúvókák ebből készülnek, mondta Ritchie, mert a gépészmérnököknek jogosan megkövetelik az anyagaik működésének alapos megértését, mielőtt a való világban felhasználnák őket. Ez a tanulmány azonban azt jelzi, hogy a fémben megvan a lehetőség a jövő motorjainak megépítésére.

Hivatkozás: “A gyűrött szalagok kivételes törésállóságot biztosítanak NbTaTiHf tűzálló, közepes entrópiájú ötvözetben” David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian és Robert O. Ritchie, 2024. április 11. Tudomány.
DOI: 10.1126/science.adn2428

Ezt a kutatást David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique végezte. J. Lavernia, Diran Apelian és Robert O. Ritchie, a Berkeley Lab, az UC Berkeley, a Pacific Northwest National Laboratory és az UC Irvine kutatói, az Energiaügyi Minisztérium (DOE) Tudományos Hivatalának finanszírozásával. Kísérleti és számítási elemzést végeztek a Molekuláris Öntödében és a Nemzeti Energiakutatási Tudományos Számítástechnikai Központban – mindkettő a DOE Office of Science felhasználói létesítménye.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *