Ученые открыли самый прочный в мире материал
Поиск конструкционных материалов, устойчивых к разрушению при очень низких температурах, является сложной задачей, но важной для таких областей, как освоение космоса. Недавно исследователи обнаружили высокоэнтропийный металлический сплав хром-кобальт-никель, который обладает невероятно высокой вязкостью разрушения при криогенных температурах. Его использование может произвести революцию в металлургии.
Сплавы уже давно используются для придания материалам желаемых свойств. Как правило, это включает добавление относительно небольшого количества вторичных элементов к первичному элементу. Однако в последние два десятилетия реализуется новая стратегия легирования, которая предполагает объединение нескольких первичных элементов в высоких концентрациях для создания новых материалов, называемых высокоэнтропийными сплавами.
Сплавы с высокой энтропией впервые появились в 2004 году. Первоначально открытые случайно или методом проб и ошибок, они все больше интересуют ученых, особенно с целью создания уникальных материалов со специфическими характеристиками. Эти высокоэнтропийные сплавы состоят по крайней мере из пяти металлов в почти эквимолярной пропорции (обычно от 5 до 35%), т.е. равная смесь каждого составляющего элемента.
Недавно исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) и Национальной лаборатории Ок-Ридж измерили самую высокую прочность, когда-либо зарегистрированную для материала, изучая металлический сплав, состоящий из хрома, кобальта и никеля (CrCoNi). В отличие от большинства других существующих материалов, свойства сплава улучшаются по мере его охлаждения. Их работа опубликована в журнале Science.
Инновации в высокоэнтропийных сплавах
CrCoNi является подмножеством высокоэнтропийных сплавов. Как упоминалось ранее, все используемые сегодня сплавы содержат высокую долю одного элемента с меньшим количеством дополнительных элементов, но высокоэнтропийные сплавы состоят из эквимолярной смеси.
Эти сбалансированные атомные смеси придают некоторым из этих материалов необычайно высокую прочность и пластичность при воздействии на них напряжения. Пластичность означает высокую податливость материала. Прочность материала означает, что он может противостоять постоянной деформации.
Роберт Ричи, старший научный сотрудник отдела материаловедения Лаборатории Беркли и профессор инженерных наук Чуа в Калифорнийском университете Беркли, и Исо Джордж, председатель группы по разработке перспективных сплавов в Университете Теннесси, начали экспериментировать с CrCoNi и другим сплавом, который также содержит марганец и железо (CrMnFeCoNi), почти десять лет назад.
Они создали образцы сплавов, затем опустили материалы до температуры жидкого азота (около 77 кельвинов, или -196 °C) и обнаружили впечатляющую прочность и вязкость. Они сразу же захотели продолжить свою работу с испытаниями при температуре жидкого гелия, но технология, позволяющая довести материалы до предела в экстремальных испытаниях, была недоступна до недавнего времени.
Слишком холодно, чтобы сломаться
Для измерения прочности и пластичности образец металла растягивается до разрушения, а для испытания на вязкость разрушения в образец перед растяжением намеренно вводится острая трещина, после чего измеряется напряжение, необходимое для возникновения трещины.
Используя дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию, авторы исследовали структуру решетки образцов CrCoNi, которые были разрушены при комнатной температуре и при 20 кельвинах (-253 °C).
Изображения и атомные карты, полученные с помощью этих методов, показали, что прочность сплава обусловлена тройкой дислокационных барьеров, расположенных в определенном порядке, когда к материалу прикладывается сила. Во-первых, перемещение дислокаций вызывает проскальзывание участков материала относительно других участков в параллельных плоскостях. Это движение смещает слои элементарных клеток так, что их рисунок больше не соответствует направлению, перпендикулярному движению скольжения, создавая своего рода препятствие.
Дополнительная сила, действующая на металл, создает явление, называемое «nanotwinning», при котором участки решетки образуют зеркальную симметрию с границей между ними. Наконец, если силы продолжают действовать на металл, энергия, вводимая в систему, изменяет расположение элементарных ячеек, при этом атомы CrCoNi переходят от гранецентрированного кубического кристалла к другому расположению, известному как гексагональная упаковка.
Роберт Ричи объясняет в своем заявлении: «Когда вы тянете его, запускается первый механизм, потом второй, потом третий, потом четвертый. Многие скажут: ну, мы видели «nanotwinning» в обычных материалах, мы видели скольжение в обычных материалах. Это правда. В этом нет ничего нового, но именно тот факт, что все они происходят в этой волшебной последовательности, дает нам эти действительно замечательные свойства«.
Сплав CrMnFeCoNi также был испытан при 20 кельвинах и показал впечатляющие характеристики (262 мегапаскаль-метр½), но не достиг такой же прочности, как более простой сплав CrCoNi (459 мегапаскаль-метр½).
Хотя создание этих материалов требует больших затрат, Джордж предвидит их применение в ситуациях, когда экстремальные условия окружающей среды могут разрушить стандартные металлические сплавы, например, в открытом космосе. Авторы также изучают возможность получения сплавов из более распространенных и дешевых элементов с аналогичными свойствами.