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.