Исследователи только что измерили самую высокую из когда-либо зарегистрированных ударных вязкостей любого материала, исследуя металлический сплав, изготовленный из хрома, кобальта и никеля, называемый CrCoNi. Было обнаружено, что материал обладает высокой пластичностью и впечатляющей стойкостью к постоянной деформации.
Исследовательская группа из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Национальной лаборатории Ок-Риджа использовала дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию для изучения структуры решетки образцов CrCoNi, которые были разрушены при комнатной температуре и 20 K.
→ Сплав является подмножеством класса металлов, называемых высокоэнтропийными сплавами (HEAs). HEAs изготавливаются из равной смеси каждого составляющего элемента.
«Когда вы разрабатываете конструкционные материалы, вы хотите, чтобы они были прочными, но в то же время пластичными и устойчивыми к разрушению«, — сказал соруководитель проекта Исо Джордж, заведующий кафедрой передовой теории сплавов и разработок в ORNL и Университете Теннесси.
«Когда вы разрабатываете конструкционные материалы, вы хотите, чтобы они были прочными, но в то же время пластичными и устойчивыми к разрушению», — говорится в заявлении соруководителя проекта Исо Джорджа, заведующего кафедрой передовой теории сплавов и разработок в ORNL и Университете Теннесси. «Как правило, это компромисс между этими свойствами. Но этот материал является и тем, и другим, и вместо того, чтобы становиться хрупким при низких температурах, он становится жестче «.
Рекордные результаты были опубликованы в журнале Science 2 декабря.
Что такое CrCoNi?
Сплав является подмножеством класса металлов, называемых высокоэнтропийными сплавами (HEAs). В то время как сплавы сегодня содержат высокую долю одного элемента при меньшем количестве добавляемых дополнительных элементов, HEAS изготавливаются из одинаковой смеси каждого составляющего элемента.
Этот рецепт придает материалу высокое сочетание прочности и пластичности при напряжении.
«Ударная вязкость этого материала при температурах жидкого гелия (20 Кельвинов, -424 градуса по Фаренгейту) достигает 500 мегапаскалей на квадратный метр. В тех же единицах ударная вязкость куска кремния равна единице, алюминиевого корпуса пассажирских самолетов — около 35, а ударная вязкость некоторых из лучших сталей — около 100. Итак, 500 — это ошеломляющее число», — сказал соруководитель исследования Роберт Ритчи, старший научный сотрудник отдела материаловедения Лаборатории Беркли и профессор инженерного дела Университета Чуа в Беркли.
Для определения «прочности» потребовалось несколько методов
Ученые использовали дифракцию нейтронов, дифракцию обратного рассеяния электронов и просвечивающую электронную микроскопию для изучения структуры решетки образцов CrCoNi, которые были разрушены при комнатной температуре и 20 K.
Согласно пресс-релизу, «изображения и атомные карты, полученные с помощью этих методов, показали, что ударная вязкость сплава обусловлена тремя препятствиями дислокации, которые вступают в силу в определенном порядке, когда к материалу прикладывается сила».
«Это забавно, потому что металлурги говорят, что структура материала определяет его свойства, но структура NiCoCr самая простая, которую вы можете себе представить – это просто зерна», — сказал Ричи.
«Однако, когда вы деформируете его, структура становится очень сложной, и этот сдвиг помогает объяснить его исключительную устойчивость к разрушению», — добавил соавтор Эндрю Минор, директор Национального центра электронной микроскопии Молекулярного литейного производства в лаборатории Беркли и профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли.
ВИДЕО: https://youtu.be/T_wu7whxEuI
CrCoNi и другие системы высшего образования близки к внедрению для специальных применений. Однако, поскольку эти материалы не самые простые в создании, Джордж утверждает, что когда-нибудь они могут быть использованы в экстремальных условиях окружающей среды, которые могут разрушить стандартные металлические сплавы, например, при низких температурах глубокого космоса.
Однако для реальных приложений требуется время.
«Когда вы летите на самолете, хотели бы вы знать, что то, что спасает вас от падения с высоты 40 000 футов, — это сплав планера, который был разработан всего несколько месяцев назад? Или вы хотели бы, чтобы материалы были зрелыми и хорошо понятными? Вот почему конструкционным материалам может потребоваться много лет, даже десятилетий, чтобы получить реальное применение», — сказал Ричи.
Реферат исследования:
Поиск конструкционных материалов, обладающих хорошими свойствами разрушения при очень низких температурах, является сложной задачей, но важен для таких областей, как освоение космоса. Лю и соавт. обнаружили высокоэнтропийный сплав хром-кобальт-никель, который обладает невероятно высокой вязкостью разрушения при 20 Кельвинах (см. Перспективу Чжана и Zhang). Такое поведение вызвано неожиданным фазовым превращением, которое в сочетании с другими микроструктурами предотвращает образование и распространение трещин. Вязкость разрушения этого сплава делает его потенциально полезным для целого ряда криогенных применений.