Новый сплав шокирует ученых своей практически невозможной прочностью и твердостью

Карта кристаллической структуры сплава, полученная методом дифракции обратного рассеяния электронов в сканирующем электронном микроскопе. Каждый цвет представляет часть кристалла, где повторяющаяся структура меняет свою трехмерную ориентацию. Фото: Лаборатория Беркли.

Исследователи обнаружили необычный минерал Сплав Он не растрескается при экстремальных температурах из-за изгиба или изгиба кристаллов сплава на атомном уровне.

Металлический сплав, состоящий из ниобия, тантала, титана и гафния, шокировал ученых-материаловедов своей удивительной прочностью и вязкостью при экстремально высоких и низких температурах — сочетанием свойств, которых до сих пор казалось почти недостижимым. В этом контексте прочность определяется как величина силы, которую материал может выдержать, прежде чем он окончательно деформируется из своей первоначальной формы, а ударная вязкость — это его устойчивость к разрушению (растрескиванию). Устойчивость сплава к изгибу и разрушению в широком диапазоне условий может открыть дверь к новому классу материалов для двигателей следующего поколения, которые смогут работать более эффективно.

Команда, возглавляемая Робертом Ритчи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) и Калифорнийского университета в Беркли, в сотрудничестве с группами под руководством профессоров Дерана Апелиана из Калифорнийского университета в Ирвине и Энрике Лаверниа из Техасского университета A&M, обнаружила, а затем открыла удивительные свойства сплава. . Как они возникают в результате взаимодействий в атомной структуре? Их работа была описана в исследовании, недавно опубликованном в журнале. Науки.

«Эффективность преобразования тепла в электричество или движение определяется температурой, при которой сгорает топливо — чем горячее, тем лучше. Однако рабочая температура ограничена конструкционными материалами, которые оно должно выдерживать». Студент из лаборатории Ричи Уи. исчерпали возможности улучшения материалов, которые мы сейчас используем при высоких температурах, и существует большая потребность в новых металлических материалах. Вот что обещает этот сплав».

Сплав в этом исследовании относится к новому классу металлов, известному как сплавы, устойчивые к высоким и средним температурам (RHEA/RMEA). Большинство металлов, которые мы видим в коммерческом или промышленном применении, представляют собой сплавы, состоящие из одного исходного металла, смешанного с небольшими количествами других элементов, но RHEA и RMEA изготавливаются путем смешивания почти равных количеств металлических элементов с очень высокими температурами плавления, что придает им уникальные свойства. .Учёные это обнаружили. Группа Ричи изучала эти сплавы в течение нескольких лет из-за их потенциала для применения при высоких температурах.

На этой карте структуры материала показаны полосы решетки, которые образуются возле вершины трещины по мере распространения трещин (слева направо) в сплаве при 25°C, комнатной температуре. Сделано с использованием детектора дифракции обратного рассеяния электронов в сканирующем электронном микроскопе. Фото: Лаборатория Беркли.

«Наша команда уже проводила предыдущие работы над RHEA и RMEA и обнаружила, что эти материалы очень прочные, но, как правило, имеют очень низкую вязкость разрушения, поэтому мы были шокированы, когда этот сплав показал исключительно высокую ударную вязкость», — сказал соавтор. Пунит Кумар, постдокторант группы.

По словам Кука, большинство RMEA имеют вязкость разрушения менее 10 МПа, что делает их одними из самых хрупких металлов из всех. Лучшие криогенные стали, специально разработанные для защиты от разрушения, примерно в 20 раз прочнее этих материалов. Однако ниобий, тантал, титан и гафний (Nb₄₅Та₂₅Т₁₅Высокая частота₁₅) Сплав RMEA смог превзойти даже криогенную сталь, зафиксировав производительность более чем в 25 раз выше, чем у обычного RMEA при комнатной температуре.

Но двигатели не работают при комнатной температуре. Ученые оценили прочность и долговечность при пяти суммарных температурах: -196°C (температура жидкого азота), 25°C (комнатная температура), 800°C, 950°C и 1200°C. Последняя температура составляет около 1/5 температуры поверхности Солнца.

Команда обнаружила, что сплав имеет максимальную прочность на холоде и становится немного слабее при повышении температуры, но по-прежнему имеет впечатляющие показатели в широком диапазоне. Вязкость разрушения, которая рассчитывается по величине силы, необходимой для распространения существующей трещины в материале, была высокой при всех температурах.

Раскрытие атомарных структур

Почти все металлические сплавы являются кристаллическими, а это означает, что атомы внутри материала расположены в повторяющихся единицах. Однако ни один кристалл не идеален, все они содержат недостатки. Самый заметный дефект, который движется, называется дислокацией и представляет собой несовершенную плоскость атомов в кристалле. Когда к металлу прилагается сила, она заставляет несколько дислокаций перемещаться, чтобы приспособиться к изменению формы.

Например, когда вы сгибаете алюминиевую скрепку, движение дислокаций внутри скрепки учитывает изменение формы. Однако движение дислокаций при низких температурах затрудняется, и в результате многие материалы становятся хрупкими при низких температурах, поскольку дислокации не могут двигаться. Вот почему стальной корпус Титаника сломался при столкновении с айсбергом. Тугоплавкие элементы и их сплавы доводят эту ситуацию до крайности: многие из них остаются хрупкими даже при температуре до 800°C. Однако этот RMEA противоречит этой тенденции, выдерживая перерывы даже при таких низких температурах, как жидкий азот (-196°C).

На этой карте показаны полосы решетки, образовавшиеся возле вершины трещины во время испытания на распространение трещины (слева направо) в сплаве при -196°C. Фото: Лаборатория Беркли.

Чтобы понять, что происходило внутри изысканного металла, со-исследователь Эндрю Майнор и его команда проанализировали напряженные образцы, а также разогнутые и нетреснувшие контрольные образцы, используя 4-мерный сканирующий электронный микроскоп (4D-STEM) и сканирующий электронный микроскоп (4D-STEM). STEM) в Национальном центре электронной микроскопии, входящем в состав молекулярной литейной лаборатории Беркли.

Данные электронного микроскопа показали, что необычная твердость сплава обусловлена ​​неожиданным побочным эффектом редкого дефекта, называемого полосой излома. Полосы узлов образуются в кристалле, когда приложенная сила заставляет сегменты кристалла внезапно сжиматься и изгибаться. Направление, в котором кристалл изгибается в этих нитях, увеличивает силу, ощущаемую дислокациями, заставляя их двигаться легче. На уровне массы это явление приводит к размягчению материала (это означает, что к материалу необходимо прикладывать меньшую силу при его деформации). Из предыдущих исследований команда знала, что в RMEA легко образуются полосы узлов, но они предположили, что эффект размягчения сделает материал менее жестким, облегчив распространение трещин по сетке. Но на самом деле это не так.

«Мы впервые показали, что в случае острой трещины между атомами торсионные полосы фактически противостоят распространению трещины, распределяя ущерб от нее, предотвращая разрушение и приводя к необычайно высокой вязкости разрушения», — сказал Кук.

Примечание₄₅Та₂₅Т₁₅Высокая частота₁₅ Сплавы должны будут пройти более фундаментальные исследования и инженерные испытания, прежде чем появится что-то вроде реактивной турбины или SpaceX Сопло ракеты сделано из него, говорит Ричи, потому что инженерам-механикам действительно необходимо глубоко понимать, как их материалы ведут себя, прежде чем использовать их в реальном мире. Однако это исследование предполагает, что металл имеет потенциал для создания двигателей будущего.

Ссылка: «Полосы излома повышают исключительную устойчивость к разрушению в тугоплавком сплаве средней энтропии NbTaTiHf», Дэвид Х. Кук, Пунит Кумар, Мэделин И. Пейн, Кэлвин Х. Белчер, Педро Борхес, Венцин Ван, Флинн Уолш, Зехао Ли, Арун Деварадж , Мингвэй Чжан, Марк Аста, Эндрю М. Минор, Энрике Дж. Лаверниа, Деран Абелян и Роберт О. Ричи, 11 апреля 2024 г., Науки.
doi: 10.1126/science.adn2428

Это исследование было проведено Дэвидом Х. Кук, Пунит Кумар и Мадлен И. Пейн и Кэлвин Х. Белчер, Педро Борхес, Вэньцин Ван, Флинн Уолш, Цзихао Ли, Арун Деварадж, Мингвэй Чжан, Марк Аста, Эндрю М. Минор и Энрике. Дж. Лаверниа, Деран Абелян и Роберт О. Ричи, ученые из лаборатории Беркли, Калифорнийского университета в Беркли, Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории и Калифорнийского университета в Ирвине при финансовой поддержке Управления науки Министерства энергетики. Экспериментальный и вычислительный анализ проводился в Молекулярном литейном заводе и Национальном научно-вычислительном центре энергетических исследований — обоих объектах Управления науки Министерства энергетики.