Ученые измерили самую высокую когда-либо зарегистрированную ударную вязкость любого материала, исследуя металлический сплав из хрома, кобальта и никеля (CrCoNi). Мало того, что металл чрезвычайно пластичен (что в материаловедении означает очень ковкий) и впечатляюще прочен (что означает, что он сопротивляется остаточной деформации), его прочность и пластичность улучшаются по мере того, как он становится холоднее. Это противоречит большинству других существующих материалов.
Команда, возглавляемая исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Окриджской национальной лаборатории, опубликовала исследование с описанием своих рекордных результатов в журнале Science.
CrCoNi относится к классу металлов, называемых высокоэнтропийными сплавами (ВЭС). Все сплавы, используемые сегодня, содержат большую долю одного элемента с добавлением меньшего количества дополнительных элементов, но ВЭС изготавливаются из равной смеси каждого составного элемента. Эти сбалансированные атомарные рецепты, по-видимому, наделяют некоторые из этих материалов необычайно высоким сочетанием прочности и пластичности при нагрузке, которые вместе составляют то, что называется "вязкостью". Эти материалы были горячей областью исследований с тех пор, как они были впервые разработаны около 20 лет назад, но технология, необходимая для того, чтобы довести материалы до их предела в экстремальных испытаниях, была недоступна до недавнего времени.
Изначально ученые начали экспериментировать с CrCoNi и другим сплавом, который также содержит марганец и железо (CrMnFeCoNi) почти десять лет назад. Они создали образцы сплавов, затем понизили температуру материалов до температуры жидкого азота (около 77 кельвинов, или -321 °F) и обнаружили впечатляющую прочность и ударную вязкость. Они сразу же захотели продолжить свою работу испытаниями в диапазонах температур жидкого гелия, но нашли оборудование, позволяющее проводить стресс-тестирование образцов в такой холодной среде. Анализ того, что происходит с материалом при атомный уровень занял следующие 10 лет. К счастью, результаты стоили ожидания.
Итоги измерения CrCoNi ошеломляют. Прочность этого материала при температурах жидкого гелия (20 кельвинов, -424 ° по Фаренгейту) достигает 500 мегапаскалей на квадратный корень из метров. В тех же единицах ударная вязкость куска кремния равна единице, алюминиевого каркаса пассажирских самолетов — около 35, а ударная вязкость некоторых лучших сталей — около 100. Грубо говоря, 500 — это ошеломляющее число.
Изображения и атомные карты, полученные в ходе исследования, показали, что ударная вязкость сплава обусловлена тремя препятствиями дислокации, которые вступают в действие в определенном порядке, когда к материалу прикладывается сила. Во-первых, движущиеся дислокации заставляют участки кристалла соскальзывать с других участков, лежащих в параллельных плоскостях. Это движение смещает слои элементарных ячеек так, что их рисунок больше не совпадает в направлении, перпендикулярном скользящему движению, создавая своего рода препятствие. Дальнейшее воздействие на металл создает явление, называемое нанодвойникованием, где области решетки образуют зеркальную симметрию с границей между ними. Наконец, если силы продолжают действовать на металл, подаваемая в систему энергия изменяет расположение самих элементарных ячеек, при этом атомы CrCoNi переключаются с гранецентрированного кубического кристалла на другое расположение, известное как гексагональная плотная упаковка.
Эта последовательность атомных взаимодействий гарантирует, что металл продолжает течь, но также продолжает встречать новое сопротивление со стороны препятствий, намного превышающее точку, в которой большинство материалов ломаются от напряжения.
Теперь, когда внутреннее устройство сплава CrCoNi лучше изучено, он и другие HEA стали на один шаг ближе к внедрению в специальные приложения. Хотя эти материалы дороги в производстве, авторы работы видят их использование в ситуациях, когда экстремальные условия окружающей среды могут разрушить стандартные металлические сплавы, например, при низких температурах глубокого космоса.