Eine neue Legierung schockiert Wissenschaftler mit ihrer nahezu unmöglichen Festigkeit und Härte

Karte der Kristallstruktur der Legierung aus Elektronenrückstreubeugung im Rasterelektronenmikroskop. Jede Farbe stellt einen Teil des Kristalls dar, in dem die sich wiederholende Struktur ihre 3D-Ausrichtung ändert. Bildnachweis: Berkeley Lab

Forscher haben ein ungewöhnliches Mineral entdeckt Legierung Bei extremen Temperaturen aufgrund der Biegung oder Biegung der Kristalle in der Legierung auf atomarer Ebene kommt es nicht zu Rissen.

Eine Metalllegierung aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium hat Materialwissenschaftler mit ihrer erstaunlichen Festigkeit und Zähigkeit bei extrem heißen und kalten Temperaturen schockiert – eine Kombination von Eigenschaften, die bisher kaum zu erreichen schien. In diesem Zusammenhang wird Festigkeit als die Menge an Kraft definiert, der ein Material standhalten kann, bevor es sich dauerhaft aus seiner ursprünglichen Form verformt, und Zähigkeit ist der Widerstand gegen Bruch (Risse). Die Biege- und Bruchfestigkeit der Legierung unter verschiedensten Bedingungen könnte die Tür zu einer neuen Materialklasse für Motoren der nächsten Generation öffnen, die effizienter arbeiten können.

Das Team unter der Leitung von Robert Ritchie vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) und der UC Berkeley entdeckte in Zusammenarbeit mit Gruppen unter der Leitung der Professoren Deran Apelian von der UC Irvine und Enrique Lavernia von der Texas A&M University die erstaunlichen Eigenschaften der Legierung und entdeckte sie anschließend . Wie entstehen sie durch Wechselwirkungen in der Atomstruktur? Ihre Arbeit wurde in einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie beschrieben Wissenschaften.

„Die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Elektrizität oder Antrieb wird durch die Temperatur bestimmt, bei der der Kraftstoff verbrannt wird. Die Betriebstemperatur wird jedoch durch die Strukturmaterialien begrenzt, denen er in Ritchies Labor standhalten muss.“ Die Möglichkeiten, die Materialien, die wir derzeit bei hohen Temperaturen verwenden, zu verbessern, sind erschöpft, und es besteht ein großer Bedarf an neuen metallischen Werkstoffen. Das verspricht diese Legierung.“

Die Legierung in dieser Studie gehört zu einer neuen Klasse von Metallen, die als hoch- oder mitteltemperaturbeständige Legierungen (RHEAs/RMEAs) bekannt sind. Die meisten Metalle, die wir in kommerziellen oder industriellen Anwendungen sehen, sind Legierungen aus einem Grundmetall, gemischt mit kleinen Mengen anderer Elemente. RHEAs und RMEAs werden jedoch durch Mischen nahezu gleicher Mengen metallischer Elemente mit sehr hohen Schmelztemperaturen hergestellt, was ihnen immer noch einzigartige Eigenschaften verleiht . Wissenschaftler entdecken es. Ritchies Gruppe untersucht diese Legierungen seit mehreren Jahren aufgrund ihres Potenzials für Hochtemperaturanwendungen.

Diese Materialstrukturkarte zeigt Gitterbänder, die sich in der Nähe der Rissspitze bilden, wenn sich Risse (von links nach rechts) in der Legierung bei 25 °C und Raumtemperatur ausbreiten. Hergestellt mit einem Elektronenrückstreubeugungsdetektor in einem Rasterelektronenmikroskop. Bildnachweis: Berkeley Lab

„Unser Team hat frühere Arbeiten zu RHEAs und RMEAs durchgeführt und herausgefunden, dass diese Materialien sehr fest sind, aber im Allgemeinen eine sehr geringe Bruchzähigkeit aufweisen, weshalb wir schockiert waren, als diese Legierung eine außergewöhnlich hohe Zähigkeit zeigte“, sagte der Co-Autor. Puneet Kumar, ein Postdoktorand in der Gruppe.

Laut Cook haben die meisten RMEA eine Bruchzähigkeit von weniger als 10 MPa und gehören damit zu den sprödesten Metallen überhaupt. Die besten kryogenen Stähle, die speziell auf Bruchfestigkeit ausgelegt sind, sind etwa 20-mal stärker als diese Materialien. Niob, Tantal, Titan und Hafnium (Nb₄₅Ta₂₅T₁₅Hochfrequenz₁₅) Die RMEA-Legierung war in der Lage, sogar kryogenen Stahl zu übertreffen, und verzeichnete eine mehr als 25-mal höhere Leistung als typisches RMEA bei Raumtemperatur.

Aber Motoren funktionieren nicht bei Raumtemperatur. Wissenschaftler bewerteten Festigkeit und Haltbarkeit bei fünf Gesamttemperaturen: -196 °C (Flüssigstickstofftemperatur), 25 °C (Raumtemperatur), 800 °C, 950 °C und 1200 °C. Die letztgenannte Temperatur beträgt etwa 1/5 der Temperatur der Sonnenoberfläche.

Das Team stellte fest, dass die Legierung ihre höchste Festigkeit in der Kälte aufweist und mit steigender Temperatur etwas schwächer wird, aber im gesamten breiten Bereich immer noch beeindruckende Werte aufweist. Die Bruchzähigkeit, die aus der Kraft berechnet wird, die erforderlich ist, um einen vorhandenen Riss in einem Material fortzupflanzen, war bei allen Temperaturen hoch.

Aufdeckung atomarer Anordnungen

Fast alle Metalllegierungen sind kristallin, das heißt, die Atome innerhalb des Materials sind in sich wiederholenden Einheiten angeordnet. Allerdings ist kein Kristall perfekt, sie alle weisen Unvollkommenheiten auf. Der auffälligste Defekt, der sich bewegt, wird als Versetzung bezeichnet, bei der es sich um eine unvollkommene Ebene von Atomen im Kristall handelt. Wenn auf Metall eine Kraft ausgeübt wird, werden mehrere Versetzungen verschoben, um der Formänderung Rechnung zu tragen.

Wenn Sie beispielsweise eine Büroklammer aus Aluminium biegen, passt sich die Formänderung durch die Bewegung der Versetzungen innerhalb der Büroklammer an. Allerdings wird die Bewegung von Versetzungen bei niedrigen Temperaturen schwieriger, und als Folge davon werden viele Materialien bei niedrigen Temperaturen spröde, weil sich die Versetzungen nicht bewegen können. Deshalb zerbrach der Stahlrumpf der Titanic, als sie auf einen Eisberg prallte. Elemente mit hoher Schmelztemperatur und deren Legierungen bringen dies auf die Spitze: Viele bleiben selbst bei bis zu 800 °C spröde. Dieser RMEA widersteht jedoch dem Trend und übersteht Unterbrechungen selbst bei so niedrigen Temperaturen wie flüssigem Stickstoff (-196 °C).

Diese Karte zeigt Gitterbänder, die sich während eines Rissausbreitungstests (von links nach rechts) in der Legierung bei -196 °C in der Nähe der Rissspitze gebildet haben. Bildnachweis: Berkeley Lab

Um zu verstehen, was im Inneren des exquisiten Metalls vor sich ging, analysierten Co-Forscher Andrew Minor und sein Team die beanspruchten Proben sowie ungebogene und nicht gerissene Kontrollproben mithilfe eines 4-dimensionalen Rasterelektronenmikroskops (4D-STEM) und eines Rasterelektronenmikroskops ( STEM) am National Center for Electron Microscopy, Teil der Molecular Foundry des Berkeley Lab.

Elektronenmikroskopische Daten zeigten, dass die ungewöhnliche Härte der Legierung auf einen unerwarteten Nebeneffekt eines seltenen Defekts namens Knickband zurückzuführen ist. Knotenbänder entstehen in einem Kristall, wenn eine ausgeübte Kraft dazu führt, dass die Segmente des Kristalls plötzlich in sich zusammenfallen und sich verbiegen. Die Richtung, in die sich der Kristall in diesen Strängen biegt, erhöht die Kraft, die auf die Versetzungen wirkt, wodurch sie sich leichter bewegen können. Auf Massenebene führt dieses Phänomen dazu, dass das Material weicher wird (was bedeutet, dass bei der Verformung weniger Kraft auf das Material ausgeübt werden muss). Das Team wusste aus früheren Untersuchungen, dass sich in RMEA leicht Knotenbänder bilden, sie gingen jedoch davon aus, dass der Erweichungseffekt das Material weniger steif machen würde, indem es die Ausbreitung von Rissen durch das Netzwerk erleichtert. Aber in Wirklichkeit ist dies nicht der Fall.

„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass Torsionsbänder im Falle eines scharfen Risses zwischen Atomen tatsächlich der Rissausbreitung widerstehen, indem sie den Schaden von ihm weg verteilen, einen Bruch verhindern und zu einer ungewöhnlich hohen Bruchzähigkeit führen“, sagte Cook.

NB₄₅Ta₂₅T₁₅Hochfrequenz₁₅ Die Legierungen müssen grundlegenderer Forschung und technischer Prüfung unterzogen werden, bevor irgendetwas wie eine Strahlturbine oder … hergestellt wird SpaceX Die Raketendüse bestehe daraus, sagte Ritchie, weil Maschinenbauingenieure wirklich ein tiefes Verständnis für die Leistung ihrer Materialien haben müssten, bevor sie sie in der realen Welt einsetzen könnten. Diese Studie legt jedoch nahe, dass das Metall das Potenzial hat, die Motoren der Zukunft zu bauen.

Referenz: „Knickbänder erhöhen die außergewöhnliche Bruchfestigkeit der feuerfesten Legierung NbTaTiHf mit mittlerer Entropie“ von David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian und Robert O. Richie, 11. April 2024, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adn2428

Diese Forschung wurde von David H. durchgeführt. Cook, Puneet Kumar und Madeleine I. Payne und Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor und Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian und Robert O. Ritchie, Wissenschaftler am Berkeley Lab, der UC Berkeley, dem Pacific Northwest National Laboratory und der UC Irvine, mit Mitteln des Office of Science des Energieministeriums. Die experimentelle und rechnerische Analyse wurde in der Molecular Foundry und dem National Energy Research Scientific Computing Center durchgeführt – beides Nutzereinrichtungen des Office of Science des Energieministeriums.