Znamy najmocniejszy materiał na Ziemi

Nowy stop metali, którego właściwości badali naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Oak Ridge National Laboratory, ma niezwykle dużą plastyczność (innymi słowy jest bardzo ciągliwy i kowalny), a jednocześnie jest niespotykanie wytrzymały (czyli odporny na trwałe odkształcenia). Co zupełnie niespotykane, wytrzymałość i plastyczność stopu CrCoNi poprawiają się wraz z ochłodzeniem. W przypadku większości innych materiałów efekt jest odwrotny - ochłodzona do bardzo niskich temperatur stal łatwiej pęka.

"Kiedy projektujesz materiał konstrukcyjny, chcesz, aby był mocny, ale także plastyczny i odporny na pękanie" - powiedział współkierujący projektem adiunkt Easo George z University of Tennessee. - "Zazwyczaj jest to kompromis między tymi właściwościami. Ale ten materiał ma je obie i zamiast kruszyć się w niskich temperaturach, staje się twardszy".

CrCoNi należy do tak zwanych stopów o wysokiej entropii (HEA). Stosowane obecnie stopy zawierają dużą ilość jednego pierwiastka z mniejszą ilością pierwiastków dodatkowych, ale HEA są mieszaniną każdego z pierwiastków składowych w równych częściach. Jak się wydaje, to właśnie dlatego niektóre z tych materiałów mają jednocześnie wysoką wytrzymałość i ciągliwość pod wpływem obciążenia. Chociaż HEA uzyskano już 20 lat temu, nie było odpowiedniej technologii do przeprowadzenia ich ekstremalnych testów.

"Wytrzymałość tego materiału w pobliżu temperatury ciekłego helu (20 kelwinów - albo minus 253 stopnie Celsjusza) wynosi aż 500 megapaskali. W tych samych jednostkach dla kawałka krzemu wynosi jeden, dla aluminium lotniczego około 35, a wytrzymałość niektórych z najlepszych stali - około 100. Tak więc 500 to oszałamiająca liczba" - wskazał Robert Ritchie z UC Berkeley.

Ritchie i George rozpoczęli eksperymenty z CrCoNi i innym stopem, który zawiera również mangan i żelazo (CrMnFeCoNi) prawie dziesięć lat temu. Stworzyli próbki stopów, a następnie schłodzili je do temperatury ciekłego azotu (około 77 kelwinów lub - 196 stopni Celsjusza) i odkryli imponującą wytrzymałość.

Naukowcy chcieli od razu kontynuować badania w temperaturze ciekłego helu, ale znalezienie urządzeń, które umożliwiłyby testowanie próbek pod obciążeniem w tak zimnym środowisku - oraz członków zespołu z odpowiednimi narzędziami analitycznymi i doświadczeniem potrzebnym do zrozumienia zjawisk zachodzących w materiale na poziomie atomowym - zajęło następną dekadę.

Wiele substancji stałych, w tym metale, istnieje w postaci krystalicznej, charakteryzującej się powtarzającym się, trójwymiarowym wzorem atomowym, zwanym komórką elementarną, która tworzy większą strukturę, zwaną siecią. Wytrzymałość i twardość materiału wynika z właściwości fizycznych sieci krystalicznej. Żaden kryształ nie jest doskonały - zawsze pojawiają się defekty, na przykład dyslokacje - granice, wzdłuż których sieć niezdeformowana spotyka się ze zdeformowaną. Jeśli do materiału przykładana jest siła (jak przy zginaniu metalowego pręta) zmiana kształtu następuje poprzez ruch dyslokacji w sieci. Im łatwiej przemieszczają się dyslokacje, tym miększy jest materiał. Jeśli ruch dyslokacji jest blokowany przez nieregularności sieci, potrzeba więcej siły, aby poruszyć atomy w obrębie dyslokacji, a materiał staje się mocniejszy. Z drugiej strony takie nieregularności sprawiają zwykle, że materiał jest bardziej kruchy i podatny na pękanie.

Ritchie, George i ich współpracownicy z Berkeley Lab, University of Bristol, Rutherford Appleton Laboratory i University of New South Wales korzystali z dyfrakcji neutronów, dyfrakcji wstecznej elektronów i transmisyjnej mikroskopii elektronowej, aby badać struktury sieci próbek CrCoNi, które pękły pod obciążeniem w temperaturze pokojowej i bliskiej zera bezwzględnego (20 K).

Obrazy uzyskane za pomocą tych zaawansowanych technik badawczych ujawniły, że wytrzymałość stopu wynika z trzech przeszkód dyslokacyjnych, które kolejno dają o sobie znać, gdy na materiał działa siła. Przemieszczające się dyslokacje po pierwsze powodują, że obszary kryształu odsuwają się od innych obszarów, które znajdują się w równoległych płaszczyznach. Ten ruch przesuwa warstwy komórek elementarnych, tak że ich wzór nie pasuje już w kierunku prostopadłym do ruchu poślizgu, tworząc rodzaj przeszkody. Dalsza siła działająca na metal tworzy zjawisko zwane nanotwiningiem, w którym obszary sieci tworzą lustrzaną symetrię z granicą pomiędzy nimi. Wreszcie, jeśli siły nadal działają na metal, dostarczona energia zmienia układ samych komórek elementarnych - prostopadłościennny układ atomów chromu, kobaltu i niklu ulega przekształceniu w układ sześciokątny. Wszystko to sprawia, że metal nadal się odkształca, ale ciągle stawia opór.

"Kiedy ciągniesz próbkę, uruchamia się pierwszy mechanizm, potem drugi, potem trzeci, a potem czwarty" - wyjaśnił Ritchie. - "Teraz wiele osób powie: no cóż, widzieliśmy nanotwinning w zwykłych materiałach, widzieliśmy poślizg w zwykłych materiałach. To prawda. Nie ma w tym nic nowego, ale fakt, że wszystkie występują w tej magicznej sekwencji, daje nam te naprawdę niesamowite właściwości".

Nowe odkrycia zespołu, w połączeniu z innymi niedawnymi pracami nad HEA, mogą zmusić materiałoznawców do zmiany poglądów na temat tego, w jaki sposób cechy fizyczne wpływają na wytrzymałość. "To zabawne, ponieważ metalurdzy twierdzą, że struktura materiału określa jego właściwości, ale struktura NiCoCr jest najprostsza, jaką można sobie wyobrazić - to tylko ziarna" - powiedział Ritchie.

"Jednak po odkształceniu struktura staje się bardzo skomplikowana, a ta zmiana pomaga wyjaśnić jej wyjątkową odporność na pękanie" - dodał współautor Andrew Minor, dyrektor National Center of Electron Microscopy w Molecular Foundry w Berkeley Lab. - "Byliśmy w stanie zwizualizować tę nieoczekiwaną transformację dzięki opracowaniu detektorów szybkich elektronów w naszych mikroskopach elektronowych, które pozwalają nam rozróżnić różne rodzaje kryształów i określić ilościowo defekty w nich zawarte z rozdzielczością jednego nanometra - szerokość zaledwie kilka atomów - co, jak się okazuje, jest mniej więcej wielkości defektów w zdeformowanej strukturze NiCoCr".

Stop CrMnFeCoNi był również testowany w temperaturze 20 kelwinów, ale nie osiągnął takiej wytrzymałości jak prostszy stop CrCoNi.

Chociaż tworzenie materiałów HEA jest drogie, George przewiduje zastosowania w sytuacjach, w których ekstremalne warunki środowiskowe mogą zniszczyć standardowe stopy metali, na przykład w niskich temperaturach głębokiego kosmosu. On i jego zespół w Oak Ridge badają również, w jaki sposób stopy wykonane z bardziej powszechnych i tańszych pierwiastków - na całym świecie brakuje kobaltu i niklu ze względu na zapotrzebowanie na nie w przemyśle akumulatorowym - można nakłonić do uzyskania podobnych właściwości. Tak czy inaczej praktyczne wykorzystanie nowych stopów będzie wymagało jeszcze długotrwałych badań ze względu na konieczność przeprowadzenia wszechstronnych testów.