Znanstveniki so ustvarili zlitino, ki je močnejša od vseh znanih na Zemlji
Kovinska zlitina iz kroma, kobalta in niklja (CrCoNi) se je izkazala za najmočnejši material, kar jih je bilo kdaj koli raziskanih. Ne le da je ta material izredno duktilen, kar pomeni, da je zelo plastičen, ampak je tudi izjemno močan, kar pomeni, da je odporen na trajne deformacije. Poleg tega se njegova trdnost in duktilnost pri ohlajanju povečujeta, kar je nasprotni učinek pri večini drugih obstoječih materialov.
Znanstveniki so ustvarili zlitino, ki je močnejša od vseh znanih na Zemlji
Ko pomislimo na izjemno trde materiale, ki obstajajo na našem planetu, nam verjetno pridejo na misel diamanti in morda titan. Vendar pa so te zlitine nič drugega kot zlitina kroma, kobalta in niklja. Ta material je več kot 100-krat trši od grafena in je še bolj odporen proti poškodbam pri izjemno nizkih temperaturah.
oglas
– Pri načrtovanju konstrukcijskih materialov želimo, da so močni, a tudi duktilni in odporni proti zlomom, je povedal sovodja projekta Easo George z univerze Tennessee. – Običajno je med temi lastnostmi kompromis. Novi material pa ima vse te lastnosti in namesto da bi pri nizkih temperaturah postal krhek, postane trši, je dodal. Opis in rezultati študije so bili objavljeni v reviji Science.
Zlitine z visoko entropijo
Sanje vsakega inženirja ali arhitekta so zagotovo imeti material, ki je izredno trd, odporen proti lomom in hkrati duktilen. Običajno je treba v zvezi s tem skleniti nekakšen kompromis. Vendar pa ta material ne združuje le vseh teh lastnosti, temveč se obnaša tudi nenavadno, saj ob znižanju temperature ne le da ne postane bolj krhek, temveč se dejansko še bolj strdi.
Ta nenavaden material je zlitina, ki spada v skupino HEA – zlitine z visoko entropijo. Njihova značilnost je, da medtem ko je pri običajnih zlitinah večina sestavin le dodatek eni glavni, je pri HEA količina vsakega elementa v zlitini enaka. Te zlitine so začeli proizvajati pred približno 20 leti.
Naš rekorder po trdnosti je sestavljen iz kroma, kobalta in niklja. Raziskave o tem materialu so potekale že približno 10 let. Istočasno so bile opravljene tudi raziskave druge zlitine, sestavljene iz kroma, mangana, železa, kobalta in niklja – CrMnFeCoNi, vendar tudi v tem primeru dobljeni rezultati, čeprav prav tako spektakularni, niso bili primerljivi s CrCoNi.
S kako izjemnim materialom imamo opravka, je najbolj razvidno iz konkretnih številk. Recimo, da temperaturo znižamo na 20 kelvinov (minus 253 stopinj Celzija). CrCoNi pod temi pogoji prenese tlak 500 megapaskalov na kvadratni meter. V primerjavi z vrednostjo le 1 za silicij pod enakimi pogoji, 35 za aluminij, ki se uporablja v vesoljski industriji, in „le” 100 za najboljše vrste jekla.
CrCoNi je tudi izjemno odporen proti lomom. Raziskovalci so z njim opravili več preskusov pri sobni temperaturi in pri temperaturi 20 K. Pri tem smo njegovo strukturo raziskali s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, nevtronsko difrakcijo in difrakcijo s povratnim sipanjem elektronov.
Zlitina, ki je duktilna in žilava.
Raziskava jasno kaže, da bodo morali strokovnjaki s področja inženirstva materialov spremeniti svoje stališče, da struktura materiala določa njegove lastnosti. Pri obravnavani zlitini je njena struktura zelo preprosta. Zanimivo pa je, kaj se z njim zgodi, ko ga poskušamo deformirati. Struktura tega nenavadnega materiala je nato izredno zapletena, kar pojasnjuje njegovo izjemno odpornost proti lomljenju.
Številne trdne snovi, vključno s kovinami, obstajajo v kristalni obliki, za katero je značilen ponavljajoči se tridimenzionalni vzorec atomov, imenovan elementarna celica, ki tvori večjo strukturo, imenovano rešetka. Moč in trdota ali njuno pomanjkanje sta posledica fizikalnih lastnosti kristalne rešetke.
Noben kristal ni popoln, zato elementarne celice v materialu neizogibno vsebujejo „napake”, kot so na primer dislokacije – meje, kjer se nedeformirana rešetka stika z deformirano. Ko na material deluje sila, na primer pri upogibanju kovinske palice, se oblika spremeni zaradi premikanja dislokacij v mreži.
Lažje kot se dislokacije premikajo, mehkejši je material. Če pa gibanje dislokacij ovirajo ovire v obliki mrežnih nepravilnosti, je za premik atomov znotraj dislokacije potrebna večja sila in material postane močnejši. Po drugi strani pa te nepravilnosti povzročajo, da je material bolj krhek in nagnjen k lomom.
Rezultati omenjenih študij so pokazali, da je trdnost zlitine posledica treh dislokacijskih ovir, ki se pojavijo v določenem vrstnem redu, ko na material deluje sila. Prvič, dislokacije, ki se premikajo, povzročijo, da se območja kristala oddaljijo od drugih območij, ki so v vzporednih ravninah.
To gibanje premakne plasti osnovnih celic, tako da se njihov vzorec ne prilega več v smeri, ki je pravokotna na drsno gibanje, in ustvari nekakšno oviro. Dodatna sila, ki deluje na kovino, povzroči pojav, imenovan nanotwining, pri katerem območja mreže tvorijo zrcalno simetrijo z mejo med njimi.
Če na kovino še naprej delujejo sile, se zaradi energije, ki se vnese v sistem, spremeni razporeditev elementarnih celic, pri čemer se atomi CrCoNi spremenijo iz kubične v heksagonalno razporeditev.
Proizvodnja HEA je precej draga, deloma zaradi velikega svetovnega povpraševanja po kobaltu in niklju, katerih razpoložljivost po vsem svetu drastično upada. Vendar pa bi bile priložnosti, ki jih zlitine, kot je CrCoNi, ponujajo inženirjem, lahko vredne svoje cene. Z njimi bi na primer naši načrti za raziskovanje vesolja nenadoma lahko postali veliko bolj realni. Hkrati pa znanstveniki iščejo zlitine s podobnimi lastnostmi, ki bi jih lahko izdelali iz veliko lažje dostopnih sestavin na Zemlji.
Vir: Lawrence Berkeley National Laboratory