Znanstvenici su uspjeli napraviti novi najčvršći materijal na Zemlji tako što su u leguri kombinirali krom, kobalt i nikal. Ta legura rezultirala je metalom s najvećom otpornošću na lom od bilo kojeg materijala za kojeg dosad znamo.
Ta nova legura ima iznimno veliku čvrstoću i rastezljivost, a ono što je najzanimljivije i kontraintuitivno, jest da se ta svojstva povećavaju kako materijal postaje hladniji, što ukazuje na neke zanimljive potencijale za primjenu u ekstremnim kriogenim okruženjima.
Kada dizajnirate strukturne materijale, želite da budu čvrsti, ali i rastezljivi i otporni na lomove. Tipično, to je kompromis između navedenih svojstava, ali ovaj materijal je oboje. Umjesto da postane krhak na niskim temperaturama, on postaje čvršći, kaže metalurg Easo George, iz odjela za naprednu teoriju i razvoj legura pri Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge Sveučiliša Tennessee.
Čvrstoća, rastezljivost i žilavost su tri svojstva koja određuju koliko je neki materijal izdržljiv. Čvrstoća opisuje otpornost na deformaciju, a rastezljivost opisuje koliko je materijal savitljiv. Oba svojstva pridonose njegovoj ukupnoj žilavosti, odnosno otpornosti na lom. Lomna žilavost je pak otpornost na daljnji lom u već slomljenom materijalu.
Zajedno s kolegom suatorom istraživanja objavljenog u časopisu Science, Robertom Ritchijem, iz američkog Nacionalnog laboratorija Berkeley, Sveučilišta Berkeley, George već neko vrijeme radi na klasi materijala poznatih kao legure visoke entropije ili HEA (engl. high enthropy alloys). U većini običnih legura dominira jedan element, s malim udjelima drugih pomiješanih. HEA legure, s druge strane, sadrže elemente pomiješane u jednakim omjerima.
Jedna takva legura, CrMnFeCoNi (krom, mangan, željezo, kobalt i nikal), bila je predmet intenzivnog proučavanja nakon što su znanstvenici primijetili da se njezina čvrstoća i duktilnost povećavaju na temperaturi tekućeg dušika bez ugrožavanja žilavosti.
Legura CrCoNi (krom, kobalt i nikal), koj je zapravo izvedena iz druge legure, CrMnFeCoNi (krom, mangan, željezo, kobalt i nikal), pokazala je vrlo zanimljiva svojstva na hladnim temperaturama, nkon što su otkrili da i lgura iz koje je izvedena ima pojačana svojstva čvrstoće i rastezljivosti na niskim temperaturama.
Znanstvenici ostali zapanjeni
Znanstvenici su CrCoNi leguru odlučili testirati do njezinih krajnjih granica pa su je testirali na temperaturi tekućeg helija (inače plin), a rezultati su ih posve zapanjili. George i Ritchie su također testirali CrMnFeCoNi na temperaturama tekućeg helija, ali nije imao ni približno dobre rezultate kao njegov jednostavniji derivat.
Žilavost ovog materijala u blizini temperatura tekućeg helija (-253°C) iznosi čak 500 megapaskala kvadratnih metara. U istim jedinicama, žilavost komada silicija je jedan, aluminijska konstrukcija zrakoplova u putničkim zrakoplovima je oko 35, a žilavost nekih od najboljih čelika je oko 100. Dakle, 500, to je zapanjujuća brojka, objašnjava Ritchie.
Kako to funkcionira?
Želeći otkriti kako to radi, američki znanstvenici su koristili difrakciju neutrona, difrakciju povratnog raspršenja elektrona i transmisijsku elektronsku mikroskopiju za proučavanje legure CrCoNi do atomske razine kada se lomi na sobnoj temperaturi i na ekstremnoj hladnoći. To je uključivalo pucanje materijala i mjerenje naprezanja potrebnog da izazove rast loma, a zatim promatranje kristalne strukture uzoraka.
Atomi u metalima raspoređeni su u uzorku koji se ponavlja u trodimenzionalnom prostoru, a taj uzorak je poznat kao kristalna rešetka. Komponente koje se ponavljaju u rešetki poznate su kao jedinične ćelije. Ponekad se stvaraju granice između jediničnih ćelija koje su deformirane i onih koje nisu. Te se granice nazivaju dislokacije, a kada se na metal primijeni sila, pomiču se, dopuštajući metalu da promijeni oblik. Što više dislokacija metal ima, to je on savitljiviji.
Nepravilnosti u metalu mogu spriječiti pomicanje dislokacija, a to je pak ono što materijal čini jakim. Ali ako su dislokacije blokirane, umjesto da se deformira, materijal može puknuti, tako da velika čvrstoća često može značiti veliku krhkost.
Čaroban niz
U leguri CrCoNi, istraživači su identificirali određeni niz od tri dislokacijska bloka. Prvo se događa klizanje, u kojem paralelni dijelovi kristalne rešetke klize jedan od drugoga. To uzrokuje da se jedinične ćelije više ne podudaraju okomito na smjer klizanja. Kontinuirana sila proizvodi nanopletenje, gdje kristalne rešetke tvore zrcalni raspored s obje strane granice. Ako se primijeni još veća sila, ta energija ide u preuređivanje oblika jediničnih ćelija, od kubične do heksagonalne kristalne rešetke.
Dok ga vučete, prvi mehanizam se pokreće, pa drugi, pa treći, pa četvrti. Činjenica da se svi pojavljuju u ovom čarobnom nizu to nam daje ova stvarno ogromna svojstva, kaže Ritchie.
Znanstvenici sada žele istražiti potencijalne primjene te legure, kao i pronaći druge HEA-e sa sličnim svojstvima.
Izvor: Science Alert
