09 Aralık 2022 (Nanowerk Haberleri) Bilim adamları, krom, kobalt ve nikelden (CrCoNi) yapılmış metalik bir alaşımı araştırırken herhangi bir malzemenin şimdiye kadar kaydedilen en yüksek tokluğunu ölçtüler. Metal yalnızca son derece esnek (ki bu, malzeme biliminde yüksek oranda dövülebilir anlamına gelir) ve etkileyici derecede güçlü (yani kalıcı deformasyona direndiği anlamına gelir) olmakla kalmaz, aynı zamanda soğudukça mukavemeti ve sünekliği de artar. Bu, var olan diğer birçok malzemeye aykırıdır. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Laboratuvarı) ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan araştırmacılar tarafından yönetilen ekip, rekor kıran bulgularını açıklayan bir çalışma yayınladı. Bilim ("20 kelvin'de CrCoNi bazlı orta ve yüksek entropili alaşımların olağanüstü kırılma tokluğu"). 20 kelvin'de (-424 F) stres testi sırasında nanometre ölçeğinde CrCoNi alaşımında bir kırılma yolunu ve buna eşlik eden kristal yapı deformasyonunu gösteren mikroskopi ile oluşturulmuş görüntüler. Kırık soldan sağa doğru ilerliyor. (Resim: Robert Ritchie, Berkeley Lab) ORNL'de Valinin Gelişmiş Alaşım Teorisi ve Geliştirme Başkanı Easo George, "Yapısal malzemeleri tasarlarken, onların güçlü ama aynı zamanda sünek ve kırılmaya karşı dirençli olmasını istersiniz" dedi. ve Tennessee Üniversitesi. "Genellikle, bu özellikler arasında bir uzlaşmadır. Ancak bu malzeme her ikisini de içeriyor ve düşük sıcaklıklarda kırılgan hale gelmek yerine daha da sertleşiyor.” CrCoNi, yüksek entropili alaşımlar (HEA'lar) adı verilen bir metal sınıfının alt kümesidir. Günümüzde kullanılan tüm alaşımlar, yüksek oranda bir element içerir ve daha az miktarda ek element eklenir, ancak HEA'lar, her bir bileşen elementin eşit bir karışımından yapılır. Bu dengeli atomik tarifler, bu malzemelerin bazılarına, birlikte "tokluk" olarak adlandırılan şeyi oluşturan, vurgulandığında olağanüstü yüksek bir mukavemet ve süneklik kombinasyonu bahşediyor gibi görünmektedir. HEA'lar, yaklaşık 20 yıl önce ilk geliştirildiklerinden bu yana sıcak bir araştırma alanı oldu, ancak zorlu testlerde malzemeleri sınırlarını zorlamak için gereken teknoloji yakın zamana kadar mevcut değildi. "Bu malzemenin sıvı helyum sıcaklıklarına (20 kelvin, -424 Fahrenheit) yakın tokluğu 500 megapaskal metre kare kadar yüksek. Aynı birimlerde, bir silikon parçasının tokluğu bir, yolcu uçaklarındaki alüminyum gövde yaklaşık 35 ve en iyi çeliklerin bazılarının tokluğu yaklaşık 100'dür. Yani, 500, şaşırtıcı bir sayı” dedi. yardımcı lider Robert Ritchie, Berkeley Lab'ın Malzeme Bilimleri Bölümü'nde kıdemli bir fakülte bilim adamı ve UC Berkeley'de Chua Mühendislik Profesörü. Ritchie ve George, yaklaşık on yıl önce CrCoNi ve ayrıca manganez ve demir (CrMnFeCoNi) içeren başka bir alaşımla deneyler yapmaya başladı. Alaşımların örneklerini oluşturdular, ardından malzemeleri sıvı nitrojen sıcaklıklarına (yaklaşık 77 kelvin veya -321 F) düşürdüler ve etkileyici güç ve tokluk keşfettiler (“Kriyojenik uygulamalar için kırılmaya dayanıklı yüksek entropi alaşımı”). Çalışmalarını hemen sıvı helyum sıcaklık aralıklarında testlerle takip etmek istediler, ancak numunelerin bu kadar soğuk bir ortamda stres testi yapmasına olanak sağlayacak tesisler bulmak ve malzemede ne olduğunu analiz etmek için gereken analitik araçlara ve deneyime sahip ekip üyelerini işe almak istediler. atomik seviye önümüzdeki 10 yıl sürdü. Neyse ki, sonuçlar beklemeye değdi. Taramalı elektron mikroskobundan oluşturulan bu görüntüler, (A) CrMnFeCoNi ve (B) CrCoNi alaşımlarının tane yapılarını ve kristal kafes yönelimlerini gösterir. (C) ve (D), sırasıyla 293 K ve 20 K'de CrCoNi'deki kırılma örneklerini göstermektedir. (Resim: Robert Ritchie, Berkeley Laboratuvarı)

kristal içine bakmak

Metaller de dahil olmak üzere birçok katı madde, kafes adı verilen daha büyük bir yapı oluşturan birim hücre adı verilen tekrar eden bir 3B atomik modelle karakterize edilen kristal bir formda bulunur. Malzemenin mukavemeti ve tokluğu ya da eksikliği kafesin fiziksel özelliklerinden gelir. Hiçbir kristal mükemmel değildir, bu nedenle bir malzemedeki birim hücreler kaçınılmaz olarak "kusurlar" içerecektir, bunun belirgin bir örneği dislokasyonlardır - deforme olmayan kafesin deforme olmuş kafesle birleştiği sınırlar. Malzemeye kuvvet uygulandığında - örneğin metal bir kaşığı bükmeyi düşünün - şekil değişikliği, dislokasyonların kafes boyunca hareketiyle gerçekleştirilir. Dislokasyonların hareket etmesi ne kadar kolaysa malzeme o kadar yumuşak olur. Ancak dislokasyonların hareketi kafes düzensizlikleri şeklindeki engellerle engellenirse, dislokasyon içindeki atomları hareket ettirmek için daha fazla kuvvet gerekir ve malzeme daha güçlü hale gelir. Öte yandan, engeller genellikle malzemeyi daha kırılgan ve çatlamaya eğilimli hale getirir. Ritchie, George ve Berkeley Lab, Bristol Üniversitesi, Rutherford Appleton Laboratuvarı ve New South Wales Üniversitesi'ndeki meslektaşları, nötron kırınımı, elektron geri saçılım kırınımı ve transmisyon elektron mikroskobu kullanarak CrCoNi örneklerinin kafes yapılarını incelediler. oda sıcaklığında ve 20 K'de kırılmıştır. (Mukavemet ve sünekliği ölçmek için, bozulmamış bir metal numune kırılana kadar çekilir, oysa kırılma tokluğu testleri için numuneye çekilmeden önce kasıtlı olarak keskin bir çatlak verilir ve ardından çatlağı büyütmek için gereken gerilim ölçülür.) Bu tekniklerden elde edilen görüntüler ve atomik haritalar, alaşımın sertliğinin, malzemeye kuvvet uygulandığında belirli bir sırayla devreye giren üçlü dislokasyon engelinden kaynaklandığını ortaya çıkardı. İlk olarak, hareketli dislokasyonlar, kristalin alanlarının paralel düzlemler üzerindeki diğer alanlardan kaymasına neden olur. Bu hareket, birim hücrelerin katmanlarını kaydırır, böylece desenleri artık kayma hareketine dik yönde eşleşmez ve bir tür engel oluşturur. Metal üzerindeki daha fazla kuvvet, nanotwinning adı verilen bir fenomen yaratır; burada kafes bölgeleri, aralarında bir sınır olan aynalanmış bir simetri oluşturur. Son olarak, kuvvetler metal üzerinde hareket etmeye devam ederse, sisteme konulan enerji, CrCoNi atomlarının yüz merkezli bir kübik kristalden altıgen yakın paketleme olarak bilinen başka bir düzenlemeye geçmesiyle birim hücrelerin düzenini değiştirir. Bu atomik etkileşim dizisi, metalin akmaya devam etmesini sağlarken aynı zamanda çoğu malzemenin gerilimden koptuğu noktanın çok ötesindeki engellerden yeni dirençle karşılaşmaya devam etmesini sağlar. Ritchie, "Yani siz onu çekerken, ilk mekanizma başlar ve ardından ikincisi başlar ve ardından üçüncüsü ve ardından dördüncüsü başlar," diye açıkladı Ritchie. "Şimdi, pek çok insan normal malzemelerde nano ikizleme gördük, normal malzemelerde kayma gördük diyecek. Bu doğru. Bunda yeni bir şey yok, ama bize bu gerçekten muazzam özellikleri kazandıran, hepsinin bu büyülü dizide gerçekleşmesi gerçeğidir.” Ekibin HEA'lar üzerindeki diğer yakın tarihli çalışmaları ile birlikte ele aldığı yeni bulguları, malzeme bilimi topluluğunu, fiziksel özelliklerin performansa nasıl yol açtığına dair uzun süredir devam eden fikirleri yeniden gözden geçirmeye zorlayabilir. Ritchie, "Eğlenceli çünkü metalurjistler, bir malzemenin yapısının onun özelliklerini tanımladığını söylüyorlar, ancak NiCoCr'nin yapısı hayal edebileceğiniz en basit yapı - sadece tanecikler," dedi. Berkeley Laboratuvarı'ndaki Molecular Foundry'nin Ulusal Elektron Mikroskobu Merkezi direktörü Andrew Minor, "Ancak, onu deforme ettiğinizde, yapı çok karmaşık hale geliyor ve bu kayma kırılmaya karşı olağanüstü direncini açıklamaya yardımcı oluyor" diye ekledi. UC Berkeley'de Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü.

Yeni ürünler dövme

Artık CrCoNi alaşımının iç işleyişi daha iyi anlaşıldığına göre, o ve diğer HEA'lar özel uygulamalar için benimsenmeye bir adım daha yakın. Bu malzemelerin oluşturulması pahalı olsa da George, derin uzayın soğuk sıcaklıkları gibi aşırı çevresel koşulların standart metalik alaşımları yok edebileceği durumlarda kullanım öngörüyor. O ve Oak Ridge'deki ekibi ayrıca, daha bol ve daha ucuz elementlerden yapılmış alaşımların nasıl ikna edilebileceğini araştırıyorlar - pil endüstrisindeki talep nedeniyle küresel bir kobalt ve nikel kıtlığı var - benzer özelliklere sahip olmaları için ikna edilebilirler. İlerleme heyecan verici olsa da, Ritchie, gerçek dünyada kullanımın hala bir yol olabileceği konusunda uyarıyor, bunun iyi bir nedeni var. "Bir uçakta uçarken, sizi 40,000 fit düşmekten kurtaran şeyin, yalnızca birkaç ay önce geliştirilen bir gövde alaşımı olduğunu bilmek ister miydiniz? Yoksa materyallerin olgun ve iyi anlaşılmış olmasını mı istersiniz? Bu nedenle, yapısal malzemelerin gerçek kullanıma girmesi uzun yıllar, hatta on yıllar alabilir.”

• SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
• Plato blok zinciri. Web3 Metaverse Zekası. Bilgi Güçlendirildi. Buradan Erişin.
• Kaynak: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=61987.php