Otkriće koje je otkrilo iznenađujući način na koji se atomi uređuju i pronalaze svoje željene susede u legurama više glavnih elemenata (MPEA) moglo bi omogućiti inženjerima da „podese“ ove jedinstvene i korisne materijale za poboljšane performanse u specifičnim primenama u rasponu od naprednih elektrana do vazduhoplovnih tehnologija. , prema istraživačima koji su napravili nalaz.
MPEA predstavljaju novi pristup dizajnu legura, koji se značajno razlikuje od tradicionalnih legura koje obično imaju jedan ili dva glavna elementa. Umesto toga, MPEA se sastoje od više glavnih elemenata u skoro jednakim atomskim odnosima.
Ova strategija dizajna, koja je prvi put objavljena 2004. godine, pokazala je obećanje u stvaranju nove klase materijala sa svojstvima poželjnim za vazduhoplovnu, automobilsku ili slične industrije, kao što je veoma izdržljiv na ekstremnim temperaturama.
„Ranije su legure poput čelika bile dizajnirane sa jednim ili dva glavna elementa i elementima u tragovima kako bi se poboljšale performanse“, rekao je Jang Jang, docent za inženjerske nauke i mehaniku u Penn State-u i nuklearnog inženjerstva i ko-korespondent studije objavljene u avgustu. 1 u Nature Communications . „MPEA koriste drugačiji metod, gde su sve komponente glavni elementi.“
Jedna od najvećih praznina u razumevanju MPEA je formiranje i kontrola reda kratkog dometa (SRO), koji se odnosi na nenasumični raspored atoma na kratkim udaljenostima – obično samo nekoliko atoma širokih.
Istraživači su otkrili da je SRO inherentna karakteristika MPEA, formirajući se tokom procesa očvršćavanja prilikom proizvodnje takvih materijala, što uključuje očvršćavanje tečnih komponenti. Umesto da bude potpuno nasumičan, poput lokacija sastojaka u supi od povrća, SRO sadrži atome grupisane u određenom redosledu. Ovo grupisanje može uticati na svojstva MPEA, kao što su čvrstoća ili provodljivost.
„Takvi materijali su namenjeni za strukturalne primene gde su mehaničke performanse ključne, kao u nuklearnim reaktorima ili vazduhoplovnim komponentama“, rekao je Jang, koji je takođe povezan sa Institutom za istraživanje materijala.
Nalazi istraživača osporavaju prethodnu ideju da, ako je brzina hlađenja tokom očvršćavanja brza, elementi u MPEAs se nasumično ređaju u kristalnu rešetku. Takođe dovodi u pitanje ideju da se SRO prvenstveno razvija tokom žarenja, procesa gde zagrevanje i postepeno hlađenje poboljšavaju mikrostrukturu materijala kako bi se poboljšala svojstva kao što su čvrstoća, tvrdoća i duktilnost, ili sposobnost da se mehanički napreza bez lomljenja.
Tim je koristio napredne tehnike proizvodnje aditiva i poboljšanu metodu semi-kvantitativne elektronske mikroskopije za proučavanje SRO u MPEAs baziranim na kobaltu/hromu/niklu. Iznenađujuće, rekli su, otkrili su da se SRO formira tokom procesa očvršćavanja, bez obzira na stope hlađenja ili primenjene termičke tretmane.
„Otkrili smo da se čak i pri izuzetno visokim brzinama hlađenja, do 100 milijardi stepeni Celzijusa u sekundi, SRO i dalje formira“, rekao je Penghui Cao, docent za mašinsko i vazduhoplovstvo i nauku o materijalima i inženjering na Univerzitetu Kalifornije, Irvine i ko. -dopisni autor studije. „Ovo je bilo suprotno ranijim verovanjima da se SRO razvijao samo tokom žarenja.“
Ovo je potvrđeno kroz detaljne kompjuterske simulacije, koje su pokazale da se atomi brzo organizuju kako se metal hladi i učvršćuje.
Ovo otkriće ima duboke implikacije za nauku o materijalima i inženjerstvo, kaže Jang. Razumevanje da je SRO inherentan i da se formira tokom očvršćavanja znači da tradicionalne metode metoda termičke obrade možda neće efikasno da ga kontrolišu.
„Naši nalazi sugerišu da je SRO sveprisutan u MPEA sa kubičnom strukturom usmerenom na lice – tipom kristalne strukture u obliku kocke sa šest atoma na svakoj strani – i ne može se izbeći kroz tipične brzine hlađenja koje se mogu postići u eksperimentima“, rekao je Jang. „Ova spoznaja može pomoći u rješavanju dugogodišnje debate na terenu o ulozi SRO-a u povećanju mehaničke čvrstoće materijala.
Istraživači su takođe otkrili da im je sveprisutna priroda SRO-a omogućila da „podese“ MPEA-ove za određena svojstva.
„Kontrola stepena SRO-a u MPEA-ima moguće je postići mehaničkom deformacijom ili oštećenjem radijacijom“, rekao je Cao. „Ovo pruža novu dimenziju za projektovanje svojstava materijala kroz podešavanje mehanizama koje kontroliše SRO.“
Prema Jangu, studija označava značajan korak napred u razumevanju MPEA i njihovih svojstava. Otkrivanjem da je SRO neizbežna karakteristika formirana tokom očvršćavanja, istraživanje otvara nove mogućnosti za dizajn materijala i inženjering.
„Razumevanje kako atomi pronalaze svoje susede, čak i pri brzim brzinama hlađenja, pomaže nam da kontrolišemo strukturu i poboljšamo performanse ovih inovativnih materijala“, rekao je Jang. „Ovo je još uvek u fazi fundamentalne nauke i radujem se što ću videti kako će se ovo razvijati.“
