Legura hroma, kobalta i nikla nam je upravo dala najveću otpornost na lomljenje ikada izmerenu u materijalu na Zemlji.
Ima izuzetno visoku čvrstoću i duktilnost, što dovodi do onoga što je tim naučnika nazvao „izuzetnom tolerancijom na oštećenja“.
Štaviše – i kontraintuitivno – ova svojstva se povećavaju kako se materijal hladi, što ukazuje na interesantan potencijal za primenu u ekstremnim kriogenim okruženjima.
„Kada dizajnirate strukturne materijale, želite da oni budu jaki, ali i duktilni i otporni na lom“, kaže metalurg Easo George, guvernerova katedra za naprednu teoriju i razvoj legura u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž i Univerzitetu Tenesi.
„Uobičajeno, to je kompromis između ovih svojstava. Ali ovaj materijal je oboje, i umesto da postane krt na niskim temperaturama, postaje čvršći.“
Čvrstoća, duktilnost i žilavost su tri svojstva koja određuju koliko je materijal izdržljiv. Čvrstoća opisuje otpornost na deformacije. A duktilnost opisuje koliko je materijal savitljiv. Ova dva svojstva doprinose njegovoj ukupnoj žilavosti: otpornosti na lom. Žilavost loma je otpornost na dalje lomljenje u materijalu koji je već slomljen.
Džordž i njegov kolega stariji autor, mašinski inženjer Robert Riči iz Nacionalne laboratorije Berkli i Univerziteta Kalifornije u Berkliju, proveli su neko vreme radeći na klasi materijala poznatih kao legure visoke entropije ili HEA. U većini legura dominira jedan element, sa malim proporcijama drugih umešanih. HEA sadrže elemente pomešane u jednakim razmerama.
Jedna takva legura, CrMnFeCoNi (hrom, mangan, gvožđe, kobalt i nikl), bila je predmet intenzivnog proučavanja nakon što su naučnici primetili da se njena snaga i duktilnost povećavaju na temperaturi tečnog azota bez ugrožavanja žilavosti.
Jedan derivat ove legure, CrCoNi (hrom, kobalt i nikl), pokazao je još izuzetnija svojstva. Tako su Džordž i Riči i njihov tim slomili zglobove i počeli da guraju do krajnjih granica.
Prethodni eksperimenti na CrMnFeCoNi i CrCoNi su sprovedeni na temperaturama tečnog azota, do 77 Kelvina (-196 °C, -321 °F). Tim je to gurnuo još dalje, do temperature tečnog helijuma.
Rezultati su bili više nego zapanjujući.
„Žilavost ovog materijala blizu temperatura tečnog helijuma (20 Kelvina, [-253 °C, -424 °F]) je čak 500 megapaskala kvadratnih metara korena“, objašnjava Riči.
„U istim jedinicama, žilavost komada silicijuma je jedan, aluminijumski okvir aviona u putničkim avionima je oko 35, a žilavost nekih od najboljih čelika je oko 100. Dakle, 500, to je zapanjujući broj.
Da bi shvatio kako to funkcioniše, tim je koristio difrakciju neutrona, difrakciju povratnog rasejanja elektrona i transmisionu elektronsku mikroskopiju da bi proučavao CrCoNi do atomskog nivoa kada se lomi na sobnoj temperaturi i na ekstremnoj hladnoći.
Ovo je uključivalo pucanje materijala i merenje naprezanja potrebnog da izazove rast loma, a zatim posmatranje kristalne strukture uzoraka.
Atomi u metalima su raspoređeni po uzorku koji se ponavlja u trodimenzionalnom prostoru. Ovaj obrazac 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 deformisane i onih koje nisu. Ove granice se nazivaju dislokacije, a kada se sila primeni na metal, one se pomeraju, omogućavajući metalu da promeni oblik. Što više dislokacija metal ima, to je kovniji.
Nepravilnosti u metalu mogu blokirati kretanje dislokacija; to je ono što materijal čini jakim. Ali ako su dislokacije blokirane, umesto da se deformiše, materijal može da pukne, tako da visoka čvrstoća često može značiti visoku krhkost. U CrCoNi, istraživači su identifikovali određenu sekvencu od tri dislokaciona bloka.
Prvi koji se javlja je klizanje, što je kada paralelni delovi kristalne rešetke klize jedan od drugog. Ovo uzrokuje da se jedinične ćelije više ne poklapaju okomito na smer klizanja.
Kontinuirana sila proizvodi nanotvinning, gde kristalne rešetke formiraju zrcaljeni raspored sa obe strane granice. Ako se primeni još veća sila, ta energija ide u preuređenje oblika jediničnih ćelija, od kubične do heksagonalne kristalne rešetke.
„Dok ga vučete, pokreće se prvi mehanizam, pa drugi, pa počinje treći, pa četvrti“, kaže Riči.
„Sada će mnogi ljudi reći, pa, videli smo nanotvinning u običnim materijalima, videli smo proklizavanje u običnim materijalima. To je tačno. Nema ništa novo u tome, ali činjenica je da se svi oni dešavaju u ovom magičnom nizu. to nam daje ova zaista ogromna svojstva.“
Istraživači su takođe testirali CrMnFeCoNi na temperaturama tečnog helijuma, ali nije bio ni približno tako dobar kao njegov jednostavniji derivat.
Sledeći korak će biti istraživanje potencijalnih primena takvog materijala, kao i pronalaženje drugih HEA sa sličnim svojstvima.
