Блог

May 25, 2023

Когда материалы становятся жесткими, ученые приступают к измерениям

Устойчивость к стрессу – это полезная характеристика как людей, которым вы доверяете, так и материалов, на которые вы полагаетесь. Вы хотите, чтобы такие конструкции, как мосты или материалы в самолетах, были одновременно прочными и маловероятными.

Устойчивость к стрессу – это полезная характеристика как людей, которым вы доверяете, так и материалов, на которые вы полагаетесь. Вы хотите, чтобы такие конструкции, как мосты или материалы в плоскостях, были одновременно прочными и маловероятными для того, чтобы они треснули.

Ученые из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли и Национальной лаборатории Ок-Риджа при Министерстве энергетики измерили самый прочный из когда-либо зарегистрированных материалов – металлический сплав хрома, кобальта и никеля. Согласно измерениям, которые ученые используют для измерения прочности, рамы, используемые в самолетах, имеют номер 35, а лучшие стали — около 100. Для сравнения, у этого материала было 500! Материал также становится более жестким по мере того, как становится холоднее, что очень необычно.

Прочность материалов — это сочетание прочности и пластичности материала, его способности сгибаться или растягиваться в ответ на напряжение. Почти во всех материалах прочность и пластичность являются компромиссом. Если у вас больше одного, у вас меньше другого. Это потому, что металлы – это кристаллы. Они состоят из отдельных единиц, которые повторяются снова и снова. Эти блоки составляют трехмерную решетку, подобную кубику Рубика. Свойства прочности и пластичности зависят от свойств решетки.

Но всегда есть небольшие места, где отдельные единицы не совсем одинаковы. Физики называют эти несовершенства дефектами. Они часто находятся на границах, где встречаются подразделения. Один распространенный тип дефекта называется дислокацией. Это место, где несовершенная часть решетки встречается с идеальной частью. Когда вы прикладываете силу к материалу, дислокации перемещаются и материал изгибается. Чем легче дислокациям перемещаться, тем пластичнее материал. Напротив, материал прочен, когда есть блокировки, которые препятствуют движению этих дислокаций. Чтобы согнуть его, вам понадобится больше силы. Однако это также делает его более хрупким и склонным к растрескиванию.

Этот сплав необычен, потому что вместо прочности и пластичности он имеет в изобилии и то, и другое. Частично его уникальность связана с тем, что это высокоэнтропийный сплав. Сплавы – это смеси металлов. Они обладают свойствами разных элементов смеси. Большинство сплавов состоят в основном из одного элемента с добавлением небольшого количества другого. Но высокоэнтропийные сплавы содержат равное количество каждого элемента. Это придает им очень высокую прочность и пластичность в условиях стресса. Даже внутри этой группы этот конкретный сплав отличается. Он имеет три различных дислокационных препятствия, которые придают ему уникальное сочетание свойств.

Хотя ученые-материаловеды разработали высокоэнтропийные сплавы 20 лет назад, только недавно у нас появилась технология, позволяющая точно проверить, насколько они хороши. Почти десять лет назад учёные из лаборатории Беркли получили температуру этого материала до -321 F. Хотя они хотели протестировать его при более низких температурах, технология была недоступна. В прошлом году команда протестировала его при температуре жидкого гелия – это -424 F! Кроме того, новая технология микроскопа позволила им исследовать различные кристаллы и дефекты шириной всего в несколько атомов.

Этот материал не будет использоваться в приложениях в ближайшее время. Требуется много времени на доработку и тестирование материалов перед их использованием в самолетах или мостах. Но измерение и понимание этого материала приближает нас к его использованию, особенно в экстремальных условиях, таких как глубокий космос. Кроме того, это помогает ученым понять, как можно создавать материалы с аналогичными свойствами из более распространенных и дешевых элементов.