آلیاژ فلزی متشکل از نیوبیم، تانتالیم، تیتانیوم و هافنیوم با استحکام و دوام چشمگیر خود در دماهای بسیار گرم و سرد، ترکیبی از خواصی که تاکنون تقریباً غیرممکن به نظر می رسید، دانشمندان مواد را شوکه کرده است. در این زمینه، استحکام به عنوان نیرویی تعریف می شود که یک ماده می تواند قبل از تغییر شکل دائمی از شکل اصلی خود تحمل کند و استحکام مقاومت آن در برابر شکست (ترک خوردن) است. مقاومت این آلیاژ در برابر خمش و شکست تحت طیف وسیعی از شرایط می تواند در را به روی دسته جدیدی از مواد برای موتورهای نسل بعدی باز کند که می توانند با راندمان بالاتر کار کنند.
تیمی به رهبری رابرت ریچی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، با همکاری گروه‌هایی به رهبری اساتید دیران آپلیان از دانشگاه کالیفرنیا، ایروین و انریکه لاورنیا از دانشگاه A&M تگزاس، کشف کردند. خواص شگفت انگیز آلیاژ و سپس فهمید که چگونه آنها از فعل و انفعالات در ساختار اتمی ناشی می شوند. کار آنها در یک مطالعه منتشر شده شرح داده شده است 11 آوریل 2024 ج علوم پایه.
کارایی تبدیل گرما به الکتریسیته یا نیروی رانش با دمایی که سوخت در آن می سوزد تعیین می شود – هر چه داغ تر بهتر. با این حال، دمای عملیاتی توسط مواد ساختاری که باید در برابر آن مقاومت کنند محدود می شود. دانشجو در آزمایشگاه ریچی “ما توانایی خود را برای بهینه سازی بیشتر موادی که در حال حاضر در دماهای بالا استفاده می کنیم به پایان رسانده ایم و نیاز زیادی به مواد فلزی جدید وجود دارد.” اینجاست که این آلیاژ امیدوارکننده است.”
آلیاژ در این مطالعه از دسته جدیدی از فلزات معروف به آلیاژهای نسوز آنتروپی بالا یا متوسط (RHEAs/RMEAs) است. بیشتر فلزاتی که در کاربردهای تجاری یا صنعتی می بینیم آلیاژهای ساخته شده از یک فلز پایه منفرد هستند که با مقادیر کمی از عناصر دیگر مخلوط شده است، اما RHEA و RMEA از مخلوط کردن مقادیر تقریباً مساوی از عناصر فلزی با نقطه ذوب بسیار بالا ساخته می شوند که به آنها می دهد. خواص منحصر به فردی که دانشمندان هنوز در حال کشف آن هستند. گروه ریچی چندین سال است که این آلیاژها را به دلیل پتانسیل آنها برای کاربرد در دمای بالا مورد مطالعه قرار داده است.
پونیت کومار، یکی از نویسندگان این پژوهش، گفت: «تیم ما کارهای قبلی را روی RHEA و RMEA انجام داده است و دریافته است که این مواد بسیار قوی هستند، اما عموماً چقرمگی شکست بسیار پایینی دارند، بنابراین وقتی این آلیاژ استحکام بسیار بالایی را نشان داد، شوکه شدیم گروه.
به گفته کوک، اکثر RMEA ها دارای استحکام شکست کمتر از 10 مگاپاسکال هستند که آنها را به یکی از شکننده ترین فلزات تاریخ تبدیل می کند. بهترین فولادهای برودتی که به طور ویژه برای مقاومت در برابر شکست طراحی شده اند، حدود 20 برابر قوی تر از این مواد هستند. با این حال نیوبیم، تانتالیوم، تیتانیوم و هافنیوم (Nb45بنابراین25شما15هف15آلیاژ RMEA قادر بود حتی فولاد برودتی را شکست دهد و به بیش از 25 برابر قوی تر از RMEA های معمولی در دمای اتاق برسد.
اما موتورها در دمای اتاق کار نمی کنند. دانشمندان استحکام و دوام را در مجموع در پنج دما ارزیابی کردند: -196 درجه سانتی گراد (دمای نیتروژن مایع)، 25 درجه سانتی گراد (دمای اتاق)، 800 درجه سانتی گراد، 950 درجه سانتی گراد و 1200 درجه سانتی گراد. دمای دوم حدود 1/5 دمای سطح خورشید است.
این تیم دریافتند که این آلیاژ بالاترین استحکام سرما را دارد و با افزایش دما کمی ضعیف‌تر می‌شود، اما همچنان اعداد قابل توجهی را در طیف وسیعی از خود نشان می‌دهد. استحکام شکست، که با میزان نیروی مورد نیاز برای انتشار یک ترک موجود در ماده محاسبه می‌شود، در تمام دماها بالا است.
افشای ترتیبات اتمی
تقریباً همه آلیاژهای فلزی کریستالی هستند، به این معنی که اتم های داخل ماده در واحدهای تکرار شونده مرتب شده اند. با این حال، هیچ کریستالی کامل نیست، همه آنها دارای نقص هستند. برجسته ترین نقصی که حرکت می کند نابجایی نامیده می شود که صفحه ناقصی از اتم ها در کریستال است. هنگامی که نیرویی به فلز وارد می شود، باعث می شود که بسیاری از نابجایی ها برای سازگاری با تغییر شکل حرکت کنند. به عنوان مثال، هنگامی که یک گیره کاغذ که از آلومینیوم ساخته شده است را خم می کنید، حرکت نابجایی های داخل گیره با تغییر شکل تنظیم می شود. با این حال، حرکت نابجایی ها در دماهای پایین تر دشوارتر می شود و در نتیجه بسیاری از مواد در دماهای پایین ترد می شوند زیرا نابجایی ها نمی توانند حرکت کنند. به همین دلیل است که بدنه فولادی تایتانیک در برخورد با کوه یخ شکست. عناصر با ذوب بالا و آلیاژهای آنها این را تا حد زیادی می کنند و بسیاری از آنها حتی تا 800 درجه سانتیگراد شکننده می مانند. با این حال، این RMEA با مقاومت در برابر ضربه خوردن حتی در دماهای پایین تر از نیتروژن مایع (-196 درجه سانتیگراد) روند را کاهش می دهد.
برای درک آنچه در داخل این فلز قابل توجه اتفاق می افتد، اندرو مینور محقق و تیمش نمونه های تحت فشار را به همراه نمونه های کنترلی خم نشده و ترک نخورده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی چهار بعدی (4D-STEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی تجزیه و تحلیل کردند. (STEM) در مرکز ملی میکروسکوپ الکترونی، بخشی از ریخته گری مولکولی آزمایشگاه برکلی.
داده های میکروسکوپ الکترونی نشان داد که استحکام غیرمعمول آلیاژ ناشی از یک عارضه جانبی غیرمنتظره از یک نقص نادر به نام نوار شکستگی است. نوارهای شکسته زمانی در کریستال تشکیل می شوند که نیروی وارده باعث می شود نوارهای کریستال روی خود فرو بریزند و به شدت خم شوند. جهتی که کریستال در این نوارها خم می شود، نیروی احساس شده توسط نابجایی ها را افزایش می دهد و باعث می شود آنها راحت تر حرکت کنند. در سطح حجمی، این پدیده باعث نرم شدن مواد می شود (به این معنی که هنگام تغییر شکل ماده باید نیروی کمتری به آن وارد شود). این تیم از تحقیقات گذشته می‌دانستند که نوارهای پیچ خوردگی به راحتی در RMEA شکل می‌گیرند، اما فرض کردند که اثر نرم‌کننده باعث می‌شود که مواد استحکام کمتری داشته باشند و انتشار ترک در شبکه آسان‌تر شود. اما در واقعیت اینطور نیست.
کوک گفت: “ما برای اولین بار نشان دادیم که در حضور یک ترک بین اتمی تیز، نوارهای پیچ خوردگی در واقع با پخش کردن آسیب از آن، جلوگیری از شکستگی و منجر به چقرمگی شکست بسیار بالا در برابر انتشار ترک مقاومت می کنند.”
خیر45بنابراین25شما15هف15 ریچی گفت که این آلیاژ باید قبل از اینکه چیزی مانند توربین جت یا نازل موشک اسپیس ایکس از آن ساخته شود، باید تحت تحقیقات و آزمایشات مهندسی بسیار اساسی‌تری قرار گیرد، زیرا مهندسان مکانیک به درستی خواستار درک عمیق نحوه عملکرد موادشان قبل از استفاده از آنها هستند. در دنیای واقعی. با این حال، این مطالعه نشان می دهد که این فلز پتانسیل ساخت موتورهای آینده را دارد.
این تحقیق توسط دیوید اچ کوک، پونیت کومار، مادلین آی پین، کالوین اچ. بلچر، پدرو بورخس، ونکینگ وانگ، فلین والش، زهائو لی، آرون دواراج، مینگوی ژانگ، مارک آستا، اندرو ام. مینور، انریکه انجام شد. J. Lavernia، Diran Apelian، و Robert O. Ritchie، دانشمندان در آزمایشگاه برکلی، UC برکلی، آزمایشگاه ملی شمال غربی اقیانوس آرام، و UC Irvine، با بودجه دفتر علوم وزارت انرژی (DOE). تجزیه و تحلیل تجربی و محاسباتی در ریخته‌گری مولکولی و مرکز محاسبات علمی تحقیقات انرژی ملی – هر دو امکانات کاربر دفتر علوم DOE انجام شد.
###
آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) متعهد به ارائه راه حل هایی برای بشریت از طریق تحقیقات انرژی پاک، سیاره ای سالم و اکتشافات علمی است. آزمایشگاه برکلی و دانشمندانش در سال 1931 با این باور که بزرگترین مشکلات به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تأسیس شد و برنده 16 جایزه نوبل شده است. محققان از سراسر جهان برای تحقیقات پیشگامانه خود به امکانات علمی در سطح جهانی آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.