Naukowcy stworzyli stop mocniejszy od wszystkiego, co znamy na Ziemi

Kiedy pomyślimy o niezwykle twardych materiałach istniejących na naszej planecie, zapewne przyjdą nam do głowy diamenty, może tytan. Jednakże są one niczym przy stopie chromu, kobaltu i niklu. Materiał ten jest ponad 100 razy twardszy niż grafen i staje się jeszcze bardziej odporny na uszkodzenia w ekstremalnie niskich temperaturach.

- Kiedy projektujesz materiały konstrukcyjne, chcesz, aby były mocne, ale także plastyczne i odporne na pękanie – powiedział współkierownik projektu Easo George z University of Tennessee. - Zazwyczaj jest to kompromis między tymi właściwościami. Ale nowy materiał ma wszystkie te cechy i zamiast stawać się kruchy w niskich temperaturach, staje się twardszy – dodał.

Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Science" (DOI: 10.1126/science.abp8070).

Marzeniem każdego inżyniera czy architekta z pewnością jest materiał, który jest niezwykle twardy, odporny na pękanie, a jednocześnie plastyczny. Zazwyczaj konieczne jest pójście w tej kwestii na jakiś kompromis. Jednakże ten materiał nie tylko łączy w sobie wszystkie te cechy, ale także zachowuje się nietypowo, ponieważ w miarę obniżania się temperatury nie tylko nie staje się bardziej kruchy, ale wręcz jeszcze bardziej się utwardza.

Tym niezwykłym materiałem jest stop należący do grupy HEA – high-entropy alloys, czyli stopów o wysokiej entropii. Ich cechą charakterystyczną jest to, że o ile w przypadku zwyczajnych stopów większość ze składników jest jedynie dodatkiem do jednego, głównego, to w przypadku HEA zawarta w stopie ilość każdego z elementów jest taka sama. Stopy te zaczęto wytwarzać około 20 lat temu.

Nasz rekordzista pod względem wytrzymałości składa się z chromu, kobaltu i niklu. Badania nad tym materiałem prowadzone były już od około 10 lat. Równocześnie prowadzono je także nad innym stopem składającym się z chromu, manganu, żelaza, kobaltu i niklu – CrMnFeCoNi, jednakże w jego przypadku uzyskane wyniki, choć również spektakularne, nie dorównywały CrCoNi.

O tym, z jak niezwykłym materiałem mamy do czynienia, w największym stopniu świadczą konkretne dane liczbowe. Załóżmy, że obniżamy temperaturę do 20 Kelwinów (minus 253 st. Celsjusza). CrCoNi wytrzymuje w tych warunkach nacisk na poziomie 500 megapaskali na metr kwadratowy. Dla porównania w tych samych warunkach wartość ta dla krzemu wynosi zaledwie 1, dla aluminium, które jest wykorzystywane w przemyśle lotniczym 35, natomiast dla najlepszych rodzajów stali "tylko" 100.

CrCoNi jest przy tym niezwykle odporny na pękanie. Naukowcy przeprowadzili na nim szereg testów w temperaturze pokojowej oraz w 20 K. Zbadano przy tym jego strukturę przy pomocy transmisyjnej mikroskopii elektronowej, dyfrakcji neutronów oraz dyfrakcji wstecznej elektronów.

Badania jednoznacznie wskazują, że specjaliści od inżynierii materiałowej mogą być zmuszeni do zweryfikowania swojego poglądu co do tego, że struktura materiału definiuje jego właściwości. W przypadku omawianego stopu jego struktura jest bowiem wyjątkowo prosta. Natomiast interesujące jest to, co dzieje się z nim w momencie, kiedy spróbujemy go odkształcić. Struktura tego niezwykłego materiału staje się wtedy niezwykle skomplikowana, co z kolei wyjaśnia jego wprost nieprawdopodobną odporność na pękanie.

Wiele substancji stałych, w tym metale, istnieje w postaci krystalicznej charakteryzującej się powtarzającym się trójwymiarowym wzorem atomowym, zwanym komórką elementarną, która tworzy większą strukturę zwaną siecią. Wytrzymałość i twardość materiału lub ich brak wynikają właśnie z właściwości fizycznych sieci krystalicznej.

Żaden kryształ nie jest doskonały, więc komórki elementarne w materiale nieuchronnie będą zawierać "defekty", czego przykładem są dyslokacje – granice, w których nieodkształcona sieć spotyka się ze zdeformowaną siecią. Kiedy do materiału przykładana jest siła, jak chociażby przy wyginaniu metalowego pręta, zmiana kształtu następuje poprzez ruch dyslokacji w sieci.

Im łatwiej przemieszczają się dyslokacje, tym bardziej miękki jest materiał. Ale jeśli ruch dyslokacji jest blokowany przez przeszkody w postaci nieregularności sieci, wówczas potrzeba więcej siły, aby poruszyć atomy w obrębie dyslokacji, a materiał staje się mocniejszy. Z drugiej strony nieregularności te zwykle sprawiają, że materiał jest bardziej kruchy i podatny na pękanie.

Wyniki wspomnianych wyżej badań pokazały, że wytrzymałość stopu wynika z trzech przeszkód dyslokacyjnych, które pojawiają się w określonej kolejności, gdy na materiał działa siła. Po pierwsze, przemieszczające się dyslokacje powodują, że obszary kryształu odsuwają się od innych obszarów, które znajdują się w równoległych płaszczyznach.

Ruch ten przesuwa warstwy komórek elementarnych, tak że ich wzór nie pasuje już w kierunku prostopadłym do ruchu poślizgu, tworząc rodzaj przeszkody. Dalsza siła działająca na metal tworzy zjawisko zwane nanotwiningiem, w którym obszary sieci tworzą lustrzaną symetrię z granicą pomiędzy nimi.

Wreszcie, jeśli siły nadal działają na metal, energia wprowadzana do układu zmienia układ samych komórek elementarnych, przy czym atomy CrCoNi ulegają przekształceniu z prostopadłościennego układu w układ sześciokątny.

Produkcja HEA jest dość kosztowna, co wynika m.in. z ogromnego globalnego zapotrzebowania na kobalt i nikiel, których dostępność na świecie drastycznie się zmniejsza. Jednakże możliwości, jakie dadzą inżynierom stopy takie, jak CrCoNi mogą być warte swojej ceny. Dzięki nim np. nasze plany eksploracji kosmosu nagle mogą stać się o wiele bardziej realistyczne. Równocześnie jednak naukowcy poszukują stopów o podobnych właściwościach, które można byłoby produkować z o wiele łatwiej dostępnych na Ziemi elementów.

Źródło: Lawrence Berkeley National Laboratory, fot. Robert Ritchie/Berkeley Lab