سخت‌ ترین ماده شناخته شده روی زمین شناسایی شد

آلیاژی از کروم، کبالت و نیکل به تازگی بالاترین چقرمگی شکست را در یک ماده روی زمین نشان داده است تا از آن به عنوان سخت‌ ترین ماده شناخته شده روی زمین تعبیر شود.

به گزارش تکناک، بطور استثنایی این آلیاژ دارای استحکام و انعطاف پذیری فوق العاده بالایی است که منجر به چیزی می شود که تیمی از دانشمندان آن را تحمل آسیب فوق العاده نامیده اند.

علاوه بر این، بر خلاف انتظار این خواص با سردتر شدن مواد افزایش می‌یابد که پتانسیل جالبی را برای کاربرد در محیط‌های برودتی شدید نشان می‌دهد.

ایسو جورج، متالورژیست و رئیس بخش تئوری و توسعه آلیاژ پیشرفته در آزمایشگاه ملی اوک ریج و دانشگاه تنسی، می‌گوید: وقتی مواد ساختاری را طراحی می‌کنید، می‌خواهید محکم باشند، اما در عین حال انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر شکستگی باشند.

به طور معمول، بین این خواص سازش وجود دارد.اما این ماده هر دو خاصیت را داراست و به جای اینکه در دماهای پایین شکننده شود، سخت تر می شود.

استحکام، شکل پذیری و چقرمگی سه ویژگی هستند که میزان دوام یک ماده را تعیین می کنند. استحکام مقاومت در برابر تغییر شکل را توصیف می کند و شکل پذیری چگونگی شکل پذیری یک ماده را توصیف می کند. این دو ویژگی به چقرمگی کلی آن کمک می کند که به عنوان مقاومت در برابر شکست نامیده می شود. چقرمگی شکست، مقاومت در برابر شکست بیشتر در یک ماده است که از قبل شکسته شده است.

جورج به همراه نویسنده ارشد همکار، رابرت ریچی مهندس مکانیک از آزمایشگاه ملی برکلی و دانشگاه کالیفرنیا، مدتی را صرف کار بر روی دسته ای از مواد به نام آلیاژهای با آنتروپی بالا یا HEA کرده اند. اکثر آلیاژها تحت سلطه یک عنصر هستند، با نسبت های کوچکی از سایر آلیاژها مخلوط شده اند. در صورتی که HEA ها حاوی عناصری هستند که به نسبت مساوی مخلوط شده اند.

یکی از این آلیاژها، به نام CrMnFeCoNi (کروم، منگنز، آهن، کبالت و نیکل)، پس از اینکه دانشمندان متوجه شدند که استحکام و شکل‌پذیری آن در دمای نیتروژن مایع افزایش می‌یابد بدون اینکه چقرمگی را به خطر بیندازند، مورد مطالعه زیادی قرار گرفته است.

یکی از مشتقات این آلیاژ، CrCoNi (کروم، کبالت و نیکل)، خواص استثنایی تری را نشان داد. بنابراین جورج و ریچی و تیمشان عزم خود را جزم کردند و تصمیم گرفتند تا آن مورد آزمایش بیشتری قرار دهند.

آزمایش‌های قبلی روی CrMnFeCoNi و CrCoNi در دمای نیتروژن مایع تا ۷۷ کلوین (۱۹۶- درجه سانتی‌گراد،) انجام شده بود. این تیم آن را حتی بیشتر از این، به دمای هلیوم مایع رساندند.

نتایج فراتر از انتظار بود

چقرمگی یک قطعه سیلیکون در بدنه آلومینیومی هواپیماهای مسافربری حدود 35 و چقرمگی برخی از بهترین فولادها حدود 100 است. بنابراین، 500، عدد خیره کننده ای است.

این تیم برای اینکه بفهمند چگونه کار می کند، از پراش نوترون، پراش الکترونی پس پراکنده و میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مطالعه CrCoNi تا سطح اتمی در دمای اتاق و در سرمای شدید استفاده کردند.

این روش ها شامل ترک خوردن مواد و اندازه گیری تنش مورد نیاز برای ایجاد شکستگی و سپس مشاهده ساختار کریستالی نمونه ها بود.

اتم ها در فلزات در یک الگوی تکراری در فضای سه بعدی قرار گرفته اند. این الگو به عنوان شبکه کریستالی شناخته می شود. اجزای تکرار شونده در شبکه به عنوان سلول واحد شناخته می شوند.

گاهی اوقات مرزهایی بین سلول های واحد که تغییر شکل داده اند و سلول هایی که تغییر شکل نمی دهند ایجاد می شود. این مرزها نابجایی نامیده می شوند و هنگامی که نیرویی به فلز وارد می شود، حرکت می کنند و به فلز اجازه تغییر شکل می دهند. هرچه یک فلز نابجایی بیشتری داشته باشد، شکل پذیری آن بیشتر است.

بی نظمی در فلز می تواند مانع از حرکت نابجایی ها شود. این چیزی است که یک ماده را قوی می کند. اما اگر نابجایی ها مسدود شوند، به جای تغییر شکل، یک ماده می تواند ترک بخورد، بنابراین استحکام بالا اغلب می تواند به معنای شکنندگی بالا باشد. در CrCoNi، محققان یک توالی خاص از سه بلوک جابجایی را شناسایی کردند.

اولین موردی که رخ می دهد لغزش است، زمانی که قسمت های موازی شبکه کریستالی از یکدیگر دور می شوند. این باعث می شود سلول های واحد دیگر در جهت عمود بر جهت لغزش با هم مطابقت نداشته باشند.

نیروی مستمر باعث ایجاد ساختار نانودوقلویی می شود، جایی که شبکه های کریستالی آرایش آینه ای را در دو طرف مرز تشکیل می دهند. اگر نیروی بیشتری اعمال شود، این انرژی به سمت آرایش مجدد شکل سلول های واحد از یک مکعب به شکل یک شبکه کریستالی شش ضلعی می رود.

ریچی می‌گوید: همانطور که شما آن را می‌کشید، اولین مکانیسم شروع می‌شود، سپس مکانیسم دوم شروع می‌شود، پس از آن سومین شروع می‌شود و در نهایت چهارمین مکانیزم.

اکنون، بسیاری از مردم خواهند گفت، خوب، ما شاهد ایجاد ساختار نانودوقلویی و لغزش در مواد معمولی بوده ایم. درست است. هیچ چیز جدیدی در مورد آن وجود ندارد، اما این واقعیت است که همه آنها در این توالی جادویی رخ می دهند.

محققان همچنین CrMnFeCoNi را در دمای هلیوم مایع آزمایش کردند، اما تقریباً به خوبی مشتق ساده‌تر خود که پیشتر راجب آن توضیح داده شد عمل نکرد.

گام بعدی بررسی کاربردهای بالقوه چنین ماده ای و همچنین یافتن سایر HEA ها با خواص مشابه خواهد بود.