Метална сплав, съставена от ниобий, тантал, титан и хафний, шокира учените в областта на материалознанието с впечатляващата си здравина и издръжливост както при изключително високи, така и при ниски температури - комбинация от свойства, която досега изглеждаше почти невъзможна за постигане. В този контекст здравината се определя като това каква сила може да издържи даден материал, преди да се деформира трайно от първоначалната си форма, а издръжливостта е неговата устойчивост на разрушаване (напукване). Устойчивостта на сплавта на огъване и счупване при огромен диапазон от условия може да отвори вратата за нов клас материали за следващото поколение двигатели, които могат да работят с по-висока ефективност.

Екипът, ръководен от Робърт Ричи от Националната лаборатория "Лорънс Бъркли" (Лаборатория "Бъркли") и Калифорнийския университет в Бъркли, в сътрудничество с групите, ръководени от професорите Диран Апелиан от Калифорнийския университет в Ървайн и Енрике Лаверния от Тексаския университет, открива изненадващите свойства на сплавта и след това установява как те възникват от взаимодействията в атомната структура.

"Ефективността на преобразуването на топлина в електричество или тяга се определя от температурата, при която горивото се изгаря - колкото по-горещо, толкова по-добре. Работната температура обаче е ограничена от структурните материали, които трябва да я издържат", казва първият автор Дейвид Кук, докторант в лабораторията на Ричи. "Изчерпахме възможностите за по-нататъшно оптимизиране на материалите, които използваме в момента при високи температури, и има голяма нужда от нови метални материали. Тази сплав е обещаваща в това отношение."

Сплавта в това изследване е от нов клас метали, известни като огнеупорни сплави с висока или средна ентропия (RHEAs/RMEAs). Повечето от металите, които виждаме в търговски или промишлени приложения, са сплави, направени от един основен метал, смесен с малки количества други елементи, но RHEAs и RMEAs са направени чрез смесване на почти равни количества метални елементи с много високи температури на топене, което им придава уникални свойства, които учените все още разкриват. Групата на Ричи изследва тези сплави в продължение на няколко години поради потенциала им за високотемпературни приложения.

"Екипът ни е работил и преди върху RHEAs и RMEAs и установи, че тези материали са много здрави, но като цяло притежават изключително ниска якост на счупване, поради което бяхме шокирани, когато тази сплав показа изключително висока якост", казва съавторът Пунит Кумар, постдокторант в групата.

Според Кук повечето РМЕА имат якост на разрушаване под 10 MPa√m, което ги прави едни от най-крехките метали в историята. Най-добрите криогенни стомани, специално разработени за устойчивост на разрушаване, са около 20 пъти по-твърди от тези материали. И все пак сплавта от ниобий, тантал, титан и хафний (Nb45Ta25Ti15Hf15) RMEA успя да надмине дори криогенната стомана, постигайки над 25 пъти по-голяма твърдост от типичните RMEA при стайна температура.

Но двигателите не работят при стайна температура. Учените оценяват здравината и издръжливостта при общо пет температури: -196 °C (температурата на течния азот), 25 °C (стайна температура), 800 °C, 950 °C и 1200 °C. Последната температура е около 1/5 от температурата на повърхността на Слънцето.

Екипът установява, че сплавта е с най-висока якост в студа и става малко по-слаба с повишаването на температурата, но все пак се отличава с впечатляващи показатели в целия широк диапазон. Устойчивостта на счупване, която се изчислява от това каква сила е необходима за разпространението на съществуваща пукнатина в материала, е била висока при всички температури.

Почти всички метални сплави са кристални, което означава, че атомите в материала са подредени в повтарящи се единици. Никой кристал обаче не е съвършен, всички те съдържат дефекти. Най-значимият дефект, който се движи, се нарича дислокация, която представлява незавършена равнина от атоми в кристала. Когато се приложи сила към метал, тя кара много дислокации да се преместят, за да се приспособят към промяната на формата.

Например, когато огънете щипка за хартия, която е изработена от алуминий, движението на дислокациите вътре в щипката за хартия се приспособява към промяната на формата. При по-ниски температури обаче движението на дислокациите става по-трудно и в резултат на това много материали стават крехки при ниски температури, тъй като дислокациите не могат да се движат. Ето защо стоманеният корпус на "Титаник" се счупи, когато се удари в айсберг. При елементите с високи температури на топене и техните сплави това се проявява до крайност, като много от тях остават крехки дори до 800 °C. Този RMEA обаче се противопоставя на тенденцията, като издържа на счупване дори при температури, близки до тези на течния азот (-196 °C).

За да разберат какво се случва вътре в забележителния метал, съизследователят Андрю Минор и екипът му анализират напрегнатите проби, както и контролните проби без огъване и пукнатини, като използват четириизмерна сканираща трансмисионна електронна микроскопия (4D-STEM) и сканираща трансмисионна електронна микроскопия (STEM) в Националния център за електронна микроскопия, част от Молекулярната леярна на Berkeley Lab.

Данните от електронната микроскопия разкриха, че необичайната здравина на сплавта се дължи на неочакван страничен ефект от рядък дефект, наречен "лента на прегъване". Лентите на прегъване се образуват в кристал, когато приложена сила кара ленти от кристала да се срутят върху себе си и рязко да се огънат. Посоката, в която кристалът се огъва в тези ленти, увеличава силата, която изпитват дислокациите, като ги кара да се движат по-лесно. На обемно ниво това явление води до омекотяване на материала (което означава, че при деформация на материала трябва да се прилага по-малка сила). Екипът знаеше от предишни изследвания, че лентите на прегъване се образуват лесно в РМЕА, но предположи, че ефектът на омекотяване ще направи материала по-малко здрав, като улесни разпространението на пукнатината през решетката. В действителност обаче случаят не е такъв.

"За първи път показваме, че при наличие на остра пукнатина между атомите лентите на прегъване всъщност се противопоставят на разпространението на пукнатината, като разпределят повредата далеч от нея, предотвратяват разрушаването и водят до изключително висока якост на разрушаване", казва Кук.

Снимка: Unsplash/Berkeley Lab

Виж още: Този гигантски динозавър, наречен Разрушителя, е един от най-големите, бродили по земята