Una nueva aleación sorprende a los científicos por su resistencia y dureza casi imposibles

Los investigadores han descubierto un mineral inusual Aleación No se agrietará a temperaturas extremas debido a la flexión o flexión de los cristales de la aleación a nivel atómico.

Una aleación de metal compuesta de niobio, tantalio, titanio y hafnio ha sorprendido a los científicos de materiales por su asombrosa resistencia y tenacidad a temperaturas extremadamente frías y calientes, una combinación de propiedades que hasta ahora parecía casi imposible de lograr. En este contexto, la resistencia se define como la cantidad de fuerza que un material puede soportar antes de deformarse permanentemente de su forma original, y la tenacidad es su resistencia a la rotura (agrietamiento). La resistencia de la aleación a la flexión y rotura en una amplia gama de condiciones podría abrir la puerta a una nueva clase de materiales para motores de próxima generación que puedan funcionar de manera más eficiente.

El equipo, dirigido por Robert Ritchie en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Laboratorio Berkeley) y UC Berkeley, en colaboración con grupos dirigidos por los profesores Deran Apelian en UC Irvine y Enrique Lavernia en la Universidad Texas A&M, descubrieron y luego descubrieron las asombrosas propiedades de la aleación. . ¿Cómo surgen de las interacciones en la estructura atómica? Su trabajo fue descrito en un estudio publicado recientemente en la revista Ciencias.

«La eficiencia de convertir el calor en electricidad o propulsión está determinada por la temperatura a la que se quema el combustible; cuanto más caliente, mejor, sin embargo, la temperatura de funcionamiento está limitada por los materiales estructurales que debe soportar». Se ha agotado la capacidad de mejorar los materiales que utilizamos actualmente a altas temperaturas, y existe una gran necesidad de nuevos materiales metálicos. Esto es lo que promete esta aleación”.

La aleación de este estudio proviene de una nueva clase de metales conocida como aleaciones resistentes a temperaturas medias o altas (RHEA/RMEA). La mayoría de los metales que vemos en aplicaciones comerciales o industriales son aleaciones hechas de un metal principal mezclado con pequeñas cantidades de otros elementos, pero los RHEA y los RMEA se obtienen mezclando cantidades casi iguales de elementos metálicos con temperaturas de fusión muy altas, lo que les confiere propiedades aún únicas. Los científicos lo descubren. El grupo de Ritchie ha estudiado estas aleaciones durante varios años debido a su potencial para aplicaciones de alta temperatura.

Este mapa de estructura del material muestra bandas reticulares que se forman cerca de la punta de la grieta a medida que las grietas se propagan (de izquierda a derecha) en la aleación a 25°C, temperatura ambiente. Realizado utilizando un detector de difracción de retrodispersión de electrones en un microscopio electrónico de barrido. Crédito: Laboratorio de Berkeley

«Nuestro equipo realizó trabajos previos sobre RHEA y RMEA y descubrió que estos materiales son muy fuertes, pero generalmente tienen una tenacidad a la fractura muy baja, razón por la cual nos sorprendió cuando esta aleación mostró una tenacidad excepcionalmente alta», dijo el coautor. Puneet Kumar, investigador postdoctoral del grupo.

Según Cook, la mayoría de los RMEA tienen una tenacidad a la fractura inferior a 10 MPa, lo que los convierte en algunos de los metales más frágiles de todos. Los mejores aceros criogénicos, especialmente diseñados para resistir la rotura, son unas 20 veces más resistentes que estos materiales. Sin embargo, el niobio, el tantalio, el titanio y el hafnio (Nb₄₅Ejército de reserva₂₅t₁₅Alta frecuencia₁₅) La aleación RMEA pudo superar incluso al acero criogénico, registrando un rendimiento más de 25 veces más fuerte que el RMEA típico a temperatura ambiente.

Pero los motores no funcionan a temperatura ambiente. Los científicos evaluaron la resistencia y durabilidad a cinco temperaturas totales: -196°C (temperatura del nitrógeno líquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C y 1200°C. Esta última temperatura es aproximadamente 1/5 de la temperatura de la superficie del Sol.

El equipo descubrió que la aleación tiene su mayor resistencia en el frío y se vuelve ligeramente más débil a medida que aumenta la temperatura, pero aún tiene cifras impresionantes en todo el amplio rango. La tenacidad a la fractura, que se calcula a partir de la cantidad de fuerza necesaria para propagar una grieta existente en un material, fue alta en todas las temperaturas.

Revelando arreglos atómicos

Casi todas las aleaciones metálicas son cristalinas, lo que significa que los átomos del material están dispuestos en unidades repetidas. Sin embargo, ningún cristal es perfecto, todos contienen imperfecciones. El defecto más destacado que se mueve se llama dislocación, que es un plano imperfecto de átomos en el cristal. Cuando se aplica fuerza al metal, se producen varias dislocaciones que se mueven para adaptarse al cambio de forma.

Por ejemplo, cuando se dobla un clip de aluminio, el movimiento de las dislocaciones dentro del clip se adapta al cambio de forma. Sin embargo, el movimiento de las dislocaciones se vuelve más difícil a bajas temperaturas y, como resultado, muchos materiales se vuelven quebradizos a bajas temperaturas porque las dislocaciones no pueden moverse. Por eso el casco de acero del Titanic se rompió al chocar contra un iceberg. Los elementos de alta temperatura de fusión y sus aleaciones llevan esto al extremo, y muchos permanecen frágiles incluso hasta los 800°C. Sin embargo, esta RMEA va en contra de la tendencia y resiste la interrupción incluso a temperaturas tan bajas como el nitrógeno líquido (-196 °C).

Este mapa muestra bandas reticulares formadas cerca de la punta de la grieta durante una prueba de propagación de grietas (de izquierda a derecha) en la aleación a -196°C. Crédito: Laboratorio de Berkeley

Para comprender lo que estaba sucediendo dentro del exquisito metal, el coinvestigador Andrew Minor y su equipo analizaron las muestras estresadas, junto con muestras de control sin doblar ni agrietar, utilizando un microscopio electrónico de barrido de 4 dimensiones (4D-STEM) y un microscopio electrónico de barrido ( STEM) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, parte de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley.

Los datos del microscopio electrónico revelaron que la dureza inusual de la aleación proviene de un efecto secundario inesperado de un defecto raro llamado banda torcida. Las bandas de nudos se forman en un cristal cuando una fuerza aplicada hace que los segmentos del cristal colapsen repentinamente sobre sí mismos y se doblen. La dirección en la que el cristal se dobla en estas hebras aumenta la fuerza que sienten las dislocaciones, haciendo que se muevan más fácilmente. A nivel de masa, este fenómeno hace que el material se ablande (lo que significa que se debe aplicar menos fuerza al material a medida que se deforma). El equipo sabía por investigaciones anteriores que las bandas de nudos se forman fácilmente en RMEA, pero plantearon la hipótesis de que el efecto de ablandamiento haría que el material fuera menos rígido al facilitar la propagación de las grietas a través de la red. Pero en realidad, este no es el caso.

«Hemos demostrado, por primera vez, que en el caso de una grieta brusca entre átomos, las bandas de torsión en realidad resisten la propagación de la grieta distribuyendo el daño lejos de ella, evitando la fractura y dando como resultado una tenacidad a la fractura inusualmente alta», dijo Cook.

NÓTESE BIEN₄₅Ejército de reserva₂₅t₁₅Alta frecuencia₁₅ Las aleaciones necesitarán someterse a investigaciones y pruebas de ingeniería más fundamentales antes de que algo como una turbina a reacción o EspacioX La boquilla del cohete está hecha de él, dijo Ritchie, porque los ingenieros mecánicos realmente necesitan tener un conocimiento profundo de cómo funcionan sus materiales antes de usarlos en el mundo real. Sin embargo, este estudio sugiere que el metal tiene potencial para construir los motores del futuro.

Referencia: “Las bandas retorcidas mejoran la resistencia excepcional a la fractura en la aleación refractaria de entropía media NbTaTiHf” por David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj , Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Deran Abelian y Robert O. Richie, 11 de abril de 2024, Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adn2428

Esta investigación fue realizada por David H. Cook, Puneet Kumar y Madeleine I. Payne y Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zihao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor y Enrique. J. Lavernia, Deran Abelian y Robert O. Ritchie, científicos del Berkeley Lab, UC Berkeley, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y UC Irvine, con financiación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. El análisis experimental y computacional se realizó en Molecular Foundry y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, ambas instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.