شگفتی دانشمندان از خواص بی‌نظیر سخت‌ترین آلیاژ جهان

به گزارش خبرنگار گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا، محققان با ساخت یک آلیاژ ساده، ادعا می‌کنند که سخت‌ترین ماده ثبت شده در جهان را تولید کرده اند. در یک مطالعه جدید، تیمی به سرپرستی محققان آزمایشگاه برکلی این آلیاژ را از طریق یک سری آزمایشات مورد بررسی قراردادند که علاوه بر سختی باورنکردنی،  استحکام و انعطاف‌پذیری بسیار بالایی دارد که برخلاف اکثر مواد شناخته شده در دمای سرتر ویژگی‌های آن بهبود می‌یابد.

آلیاژ مورد بحث حاوی کروم، کبالت و نیکل (CrCoNi) است که به دسته‌ای از فلزات به نام آلیاژ‌های آنتروپی بالا (HEAs) تعلق دارد. اکثر آلیاژ‌ها از یک عنصر غالب با مقادیر کمتری از عناصر دیگر تشکیل شده اند، اما آلیاژ‌های آنتروپی حاوی مقادیر مساوی از هر عنصر هستند. این می‌تواند خواص چشمگیری مانند نسبت استحکام به وزن بالا، خاصیت کشسانی که با دما افزایش می‌یابد یا استحکام و شکل پذیری فوق العاده‌ای به آن‌ها بدهد.

در مطالعات قبلی، محققان دریافتند که CrCoNi در دما‌های پایین حدود -۱۹۶ درجه سانتیگراد (۳۲۱- درجه فارنهایت) استحکام و مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. برای مطالعه جدید، این تیم پژوهشی بررسی کردند که این آلیاژ چگونه می‌تواند در دما‌های حتی سردتر ۲۵۳- درجه سانتیگراد (۴۲۴- درجه فارنهایت) که در آن هلیوم به صورت مایع وجود دارد، مقاومت کند و از انتشار ترک در آن جلوگیری کند.

ایسو جورج از رهبران این پروژه می‌گوید: هنگامی که مصالح ساختمانی را طراحی می‌کنید، می‌خواهید محکم و همچنین انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر شکنندگی باشند. معمولا، به چیزی میان این موارد دست می‌یابید. اما این ماده هر دو مورد را دارا است و به جای اینکه در دماهای پایین شکننده شود، سخت‌تر می‌شود.

رابرت ریچی، محقق ارشد این مطالعه می‌گوید: مقاومت این ماده در نزدیکی دمای هلیوم مایع به اندازه ۵۰۰ مگا پاسکال برمتر مربع است. در همان مقیاس، مقاومت یک قطعه سیلیکون یک، بدنه آلومینیومی هواپیما‌های مسافربری حدود ۳۵ است، و مقاومت برخی از بهترین فولاد‌ها حدود ۱۰۰ است؛ بنابراین مقاومت ۵۰۰ مگاپاسکال بر متر مربعی این آلیاژ یک عدد خیره کننده است.

تصاویر میکروسکوپی از ساختار کریستالی آلیاژ CrCoNi، و آزمایش تغییرات با منگنز و آهن (CrMnFeCoNi)

دانشمندان از پراش نوترون، پراش الکترونی پس‌پراکنده و میکروسکوپ الکترونی عبوری برای بررسی ساختار شبکه نمونه‌های CrCoNi که در دمای اتاق و ۲۰ درجه کلوین شکسته شده بودند، استفاده کردند.

ریچی می‌گوید: این قابل توجه است؛ زیرا به گفته‌ متالورژیست‌ها ساختار یک ماده ویژگی‌های آن را مشخص می‌کند، اما ساختار NiCoCr ساده‌ترین چیزی است که می‌توانید تصور کنید. این آلیاژ تنها از ذرات تشکیل شده است.

به طور معمول، مواد در دما‌های سردتر شکننده‌تر می‌شوند، بنابراین پژوهشگران بررسی کردند که چگونه CrCoNi می‌تواند در ما‌های بسیار پایین به خوبی مقاومت کند. آن‌ها از چندین نوع میکروسکوپ برای بررسی ساختار شبکه کریستالی آلیاژ تحت فشار استفاده کردند.

به نظر می‌رسد، CrCoNi مقاومت سرد خود را از طریق یک سری از فعل و انفعالات اتمی که در یک دنباله خاص رخ می‌دهد، به دست می‌آورد. نواقص موجود در کریستال‌ها توسط نیروی اعمال شده جابجا می‌شوند تا زمانی که موانعی ایجاد کنند که باعث افزایش مقاومت در برابر آن نیرو می‌شوند. آخرین مرحله فرآیند، ساختار کریستال را از مکعب به شش ضلعی تغییر می‌دهد.

این گروه پژوهشی می‌گوید که مقاومت این ماده در برابر دما‌های فوق‌العاده سرد می‌تواند آن را برای ایجاد اجسامی که در محیط‌های بسیار سرد مصرف دارند مورد استفاده قرار دهد.

این تحقیق در مجله Science منتشر شده است.