ほとんど不可能な強度と靭性で科学者を衝撃に陥れた新しい合金

研究者たちは珍しい金属を見つけました 合金 これは、原子レベルでの合金結晶のねじれや曲げによって極端な温度で亀裂が発生しない。

ニオブ、タンタル、チタン、ハフニウムからなる金属合金は、これまで達成できなかったような特性の組み合わせである極端な高温と低温の両方で印象的な強度と靭性を示し、材料科学者を驚かせました。 この文脈では、強度は、材料が元の形状から永久的に変形する前に耐えることができる力の量として定義され、靭性は破損（亀裂）に対する抵抗力として定義されます。 幅広い条件下での曲げと破損に対する合金の弾力性は、より高い効率で動作することができる次世代エンジンのための新しい種類の材料のためのドアを開くことができます。

ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とUCバークレーのRobert Ritchieが率いるチームは、UCアーバインのDiran Apelian教授とテキサスA&M大学のEnrique Lavernia教授が率いるグループと協力して合金の驚くべき特性を発見出しました。 原子構造の相互作用でどのように起こるか。 彼らの仕事は最近、ジャーナルで発表された研究で説明されています。 科学。

「熱を電気または推力に変換する効率は、燃料が燃焼する温度によって決まります。 暑いほど良いです。 しかし、動作温度はこれに耐えなければならない構造材料によって制限されています。」 豊富な研究室の学生。 「私たちは現在、高温で使用する材料をさらに最適化する能力をすべて使い果たしており、新しい金属材料の必要性が高まっています。 これはまさにこの合金が可能性を示すことです」。

この研究で使用された合金は、耐火性高エントロピーまたは中間エントロピー合金（RHEAs / RMEAs）として知られている新しい種類の金属です。 商業用または産業用に使用されるほとんどの金属は、1つの主要金属と少量の他の元素を混合した合金ですが、RHEAとRMEAは、ほぼ同量の金属元素を非常に高い溶融温度で混合することによって作られています。 科学者たちがまだ明らかにしているユニークな特性。 Ritchieのグループは、高温用途のためにこれらの合金を長年調査してきました。

この材料構造マップは、室温25℃で合金の亀裂が伝播している間（左から右に）亀裂先端の近くに形成されたねじれバンドを示しています。 走査電子顕微鏡の電子後方散乱回折検出器で作製されました。 クレジット：バークレー研究所

「私たちのチームはRHEAとRMEAの以前の研究を行っており、これらの材料は非常に強力ですが、一般に破壊靭性が非常に低いことがわかりました。 「と共同交信の著者は言った。 グループの博士後研究者であるPunit Kumar。

クックによると、ほとんどのRMEAは、破壊靭性が10MPa√m未満で、記録上最も壊れやすい金属の1つです。 破損に抵抗するように特別に設計された最高の極低温鋼は、これらの材料より約20倍強いです。 しかし、ニオブ、タンタル、チタン、ハフニウム（Nb）₄₅ありがとう₂₅ティー₁₅HF₁₅）RMEA合金は極低温鋼も凌駕することができ、室温で一般RMEAより25倍以上靭性が高かった。

ただし、エンジンは室温では動作しません。 科学者たちは、-196℃（液体窒素の温度）、25℃（室温）、800℃、950℃、1200℃の合計5つの温度で強度と靭性を評価しました。 最後の温度は太陽表面温度の約1/5です。

研究チームは、この合金は寒さに最も高い強度を持ち、温度が上昇するにつれてわずかに弱くなりましたが、それでも広い範囲で印象的な数値を誇っていることを発見しました。 材料の既存の亀裂を伝播するのに必要な力の大きさとして計算される破壊靭性は、すべての温度で高かった。

原子配列を解く

ほぼすべての金属合金は結晶質です。 これは、材料内部の原子が繰り返し単位で配列されていることを意味する。 しかし、完璧な決定はなく、すべて欠陥があります。 移動する最も顕著な欠陥は電位と呼ばれ、これは結晶内の原子の未完成面です。 金属に力が加わると、形状変化に対応するために多くの電位が移動します。

例えば、アルミニウム製のペーパークリップを曲げると、ペーパークリップ内の電位の動きが形状変化に対応する。 しかし、電位の移動は低温でより困難になり、結果として電位が移動できないため、多くの材料が低温で脆くなる可能性がある。 これがタイタニック号が氷山にぶつかったときに鋼鉄船体が壊れた理由です。 融点が高い要素とその合金はこの現象を極限まで引き上げ、ほとんどは最大800℃でも壊れやすい状態で残っています。 しかし、このRMEAは液体窒素（-196℃）と同じくらい低い温度でもスナップに耐えることができ、この傾向を妨げます。

このマップは、-196Cで合金の亀裂伝播テスト（左から右へ）中に亀裂先端の近くに形成されたキンクバンドを示しています。 ソース: Berkeley Lab

驚くべき金属の中で何が起こっているのかを理解するために、共同研究者であるAndrew Minorと彼のチームは、4次元走査透過電子顕微鏡（4D-STEM）と走査透過電子顕微鏡（STEM）を使用して曲がらず、壊れていない対照サンプルとともに応力を受けたサンプルを分析しました。 ) バークレー研究所 分子鋳造所の一部である国立電子顕微鏡センターにあります。

電子顕微鏡データによると、合金の特異な靭性は、キンクバンドと呼ばれるまれな欠陥の予期しない副作用に起因することが示されています。 力が加えられると、水晶帯は自ら崩壊し、突然曲がると水晶体に撚り帯が形成される。 このストリップにおいて結晶が曲がる方向は、電位が感じる力を増大させ、より容易に移動させる。 バルクレベルでは、この現象は材料を滑らかにします。 つまり、材料が変形したときに材料に少ない力を加えなければならないという意味です。 チームは過去の研究を通じてRMEAでキンクバンドが容易に形成されることを知っていましたが、軟化効果により亀裂が格子を通してより容易に広がることにより材料の堅牢性が低くなると仮定しました。 しかし、実際にはそうではありません。

Cookは、「原子の間に鋭い亀裂がある場合、ねじれバンドが実際に損傷を分散させ、亀裂の伝播を防止し、亀裂を防止し、非常に高い破壊靭性を誘導するという事実を初めて示した」と述べた。

Nb₄₅ありがとう₂₅ティー₁₅HF₁₅ 合金は、ジェットタービンや航空機の製造に先立って、はるかに基本的な研究とエンジニアリングテストを受けなければなりません。 スペースX ロケットノズルはそれで作られたとRitchieは言った。 なぜなら、機械エンジニアは、材料を実際の世界で使用する前に、材料の性能の深い理解が当然必要であるからです。 しかし、この研究は、金属が将来のエンジンを作る可能性があることを示しています。

参考資料：David H. Cook、Punit Kumar、Madelyn I. Payne、Calvin H. Belcher、Pedro Borges、Wenqing Wang、Flynn Walsh、Zehao Li、Arun氏。 Devaraj、Mingwei Zhang、Mark Asta、Andrew M. Minor、Enrique J. Lavernia、Diran Apelian、Robert O. Ritchie、2024年4月11日、 科学。
DOI：10.1126/science.adn2428

この研究は、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によって行われました.しました。 Berkeley Lab、UC Berkeley、Pacific Northwest National Laboratory、UC Irvineの科学者であるJ. Lavernia、Diran Apelian、Robert O. Ritchieは、エネルギー省（DOE）科学室の資金を受けました。 実験および計算分析は、分子鋳造所（Molecular Foundry）および国立エネルギー研究科学コンピューティングセンター（National Energy Research Scientific Computing Center）で行われました。 どちらもDOE Office of Scienceユーザー施設です。