Висока ентропія у матеріалі відкрила шлях до надміцного сплаву

Матеріалознавці з Дюкського університету, що у Північній Кароліні, та Університетського коледжу Сан-Дієго створили новий матеріал, який має найбільшу серед усіх матеріалів твердість та температуру плавлення.

Дослідники застосували новий підхід, який базується на створенні хаотичної структури з атомів різних металів та неметалів.

Нетипові сплави

Атомарна структура матеріалів буває кристалічною та аморфною. Перша відрізняється від другої наявністю структурованої кристалічної ґратки. Саме такою структурою відрізняється більшість металів. І всілякі нерегулярності у них зазвичай тільки знижують міцність матеріалів. Наприклад, такий підхід справедливий для сплавів заліза з вуглецем, також відомих як сталі.

Однак складні сплави вуглецю з такими металами як вольфрам, титан, кобальт, тантал та інші, мають достатньо складну будову кристалічної решітки та відрізняються високими показниками механічних властивостей та температур плавлення. Водночас, у такі сплави, відомі як карбіди, легко може входити до трьох-чотирьох компонентів.

Дослідники з двох американських університетів опублікували дослідження, яке по-своєму є абсолютно революційним. Вони припустили, що саме хаотичність структури сплаву може підвищити його твердість та температуру плавлення. Їхні попередні дослідження у цьому напрямку показали, що нерегулярності у кристалічній ґратці можуть чимось більшим за джерелом утворення мікроскопічних розривів у структурі.

На що здатна хаотична структура?

Нерегулярність у структурі, якщо її площина не збігається з площиною мікродефекту, що вже виник, може зупинити його розвиток. Базуючись на цьому припущенні, вчені задумали зробити карбід, до складу якого входило б аж п’ять атомів різних металів. Однак для цього необхідно було обрати саме такі метали, комбінація яких давала б міцний сплав. Для цього дослідники узяли вісім металів, використання яких при виготовленні карбідів є найбільш поширеним.

Ці метали групували по п’ять у різних комбінаціях і для кожної комбінації моделювали широкий спектр можливих типів структур, оцінюючи при цьому енергію зв’язків між атомами. Найбільше дослідників  цікавили не найвищі показники, а ті комбінації, де розбіг отриманих результатів у різних комбінаціях структури був мінімальний. Саме у таких матеріалах під дією зовнішнього навантаження напруження будуть мінімальними.

Дослідники виділили п’ять можливих комбінацій з п’яти різних металів, три з яких могли б забезпечити існування надтвердого матеріалу з більшою імовірністю, а ще два – з меншою і ще чотири комбінації були виділені навмання, щоб перевірити, наскільки легко вдалу комбінацію металів можна просто “вгадати”. За усіма рецептами було виготовлено зразки, які піддавалися надзвичайно жорстким випробуванням: нагріву до температури до 4000 градусів за Цельсієм та дії тиску в 2000 атмосфер.

Перспективні матеріали та нова теорія

Результати випробування зразків нових сплавів підтвердили припущення вчених. Три “вдалі” зразки дійсно виявили неабияку стійкість до температури та тиску. Два “невдалі” продемонстрували достатньо низькі показники. Що ж до вибраних навмання рецептів, то тільки три з них сформували більш-менш стійку структуру. Ба більше, отримані зразки були достатньо легкими, що вигідно відрізнило їх від вже наявних карбідів.

Однорідна та неоднорідна структури
Зображення ліворуч демонструє металеві компоненти, що утворюють великі однорідні структури, які не забезпечують необхідної стабільності матеріалу. Елементи на зображенні праворуч, однак, утворюють багато різних структур, що змішуються разом, утворюючи один з новітніх матеріалів, описаних у дослідженні. Джерело: Kenneth Vecchio, UC San Diego

Хоча всі три найбільш вдалих сплави демонструють цікаві для промисловості результати, найміцнішим і найбільш стійким до дії високих температур виявився сплав MoNbTaVWC5, тобто молібден-ніобій-тантал-ванадій-вольфрамовий карбід. Цей сплав може бути використаний у металорізних інструментах нового покоління, які дозволять якісно обробляти матеріали, робота з якими досі була неможливою. Перш за все, мова йде про інші карбіди, виготовити з яких складну деталь досі було достатньо складною справою.

Крім виключно прикладного значення опублікована робота містить у собі достатньо нову теоретичну ідею, яка потенційно може змінити наше розуміння того, як можна забезпечити міцність нових сплавів. Досі ми вважали що міцнісні характеристики відомих нам сплавів обмежені саме неможливістю позбутися  мікродефектів, які значно знижують ті показники, які б теоретично могла забезпечити ідеальна кристалічна решітка. Однак може статися так, що ключем до нових матеріалів може бути добре розрахований хаос.

Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-07160-7

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 72 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.