Het taaiste materiaal op aarde: CrCoNi

Wetenschappers hebben de hoogste ooit taaiheid gemeten van alle materialen, tijdens het onderzoeken van een metaallegering gemaakt van chroom, kobalt en nikkel (CrCoNi). Het metaal is niet alleen extreem ductiel (zeer kneedbaar) en indrukwekkend sterk (bestand tegen permanente vervorming), de sterkte en ductiliteit verbeteren naarmate het kouder wordt. Dit is andersom dan bij de meeste andere bestaande materialen.

Het team, geleid door onderzoekers Berkeley Lab en Oak Ridge, publiceerde de studie in Science.

“Als je constructieve materialen ontwerpt, wil je dat ze sterk zijn, maar ook ductiel en bestand tegen breuk”, zegt co-leider Easo George. “Meestal is het een compromis tussen deze eigenschappen. Maar dit materiaal is beide, en in plaats van bros te worden bij lage temperaturen, wordt het taaier.”

CrCoNi valt onder de High Entropy Alloys (HEA’s). In tegenstelling tot de legeringen die tegenwoordig in gebruik zijn, bevatten ze een gelijke mix van elk samenstellend element. Deze uitgebalanceerde atomaire recepten lijken sommige van deze materialen een buitengewoon hoge combinatie van sterkte en ductiliteit te geven wanneer ze worden belast, die samen de ’taaiheid’ vormen.

HEA’s zijn een populair onderzoeksgebied sinds ze 20 jaar geleden voor het eerst werden ontwikkeld, maar de technologie die nodig is om de materialen tot het uiterste te drijven in extreme tests was tot voor kort niet beschikbaar.

Vijf keer zo taai als staal

“De taaiheid van dit materiaal bij temperaturen van vloeibaar helium (-253 Celsius) is 500 megapascal vierkantswortel meter. In dezelfde eenheden is de taaiheid van een stuk silicium 1, het aluminium casco in passagiersvliegtuigen is ongeveer 35 en de taaiheid van enkele van de beste staalsoorten is ongeveer 100. Dus 500, het is een duizelingwekkend aantal”, zegt co -leider Robert Ritchie.

In het kristal turen

Veel vaste stoffen, waaronder metalen, bestaan in een kristallijne vorm die wordt gekenmerkt door een zich herhalend 3D-atoompatroon dat een grotere structuur vormt die een rooster wordt genoemd. De sterkte en taaiheid van het materiaal, of het gebrek daaraan, komt voort uit de fysieke eigenschappen van het rooster. Geen enkel kristal is perfect, dus de eenheidscellen in een materiaal zullen onvermijdelijk ‘defecten’ bevatten, een prominent voorbeeld zijn dislocaties – grenzen waar onvervormd rooster samenkomt met vervormd rooster. Wanneer kracht wordt uitgeoefend op het materiaal – denk bijvoorbeeld aan het buigen van een metalen lepel – wordt de vormverandering tot stand gebracht door de beweging van dislocaties door het rooster. Hoe gemakkelijker het is voor de dislocaties om te bewegen, hoe zachter het materiaal is. Maar als de beweging van de dislocaties wordt geblokkeerd door obstakels in de vorm van roosteronregelmatigheden, dan is er meer kracht nodig om de atomen binnen de dislocatie te verplaatsen en wordt het materiaal sterker. Aan de andere kant maken obstakels het materiaal meestal brosser en vatbaarder voor scheuren.

Met behulp van neutronendiffractie, elektronenterugverstrooiingsdiffractie en transmissie-elektronenmicroscopie onderzocht het team de roosterstructuren van CrCoNi-monsters die waren gebroken bij kamertemperatuur en 20 K.

De afbeeldingen en atoomkaarten die met deze technieken zijn gegenereerd, onthulden dat de taaiheid van de legering te danken is aan een drietal dislocatie-obstakels die in een bepaalde volgorde in werking treden wanneer er kracht op het materiaal wordt uitgeoefend. Ten eerste zorgen bewegende dislocaties ervoor dat gebieden van het kristal wegglijden van andere gebieden die zich op parallelle vlakken bevinden. Deze beweging verplaatst lagen van eenheidscellen zodat hun patroon niet langer overeenkomt in de richting loodrecht op de glijdende beweging, waardoor een soort obstakel ontstaat. Verdere kracht op het metaal creëert een fenomeen dat nanotwinning wordt genoemd, waarbij delen van het rooster een gespiegelde symmetrie vormen met een grens ertussen. Ten slotte, als er krachten op het metaal blijven werken, verandert de energie die in het systeem wordt gestoken de opstelling van de eenheidscellen zelf, waarbij de CrCoNi-atomen overschakelen van een kubisch kristal in het midden van het gezicht naar een andere opstelling die bekend staat als hexagonale dichte pakking.

Deze opeenvolging van atomaire interacties zorgt ervoor dat het metaal blijft stromen, maar ook nieuwe weerstand blijft ondervinden van obstakels ver voorbij het punt waarop de meeste materialen breken door de spanning. “Dus terwijl je eraan trekt, start het eerste mechanisme en dan start het tweede, en dan start het derde, en dan het vierde”, aldus Ritchie. “Nu zullen veel mensen zeggen, nou, we hebben nanotwinning gezien in reguliere materialen, we hebben gezien dat er in reguliere materialen glijdt. Dat is waar. Daar is niets nieuws aan, maar het is het feit dat ze allemaal in deze magische volgorde voorkomen die ons deze geweldige eigenschappen geeft.”

Hoewel de materialen duur zijn om te maken, voorziet George toepassingen in situaties waarin extreme omgevingsomstandigheden standaard metaallegeringen zouden kunnen vernietigen, zoals in de ijskoude temperaturen van de verre ruimte. Zijn team onderzoekt ook hoe legeringen gemaakt van meer overvloedige en goedkopere elementen kunnen worden bewerkt om vergelijkbare eigenschappen te hebben.