Wissenschaftler wurden vom härtesten Material der Erde umgehauen

Von Lawrence Berkeley National Laboratory, 11. Dezember 2022

Mikroskopisch erzeugte Bilder, die den Verlauf eines Bruchs und die damit einhergehende Verformung der Kristallstruktur in der CrCoNi-Legierung im Nanometerbereich während eines Belastungstests bei 20 Kelvin (-424 °F) zeigen. Der Bruch breitet sich von links nach rechts aus. Bildnachweis: Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Legierung.

Wissenschaftler haben bei der Untersuchung einer Metalllegierung aus Chrom, Kobalt und Nickel (CrCoNi) die höchste jemals gemessene Zähigkeit eines Materials gemessen. Das Metall ist nicht nur äußerst duktil – was in der Materialwissenschaft hochformbar bedeutet – und beeindruckend fest (das heißt, es widersteht bleibender Verformung), sondern seine Festigkeit und Duktilität verbessern sich auch, wenn es kälter wird. Dies steht im Widerspruch zu den meisten anderen existierenden Materialien.

„In den gleichen Einheiten beträgt die Zähigkeit eines Stücks Silizium eins, die der Aluminium-Flugzeugzelle in Passagierflugzeugen liegt bei etwa 35 und die Zähigkeit einiger der besten Stähle liegt bei etwa 100. 500 ist also eine erstaunliche Zahl.“ – Robert Ritchie

Das Team unter der Leitung von Forschern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und des Oak Ridge National Laboratory veröffentlichte am 1. Dezember 2022 in der Zeitschrift Science eine Studie, in der sie ihre rekordverdächtigen Ergebnisse beschreiben.

„Wenn Sie Strukturmaterialien entwerfen, möchten Sie, dass sie stark, aber auch duktil und bruchsicher sind“, sagte Projekt-Co-Leiter Easo George, Gouverneurslehrstuhl für fortgeschrittene Legierungstheorie und -entwicklung am ORNL und der University of Tennessee. „Normalerweise handelt es sich um einen Kompromiss zwischen diesen Eigenschaften. Aber dieses Material ist beides und wird bei niedrigen Temperaturen nicht spröde, sondern zäher.“

CrCoNi ist eine Untergruppe einer Klasse von Metallen, die als Hochentropielegierungen (HEAs) bezeichnet werden. Alle heute verwendeten Legierungen enthalten einen hohen Anteil eines Elements und geringere Mengen zusätzlicher Elemente. HEAs bestehen jedoch aus einer gleichen Mischung der einzelnen Elementbestandteile. Diese ausgewogenen Atomrezepturen scheinen einigen dieser Materialien eine außergewöhnlich hohe Kombination aus Festigkeit und Duktilität bei Belastung zu verleihen, die zusammen das ausmachen, was man „Zähigkeit“ nennt. HEAs sind seit ihrer ersten Entwicklung vor etwa 20 Jahren ein heißes Forschungsgebiet, aber die Technologie, die erforderlich ist, um die Materialien in Extremtests an ihre Grenzen zu bringen, war bis vor kurzem nicht verfügbar.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit) beträgt bis zu 500 Megapascal Quadratwurzelmeter. In den gleichen Einheiten beträgt die Zähigkeit eines Stücks Silizium eins, die der Aluminium-Flugzeugzelle in Passagierflugzeugen liegt bei etwa 35 und die Zähigkeit einiger der besten Stähle liegt bei etwa 100. Also 500, das ist eine erstaunliche Zahl“, sagte die Forschung Co-Leiter Robert Ritchie, leitender Fakultätswissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Chua-Professor für Ingenieurwissenschaften an der UC Berkeley.

Ritchie und George begannen vor fast einem Jahrzehnt mit CrCoNi und einer anderen Legierung, die auch Mangan und Eisen enthält (CrMnFeCoNi). Sie stellten Proben der Legierungen her, senkten die Materialien dann auf Temperaturen von flüssigem Stickstoff (etwa 77 Kelvin oder -321 °F) und entdeckten beeindruckende Festigkeit und Zähigkeit. Sie wollten ihre Arbeit sofort mit Tests in Temperaturbereichen von flüssigem Helium fortführen, suchten aber nach Einrichtungen, die Stresstests von Proben in einer solch kalten Umgebung ermöglichen würden, und rekrutierten Teammitglieder mit den Analysewerkzeugen und der Erfahrung, die erforderlich sind, um zu analysieren, was im Material passiert Auf atomarer Ebene dauerte es die nächsten 10 Jahre. Zum Glück hat sich das Warten auf die Ergebnisse gelohnt.

Viele feste Substanzen, darunter auch Metalle, liegen in kristalliner Form vor, die durch ein sich wiederholendes dreidimensionales Atommuster, eine so genannte Elementarzelle, gekennzeichnet ist und eine größere Struktur, ein sogenanntes Gitter, bildet. Die Festigkeit und Zähigkeit des Materials bzw. deren Fehlen ergibt sich aus den physikalischen Eigenschaften des Gitters. Kein Kristall ist perfekt, daher enthalten die Elementarzellen in einem Material zwangsläufig „Defekte“. Ein prominentes Beispiel sind Versetzungen – Grenzen, an denen unverformtes Gitter auf deformiertes Gitter trifft. Wenn Kraft auf das Material ausgeübt wird – denken Sie zum Beispiel an das Biegen eines Metalllöffels – wird die Formänderung durch die Bewegung von Versetzungen durch das Gitter erreicht. Je leichter sich die Versetzungen bewegen können, desto weicher ist das Material. Wenn die Bewegung der Versetzungen jedoch durch Hindernisse in Form von Gitterunregelmäßigkeiten blockiert wird, ist mehr Kraft erforderlich, um die Atome innerhalb der Versetzung zu bewegen, und das Material wird stärker. Andererseits machen Hindernisse das Material in der Regel spröder und neigen zu Rissen.

„Wir konnten diese unerwartete Transformation durch die Entwicklung schneller Elektronendetektoren in unseren Elektronenmikroskopen sichtbar machen, die es uns ermöglichen, zwischen verschiedenen Arten von Kristallen zu unterscheiden und die Defekte in ihnen mit einer Auflösung von einem einzigen Nanometer zu quantifizieren – der Breite von nur einem Nanometer ein paar Atome – was, wie sich herausstellte, ungefähr der Größe der Defekte in der deformierten NiCoCr-Struktur entspricht.“ — Andrew Minor

Using neutron diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy, Ritchie, George, and their colleagues at Berkeley Lab, the University of BristolThe University of Bristol, a red brick research university in Bristol, England, received its royal charter in 1909. However, it can trace its history back to 1876 (as University College, Bristol) and 1595 (as Merchant Venturers School). It is organized into six academic faculties composed of multiple schools and departments running over 200 undergraduate courses." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die University of Bristol, das Rutherford Appleton Laboratory und die University of New South Wales untersuchten die Gitterstrukturen von CrCoNi-Proben, die bei Raumtemperatur und 20 K gebrochen waren. (Zur Messung von Festigkeit und Duktilität wird eine makellose Metallprobe gezogen, bis sie bricht. Bei Bruchzähigkeitstests hingegen wird absichtlich ein scharfer Riss in die Probe eingebracht, bevor sie gezogen wird, und dann wird die Spannung gemessen, die zum Wachsen des Risses erforderlich ist.)

Die mit diesen Techniken erstellten Bilder und Atomkarten zeigten, dass die Zähigkeit der Legierung auf drei Versetzungshindernisse zurückzuführen ist, die in einer bestimmten Reihenfolge wirksam werden, wenn Kraft auf das Material ausgeübt wird. Erstens führen bewegliche Versetzungen dazu, dass Bereiche des Kristalls von anderen Bereichen weggleiten, die auf parallelen Ebenen liegen. Durch diese Bewegung werden Schichten von Elementarzellen verschoben, sodass ihr Muster nicht mehr in der Richtung senkrecht zur Gleitbewegung übereinstimmt, wodurch eine Art Hindernis entsteht. Eine weitere Krafteinwirkung auf das Metall erzeugt ein Phänomen namens Nanozwillinge, bei dem Bereiche des Gitters eine Spiegelsymmetrie mit einer Grenze dazwischen bilden. Wenn schließlich weiterhin Kräfte auf das Metall einwirken, verändert die in das System eingebrachte Energie die Anordnung der Elementarzellen selbst, wobei die CrCoNi-Atome von einem kubisch-flächenzentrierten Kristall zu einer anderen Anordnung wechseln, die als hexagonale dichte Packung bekannt ist.

Diese Abfolge atomarer Wechselwirkungen stellt sicher, dass das Metall weiter fließt, aber auch immer wieder auf neuen Widerstand von Hindernissen trifft, weit über den Punkt hinaus, an dem die meisten Materialien aufgrund der Belastung brechen. „Wenn man also daran zieht, startet der erste Mechanismus und dann der zweite, und dann startet der dritte und dann der vierte“, erklärte Ritchie. „Viele Leute werden sagen: Nun ja, wir haben Nanozwillinge in normalen Materialien gesehen, wir haben Gleiten in normalen Materialien gesehen. Das stimmt. Daran ist nichts Neues, aber es ist die Tatsache, dass sie alle in dieser magischen Reihenfolge auftreten.“ Das verleiht uns diese wirklich enormen Eigenschaften.“

Die neuen Erkenntnisse des Teams, gepaart mit anderen neueren Arbeiten zu HEAs, könnten die Materialwissenschaftsgemeinschaft dazu zwingen, lang gehegte Vorstellungen darüber zu überdenken, wie physikalische Eigenschaften zu Leistung führen. „Es ist amüsant, weil Metallurgen sagen, dass die Struktur eines Materials seine Eigenschaften definiert, aber die Struktur von NiCoCr ist die einfachste, die man sich vorstellen kann – es sind nur Körner“, sagte Ritchie. „Wenn man es jedoch verformt, wird die Struktur sehr kompliziert, und diese Verschiebung erklärt seine außergewöhnliche Bruchfestigkeit“, fügte Co-Autor Andrew Minor, Direktor der Einrichtung des National Center of Electron Microscopy der Molecular Foundry am Berkeley Lab, hinzu Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UC Berkeley. „Wir konnten diese unerwartete Transformation durch die Entwicklung schneller Elektronendetektoren in unseren Elektronenmikroskopen sichtbar machen, die es uns ermöglichen, zwischen verschiedenen Arten von Kristallen zu unterscheiden und die Defekte in ihnen mit einer Auflösung von einem einzigen Nanometer zu quantifizieren – der Breite von nur einem Nanometer ein paar Atome – was, wie sich herausstellte, ungefähr der Größe der Defekte in der deformierten NiCoCr-Struktur entspricht.“

Die CrMnFeCoNi-Legierung wurde ebenfalls bei 20 Kelvin getestet und zeigte eine beeindruckende Leistung, erreichte jedoch nicht die gleiche Zähigkeit wie die einfachere CrCoNi-Legierung.

Da nun das Innenleben der CrCoNi-Legierung besser verstanden ist, sind sie und andere HEAs der Einführung für spezielle Anwendungen einen Schritt näher gekommen. Obwohl die Herstellung dieser Materialien teuer ist, sieht George den Einsatz in Situationen vor, in denen extreme Umwelteinflüsse Standardmetalllegierungen zerstören könnten, beispielsweise bei den eisigen Temperaturen im Weltraum. Er und sein Team in Oak Ridge untersuchen außerdem, wie Legierungen aus häufiger vorkommenden und kostengünstigeren Elementen – aufgrund ihrer Nachfrage in der Batterieindustrie herrscht weltweit ein Mangel an Kobalt und Nickel – dazu gebracht werden könnten, ähnliche Eigenschaften zu haben.

Obwohl die Fortschritte aufregend sind, warnt Ritchie, dass der Einsatz in der realen Welt aus gutem Grund noch in weiter Ferne liegen könnte. „Wenn Sie in einem Flugzeug fliegen, möchten Sie dann wissen, dass das, was Sie vor einem Sturz aus 40.000 Fuß Höhe bewahrt, eine Flugzeugrahmenlegierung ist, die erst vor ein paar Monaten entwickelt wurde? Oder möchten Sie, dass die Materialien ausgereift und gut verstanden sind? Deshalb.“ Es kann viele Jahre oder sogar Jahrzehnte dauern, bis Strukturmaterialien tatsächlich zum Einsatz kommen.“

Dong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George und Robert O. Ritchie

Diese Forschung wurde vom Office of Science des Energieministeriums unterstützt. Die mechanischen Tests bei niedriger Temperatur und die Neutronenbeugung wurden in der ENGIN-X ISIS-Einrichtung im Rutherford Appleton Laboratory unter der Leitung des Erstautors Dong Liu durchgeführt. Die Mikroskopie wurde am National Center for Electron Microscopy der Molecular Foundry, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab, durchgeführt. Die anderen Autoren dieses Projekts waren Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz und Mark Asta.