In questo contesto, la resistenza è definita come quanta forza un materiale può sopportare prima che venga deformato in modo permanente dalla sua forma originale, e la tenacità è la sua resistenza alla frattura (cracking). La resistenza della lega alla flessione e alla frattura in un'ampia gamma di condizioni potrebbe aprire la porta a una nuova classe di materiali per i motori di prossima generazione in grado di funzionare con efficienze più elevate.

Il team, guidato da Robert Ritchie del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley, in collaborazione con i gruppi guidati dai professori Diran Apelian dell'UC Irvine ed Enrique Lavernia della Texas A&M University, ha scoperto le proprietà sorprendenti della lega e poi ha capito come nascono dalle interazioni nella struttura atomica. Il loro lavoro è descritto in uno studio pubblicato su Science .

"L'efficienza della conversione del calore in elettricità o spinta è determinata dalla temperatura alla quale viene bruciato il carburante:più è caldo, meglio è. Tuttavia, la temperatura operativa è limitata dai materiali strutturali che devono resistere", ha affermato il primo autore David Cook, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Ritchie. "Abbiamo esaurito la capacità di ottimizzare ulteriormente i materiali che attualmente utilizziamo ad alte temperature e c'è un grande bisogno di nuovi materiali metallici. Questo è ciò che questa lega si dimostra promettente."

La lega in questo studio proviene da una nuova classe di metalli noti come leghe refrattarie ad alta o media entropia (RHEA/RMEA). La maggior parte dei metalli che vediamo nelle applicazioni commerciali o industriali sono leghe costituite da un metallo principale mescolato con piccole quantità di altri elementi, ma gli RHEA e gli RMEA sono realizzati mescolando quantità quasi uguali di elementi metallici con temperature di fusione molto elevate, il che conferisce loro proprietà uniche che gli scienziati stanno ancora svelando.

Il gruppo di Ritchie sta studiando queste leghe da diversi anni a causa del loro potenziale per applicazioni ad alta temperatura.

"Il nostro team ha svolto lavori precedenti su RHEA e RMEA e abbiamo scoperto che questi materiali sono molto resistenti ma generalmente possiedono una tenacità alla frattura estremamente bassa, motivo per cui siamo rimasti scioccati quando questa lega ha mostrato una tenacità eccezionalmente elevata", ha affermato l'autore co-corrispondente. Punit Kumar, un ricercatore post-dottorato del gruppo.

Secondo Cook, la maggior parte degli RMEA hanno una resistenza alla frattura inferiore a 10 MPa√m, il che li rende alcuni dei metalli più fragili mai registrati. I migliori acciai criogenici, appositamente progettati per resistere alla frattura, sono circa 20 volte più resistenti di questi materiali. Eppure il niobio, il tantalio, il titanio e l'afnio (Nb₄₅ Ta₂₅ Ti₁₅ Hf₁₅ ) La lega RMEA è stata in grado di battere anche l'acciaio criogenico, risultando oltre 25 volte più resistente delle tipiche RMEA a temperatura ambiente.

Ma i motori non funzionano a temperatura ambiente. Gli scienziati hanno valutato la resistenza e la tenacità a cinque temperature totali:-196°C (la temperatura dell'azoto liquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C e 1200°C. L'ultima temperatura è circa 1/5 della temperatura superficiale del sole.

Il team ha scoperto che la lega aveva la massima resistenza al freddo e diventava leggermente più debole con l'aumentare della temperatura, ma vantava comunque valori impressionanti in tutto l'ampio intervallo. La resistenza alla frattura, calcolata in base alla forza necessaria per propagare una fessura esistente in un materiale, è risultata elevata a tutte le temperature.

Svelare le disposizioni atomiche

Quasi tutte le leghe metalliche sono cristalline, il che significa che gli atomi all'interno del materiale sono disposti in unità ripetitive. Tuttavia, nessun cristallo è perfetto; contengono tutti difetti. Il difetto più evidente che si muove è chiamato dislocazione, che è un piano incompleto di atomi nel cristallo. Quando la forza viene applicata a un metallo, provoca lo spostamento di molte dislocazioni per adattarsi al cambiamento di forma.

Ad esempio, quando si piega una graffetta di alluminio, il movimento delle dislocazioni all'interno della graffetta si adatta al cambiamento di forma. Tuttavia, il movimento delle dislocazioni diventa più difficile a temperature più basse e, di conseguenza, molti materiali diventano fragili alle basse temperature perché le dislocazioni non possono muoversi. Questo è il motivo per cui lo scafo in acciaio del Titanic si è fratturato quando ha colpito un iceberg.

Gli elementi con elevate temperature di fusione e le loro leghe portano questo fenomeno all'estremo, con molti che rimangono fragili fino a 800°C. Tuttavia, questo RMEA è in controtendenza, resistendo allo scatto anche a temperature basse come l'azoto liquido (-196°C).

Per capire cosa stava succedendo all'interno dello straordinario metallo, il co-investigatore Andrew Minor e il suo team hanno analizzato i campioni stressati insieme a campioni di controllo non piegati e non fessurati, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione quadridimensionale (4D-STEM) e la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM). presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica, parte della fonderia molecolare del Berkeley Lab.

I dati della microscopia elettronica hanno rivelato che l'insolita tenacità della lega deriva da un effetto collaterale inaspettato di un raro difetto chiamato banda attorcigliata. Le bande piegate si formano in un cristallo quando una forza applicata fa sì che le strisce del cristallo collassino su se stesse e si pieghino bruscamente.

La direzione in cui il cristallo si piega in queste strisce aumenta la forza percepita dalle dislocazioni, facendole muovere più facilmente. A livello generale, questo fenomeno provoca l'ammorbidimento del materiale (il che significa che è necessario applicare meno forza al materiale mentre viene deformato).

Il team sapeva da ricerche precedenti che le bande di piegatura si formavano facilmente negli RMEA, ma presumeva che l'effetto ammorbidente avrebbe reso il materiale meno resistente rendendo più facile la diffusione di una fessura attraverso il reticolo. Ma in realtà non è così.

"Mostriamo, per la prima volta, che in presenza di una forte fessura tra gli atomi, le bande di piegamento effettivamente resistono alla propagazione di una fessura distribuendo il danno lontano da essa, prevenendo la frattura e portando a una resistenza alla frattura straordinariamente elevata", ha affermato Cook.

Il Nb₄₅ Ta₂₅ Ti₁₅ Hf₁₅ La lega dovrà essere sottoposta a molte più ricerche fondamentali e test ingegneristici prima di poter realizzare qualcosa come la turbina di un aereo a reazione o l’ugello di un razzo SpaceX, ha affermato Ritchie, perché gli ingegneri meccanici richiedono giustamente una profonda comprensione di come si comportano i loro materiali prima di usarli in Il mondo reale. Tuttavia, questo studio indica che il metallo ha il potenziale per costruire i motori del futuro.