Scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e dell'Università del Tennessee, Knoxville, hanno trovato un modo per aumentare simultaneamente la resistenza e la duttilità di una lega introducendo minuscoli precipitati nella sua matrice e regolandone le dimensioni e la spaziatura. I precipitati sono solidi che si separano dalla miscela metallica quando la lega si raffredda. I risultati, pubblicato sulla rivista Natura , aprirà nuove strade per l'avanzamento dei materiali strutturali.

La duttilità è una misura della capacità di un materiale di subire deformazioni permanenti senza rompersi. determina, tra l'altro, quanto un materiale può allungarsi prima di fratturarsi e se tale frattura sarà aggraziata o catastrofica. Maggiore è la resistenza e la duttilità, più duro è il materiale.

"Un santo graal di materiali strutturali è stato a lungo, come si aumenta contemporaneamente forza e duttilità?" disse Easo George, investigatore principale dello studio e presidente del governatore per la teoria e lo sviluppo avanzati delle leghe presso ORNL e UT. "Sconfiggere il compromesso resistenza-duttilità consentirà una nuova generazione di pesi leggeri, forte, materiali resistenti ai danni”.

Se i materiali strutturali potessero diventare più forti e più duttili, componenti di automobili, aerei, centrali elettriche, edifici e ponti potrebbero essere costruiti utilizzando meno materiale. I veicoli più leggeri sarebbero più efficienti dal punto di vista energetico da realizzare e da utilizzare, e l'infrastruttura più dura sarebbe più resiliente.

Il co-investigatore principale Ying Yang di ORNL ha concepito e guidato il Natura studio. Guidati da simulazioni di termodinamica computazionale, ha progettato e realizzato su misura leghe per modelli con la speciale capacità di subire una trasformazione di fase da cubica a facce centrate, o FCC, a una cubica a corpo centrato, o BCC, struttura di cristallo, guidato da variazioni di temperatura o stress.

"Abbiamo messo i nanoprecipitati in una matrice trasformabile e abbiamo controllato attentamente i loro attributi, che a sua volta controllava quando e come la matrice si trasformava, " Yang ha detto. "In questo materiale, abbiamo intenzionalmente indotto la matrice ad avere la capacità di subire una trasformazione di fase."

La lega contiene quattro elementi principali:ferro, nichel, alluminio e titanio, che formano la matrice e precipitano, e tre elementi minori:carbonio, zirconio e boro, che limitano la dimensione dei grani, singoli cristalli metallici.

I ricercatori hanno mantenuto la stessa composizione della matrice e la quantità totale di nanoprecipitati in campioni diversi. Però, variavano le dimensioni e le distanze dei precipitati regolando la temperatura e il tempo di lavorazione. Per confronto, è stata inoltre preparata e testata una lega di riferimento priva di precipitati ma avente la stessa composizione della matrice della lega contenente precipitato.

"La resistenza di un materiale di solito dipende da quanto vicini sono i precipitati l'uno all'altro, " disse George. "Quando li fai di pochi nanometri [miliardesimi di metro] di dimensioni, possono essere molto ravvicinati. Più sono ravvicinati, più forte diventa il materiale."

Mentre i nanoprecipitati nelle leghe convenzionali possono renderle super resistenti, inoltre rendono le leghe molto fragili. La lega del team evita questa fragilità perché i precipitati svolgono una seconda funzione utile:vincolando spazialmente la matrice, gli impediscono di trasformarsi durante un raffreddamento termico, una rapida immersione in acqua che raffredda la lega a temperatura ambiente. Di conseguenza, la matrice rimane in uno stato FCC metastabile. Quando la lega viene quindi allungata ("tesa"), si trasforma progressivamente da FCC metastabile a BCC stabile. Questa trasformazione di fase durante la deformazione aumenta la resistenza mantenendo un'adeguata duttilità. In contrasto, la lega senza precipitati si trasforma completamente in FCC stabile durante l'estinzione termica, che preclude un'ulteriore trasformazione durante lo sforzo. Di conseguenza, è sia più debole che più fragile della lega con precipitati. Insieme, i meccanismi complementari del rafforzamento delle precipitazioni convenzionali e della trasformazione indotta dalla deformazione hanno aumentato la resistenza del 20%-90% e l'allungamento del 300%.

"L'aggiunta di precipitati per bloccare le dislocazioni e rendere i materiali ultra resistenti è cosa nota, "Ha detto George. "La novità qui è che la regolazione della spaziatura di questi precipitati influisce anche sulla propensione alla trasformazione di fase, che consente di attivare più meccanismi di deformazione secondo necessità per migliorare la duttilità."

Lo studio ha anche rivelato una sorprendente inversione del normale effetto rinforzante dei nanoprecipitati:una lega con precipitati ampiamente distanziati è più forte della stessa lega con fini, precipitati ravvicinati. Questa inversione si verifica quando i nanoprecipitati diventano così piccoli e fitti che la trasformazione di fase viene essenzialmente interrotta durante la deformazione del materiale, non diversamente dalla trasformazione soppressa durante la tempra termica.

Questo studio si è basato su tecniche complementari eseguite presso le strutture per gli utenti del DOE Office of Science presso l'ORNL per caratterizzare i nanoprecipitati ei meccanismi di deformazione. Presso il Centro per le scienze dei materiali nanofasici, la tomografia con sonda atomica ha mostrato le dimensioni, distribuzione e composizione chimica dei precipitati, mentre la microscopia elettronica a trasmissione ha esposto i dettagli atomistici delle regioni locali. Al reattore isotopico ad alto flusso, lo scattering di neutroni a piccolo angolo ha quantificato la distribuzione dei precipitati fini. E alla Spallation Neutron Source, la diffrazione di neutroni ha sondato la trasformazione di fase dopo diversi livelli di deformazione.

"Questa ricerca introduce una nuova famiglia di leghe strutturali, "Ha detto Yang. "Le caratteristiche del precipitato e la chimica della lega possono essere adattate con precisione per attivare i meccanismi di deformazione esattamente quando necessario per contrastare il compromesso tra forza e duttilità".

Successivamente il team studierà ulteriori fattori e meccanismi di deformazione per identificare combinazioni che potrebbero migliorare ulteriormente le proprietà meccaniche.

Si scopre, c'è molto margine di miglioramento. "I materiali strutturali di oggi realizzano solo una piccola frazione, forse solo il 10%, dei loro punti di forza teoricamente capaci, "Ha detto George. "Immagina il risparmio di peso che sarebbe possibile in un'auto o in un aereo - e il conseguente risparmio energetico - se questa forza potesse essere raddoppiata o triplicata mantenendo un'adeguata duttilità".

Il titolo di Natura la carta è "I nanoprecipitati bifunzionali rafforzano e duttilizzano una lega a media entropia".