Paduan Baru Mengejutkan Para Ilmuwan Dengan Kekuatan dan Ketangguhannya yang Hampir Mustahil

Para peneliti telah menemukan logam yang luar biasa paduan yang tidak akan retak pada suhu ekstrim karena kekusutan, atau pembengkokan, kristal dalam paduan pada tingkat atom.

Paduan logam yang terdiri dari niobium, tantalum, titanium, dan hafnium telah mengejutkan para ilmuwan material dengan kekuatan dan ketangguhannya yang mengesankan baik pada suhu yang sangat panas maupun dingin, kombinasi sifat yang sejauh ini tampaknya hampir mustahil untuk dicapai. Dalam konteks ini, kekuatan diartikan sebagai seberapa besar gaya yang dapat ditahan suatu material sebelum mengalami deformasi permanen dari bentuk aslinya, dan ketangguhan adalah ketahanannya terhadap patah (retak). Ketahanan paduan ini terhadap tekukan dan patah dalam berbagai kondisi dapat membuka pintu bagi material kelas baru untuk mesin generasi mendatang yang dapat beroperasi dengan efisiensi lebih tinggi.

Tim tersebut, dipimpin oleh Robert Ritchie di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan UC Berkeley, bekerja sama dengan kelompok yang dipimpin oleh profesor Diran Apelian di UC Irvine dan Enrique Lavernia di Texas A&M University, menemukan sifat mengejutkan dari paduan tersebut dan kemudian menemukan jawabannya. bagaimana mereka muncul dari interaksi dalam struktur atom. Pekerjaan mereka dijelaskan dalam sebuah penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di jurnal Sains.

“Efisiensi konversi panas menjadi listrik atau daya dorong ditentukan oleh suhu pembakaran bahan bakar – semakin panas, semakin baik. Namun, suhu pengoperasian dibatasi oleh bahan struktural yang harus tahan terhadap suhu tersebut,” kata penulis pertama David Cook, Ph.D. mahasiswa di laboratorium Ritchie. “Kami telah kehabisan kemampuan untuk lebih mengoptimalkan material yang saat ini kami gunakan pada suhu tinggi, dan terdapat kebutuhan besar akan material logam baru. Itulah yang menjanjikan dari perpaduan ini.”

Paduan dalam penelitian ini berasal dari kelas logam baru yang dikenal sebagai paduan entropi tinggi atau sedang tahan api (RHEA/RMEA). Sebagian besar logam yang kita lihat dalam aplikasi komersial atau industri adalah paduan yang terbuat dari satu logam utama yang dicampur dengan sejumlah kecil unsur lainnya, namun RHEA dan RMEA dibuat dengan mencampurkan unsur logam dalam jumlah yang hampir sama pada suhu leleh yang sangat tinggi, sehingga menghasilkan logam-logam ini. . sifat unik yang masih diungkap oleh para ilmuwan. Kelompok Ritchie telah menyelidiki paduan ini selama beberapa tahun karena potensinya untuk aplikasi suhu tinggi.

“Tim kami telah melakukan penelitian sebelumnya mengenai RHEA dan RMEA dan kami menemukan bahwa material ini sangat kuat, namun umumnya memiliki ketangguhan patah yang sangat rendah, itulah sebabnya kami terkejut ketika paduan ini menunjukkan ketangguhan yang sangat tinggi,” kata salah satu penulis terkait. . Punit Kumar, peneliti postdoctoral di kelompok tersebut.

Menurut Cook, sebagian besar RMEA memiliki ketangguhan patah kurang dari 10 MPa√m, menjadikannya salah satu logam paling rapuh yang pernah tercatat. Baja kriogenik terbaik, yang dirancang khusus agar tidak pecah, sekitar 20 kali lebih keras dari bahan ini. Namun, niobium, tantalum, titanium, dan hafnium (Nb₄₅Menghadapi₂₅Dari₁₅HF₁₅) Paduan RMEA bahkan mampu mengungguli baja kriogenik, dengan kekuatan 25 kali lebih keras dibandingkan RMEA pada suhu kamar.

Namun mesin tidak beroperasi pada suhu kamar. Para ilmuwan mengevaluasi kekuatan dan ketangguhan pada lima suhu total: -196°C (suhu nitrogen cair), 25°C (suhu kamar), 800°C, 950°C, dan 1200°C. Suhu akhir sekitar 1/5 suhu permukaan matahari.

Tim menemukan bahwa paduan tersebut memiliki kekuatan tertinggi dalam cuaca dingin dan menjadi sedikit lebih lemah seiring kenaikan suhu, namun masih menghasilkan jumlah yang mengesankan dalam rentang yang luas. Ketangguhan patah, yang dihitung dari seberapa besar gaya yang diperlukan untuk merambatkan retakan pada suatu material, relatif tinggi pada semua suhu.

Mengungkap susunan atom

Hampir semua paduan logam berbentuk kristal, artinya atom-atom dalam material tersusun dalam satuan yang berulang. Namun, tidak ada kristal yang sempurna, semuanya mengandung cacat. Cacat bergerak yang paling menonjol disebut dislokasi, yaitu bidang atom yang belum selesai dalam kristal. Ketika gaya diterapkan pada logam, hal ini menyebabkan banyak dislokasi bergerak untuk mengakomodasi perubahan bentuk.

Misalnya, saat Anda membengkokkan klip kertas yang terbuat dari aluminium, pergerakan dislokasi di dalam klip kertas mengakomodasi perubahan bentuk tersebut. Namun pergerakan dislokasi menjadi lebih sulit pada suhu rendah dan akibatnya banyak material menjadi rapuh pada suhu rendah karena dislokasi tidak dapat bergerak. Inilah sebabnya mengapa lambung baja Titanic retak saat menabrak gunung es. Unsur-unsur dengan titik leleh tinggi dan paduannya melakukan hal ini secara ekstrim, dengan banyak unsur tetap rapuh bahkan pada suhu 800°C. Namun, RMEA ini melawan tren tersebut karena mampu bertahan bahkan pada suhu serendah nitrogen cair (-196°C).

Peta ini menunjukkan pita kekusutan yang terbentuk di dekat ujung retakan selama uji perambatan retak (dari kiri ke kanan) pada paduan pada suhu -196 C. Kredit: Berkeley Lab

Untuk memahami apa yang terjadi di dalam logam luar biasa ini, rekan penyelidik Andrew Minor dan timnya menganalisis sampel yang tertekan, bersama dengan sampel kontrol yang tidak tertekuk dan tidak retak, menggunakan pemindaian mikroskop elektron transmisi empat dimensi (4D-STEM) dan pemindaian mikroskop elektron transmisi. elektron transmisi (STEM). ) di National Electron Microscopy Center, bagian dari Molecular Foundry di Berkeley Lab.

Data mikroskop elektron mengungkapkan bahwa ketangguhan paduan yang tidak biasa ini berasal dari efek samping yang tidak terduga dari cacat langka yang disebut kink banding. Pita kekusutan terbentuk dalam kristal ketika gaya yang diterapkan menyebabkan potongan kristal runtuh dan tiba-tiba membengkok. Arah pembengkokan kristal pada strip ini meningkatkan gaya yang dirasakan oleh dislokasi, menyebabkannya bergerak lebih mudah. Pada tingkat curah, fenomena ini menyebabkan material melunak (artinya lebih sedikit gaya yang harus diberikan pada material saat material berubah bentuk). Tim mengetahui dari penelitian sebelumnya bahwa pita kink mudah terbentuk di RMEA, namun berasumsi bahwa efek pelunakan akan membuat material menjadi kurang keras karena memudahkan retakan merambat melalui kisi. Namun kenyataannya tidak demikian.

“Kami menunjukkan, untuk pertama kalinya, bahwa dengan adanya retakan antar atom yang tajam, kink tape sebenarnya menghambat perambatan retakan dengan mendistribusikan kerusakan menjauhinya, mencegah patah dan menghasilkan ketangguhan patah yang sangat tinggi,” kata Cook.

Catatan₄₅Menghadapi₂₅Dari₁₅HF₁₅ Paduan tersebut perlu menjalani penelitian yang lebih mendasar dan pengujian teknik sebelum membuat sesuatu seperti turbin jet atau pesawat terbang Luar AngkasaX Nozel roket dibuat dari bahan-bahan tersebut, kata Ritchie, karena para insinyur mesin memerlukan pemahaman mendalam tentang kinerja bahan-bahan tersebut sebelum menggunakannya di dunia nyata. Namun, penelitian ini menunjukkan bahwa logam memiliki potensi untuk membuat mesin masa depan.

Referensi: “Kink band meningkatkan ketahanan patah yang sangat baik pada paduan entropi medium tahan api NbTaTiHf” oleh David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J. Lavernia, Diran Apelian dan Robert O. Ritchie, 11 April 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adn2428

Penelitian ini dilakukan oleh David H. Cook, Punit Kumar, Madelyn I. Payne, Calvin H. Belcher, Pedro Borges, Wenqing Wang, Flynn Walsh, Zehao Li, Arun Devaraj, Mingwei Zhang, Mark Asta, Andrew M. Minor, Enrique J . Lavernia, Diran Apelian, dan Robert O. Ritchie, ilmuwan di Berkeley Lab, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory, dan UC Irvine, dengan dana dari Kantor Sains Departemen Energi (DOE). Analisis eksperimental dan komputasi dilakukan di Molecular Foundry dan National Energy Research Scientific Computing Center – keduanya merupakan fasilitas pengguna DOE Office of Science.