Δύο πειραματικά κράματα αντιστάθηκαν στη ρηγμάτωση στους περίπου −253°C, δημιουργώντας νέα κρυσταλλικά ελαττώματα, γεγονός που προσφέρει μια πιθανή οδό για τη δημιουργία πιο ανθεκτικών μετάλλων για συνθήκες ακραίου ψύχους.
Η συμπεριφορά των κραμάτων
Τα περισσότερα μέταλλα γίνονται ισχυρότερα καθώς ψύχονται, αλλά ορισμένα γίνονται επίσης πιο ευάλωτα στη θραύση. Ο σίδηρος, το βολφράμιο και το χρώμιο ανήκουν σε μια κατηγορία που ονομάζεται «μέταλλα με κυβική χωροκεντρωμένη δομή» (body-centered cubic metals), η ατομική διάταξη των οποίων μπορεί να τα καταστήσει όλο και πιο ψαθυρά (εύθραυστα) καθώς πέφτει η θερμοκρασία. Μια ρωγμή, την οποία το μέταλλο θα μπορούσε υπό άλλες συνθήκες να αντιμετωπίσει μέσω κάμψης ή επιμήκυνσης, μπορεί σε αυτή την περίπτωση να οδηγήσει σε θραύση.
Αυτή η ικανότητα παραμόρφωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κίνηση των «γραμμικών ατελειών» (dislocations) — ελαττωμάτων με γραμμική μορφή εντός της κρυσταλλικής δομής του μετάλλου. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η κίνηση αυτών των ατελειών καθίσταται δυσκολότερη, περιορίζοντας τον βαθμό στον οποίο το υλικό μπορεί να παραμορφωθεί ώστε να εκτονώσει τις δυνάμεις που συσσωρεύονται γύρω από μια ρωγμή.
Τα κράματα αντιστέκονται στη ρηγμάτωση
Δύο πειραματικά κράματα με βάση το νιόβιο και το τιτάνιο απέφυγαν αυτό το πρόβλημα ακόμη και στους 20 Kelvin (περίπου −253°C), αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο παραμορφώνονται. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα —με τη συμμετοχή του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ, του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley και του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης— διαπίστωσε ότι τα κράματα παρέμειναν εξαιρετικά ανθεκτικά στη ρηγμάτωση, χωρίς καμία μετρήσιμη μετάβαση σε ψαθυρή συμπεριφορά, ακόμη και στη χαμηλότερη θερμοκρασία που εξετάστηκε. Τα ευρήματά τους, τα οποία δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, αποκαλύπτουν πώς τα κράματα δημιουργούν νέες δυνατότητες παραμόρφωσης, όταν ο συνήθης μηχανισμός καθίσταται δυσχερής.
Για να ελέγξουν τα κράματα υπό αυτές τις συνθήκες, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το όργανο Engin-X στην εγκατάσταση ISIS Neutron and Muon Source, στο Όξφορντσαϊρ. Ψύξαν τα δείγματα με αέριο ήλιο στους περίπου −253°C και στη συνέχεια τα εξέθεσαν σε δέσμη νετρονίων, ενώ ταυτόχρονα μια μηχανή δοκιμών ασκούσε εφελκυστική δύναμη και στα δύο άκρα τους. Οι δοκιμές μέτρησαν με ακρίβεια τη δύναμη που μπορούσαν να αντέξουν τα δείγματα, καθώς και τον βαθμό επιμήκυνσής τους πριν από τη θραύση.
Κρυσταλλικά ελαττώματα που επιτρέπουν τη συνεχή παραμόρφωση των κραμάτων
Η χρήση ηλεκτρονικών μικροσκοπίων επέτρεψε στην ερευνητική ομάδα να εξετάσει τις δομικές Οι ερευνητές παρατήρησαν τον σχηματισμό διδύμων σε νανοκλίμακα (nanoscale twinning) —μια διαδικασία κατά την οποία μικροσκοπικές περιοχές του κρυστάλλου αναδιατάσσονται σε προσανατολισμούς που αποτελούν κατοπτρικά είδωλα— σε συνδυασμό με έναν τοπικό μετασχηματισμό της κρυσταλλικής δομής. Χρησιμοποίησαν επίσης ανάλυση με ατομικό ανιχνευτή (atom-probe analysis) για να χαρτογραφήσουν την κατανομή των επιμέρους στοιχείων, καθώς και υπολογιστική μοντελοποίηση για να διερευνήσουν πώς οι διάφοροι μηχανισμοί συνεργάζονται ώστε να αποτρέψουν την ψαθυρή θραύση (brittle failure).
Όταν οι νεοσχηματισθείσες δομές έφταναν στα όρια μεταξύ γειτονικών κρυστάλλων, δημιουργούσαν σημεία συγκέντρωσης τάσεων, τα οποία πυροδοτούσαν νέες εξαρθρώσεις (dislocations). Αυτές οι νέες ατέλειες επέτρεπαν στο υλικό να συνεχίσει να παραμορφώνεται και να απορροφά τις δυνάμεις γύρω από μια ρωγμή. Ακόμη και όταν οι υπάρχουσες εξαρθρώσεις δυσκολεύονταν να κινηθούν, τα κράματα ήταν σε θέση να δημιουργήσουν νέες στα όρια αυτά.
Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι πρέπει να αλλάξουμε τον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τους παράγοντες που καθορίζουν τη μετάβαση στην ψαθυρότητα για αυτά τα μέταλλα. Παραδοσιακά, η προσοχή εστιαζόταν στο πόσο εύκολα μπορούν να κινηθούν οι υπάρχουσες εξαρθρώσεις μέσα σε ένα μέταλλο· ωστόσο, τώρα φαίνεται ότι η ικανότητα δημιουργίας νέων εξαρθρώσεων στις διεπιφάνειες μπορεί να είναι εξίσου καθοριστική. Αξιοποιώντας αυτές τις γνώσεις, ίσως μπορέσουμε να σχεδιάσουμε μικροδομικές συνθήκες που θα επιτρέπουν στο υλικό να δημιουργεί τις δικές του διεξόδους, ώστε να διατηρεί την ολκιμότητά του ακόμη και σε ακραίες θερμοκρασίες.
Για δεκαετίες, η μετάβαση από όλκιμο σε εύθραυστο θεωρείται ως ένας θεμελιώδης περιορισμός των κυβικών μετάλλων με επίκεντρο το σώμα. Αυτό που μας εξέπληξε είναι ότι αυτά τα κράματα παραμένουν αξιοσημείωτα ανθεκτικά σε βλάβες ακόμη και στους 20 βαθμούς Κέλβιν. Αποκαλύπτοντας πώς η αδελφοποίηση και ο μετασχηματισμός φάσης συνεργάζονται για να δημιουργήσουν πλαστικότητα πριν από τη συμβατική κίνηση εξάρθρωσης, εντοπίσαμε μια νέα οδό για το σχεδιασμό δομικών κυβικών μετάλλων με επίκεντρο το σώμα που μπορούν να λειτουργήσουν σε ακραία κρυογονικά περιβάλλοντα. Αυτή η κατηγορία υλικών θα είναι εξαιρετικά χρήσιμη για εξαρτήματα που αντιμετωπίζουν ακραίες υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες σε μία εφαρμογή.
www.worldenergynews.gr
