Superslitina budoucnosti

Jedná se o zcela novou, téměř nezničitelnou kovovou slitinu, která nepraská při extrémních teplotách kvůli deformaci krystalů na atomové úrovni. Pozoruhodný materiál, jehož klíčové složky tvoří niob, tantal, titan a hafnium, které jsou samy o sobě ve své čisté formě známy svou tvrdostí a vysokým tavným bodem, kombinující hned celou skupinu těchto prvků extrémních vlastností patří mezi nejzajímavější objevy poslední doby. Představuje jeden z vůbec nejtvrdších materiálů vůbec.

„Nemožný“ materiál jako žádný jiný
Kovová slitina šokovala materiálové vědce svou působivou pevností a houževnatostí při extrémně vysokých i nízkých teplotách, což je kombinace vlastností, kterých se dosud zdálo být téměř nemožné dosáhnout. Odolnost vůči ohybu a lomu v obrovském rozsahu podmínek by mohla otevřít dveře nové třídy materiálů pro raketové či letecké motory nové generace, které mohou pracovat s vyšší účinností. Ovlivnit může ale i řadu dalších průmyslových oborů včetně automotive či military aplikací.
Slitina, publikovaná ve studii dubnového vydání magazínu Science, pochází z nové třídy kovů známých jako žáruvzdorné slitiny s vysokou nebo střední entropií (RHEA/RMEA). Většina slitin je vyrobena z jednoho hlavního kovu smíchaného s malým množstvím jiných prvků, ale materiály RHEA a RMEA se vyrábějí smícháním téměř stejného množství kovových prvků s velmi vysokými teplotami tání, což jim dává unikátní vlastnosti.
Obecně jsou slitiny velmi pevné, ale mají nízkou lomovou houževnatost, zatímco nová slitina vykazovala tuto houževnatost výjimečně vysokou. Vědci zjistili, že nejvyšší pevnost má za studena a s rostoucí teplotou mírně slábne, ale stále se může pochlubit působivými hodnotami v celém širokém rozsahu. Lomová houževnatost (daná silou potřebnou k šíření existující trhliny v materiálu) byla vysoká při všech teplotách, jež vědci posuzovali: -196 °C (teplota kapalného dusíku), 25 °C (pokojová teplota), 800 až 1200 °C (tzn. asi 1/5 povrchové teploty Slunce).

Tajemství atomových uspořádání
Téměř všechny kovové slitiny jsou krystalické, tzn., že atomy uvnitř materiálu jsou uspořádány v opakujících se jednotkách. Žádný krystal však není dokonalý, všechny obsahují vady a nejvýraznější defekt se nazývá dislokace, což je nedokončená rovina atomů v krystalu. Když je na kov aplikována síla, způsobí to pohyb mnoha dislokací, aby se přizpůsobily změně tvaru. Pohyb dislokací se však stává obtížnější při nižších teplotách, takže mnoho materiálů křehne, protože dislokace se nemohou pohybovat. To je např. důvod, proč ocelový trup Titaniku praskl, když narazil na ledovec. Prvky s vysokými teplotami tání a jejich slitiny to dovádějí do extrému, mnohé zůstávají křehké až do 800 °C. Nový RMEA materiál však popírá tento trend a odolává praskání i při teplotách tak nízkých, jako je kapalný dusík (-196 °C).
Údaje z elektronové mikroskopie odhalily, že neobvyklá houževnatost slitiny pochází z neočekávaného vedlejšího účinku vzácného defektu zvaného zalomený pás (tzv. kink band). Ten vzniká v krystalu, když aplikovaná síla způsobí, že se pásy krystalu zhroutí na sebe a náhle se ohýbají, dochází ke zvyšování síly, kterou dislokace pociťují, takže se pohybují snadněji. Na objemové úrovni tento jev způsobuje měknutí materiálu, dochází ke vzniku drobných prasklin v krystalické mřížce, což často znamená degradaci mechanických vlastností materiálu.
Z minulých výzkumů vědci předpokládali, že změkčující efekt způsobí materiál méně houževnatý tím, že usnadní šíření trhliny skrz mřížku. Ale v tomto případě došlo k pootočení jednotlivých struktur, aniž by se jakkoli zdeformovaly či narušily. Nová slitina se dokázala adaptovat v prostoru, v němž se zmiňované krystaly pohybují.
Slitinu Nb45Ta25Ti15Hf15 nyní čeká další vývoj a testy, aby vědci pochopili, jak se nový materiál bude chovat při vystavení např. extrémnímu chladu a následně extrémnímu horku.

Josef Vališka
Foto: Berkeley Lab

Publikováno: 23. 7. 2024 | Počet zobrazení: 32 3