이 합금은 변태입니다 | 사이언스데일리

연구원들은 원자 수준에서 합금 결정의 꼬임이나 굽힘으로 인해 극한의 온도에서도 균열이 발생하지 않는 놀라운 금속 합금을 발견했습니다. 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄으로 구성된 금속 합금은 지금까지 달성하기 거의 불가능해 보였던 특성의 조합인 극한의 고온 및 저온 모두에서 인상적인 강도와 인성을 보여 재료 과학자들을 놀라게 했습니다. 이러한 맥락에서 강도는 재료가 원래 모양에서 영구적으로 변형되기 전에 견딜 수 있는 힘의 양으로 정의되며, 인성은 파손(균열)에 대한 저항력으로 정의됩니다. 광범위한 조건에서 굽힘 및 파손에 대한 합금의 탄력성은 더 높은 효율로 작동할 수 있는 차세대 엔진을 위한 새로운 종류의 재료에 대한 문을 열 수 있습니다.

로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 연구소)와 UC 버클리의 로버트 리치(Robert Ritchie)가 이끄는 팀은 UC 얼바인의 Diran Apelian 교수와 텍사스 A&M 대학의 Enrique Lavernia 교수가 이끄는 그룹과 협력하여 합금의 놀라운 특성을 발견하고 알아냈습니다. 원자 구조의 상호 작용에서 어떻게 발생하는지. 그들의 작업은 2024년 4월 11일에 발표된 연구에 설명되어 있습니다. 과학.

“열을 전기 또는 추력으로 변환하는 효율은 연료가 연소되는 온도에 따라 결정됩니다. 뜨거울수록 좋습니다. 그러나 작동 온도는 이를 견뎌야 하는 구조 재료에 의해 제한됩니다.”라고 첫 번째 저자인 David Cook은 말했습니다. , 박사. 리치 연구실의 학생. “우리는 현재 고온에서 사용하는 재료를 더욱 최적화할 수 있는 능력을 모두 소진했으며 새로운 금속 재료에 대한 큰 필요성이 있습니다. 이것이 바로 이 합금이 가능성을 보여주는 것입니다.”

본 연구에서 사용된 합금은 내화성 고엔트로피 또는 중간 엔트로피 합금(RHEAs/RMEAs)으로 알려진 새로운 종류의 금속입니다. 상업용 또는 산업용으로 사용되는 대부분의 금속은 하나의 주요 금속과 소량의 다른 원소가 혼합된 합금이지만, RHEA 및 RMEA는 거의 동일한 양의 금속 원소를 매우 높은 용융 온도로 혼합하여 만들어집니다. 과학자들이 아직도 밝혀내고 있는 독특한 특성. Ritchie의 그룹은 고온 응용 가능성 때문에 이러한 합금을 수년 동안 조사해 왔습니다.

“우리 팀은 RHEA 및 RMEA에 대한 이전 연구를 수행했으며 이러한 재료가 매우 강하지만 일반적으로 파괴 인성이 매우 낮다는 것을 발견했습니다. 이것이 바로 이 합금이 유난히 높은 인성을 나타냈을 때 충격을 받은 이유입니다.”라고 공동 교신 저자는 말했습니다. 그룹의 박사후 연구원인 푸닛 쿠마르(Punit Kumar).

Cook에 따르면 대부분의 RMEA는 파괴 인성이 10 MPa√m 미만이므로 기록상 가장 부서지기 쉬운 금속 중 하나입니다. 파손에 저항하도록 특별히 설계된 최고의 극저온 강철은 이러한 재료보다 약 20배 더 강합니다. 그러나 니오븀, 탄탈륨, 티타늄, 하프늄(Nb)₄₅깃 달기₂₅의₁₅HF₁₅) RMEA 합금은 극저온 강철도 능가할 수 있었으며 실온에서 일반 RMEA보다 25배 이상 더 인성이 높았습니다.

그러나 엔진은 실온에서 작동하지 않습니다. 과학자들은 -196°C(액체 질소의 온도), 25°C(실온), 800°C, 950°C, 1200°C의 총 5가지 온도에서 강도와 인성을 평가했습니다. 마지막 온도는 태양 표면 온도의 약 1/5입니다.

연구팀은 이 합금이 추위에 가장 높은 강도를 갖고 온도가 상승함에 따라 약간 약해졌으나 여전히 넓은 범위에 걸쳐 인상적인 수치를 자랑한다는 사실을 발견했습니다. 재료의 기존 균열을 전파하는 데 필요한 힘의 크기로 계산되는 파괴인성은 모든 온도에서 높았습니다.

원자 배열 풀기

거의 모든 금속 합금은 결정질입니다. 이는 재료 내부의 원자가 반복 단위로 배열되어 있음을 의미합니다. 그러나 완벽한 결정은 없으며 모두 결함이 있습니다. 움직이는 가장 눈에 띄는 결함은 전위라고 불리며, 이는 결정 내 원자의 미완성 평면입니다. 금속에 힘이 가해지면 모양 변화를 수용하기 위해 많은 전위가 이동하게 됩니다. 예를 들어, 알루미늄으로 만들어진 종이 클립을 구부리면 종이 클립 내부의 전위 움직임이 모양 변화를 수용합니다. 그러나 전위의 이동은 낮은 온도에서 더 어려워지고 결과적으로 전위가 이동할 수 없기 때문에 많은 재료가 저온에서 부서지기 쉽습니다. 이것이 바로 타이타닉호가 빙산에 부딪혔을 때 강철 선체가 부서진 이유입니다. 녹는점이 높은 요소와 그 합금은 이러한 현상을 극한까지 끌어올리며, 대부분은 최대 800°C에서도 깨지기 쉬운 상태로 남아 있습니다. 그러나 이 RMEA는 액체 질소(-196°C)만큼 낮은 온도에서도 스냅을 견딜 수 있어 이러한 추세를 거스릅니다.

놀라운 금속 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해 공동 연구자인 Andrew Minor와 그의 팀은 4차원 주사 투과 전자 현미경(4D-STEM) 및 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 사용하여 구부러지지 않고 깨지지 않은 대조 샘플과 함께 응력을 받은 샘플을 분석했습니다. ) 버클리 연구소 분자 주조소의 일부인 국립 전자 현미경 센터에 있습니다.

전자 현미경 데이터에 따르면 합금의 특이한 인성은 킹크 밴드(kink band)라고 불리는 희귀한 결함의 예상치 못한 부작용에서 비롯된 것으로 나타났습니다. 힘이 가해지면 크리스털 스트립이 스스로 붕괴되어 갑자기 구부러질 때 크리스털에 꼬임 띠가 형성됩니다. 이 스트립에서 결정이 구부러지는 방향은 전위가 느끼는 힘을 증가시켜 더 쉽게 움직이게 만듭니다. 벌크 수준에서 이 현상으로 인해 재료가 부드러워집니다. 즉, 재료가 변형될 때 재료에 더 적은 힘을 가해야 한다는 의미입니다. 팀은 과거 연구를 통해 RMEA에서 꼬임 밴드가 쉽게 형성된다는 것을 알고 있었지만, 연화 효과로 인해 균열이 격자를 통해 더 쉽게 퍼지게 함으로써 재료의 견고성이 낮아질 것이라고 가정했습니다. 그러나 실제로는 그렇지 않습니다.

Cook은 “우리는 원자 사이에 날카로운 균열이 있을 때 꼬임 밴드가 손상을 분산시켜 균열의 전파를 실제로 저항하고 균열을 방지하며 매우 높은 파괴 인성을 유도한다는 사실을 처음으로 보여주었습니다.”라고 말했습니다.

Nb₄₅깃 달기₂₅의₁₅HF₁₅ 합금은 제트기 터빈이나 SpaceX 로켓 노즐과 같은 합금을 만들기 전에 훨씬 더 근본적인 연구와 엔지니어링 테스트를 거쳐야 할 것이라고 Ritchie는 말했습니다. 왜냐하면 기계 엔지니어는 합금을 사용하기 전에 재료의 성능에 대한 깊은 이해가 정당하게 필요하기 때문입니다. 현실 세계. 그러나 이 연구는 금속이 미래의 엔진을 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 나타냅니다.

이 연구는 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, Enrique가 수행했습니다. Berkeley Lab, UC Berkeley, Pacific Northwest National Laboratory 및 UC Irvine의 과학자인 J. Lavernia, Diran Apelian 및 Robert O. Ritchie는 에너지부(DOE) 과학실의 자금 지원을 받았습니다. 실험 및 계산 분석은 분자 주조소(Molecular Foundry)와 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터(National Energy Research Scientific Computing Center)에서 수행되었습니다. 둘 다 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240422120742.htm