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 berubah bentuk secara permanen dari bentuk aslinya, dan ketangguhan adalah ketahanannya terhadap patah (retak). Ketahanan paduan ini terhadap tekukan dan patah pada berbagai kondisi dapat membuka pintu bagi kelas material baru untuk mesin generasi mendatang yang dapat beroperasi pada 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 paduan 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 dengan suhu leleh yang sangat tinggi, sehingga menghasilkan logam-logam tersebut. 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 pada 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 koresponden. 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 untuk menahan patah, sekitar 20 kali lebih keras dibandingkan bahan ini. Namun niobium, tantalum, titanium, dan hafnium (Nb₄₅Menghadapi₂₅Dari₁₅HF₁₅) Paduan RMEA bahkan mampu mengalahkan baja kriogenik, dengan kekuatan 25 kali lebih keras dibandingkan RMEA pada suhu kamar.

Tapi 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 terakhir adalah 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 angka yang mengesankan di seluruh rentang yang luas. Ketangguhan patah, yang dihitung dari seberapa besar gaya yang diperlukan untuk merambatkan retakan yang ada pada suatu material, tergolong tinggi pada semua suhu.

Mengungkap susunan atom

Hampir semua paduan logam berbentuk kristal, artinya atom-atom di dalam material tersusun dalam unit 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 itu menyebabkan banyak dislokasi bergerak untuk mengakomodasi perubahan bentuk.

Misalnya, ketika 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 bahan menjadi rapuh pada suhu rendah karena dislokasi tidak dapat bergerak. Inilah sebabnya mengapa lambung baja Titanic retak saat menabrak gunung es. Unsur-unsur dengan suhu leleh tinggi dan paduannya melakukan hal ini secara ekstrim, dengan banyak unsur yang tetap rapuh bahkan hingga suhu 800°C. Namun, RMEA ini berlawanan dengan tren tersebut, karena mampu bertahan bahkan pada suhu serendah nitrogen cair (-196°C).

Untuk memahami apa yang terjadi di dalam logam yang 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 empat dimensi mikroskop elektron transmisi (4D-STEM) dan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM). ) di Pusat Mikroskop Elektron Nasional, bagian dari Pengecoran Molekuler Lab Berkeley.

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

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

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

Referensi: “Kink band meningkatkan ketahanan patah yang luar biasa 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 pendanaan dari Office of Science 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.