Científicos asombrados por el material más resistente de la Tierra

Por Lawrence Berkeley National Laboratory 11 de diciembre de 2022

Imágenes generadas por microscopía que muestran la trayectoria de una fractura y la deformación de la estructura cristalina que la acompaña en la aleación de CrCoNi a escala nanométrica durante la prueba de esfuerzo a 20 Kelvin (-424 °F). La fractura se propaga de izquierda a derecha. Crédito: Robert Ritchie/Berkeley Lab

A new study reveals the profound properties of a simple metal alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">aleación.

Los científicos han medido la dureza más alta jamás registrada, de cualquier material, mientras investigaban una aleación metálica hecha de cromo, cobalto y níquel (CrCoNi). El metal no solo es extremadamente dúctil, lo que, en la ciencia de los materiales, significa muy maleable, e impresionantemente fuerte (lo que significa que resiste la deformación permanente), sino que su resistencia y ductilidad mejoran a medida que se enfría. Esto va en contra de la mayoría de los otros materiales existentes.

"En las mismas unidades, la dureza de una pieza de silicio es uno, la estructura de aluminio de los aviones de pasajeros es de aproximadamente 35 y la dureza de algunos de los mejores aceros es de alrededor de 100. Entonces, 500, es un número asombroso". —Robert Ritchie

El equipo, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y el Laboratorio Nacional Oak Ridge, publicó un estudio que describe sus hallazgos sin precedentes en la revista Science el 1 de diciembre de 2022.

"Cuando diseñas materiales estructurales, quieres que sean fuertes pero también dúctiles y resistentes a la fractura", dijo el codirector del proyecto Easo George, presidente del Gobernador para Teoría y Desarrollo de Aleaciones Avanzadas en ORNL y la Universidad de Tennessee. "Por lo general, es un compromiso entre estas propiedades. Pero este material es ambas cosas, y en lugar de volverse quebradizo a bajas temperaturas, se vuelve más resistente".

CrCoNi es un subconjunto de una clase de metales llamados aleaciones de alta entropía (HEA). Todas las aleaciones en uso actualmente contienen una alta proporción de un elemento con cantidades más bajas de elementos adicionales agregados, pero los HEA están hechos de una mezcla igual de cada elemento constituyente. Estas recetas atómicas equilibradas parecen otorgar a algunos de estos materiales una combinación extraordinariamente alta de resistencia y ductilidad cuando se someten a esfuerzos, lo que en conjunto constituye lo que se denomina "resistencia". Los HEA han sido un área candente de investigación desde que se desarrollaron por primera vez hace unos 20 años, pero la tecnología necesaria para llevar los materiales al límite en pruebas extremas no estuvo disponible hasta hace poco.

"The toughness of this material near liquid helium temperatures (20 kelvin, -424 °FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Fahrenheit) es tan alto como 500 megapascales metros de raíz cuadrada. En las mismas unidades, la dureza de una pieza de silicio es uno, la estructura de aluminio de los aviones de pasajeros es de alrededor de 35 y la dureza de algunos de los mejores aceros es de alrededor de 100. Entonces, 500, es un número asombroso", dijo la investigación. co-líder Robert Ritchie, científico senior de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y profesor de ingeniería de Chua en UC Berkeley.

Ritchie y George comenzaron a experimentar con CrCoNi y otra aleación que también contiene manganeso y hierro (CrMnFeCoNi) hace casi una década. Crearon muestras de las aleaciones y luego bajaron los materiales a temperaturas de nitrógeno líquido (alrededor de 77 kelvin o -321 °F) y descubrieron una fuerza y ​​dureza impresionantes. Inmediatamente quisieron continuar su trabajo con pruebas en rangos de temperatura de helio líquido, pero buscar instalaciones que permitieran probar muestras en un ambiente tan frío y reclutar miembros del equipo con las herramientas analíticas y la experiencia necesarias para analizar lo que sucede en el material en un nivel atómico tomó los siguientes 10 años. Afortunadamente, los resultados valieron la pena la espera.

Muchas sustancias sólidas, incluidos los metales, existen en forma cristalina caracterizada por un patrón atómico 3D repetitivo, llamado celda unitaria, que forma una estructura más grande llamada red. La fuerza y ​​tenacidad del material, o la falta de ellas, provienen de las propiedades físicas de la red. Ningún cristal es perfecto, por lo que las celdas unitarias de un material inevitablemente contendrán "defectos", un ejemplo destacado son las dislocaciones: límites donde la red no deformada se encuentra con la red deformada. Cuando se aplica fuerza al material (piense, por ejemplo, en doblar una cuchara de metal), el cambio de forma se logra mediante el movimiento de dislocaciones a través de la red. Cuanto más fácil es que se muevan las dislocaciones, más suave es el material. Pero si el movimiento de las dislocaciones está bloqueado por obstáculos en forma de irregularidades reticulares, entonces se requiere más fuerza para mover los átomos dentro de la dislocación y el material se vuelve más fuerte. Por otro lado, los obstáculos suelen hacer que el material sea más frágil, propenso a agrietarse.

"Pudimos visualizar esta transformación inesperada gracias al desarrollo de detectores de electrones rápidos en nuestros microscopios electrónicos, que nos permiten discernir entre diferentes tipos de cristales y cuantificar los defectos dentro de ellos con una resolución de un solo nanómetro, el ancho de solo unos pocos átomos, que resulta que tiene aproximadamente el tamaño de los defectos en la estructura deformada de NiCoCr". — Andrés Menor

Using neutron diffraction, electron backscatter diffraction, and transmission electron microscopy, Ritchie, George, and their colleagues at Berkeley Lab, the University of BristolThe University of Bristol, a red brick research university in Bristol, England, received its royal charter in 1909. However, it can trace its history back to 1876 (as University College, Bristol) and 1595 (as Merchant Venturers School). It is organized into six academic faculties composed of multiple schools and departments running over 200 undergraduate courses." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La Universidad de Bristol, el Laboratorio Rutherford Appleton y la Universidad de Nueva Gales del Sur examinaron las estructuras reticulares de muestras de CrCoNi que se habían fracturado a temperatura ambiente y 20 K. (Para medir la resistencia y la ductilidad, se tira de una muestra de metal prístino hasta que se fractura, mientras que para las pruebas de tenacidad a la fractura, se introduce intencionalmente una fisura aguda en la muestra antes de extraerla y luego se mide la tensión necesaria para hacer crecer la fisura).

Las imágenes y los mapas atómicos generados a partir de estas técnicas revelaron que la dureza de la aleación se debe a un trío de obstáculos de dislocación que entran en vigor en un orden particular cuando se aplica fuerza al material. Primero, las dislocaciones en movimiento hacen que áreas del cristal se deslicen y se alejen de otras áreas que están en planos paralelos. Este movimiento desplaza capas de celdas unitarias para que su patrón ya no coincida en la dirección perpendicular al movimiento de deslizamiento, creando una especie de obstáculo. La fuerza adicional sobre el metal crea un fenómeno llamado nanohermanamiento, en el que las áreas de la red forman una simetría reflejada con un límite en el medio. Finalmente, si las fuerzas continúan actuando sobre el metal, la energía que se pone en el sistema cambia la disposición de las celdas unitarias, con los átomos de CrCoNi cambiando de un cristal cúbico centrado en la cara a otra disposición conocida como empaquetamiento cerrado hexagonal.

Esta secuencia de interacciones atómicas asegura que el metal siga fluyendo, pero también sigue encontrando nueva resistencia de obstáculos mucho más allá del punto en que la mayoría de los materiales se rompen por la tensión. "Entonces, mientras lo tira, el primer mecanismo comienza y luego comienza el segundo, luego comienza el tercero y luego el cuarto", explicó Ritchie. "Ahora, mucha gente dirá, bueno, hemos visto nanohermanamiento en materiales regulares, hemos visto deslizamiento en materiales regulares. Eso es cierto. No hay nada nuevo en eso, pero es el hecho de que todos ocurren en esta secuencia mágica". eso nos da estas propiedades realmente tremendas".

Los nuevos hallazgos del equipo, junto con otros trabajos recientes sobre HEA, pueden obligar a la comunidad científica de los materiales a reconsiderar nociones arraigadas sobre cómo las características físicas dan lugar al rendimiento. "Es divertido porque los metalúrgicos dicen que la estructura de un material define sus propiedades, pero la estructura del NiCoCr es la más simple que puedas imaginar: son solo granos", dijo Ritchie. "Sin embargo, cuando se deforma, la estructura se vuelve muy complicada, y este cambio ayuda a explicar su excepcional resistencia a la fractura", agregó el coautor Andrew Minor, director de las instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Molecular Foundry en Berkeley Lab y Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley. "Pudimos visualizar esta transformación inesperada gracias al desarrollo de detectores de electrones rápidos en nuestros microscopios electrónicos, que nos permiten discernir entre diferentes tipos de cristales y cuantificar los defectos dentro de ellos con una resolución de un solo nanómetro, el ancho de solo unos pocos átomos, que resulta que tiene aproximadamente el tamaño de los defectos en la estructura deformada de NiCoCr".

La aleación CrMnFeCoNi también se probó a 20 Kelvin y tuvo un desempeño impresionante, pero no logró la misma dureza que la aleación CrCoNi más simple.

Ahora que se comprende mejor el funcionamiento interno de la aleación CrCoNi, esta y otras HEA están un paso más cerca de su adopción para aplicaciones especiales. Aunque estos materiales son costosos de crear, George prevé usos en situaciones en las que los extremos ambientales podrían destruir las aleaciones metálicas estándar, como en las gélidas temperaturas del espacio profundo. Él y su equipo en Oak Ridge también están investigando cómo se podría persuadir a las aleaciones hechas de elementos más abundantes y menos costosos (hay una escasez mundial de cobalto y níquel debido a su demanda en la industria de las baterías) para que tengan propiedades similares.

Aunque el progreso es emocionante, Ritchie advierte que el uso en el mundo real aún podría estar lejos, por una buena razón. "Cuando vuelas en un avión, ¿te gustaría saber que lo que te salva de caer 40 000 pies es una aleación de fuselaje que se desarrolló hace solo unos meses? ¿O te gustaría que los materiales fueran maduros y se entendieran bien? Por eso los materiales estructurales pueden tardar muchos años, incluso décadas, en tener un uso real".

Dong Liu, Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz, Mark Asta, Andrew M. Minor, Easo P. George y Robert O. Ritchie

Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía. La prueba mecánica a baja temperatura y la difracción de neutrones se realizaron en la instalación ENGIN-X ISIS en el laboratorio Rutherford Appleton, dirigida por el primer autor Dong Liu. La microscopía se realizó en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab. Los otros autores de este proyecto fueron Qin Yu, Saurabh Kabra, Ming Jiang, Joachim-Paul Forna-Kreutzer, Ruopeng Zhang, Madelyn Payne, Flynn Walsh, Bernd Gludovatz y Mark Asta.