آلیاژ جدید،تحت کرنش،رازهایی را برملا می کند!

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی دانشمندانی از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، متوجه مکانیزم­های متعددی شده­اند که باعث ایجاد یک ماده جدید سرما­دوست و یکی از چقرمه­ترین آلیاژهای فلزی تا کنون شده است.

برای دانستن رازهای این ماده  این گروه تحقیقاتی، آلیاژ را با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) در هنگام اعمال کرنش به ماده مطالعه نمودند. تصاویر نشان داد که چندین مکانیزم در مقیاس نانو، یکی پس از دیگری در آلیاژ فعال می­ شوند که همراه با هم در مقابل گسترش آسیب مقاومت می­کنند. در میان این مکانیزم­ ها، پل­ه ایی هستند که در عرض ترک­ها برای جوگیری از انتشار آنها تشکیل می­ شوند. این  پل­ سازی روی ترک، یک مکانیزم مرسوم چقرمه سازی در کامپوزیت­ها و سرامیک ­هاست اما غالبا در فلزات تقویت نشده، دیده نمی ­شود.

یافته­ های آنها می­تواند پژوهش­ های آینده را به سمت طراحی موادی فلزی با تلرانس آسیب نامنطبق هدایت نماید. این پژوهش در نشریه Nature Communications موجود است.

در علم مواد، چقرمگی، مقاومت یک ماده را در برابر شکست توصیف می­کند در حالی ­که استحکام، مقاومت یک ماده در برابر تغییرشکل است. اینکه یک ماده هم بسیار چقرمه باشد و هم مستحکم بسیار نادر است اما CrMnFeCoNi یک آلیاژ عادی نیست. این آلیاژ یک ستاره در میان کلاس جدید آلیاژهای توسعه یافته در حدود یک دهه قبل است که دارای ۵ عنصر یا بیشتر با مقدارهای تقریبا برابر است. در مقابل، بیشتر آلیاژهای معمولی یک عنصر غالب دارند. این آلیاژهای چندجزئی جدید آلیازهای با آنتروپی بالا نامیده می­شوند زیرا عمدتا از یک فاز محلول­ جامد ساده تشکیل می­شوند و بنابراین آنتروپی اختلاط بالایی دارند.

آلیاژهای با آنتروپی بالا موصوعی داغ در پژوهش مواد هستند اما تنها به تازگی به مقدار مناسبی پژوهش درباره انها انجام شده است. در ۲۰۱۴، ریچی و همکارانش دریافتند که در دماهای بسیار کم، هنگامی CrMnFeCoNi که تغییرشکل می­ دهد، پدیده­ای بنام دوقلویی رخ می­دهد که در آن مناطق بلوری همسایه، آرایشی آینه ­ای نسبت به یکدیگر تشکیل می­ دهند. دوقلویی احتمالا در چقرمگی و استحکام شگفت ­انگیز آلیاژ نقش ایفا می­کند. اما دوقلویی بطور گسترده­ای در این آلیاژ در دمای اتاق یافته نمی­ شود (به­جز در پل­های روی ترک) در حالی­ که چقرمگی و استحکام آلیاژ هم­چنان، تقریبا بسیار بالا است.

ریچی می­پرسد: اگر ما دوقلویی را در دمای اتاق نمی­بینیم پس چه مکانیزم­های دیگری باعث این خواص شگفت ­انگیز در آلیاژ می­شوند؟ برای یافتن پاسخ، دانشمندان آلیاژ را در معرض آزمایش­های کرنش­گذاری متعددی در دمای اتاق قرار دادند و از TEM برای مشاهده اتفاقات استفاده کردند.

تصویربرداری در مرور زمان، دو پدیده مربوط به تنش برشی را نشان دادند: حرکت آهسته نابجایی­های کامل که باعث استحکام ماده می­شوند و حرکت سریع نابجایی­های جزئی که داکتیلیته را بهبود م ی­دهند. انها هم­چنین پدیده­ای درباره نابجایی­های جزئی با عنوان ” عیوب نقص چیدمان سه بعدی” مشاهده نمودند که شامل تغییراتی در آرایش سه بعدی اتم­ ها در آلیاژ می­ شود. این نقایص مانند قرار دادن یک توده­ای آجر در برابر یک شکاف در حال رشد، مانع بزرگی برای نابجایی­ ها هستند و آلیاژ را سخت می­ کنند.

تصاویر هم­چنین نسخه نانومقیاسی از جویدن یک تافی دهان­پرکن که باعث جسبیدن دندان­ها به یکدیگر می­شود، بدست آوردند: در برخی موارد، پل­های کوچک تغییرشکل یافته توسط دوقلویی در عرض یک ترک ایجاد می­ شوند که به جلوگیری از پهن­تر شدن ترک کمک می­ کنند. ریچی می­گوید: این پل­ها در سرامیک­ها و کامپوزیت­ های تقویت­شده مرسوم هستند. پژوهش ما نشان داد که همه این مکانیزم­ ها در مقیاس نانو با هم عمل می­کنند تا باعث چقرمگی و استحکام آلیاژ شوند.