В идеале сталь и связанные со сталью сплавы должны обладать обоими свойствами: они не должны фрагментироваться, например, во время обработки на мельнице или в качестве кузовов автомобилей, попавших в аварию. Другими словами, они должны быть «пластичными», как называют это материаловеды. Однако они также должны быть прочными, чтобы не деформироваться и не ломаться при воздействии слабых сил. Команде, возглавляемой Дирком Раабе, директором Института Макса Планка, и Джемалем Джемом Тасаном, бывшим руководителем исследовательской группы в этом институте, а теперь профессором Массачусетского технологического института в США, теперь удалось объединить оба свойства в одном материале.
На сегодняшний день чрезвычайно пластичные металлические материалы не были особенно прочными, и наоборот.«При разработке этого материала мы следовали новой стратегии, которая в целом открывает новые возможности для дизайна металлических материалов», — говорит Дирк Раабе. Команда начала с типа материала, который в последние годы подвергался обширным испытаниям материаловедами, но который до сих пор был слишком хрупким для многих применений: сплавы, в которых металлурги сочетают одинаковые количества, как правило, из пяти или более различных металлов.
Атомный беспорядок позволяет получать высокопрочные сплавыПоскольку атомы различных элементов распределены по позициям в кристаллических решетках этих материалов без какого-либо идентифицируемого порядка, а энтропия в определенной степени является мерой беспорядка, материалы называются высокоэнтропийными сплавами. Такие материалы могут быть особенно прочными, потому что беспорядок множества различных атомов в структуре затрудняет перемещение дислокаций.
Дислокации — это дефекты кристаллической решетки, которые перемещаются через кристалл, когда материал деформируется. Однако до сих пор имелся один недостаток высокой прочности сплавов с атомным беспорядком: когда такой материал прогибается под давлением, он обычно становится хрупким.С другой стороны, стали, которые в основном содержат железо, обычно еще один основной компонент, и небольшие количества других элементов, таких как углерод, ванадий или хром, часто являются пластичными. Они не хрупкие; однако до сих пор они были недостаточно прочными, чтобы, например, можно было изготавливать кузова автомобилей из более тонких листов.
В кристаллах сталей атомы расположены более или менее правильно. Однако стали становятся особенно пластичными, если они могут переходить с одной конструкции на другую. Это связано с тем, что этот процесс поглощает энергию, которая больше не может приводить к повреждению материала. В кузове автомобиля или других стальных деталях крошечные области затем чередуются с двумя различными атомными расположениями.
Изменение кристаллической структуры делает материал пластичным.Именно это сосуществование различных кристаллических структур до сих пор было пагубным для высокоэнтропийных сплавов. «Сейчас мы перевернули эту концепцию с ног на голову, поскольку недавние исследования показали, что это не важный фактор», — говорит Чжиминг Ли, который сделал этот научный поворот темой своего проекта. Вместе со своими коллегами Ли искал материал, который, с одной стороны, был бы таким же прочным, как высокоэнтропийный сплав, но, как и особенно пластичные стали, имел две сосуществующие кристаллические структуры.
В результате поиска был обнаружен сплав, состоящий из 50% железа, 30% марганца и 10% кобальта и хрома соответственно.«С этим сплавом мы показали, что наша концепция работает», — говорит Раабе. «Если мы и дальше улучшим микроструктуру и состав, мы сможем еще больше повысить прочность и пластичность». Это именно та область, над которой сейчас работают исследователи. Это означает, что они могут раз и навсегда решить дилемму металлообрабатывающей промышленности, заключающуюся в необходимости выбора между прочными или пластичными материалами.
Металлические материалы из кузницы материалов в Дюссельдорфе можно обрабатывать так же легко и экономично, как и особо пластичную сталь, и поглощать столько же энергии удара в результате аварии, когда они включены в кузов автомобиля. В то же время материал должен быть достаточно прочным, чтобы тонкие и, следовательно, недорогие и ресурсосберегающие металлические листы не прогибались при воздействии слабой силы.