Az acélnál is erősebb egy új ötvözet

Egy új fémötvözet szilárdságban és keménységben is maga mögé utasította a legkeményebb acélt. Az üveges szerkezetű anyag a jövőben helyettesítheti a jelenleg használt fémeket az épületekben, autókban és hidakban.

A szilárd és a kemény, az erős és a szívós kifejezéseket a hétköznapi életben egymás szinonimáiként használjuk, de az már nem igaz, hogy a legkeményebb anyag egyben a legszilárdabb is. Az üveg például kemény: karcolásálló és nehezen hajlik, viszont ridegsége miatt törékeny. A fémek nem törnek olyan könnyen, mint az üveg, viszont képlékenyebbek. Keménységben a gyémánt (valamint a wurtzit-bórnitrid) a bajnok(ok), szívósságban pedig a szén-nanocsövek, az ezekből font szerkezetek, illetve a grafén. Eddig. Ugyanis az amorf fémek most mindkét "sportágban" az élre kerültek, így többé nem kell kompromisszumot kötni a sérthetetlenség és a törhetetlenség között.

A két jó tulajdonságot egyesítő amorf fémet Marios Demetriou (California Institute of Technology, Pasadena) anyagkutató és munkatársai fejlesztették. A fémek általában gyengék és képlékenyek, mert kristályos rendben sorakozó atomjaik nagy terhelésre könnyen elcsúszhatnak egymás mellett. Az amorf fémek erősebbek, mert szerkezetük rendezetlensége akadályozza az elcsúszásokat. Az olvadt fémben gyorsan rendezetlen, a folyadékokra és az üvegre emlékeztető atomi struktúra áll elő, melynek maradandó alakításához sokkal több energia kell.

Sajnos, ezek az üveges fémek hosszú ideig eredendően ridegnek tűntek. Ennek oka a kis hibák csoportosulása, sávokba rendeződése az anyag fáradásakor. Vajon mi számít hibának egy amorf anyagban? Természetesen az, ami nem amorf: a mikrokristályos gócok. Az ezekből kialakuló sávok repedésekké alakulhatnak, és az anyag eltörik.

Nyírási sávok sűrű hálózata a kísérleti példány feszültségnek kitett részén egy nyitott repedéssel, mely stabil módon terjed a nyaláb közepe felé

Az anyagtudósok azonban ironikusak, és csak azért is extrém nagy számú köteget generáltak az ötvözetben, hogy ellenkező hatást, nagyobb szívósságot érjenek el. "Ha drasztikusan megnöveljük a kötegek számát, azok elkezdenek egymásba fűződni és hálózatot alkotni. Amikor új repedések alakulnak ki az üveges fémben, ezek a hálók a repedéscsúcsok körül sűrűbbé válnak, és blokkolják a növekedésüket" - mondja Demetriou.

Hogyan működhet?

Számos próba után a 109. kísérletben bukkant rá a csapat a helyes keverékre, a megfelelően nagy számú köteg produkálására képes üveges fémre. Az ötvözet sikeres receptje: sok palládium, kevés ezüst és néhány más elem. Hogy ez miért működik, és hogy finomítható, azt további kutatások fogják kideríteni.

Éles hornyot tartalmazó példány szívósságának mérésekor készült pásztázó elektronmikroszkópos felvétel. Nagy feszültség esetén repedés keletkezik egy nyírási sáv megnyílásával, majd stabilan terjed. A kép a vizsgálat végén ábrázolja a mintát, amely nem tört el katasztrofálisan a vizsgálat után, azaz nagyon nagy a törési szívóssága

A kutatócsoport a meghajlított testekben megjelenő repedések hosszát és mélységét, azok növekedésének gyorsaságát vizsgálta. A tervek szerint más elemeket is adnak a keverékhez, hogy tovább javítsák a szívósságot a keménység feláldozása nélkül. Mivel a palládium igen drága, ennek az összetételnek a széles körű felhasználása nem várható, bár az erős és kemény fogászati és orvosi implantátumok készítésére megfelelő lehet. Mérnöki alkalmazásokra azonban a csapat egy olcsóbb változatot keres, amely réz, vas vagy alumínium felhasználásával állítható elő. Ha megtalálják, akkor az új anyag átveheti az acél szerepét a technikában.

Forrás: Nature Materials