От кузнецов к лучевым линиям: 3D-атомные открытия меняют технологию сплавов

к Хироши Танака
5 Комментарии
Alloy Engineering

Инновационные исследования, проведенные учеными Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), открыли новую эру в разработке сплавов. Это новаторское исследование знаменует собой первое в истории трехмерное картирование сплавов средней и высокой энтропии, разработку, которая может произвести революцию в этой области за счет повышения прочности и гибкости этих материалов.

Сплавы, такие как сталь, получаемые в результате сочетания двух или более металлических элементов, играют фундаментальную роль в современной жизни. Они необходимы для строительства зданий, транспорта, приборов и инструментов, включая само устройство, которое вы используете для доступа к этой информации. Инженеры уже давно столкнулись с классическим компромиссом в выборе материалов: твердые сплавы склонны к хрупкости и склонны к разрушению под напряжением, тогда как гибкие сплавы подвержены образованию вмятин.

Примерно два десятилетия назад возможность обойти этот компромисс появилась с разработкой сплавов средней и высокой энтропии. Эти новые материалы предлагают уникальное сочетание твердости и гибкости, которого нет в традиционных сплавах. Термин «энтропия» в их названии обозначает уровень беспорядка в смеси элементов внутри этих сплавов.

Совершив новаторский подвиг, исследовательская группа под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предоставила беспрецедентный взгляд на структуру и характеристики сплавов средней и высокой энтропии. Используя передовые методы визуализации, они выполнили первое в истории трехмерное картирование координат атомов в этих сплавах. Более того, они успешно связали смесь элементов со структурными дефектами, что стало научным прорывом в материаловедении.

В сплавах со средней энтропией сочетаются три или четыре металла примерно в равных пропорциях, а в сплавах с высокой энтропией аналогичным образом сочетаются пять и более металлов. Это резко контрастирует с обычными сплавами, которые преимущественно состоят из одного металла, а другие элементы присутствуют в меньших пропорциях. Чтобы проиллюстрировать значимость исследования, рассмотрим кузнеца, выковывающего меч. Удивительно, но небольшие структурные дефекты делают металлы и сплавы более прочными. Поскольку кузнец неоднократно нагревает ковкий металлический стержень до тех пор, пока он не начнет светиться, а затем быстро охлаждает его, накапливаются структурные дефекты, превращающие стержень в прочный меч.

Исследовательская группа сосредоточилась на определенном типе структурного дефекта, называемом границей двойника, который, как известно, является решающим фактором в исключительном сочетании прочности и гибкости, демонстрируемом сплавами средней и высокой энтропии. Двойникование возникает, когда напряжение заставляет часть кристаллической матрицы изгибаться по диагонали, в то время как окружающие атомы сохраняют свое первоначальное расположение, что приводит к зеркальным отображениям по обе стороны границы.

Создание этих инновационных сплавов представляло собой необычный и быстрый процесс, напоминающий кузнечное ремесло. Ученые расплавили металл при температуре, превышающей 2000 градусов по Фаренгейту, за долю секунды, а затем быстро охладили его. Целью было затвердеть сплав с такой же разнообразной смесью элементов, как и в жидком состоянии. Этот процесс привел к образованию двойниковых границ в шести из десяти наночастиц, причем в четырех из них имеется по паре двойников.

Идентификация этих дефектов потребовала разработки специализированного метода визуализации, называемого атомно-электронной томографией, который использует электроны, поскольку детали атомного уровня намного меньше, чем длины волн видимого света. Полученные данные были отображены в трех измерениях путем захвата нескольких изображений при вращении образца. Настройка атомно-электронной томографии для работы со сложными смесями металлов была кропотливой работой.

Исследователи тщательно нанесли на карту каждый атом внутри наночастиц сплава средней энтропии. Однако некоторые металлы в высокоэнтропийном сплаве были настолько похожи по размеру, что электронная микроскопия не могла различить их. Следовательно, карта этих наночастиц сгруппировала атомы по трем категориям.

Результаты исследования показали, что чем больше атомов различных элементов (или категорий элементов) смешано, тем больше вероятность того, что структура сплава изменится таким образом, что повысится его прочность и гибкость. Эти результаты могут помочь в разработке сплавов со средней и высокой энтропией, придавая дополнительную долговечность и открывая свойства, которые еще не реализованы в традиционных сталях и сплавах, посредством стратегического проектирования смесей элементов.

Изучение дефектных материалов обычно требует изучения каждого отдельного дефекта, чтобы понять его влияние на окружающие атомы. Атомно-электронная томография — единственный метод с необходимым разрешением для достижения этой цели. Способность наблюдать замысловатые атомные структуры внутри таких крохотных объектов поистине замечательна.

Чтобы расширить свои исследования, Мяо и его коллеги сейчас разрабатывают новый метод визуализации, который сочетает в себе атомную электронную микроскопию с методом определения состава образца на основе испускаемых фотонов. Это позволит дифференцировать металлы с атомами одинакового размера. Кроме того, они работают над способами исследования объемных сплавов средней и высокой энтропии и выяснения фундаментальных взаимосвязей между их структурой и свойствами.

Это новаторское исследование было опубликовано в престижном журнале Nature 20 декабря 2023 года. Оно стало возможным при поддержке Министерства энергетики США и проводилось в Molecular Foundry лаборатории Беркли, также спонсируемом Министерством энергетики. Соавторами исследования являются Саман Монири, бывший постдокторант Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Яо Ян, получивший докторскую степень в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 2021 году; и Цзюнь Дин из Сианьского университета Цзяотун в Китае. Среди других соавторов — постдокторанты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Юйсюань Ляо; бывшие постдокторанты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Якунь Юань, Цзихань Чжоу, Лун Ян и Фань Чжу; и Юнган Яо и Лянбин Ху из Университета Мэриленда, Колледж-Парк.

Часто задаваемые вопросы (FAQ) о технологии сплавов

Каково значение этого исследования сплавов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе?

Это исследование Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе является новаторским, поскольку оно знаменует собой первое в истории трехмерное картирование сплавов средней и высокой энтропии, позволяющее лучше понять их уникальные свойства.

Что такое средне- и высокоэнтропийные сплавы?

В сплавах со средней энтропией сочетаются три или четыре металла примерно в равных количествах, а в сплавах с высокой энтропией пять и более металлов сочетаются аналогичным образом, в отличие от обычных сплавов.

Как это исследование повлияет на разработку сплавов?

Выявив атомную структуру и дефекты в этих сплавах, исследование открывает двери для разработки более прочных и гибких сплавов, потенциально совершив революцию в материаловедении.

Какова роль двойниковых границ в этих сплавах?

Границы двойников представляют собой структурные дефекты, имеющие решающее значение для исключительного сочетания вязкости и гибкости, наблюдаемого в сплавах со средней и высокой энтропией.

Что такое атомно-электронная томография и почему она важна?

Атомно-электронная томография — это метод визуализации, используемый для выявления дефектов на атомном уровне, что делает его решающим для понимания того, как дефекты влияют на окружающие атомы в материалах.

Каковы дальнейшие направления этих исследований?

Исследователи разрабатывают новые методы визуализации, чтобы различать металлы с атомами одинакового размера и исследовать фундаментальные взаимосвязи между структурой и свойствами сплавов.

Подробнее о технологии сплавов

Вам также может понравиться

5 Комментарии

ГрамматикаБотаник 1ТП2Т - 1ТП3Т

Отличный контент, но, ребята, не помешало бы проверить орфографию! Это «потрясающе», а не «потрясающе». _xD83D__xDE09_

Отвечать
ИнженерныйМастер 1ТП2Т - 1ТП3Т

Потрясающе! Предупреждение о том, что сплавы меняют правила игры! Это исследование открывает двери для сверхпрочных материалов.

Отвечать
Рецензент123 1ТП2Т - 1ТП3Т

вау, это просто сумасшедшая штука из сплавов, как будто научная фантастика сочетается с кузнечным делом. технология потрясающая.

Отвечать
НаукаGeek27 1ТП2Т - 1ТП3Т

3D-атомное картографирование – супер круто! За этими сплавами, без сомнения, будущее.

Отвечать
НовостиДжанки 1ТП2Т - 1ТП3Т

Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе занимается серьезными научными исследованиями, и это похоже на то, что сплавы сошли с ума. Не могу дождаться, чтобы увидеть, к чему это приведет!

Отвечать

Оставить комментарий

* Используя эту форму, вы соглашаетесь с хранением и обработкой ваших данных на этом сайте.

1ТП1Т — веб-ресурс, посвященный предоставлению актуальной информации о быстро меняющемся мире науки и технологий. Наша миссия — сделать науку и технологии доступными для всех через нашу платформу, объединяя экспертов, новаторов и ученых, чтобы поделиться своими знаниями и опытом.

Подписаться

Подпишитесь на мою рассылку, чтобы получать новые сообщения в блоге, советы и новые фотографии. Давайте оставаться в курсе!

© 2023 1ТП1Т

ru_RUРусский