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May 25, 2023

材料が硬くなると科学者は測定を始める

ストレスに強い – これは、信頼する人にとっても、信頼する材料にとっても有益な特性です。 橋や飛行機の材料などの構造物には、強度がありながらも可能性が低いことが必要です。

ストレスに強い – これは、信頼する人にとっても、信頼する材料にとっても有益な特性です。 橋や飛行機の材料などの構造物には、強度があり、割れにくいことが求められます。

エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所とオークリッジ国立研究所の科学者は、これまでに記録された中で最も丈夫な材料であるクロム、コバルト、ニッケルの金属合金を測定しました。 科学者が靭性を測定するために使用する測定では、飛行機に使用されるフレームは 35、最高の鋼材は約 100 です。対照的に、この素​​材は 500 でした。 また、この素材は寒くなるにつれて硬くなりますが、これは非常に珍しいことです。

材料の靭性は、材料の強さと延性、応力に応じて曲げたり伸ばしたりする能力の組み合わせです。 ほとんどすべての材料において、強度と延性はトレードオフの関係にあります。 どちらかが多ければ、もう一方は少なくなります。 それは金属が結晶だからです。 それらは何度も繰り返される単一の単位で構成されています。 これらのユニットは、ルービック キューブのような 3D 格子を構成します。 強度と延性の特性は格子の特性に依存します。

ただし、単一ユニットが完全に同じではない小さな場所が常に存在します。 物理学者はこれらの欠陥を欠陥と呼びます。 多くの場合、それらはユニットが接する境界にあります。 一般的なタイプの欠陥の 1 つは転位と呼ばれます。 それは、格子の不完全な部分と完全な部分が出会う場所です。 材料に力を加えると転位が移動し、材料が曲がります。 転位が移動しやすいほど、材料の延性は高くなります。 対照的に、転位の移動を妨げる障害物がある場合、材料は強度が高くなります。 曲げるにはもっと力が必要です。 ただし、それにより脆くなり、ひび割れが発生しやすくなります。

この合金は、強度と延性がトレードオフであるのではなく、両方を豊富に備えているため、珍しいものです。 その独自性の一部は、それが高エントロピー合金であるという事実に由来します。 合金は金属の混合物です。 それらは、混合内のさまざまな要素からの特性を持っています。 ほとんどの合金は、ほとんどが 1 つの元素に少量の別の元素が添加されたものです。 しかし、高エントロピー合金には、各元素が均等に混合されています。 これにより、応力下で非常に高い強度と延性が得られます。 このグループの中でも、この特定の合金は独特です。 3 つの異なる転位障害があり、特性のユニークな組み合わせが得られます。

材料科学者は 20 年前に高エントロピー合金を開発しましたが、それらがどれほど優れているかを正確にテストする技術を手に入れたのはつい最近のことです。 ほぼ10年前、バークレー研究所の科学者はこの物質を-321°Fまで下げました。彼らはそれをより低い温度でテストしたいと考えていましたが、その技術は利用できませんでした。 昨年、チームは液体ヘリウムの温度、つまり華氏マイナス 424 度でテストしました。 さらに、新しい顕微鏡技術により、さまざまな結晶や欠陥をわずか数原子の幅まで検査できるようになりました。

このマテリアルは、当分アプリケーションで使用されることはありません。 飛行機や橋に使用する前に、材料を精製してテストするには長い時間がかかります。 しかし、この材料を測定し理解することで、特に深宇宙のような極限環境での使用に近づくことができます。 さらに、科学者が、より豊富で安価な元素から同様の特性を持つ材料をどのように作成できるかを理解するのにも役立ちます。