Una lega metallica composta da niobio, tantalio, titanio e afnio ha colpito gli scienziati con la sua impressionante forza e tenacità sia a temperature estremamente calde che fredde, una combinazione di proprietà che finora sembrava quasi impossibile da ottenere.
Resistenza della lega alla flessione e al cracking
In questo contesto, la resistenza è definita come quanta forza un materiale può sopportare prima che venga deformato in modo permanente dalla sua forma originale, e la tenacità è la sua resistenza alla frattura (cracking).
La resistenza della lega alla flessione e alla frattura in un’ampia gamma di condizioni potrebbe aprire la porta a una nuova classe di materiali per i motori di prossima generazione in grado di funzionare con efficienze più elevate.
Il team, guidato da Robert Ritchie del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell’UC Berkeley, in collaborazione con i gruppi capitanati dai professori Diran Apelian dell’UC Irvine ed Enrique Lavernia della Texas A&M University, ha scoperto le proprietà sorprendenti della lega e poi ha capito come nascono dalle interazioni nella struttura atomica.
Lo studio
“L’efficienza della conversione del calore in elettricità o spinta è determinata dalla temperatura alla quale viene bruciato il carburante: più è caldo, meglio è. La temperatura operativa tuttavia è limitata dai materiali strutturali che devono resistere”, ha affermato il primo autore David Cook, ricercatore del laboratorio di Ritchie.
“Abbiamo esaurito la capacità di ottimizzare ulteriormente i materiali che attualmente utilizziamo ad alte temperature e c’è un grande bisogno di nuovi materiali metallici. Questo è quello in cui questa lega si dimostra promettente”.
La lega osservata in questo studio proviene da una nuova classe di metalli noti come leghe refrattarie ad alta o media entropia (RHEA/RMEA). La maggior parte dei metalli che vediamo nelle applicazioni commerciali o industriali sono leghe costituite da un metallo principale mescolato con piccole quantità di altri elementi, ma gli RHEA e gli RMEA sono realizzati mescolando quantità quasi uguali di elementi metallici con temperature di fusione molto elevate, il che conferisce loro proprietà uniche che gli scienziati stanno ancora svelando. Il gruppo di Ritchie sta studiando queste leghe da diversi anni a causa del loro potenziale per applicazioni ad alta temperatura.
“Il nostro team ha svolto lavori precedenti su RHEA e RMEA e abbiamo scoperto che questi materiali sono molto resistenti, ma generalmente possiedono una tenacità alla frattura estremamente bassa, motivo per cui siamo rimasti scioccati quando questa lega ha mostrato una tenacità eccezionalmente elevata“, ha affermato l’autore Punit Kumar, un ricercatore post-dottorato del gruppo.
Secondo Cook, la maggior parte degli RMEA hanno una resistenza alla frattura inferiore a 10 MPa√m, il che li rende alcuni dei metalli più fragili mai registrati. I migliori acciai criogenici, appositamente progettati per resistere alla frattura, sono circa 20 volte più resistenti di questi materiali.
Eppure la lega RMEA di niobio, tantalio, titanio e afnio (Nb 45 Ta 25 Ti 15 Hf 15 ) è stata in grado di battere anche l’acciaio criogenico, risultando oltre 25 volte più resistente delle tipiche RMEA a temperatura ambiente.
I motori però non funzionano a temperatura ambiente. Gli scienziati hanno valutato la resistenza e la tenacità a cinque temperature totali: -196°C (la temperatura dell’azoto liquido), 25°C (temperatura ambiente), 800°C, 950°C e 1200°C. L’ultima temperatura è circa 1/5 della temperatura superficiale del Sole.
Il team ha scoperto che la lega aveva la massima resistenza al freddo e diventava leggermente più debole con l’aumentare della temperatura, ma vantava comunque valori impressionanti in tutto l’ampio intervallo. La resistenza alla frattura, calcolata in base alla forza necessaria per propagare una fessura esistente in un materiale, è risultata elevata a tutte le temperature.
Per capire cosa stava succedendo all’interno dello straordinario metallo, il co-investigatore Andrew Minor e il suo team hanno analizzato i campioni stressati, insieme ai campioni di controllo non piegati e non fessurati, utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione quadridimensionale (4D-STEM) e la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) presso il Centro Nazionale di Microscopia Elettronica, parte della Fonderia Molecolare del Berkeley Lab.
Conclusioni
I dati della microscopia elettronica hanno rivelato che l’insolita tenacità della lega deriva da un effetto collaterale inaspettato di un raro difetto chiamato banda attorcigliata. Le bande attorcigliate si formano in un cristallo quando una forza applicata fa sì che le strisce del cristallo collassino su se stesse e si pieghino bruscamente.
La direzione in cui il cristallo si piega in queste strisce aumenta la forza percepita dalle dislocazioni, facendole muovere più facilmente. A livello di massa, questo fenomeno provoca l’ammorbidimento del materiale (il che significa che è necessario applicare meno forza al materiale mentre viene deformato).
Il team sapeva da ricerche precedenti che le bande di piegatura si formavano facilmente negli RMEA, ma presumeva che l’effetto di ammorbidimento avrebbe reso il materiale meno resistente rendendo più facile la diffusione di una fessura attraverso il reticolo, ma in realtà non è così.
“Mostriamo, per la prima volta, che in presenza di una forte fessura tra gli atomi, le bande di piegamento resistono effettivamente alla propagazione di una fessura distribuendo il danno lontano da essa, prevenendo la frattura e portando a una resistenza alla frattura straordinariamente elevata“, ha affermato Cook.
La lega Nb 45 Ta 25 Ti 15 Hf 15 dovrà essere sottoposta a molte più ricerche fondamentali e test ingegneristici prima di realizzare qualcosa come la turbina di un aereo a reazione o l’ugello di un razzo SpaceX, ha affermato Ritchie, perché gli ingegneri meccanici richiedono giustamente una profonda comprensione di come si comportano i loro materiali prima di usarli nel mondo reale. Tuttavia, questo studio indica che il metallo ha il potenziale per costruire i motori del futuro.
Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Science.
